随着经济条件的改善和人们生活品质的提高，消费者对于食品的安全与营养也越来越关注。而大部分食品容易受到环境中的水分、氧气、微生物等的污染而发生品质下降和变质，因此能起到阻隔水蒸气、氧气等的高阻隔食品包装近年来得到飞速发展和广泛应用。本文将从材料阻隔性的产生和影响因素、四大包装材料的阻隔性能、提高阻隔性的措施等方面加以简述，以期为科学合理地选择阻隔性包装材料，提高所包装食品的品质提供指导。

        一、 包装材料的阻隔性

        包装材料的阻隔性指的是材料阻止小分子透过的性能，其中的小分子包括水分子、O2、N2、CO2以及有机气体等气体分子，既包括阻隔外界气体进入包装内部，也包括阻止包装内部的水分、香气等渗透出去。因此，包装材料的阻隔性可以采用气体透过量（率）或气体透过系数来衡量。GB/T 1038-2000中，气体透过量指的是在恒定温度和单位压力差下，在稳定透过时，单位时间内透过试样单位面积的气体的体积。以标准温度和压力下的体积值表示，单位为cm3 / m 2·d·Pa。气体透过系数则是指在恒定温度和单位压力差下，在稳定透过时，单位时间内透过试样单位厚度、单位面积的气体的体积。以标准温度和压力下的体积值表示，单位为cm3·cm/cm2·s·Pa。

        二、 包装材料阻隔性的影响因素

        对于小分子在非多孔薄膜中的透过机理的解释，目前较为广泛接受的是溶解-扩散模型（Solution-diffusion model）。该模型认为膜一侧的小分子先溶解于膜中，然后在压力差或浓度差等的推动下，从膜的一侧扩散至另一侧，然后在膜的另一侧表面解吸。在这一过程中起决定作用的便是溶解和扩散，因此，小分子在某种膜材料中的透过速率，既与其在膜表面的溶解性有关，也取决于其在膜中的扩散速率。

        小分子在膜表面的溶解性遵从“相似相溶”的原理，即小分子与膜材料二者的极性相近，则小分子易溶解于膜表面，进而在膜中扩散，因此透过率高，阻隔性差；反之，二者的极性差异越大，则膜材料对该小分子的阻隔性越好。以高分子为例，聚乙烯（Polyethylene，PE）和聚丙烯（Polypropylene，PP）等聚烯烃因分子结构较为对称，且无极性基团，为非极性分子。因此，它们对水分子等极性分子的溶解性较差，阻隔效果好，但对于O2、CO2和N2等非极性分子则具有较高的溶解性和透过性。所以，PE和PP等非极性高分子具有良好的水蒸气阻隔性，但气体阻隔性较差，不宜用作阻隔材料。同理，极性较好的乙烯-乙烯醇共聚物（Ethylene vinyl alcohol copolymers，EVOH）、聚偏二氯乙烯（Poly(vinylidene chloride)，PVDC）、聚萘二甲酸乙二醇酯（Polyethylene naphthalene，PEN）、聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）、聚对苯二甲基乙二醇酯（Polyethylene terephthalate，PET），聚酰胺（Polyamide, PA）等聚合物材料则对O2、CO2和N2等气体具有气体良好的阻隔性，但阻湿性较差。

        小分子溶解在膜表面后在膜中的扩散速率则和膜中的自由体积、小分子的分子尺寸和化学结构以及环境因素等有关。自由体积指的是没有被膜材料分子本身所占据的体积，即分子间的空穴。因此，膜材料的自由体积越大，则小分子的扩散速率越高。而材料的自由体积又受环境因素如温度和湿度等的影响。温度越高，分子的运动越剧烈，则自由体积越大，导致材料的阻隔性降低；而湿度则对亲水性材料的影响较大，例如EVOH、PVA等聚合物材料，虽然具有良好的气体阻隔性，但在湿度高的环境中会因吸湿溶胀，自由体积显著增加，从而导致阻隔性急剧降低。

