精油作為活性食品包裝中的添加劑
ShubhamSharmaabcSandraBarkauskaiteaAmit K.JaiswalabSwarnaJaiswalab
a 食品科學與環境健康學院，科學與健康學院，都柏林理工大學 - 城市校區，Grangegorman，都柏林 7，愛爾蘭
b 愛爾蘭都柏林理工大學環境可持續發展與健康研究所 - 城市校區，Grangegorman，都柏林 7，愛爾蘭
c 工程和表面技術研究中心 (CREST)，FOCAS 研究所，都柏林理工大學 - 城市校區，凱文街，都柏林 8，愛爾蘭
https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.128403
Received 1 July 2020; Received in revised form 30 August 2020; Accepted 12 October 2020
Under a Creative Commons license
強調
- 智能主動包裝（AP）被認為是一種新穎的食品包裝方法。
- 在 AP 中，可以將精油等添加劑加入到包裝材料中。
- 精油增加了食品包裝中的紫外線阻隔性能。
- 與精油結合的包裝和塗層增加了表面疏水性。
- 含有 EO 的 AP 可以通過釋放抗氧化劑或抗菌劑來保存食物。
摘要
食品包裝可被視為一種被動屏障，可保護食品免受紫外線、氧氣、水蒸氣、壓力和熱量等環境因素的影響。它還通過保護免受化學和微生物污染物的影響來延長食品的保質期，並使食品能夠安全運輸和儲存。活性包裝 (AP) 為外部環境與食品之間的相互作用提供了機會，從而延長了食品的保質期。化學活性包裝對食品的化學成分有影響。精油等天然添加劑在活性包裝中的應用可以以薄膜和塗料的形式使用。已經觀察到，AP 有助於保持食品的溫度、濕度水平以及微生物和質量控制。
關鍵詞
1 . 介紹
食品包裝在保護食品免受外部環境影響方面發揮著主要作用。食品包裝的主要目標是以最經濟的方式保存食品，滿足工業和消費者的需求，確保食品安全並儘量減少對環境的影響。食品包裝研究的進步導致了活性包裝和智能包裝的發展。活性包裝是一種新方法，用於延長易腐爛食品的保質期，通過與產品的相互作用來保持或提高預製食品的質量和安全性。此外，活性包裝有可能取代將活性化合物添加到食品中，減少顆粒從包裝材料到食品的移動，謝弗和張，2018 年）。這種包裝系統在減少食源性疾病爆發和食品召回方面也具有優勢（Vilela 等，2018）。智能包裝由“監測包裝食品狀況或食品周圍環境的材料和物品”組成。它可以檢測食品狀況或環境的變化，例如pH值和溫度的變化，從而通過視覺變化指示產品的狀態，從而擴展了傳統包裝材料的功能（Realini和Marcos，2014年）。與智能包裝不同，活性包裝不需要對食品進行任何更改即可高效運行（Brockgreitens & Abbas，2016 年）。
根據食品包裝材料中加入的添加劑類型，活性包裝可分為化學活性和生物活性。在化學活性包裝中用作包裝材料中的活性劑的化學品。它對食品的化學成分和包裝內的氣體有影響（Brockgreitens & Abbas，2016 年）。除氣包裝往往會去除氣體，這會使食品脫水並導致形成不利於微生物生長的環境。包裝中的氧氣會促進需氧菌的生長，並導致食物發生不良變化，如脂肪酸敗和肉變褐（Busolo 和 Lagaron，2012 年））。包裝材料中使用了鐵、鈦、鋅等各種氧反應性材料作為除氧劑（Busolo and Lagaron, 2012 , Di Maio et al., 2015）。乙烯氣體作為催熟劑。乙烯清除劑用於延長水果和生蔬菜的保質期（Brockgreitens 和 Abbas，2016 年，Terry、Ilkenhans、Poulston、Rowsell 和 Smith，2007 年）。此外，生物活性包裝還包含與生物分子相互作用並可能抑制各種微生物生長的抗菌劑（Brockgreitens和Abbas，2016年）。例如，Azadbakht、Maghsoudlou、Khomiri 和 Kashiri (2018)研究了藍桉的摻入殼聚醣中的精油並檢查包裝切片香腸的抗菌活性。結果表明，增加精油濃度可以提高對數降低值。
但是，由於使用化學添加劑和材料會導致不良的健康影響或使包裝對於回收再利用不可持續，從而導致大量廢物，因此對化學活性包裝的關注日益增加。例如，將合成抗氧化劑（如丁基羥基茴香醚）納入活性包裝可提高食品質量，因為這種抗氧化劑具有防止脂質氧化的潛力（Domínguez 等，2018）。儘管丁基羥基茴香醚對食品質量有益並被廣泛用於活性包裝，但它可能會對人體內分泌系統產生破壞性影響 ( Pop, Kiss, & Loghin, 2013）。此外，在活性包裝中加入特定材料也會影響產品安全。根據Martillanes、Rocha-Pimienta、Cabrera-Bañegil、Martín-Vertedor 和 Delgado-Adámez (2017) 的定義，在食品包裝中使用吸水墊是控制食品釋放水分的一種非常成功的方法。然而，這種包裝方法有一些局限性，因為一段時間後，不衛生的果汁會被困在墊子中，導致異味、腐敗和食源性病原體的潛在生長。在這種情況下，可以將天然抗氧化劑如多酚、精油等添加到吸水墊中，以提高食品的質量和安全性。