        三、 四大包装材料的阻隔性

        纸、金属、玻璃（和陶瓷）、塑料被称为四大包装材料。目前所用的纸主要由植物纤维组成，其主要化学组分为亲水性的纤维素分子，且纤维和纤维间的孔隙可达微米级，因此纸材料几乎不具有阻湿和阻气性。传统上一般采用疏水改性、施胶等方法改善纸的防潮性能，也可通过聚合物涂布来改善纸的阻隔性能，得到防潮阻气功能的纸材料。

        包装中常用的金属材料为铁和铝。而作为原子晶体，金属原子间排列非常紧密，不利于小分子的透过，因此对水分和气体都具有优异的阻隔性能。玻璃虽然为非晶体，但其主体结构为由Si-O四面体组成的网络结构，Si和O原子紧密连接，因此材料中也几乎无大的孔隙，使其具有优良的阻湿和阻气能力。同时，因为金属和玻璃的耐热性极好，结构稳定，因此在常温下它们的阻隔性几乎不受温度和湿度的影响。但金属材料较高的成本和不透明性，玻璃的比重高和易碎等限制了它们在包装中的很多应用。

        塑料是由聚合物和填料所组成，具有质轻、透明、价格低、易加工、不易碎等诸多优点，在包装中的应用日益广泛，用量急剧增加。因其结构多样，且影响因素较多，因此不同塑料的阻隔性也有很大的差异。如前所述，不同化学组成的聚合物具有不同的极性，因而对不同小分子的溶解性差异显著。同时，聚合物大多为晶态与非晶态共存的结构，晶态结构中分子排列紧密有序因此几乎不具有透过性，所以整个材料的气体透过性则取决于晶态结构的比例，即结晶度。而结晶度又受聚合物分子结构、分子量和加工工艺等的影响。例如，无定型PET的氧气扩散系数为5×1013 m2/s，氧气透过率为0.424 cm/m2·day·atm，而采用冷吹工艺生产的PET瓶结晶度为22%，氧气扩散系数降至2.5×1013 m2/s，氧气透过率也随之降至0.171 cm/m2·day·atm。同时，由于聚合物大分子的分子运动会随温度的升高而加强，导致自由体积增加，阻隔性随之降低甚至丧失。另外，具有亲水性基团的聚合物的阻隔性受湿度的影响也很大。因此，在选择塑料包装时，应根据所包装食品的特点以及贮运环境，选择具有适宜阻隔性的材料。

        四、 包装材料阻隔性的改善方法

        目前对于阻隔性的改善，主要针对于塑料包装材料。常用的改善方法有：

        1. 多层复合

        即将不同材料的膜进行复合，得到的复合膜的阻隔性与复合的层数、每层材料本身的阻隔性以及复合层的厚度有关。目前常用的有三层、五层和七层复合膜。同时，为得到高阻隔的复合膜，中间层通常采用具有优良阻隔性的材料，例如铝箔、EVOH、PVDC、PVA、PA等。采用的复合工艺有干式复合、多层共挤出和多层共挤流延等。

        2. 表面改性或镀层

        表面改性主要是通过化学反应对材料的表面进行基团修饰，从而改变其极性。例如通过等离子体聚合等方法，增强聚烯烃表面的极性，从而提高其气体阻隔性。也可通过物理或化学的方法，将无机金属或氧化物等蒸镀在PET等塑料薄膜表面，形成几十到上百纳米的阻隔层。采用该方法可将普通薄膜的阻氧和阻湿性能提高几十至上百倍，甚至可得到透明、高强度的复合薄膜，因而具有巨大的应用潜力。

        3. 添加填料

        在聚合物中添加无机填料不仅可提高材料的机械强度，且可有效改善材料的阻隔性。尤其是20世纪以来，纳米技术的飞速发展使得各种新型的纳米填料层出不穷，为高阻隔材料的制备开辟了一条新的道路。研究最为广泛且目前已经商业化的是纳米黏土与聚合物的复合材料。纳米黏土是一种层状结构且无透过性的硅酸盐。由于它具有很高的纵横比，添加少量的纳米黏土在聚合物中，就可使气体分子的扩散路径变得曲折，从而降低材料的气体透过率，提高阻隔性。研究表明，无论是非极性的PE、PP，还是极性的PA、PET都可通过添加纳米蒙脱土或高岭土来有效降低其对O2或CO2的透过率。添加了蒙脱土的PET相较于普通PET，其阻隔性可提高3~4倍，可代替传统的玻璃瓶用作啤酒包装。其他纳米填料如纳米银、纳米二氧化钛等纳米金属和金属氧化物以及纳米碳材料石墨烯等，在包装领域都有着巨大的应用潜力。尤其是目前由于环境污染和和能源短缺的问题，迫切需要开发既可生物降解又能满足强度和阻隔性等要求的聚合物。但很多可降解高分子面临着强度较差，对水蒸气敏感等问题，将它们与纳米粒子进行复合得到的复合材料将有望在这些性能方面得到改善。例如蒙脱土可通过溶液插层、原位插层或熔融插层等方法与聚乳酸（Polylactic acid，PLA）复合，使PLA在力学性能、热稳定性以及气体阻隔性等方面均得到提高。而将纳米银与蒙脱土共同加入淀粉中，由于纳米银和蒙脱土的协同作用，可使水分子在淀粉膜中的扩散系数降低约50%，同时使其氧气透过系数降低85%。具有抗菌、抗氧化等功能的纳米粒子还可用于制备活性包装，以更加有效地抑制被包装食品表面微生物的繁殖和营养成分的氧化，从而延长保质期。但在用作食品包装时，纳米材料的迁移和安全性也是需要考虑的关键问题之一，亟待建立有效的检测和评价方法。

        五、 包装材料的阻隔性与食品品质

        从以上介绍可知，不同种类、不同结构的包装材料具有不同的阻湿和阻气性能，且成本和使用条件等也差异显著。因此，在选择食品包装材料时，应从所包装食品的特点、品质要求、预期保质期、贮运条件和成本控制等方面加以综合考虑。一般而言，选择高阻隔材料作为食品包装，除了防止微生物和灰尘的污染外，最重要的是隔绝外界的水蒸气、O2和CO2对包装食品的影响，或者防止具有香味物质的食品如茶叶、香料等的香气通过透过包装而散失。

        食品包装中水分的渗透既会导致食品发生物理变化如干性食品吸湿导致结晶、结块或失去脆性和香味等，也可引起一些化学和微生物的变化，例如加速油脂和色素的氧化分解、促使微生物的繁殖、增强酶活性导致食品产生褐变等。水分的含量对生鲜食品、谷物、奶制品、饼干、茶叶、干果等各类食品的贮藏品质均有较大影响。因此，对于水分敏感的食品在选择包装材料时，应先了解该类食品的吸湿行为（测定等温吸湿曲线和吸湿动力学）以及该食品的品质随水分活度的变化规律，进而综合成本、保质期、贮藏条件等选择具有适宜水蒸气透过率的包装材料。

        除了水分以外，O2的存在也是导致很多食品在贮藏期间品质下降的主要原因之一。例如，O2会导致油脂氧化，产生酸败气味；促进酶促褐变，导致鲜切果蔬变色；促使需氧微生物的生产和繁殖，造成食品腐烂变质；与食品中的某些营养物质如维生素C等反应，降低食品品质；O2浓度过高或过低，都会影响果蔬采后的呼吸强度，进而影响其贮藏时间。具有较好阻氧性能的材料有金属、玻璃、PVDC、EVOH以及高阻隔复合薄膜，并可配合吸氧剂一起使用。如所包装食品既对水蒸气敏感，又对氧气敏感，除了选择金属和玻璃材料做包装外，更可选择多层复合聚合物材料，以同时达到阻湿和阻气的目的。

        六、展望

        随着科技的飞速发展，各种高阻隔材料层出不穷，尤其是以塑料为主体的软包装材料，为更好地延长食品的保质期和提高食品品质提供了保障。但也存在一些问题，例如如何根据被包装食品的特性选择最适宜、综合成本最低的包装材料，还需要更深入和广泛的实验研究，以为工业应用提供较为成熟、可靠的模型。同时，随着环境污染问题的日益加重，应加快研发具有良好包装性能、便于加工且价格低廉的生物可降解聚合物，以取代现在广泛应用的合成塑料。