化學活性包裝的問題導致發現了新的替代方案，例如從天然來源中加入生物活性化合物（Ribeiro-Santos 等人，2017 年；Ribeiro-Santos 等人，2017 年）。由於消費者對天然產品的需求不斷增長，合成添加劑被天然物質如精油、多酚和其他天然提取物所取代（Poojary et al., 2017 , Vinceković et al., 2017）。例如，在活性包裝材料中添加天然抗氧化劑可以保護包裝的肉類免受脂質氧化。抗氧化劑可以與食品和包裝頂部空間相互作用，從而防止在食品中使用活性化合物。抗氧化劑活性包裝可以將抗氧化劑釋放到食品和包裝中，或者從食品或其周圍環境中吸收氧氣和其他化合物。此外，含有天然抗氧化劑（多酚、精油等）的活性包裝是一種節省成本的替代品，也有可能消除食品安全風險（Domínguez 等，2018 年））。因此，天然物質在活性包裝的抗氧化活性中起著重要作用。例如，Lin、Zhu 和 Cui (2018)測試了含有百里香精油/β-環糊精 ε-聚賴氨酸納米顆粒 (TCPNs) 的活性包裝的有效性。結果表明，加入明膠納米纖維的 TCPNs 顯著提高了對空腸彎曲桿菌等細菌的抗菌性能。
這篇綜述文章的重點是精油作為添加劑在活性食品包裝中的應用。已經討論了許多方面，例如目前精油在活性食品包裝中的應用、活性化合物從包裝到食品的遷移、精油摻入對抗氧化和抗菌性能的影響以及精油對包裝微觀結構的影響。此外，還提供了在食品中使用精油的法律方面和未來趨勢。
2 . 精油
精油是從芳香植物的各個部分中提取的揮發性液體，如樹皮、種子、花、果皮、果實、根、葉、木材、果實、整株植物，並根據它們從哪種植物中獲得而命名（El Sawi 等人， 2019 年，Khorshidian 等人，2018 年，里奧斯，2016 年）。根據國際標準化組織（ISO），精油是一個'從柑橘類水果的外果皮從植物來源的天然原料得到的，通過蒸汽蒸餾，通過機械處理產品，或通過乾餾，將水分離後相（如果有的話），也可以在不改變其成分的情況下進行物理處理（Mati & Nat, 2013）。精油可以通過不同的方法提取，例如加氫蒸餾、水蒸氣蒸餾、加氫擴散和溶劑提取（Aziz et al., 2018）。
水力蒸餾是將植物材料浸入容器中的水中並將混合物煮沸的過程。水力蒸餾的主要優點是從具有高沸點的疏水植物中提取，並且該技術能夠在100°C以下提取植物材料（El Asbahani等，2009）。另一種提取方法是水蒸氣蒸餾，這是最常用的。根據Masango (2005), 93% 的萃取物可以從這種蒸汽蒸餾中獲得。植物材料使用蒸汽發生器提供的蒸汽加熱。蒸汽只允許通過植物，而沸水不與植物材料混合。蒸汽提供的熱量決定了植物材料結構分解的有效性並釋放精油。它減少了提取過程中產生的廢水量。在加氫擴散提取中，需要乾燥的植物材料和蒸汽被提供在一個容器中。在此過程中，蒸汽溫度在低溫下降至 100 °C 以下，發生器頂部提供真空（Vian、Fernandez、Visinoni 和 Chemat，2008 年））。另一個方法是溶劑萃取法，其中將丙酮，己烷，乙醚或乙醇等溶劑與植物原料混合，並溫和加熱，過濾並蒸發溶劑。過濾後的混合物與酒精混合以溶解精油，然後在低溫下蒸餾（Tongnuanchan & Benjakul, 2014）。
精油的物理特性包括它們在醚、酒精和固定油中的溶解度高，但在比油密度大的水中溶解度低（Dhifi 等，2016；Filly 等，2016）。精油在室溫下通常為無色液體，並以其獨特的氣味而著稱。這些揮發性液體可以通過折射率測量和它們的高光學活性來表徵（Dhifi et al., 2016）。
這些芳香植物的提取物由碳、氫和氧等有機化合物組成，在某些情況下，還包含氮和硫衍生物。碳和氫原子傾向於吸引官能團，導致精油中的原子框架相對不活躍（Moghaddam & Mehdizadeh，2017 年）。這些芳香液體由於存在不同的官能團而多種多樣，它們以各種形式存在，包括醛、醇、醚、酮、酸、胺、硫化物、環氧化物等（Başer，2007）。
2.1 . 化學成分
根據其化學成分，精油可分為萜烯和碳氫化合物（Moghaddam & Mehdizadeh，2017 年）。
2.1.1 . 萜類
萜烯由不同數量的異戊二烯單元組成（Blowman、Magalhães、Lemos、Cabral 和 Pires，2018 年）。根據異戊二烯單元的數量，萜烯可分為半萜（C 5 H 8）、單萜（C 5 H 8）2、倍半萜（C 5 H 8）2、二萜（C 5 H 8）4等。 （魯布洛塔，2019 年）。幾乎 90% 的精油都由單萜組成。一些單萜結構精油的例子是Lavandula luisieri , Cymbopogon citratus、白茶和綠茶（Dias 等人，2017 年，Santana-Rios 等人，2001 年）。萜烯還可以分為無環、單環和雙環等組（Blowman et al., 2018）。萜類化合物是一種萜烯，其骨架上附著有氧。最常見萜烯的化學結構如圖1所示。
圖1。香精油成分的化學結構（Blowman等，2018）。
2.1.2 . 碳氫化合物
精油的其他成分是由碳和氫原子組成的碳氫化合物。根據其結構，碳氫化合物分為脂肪烴、烷烴和芳香烴。眾所周知，柑橘油具有由 8-10 個碳原子線性連接的脂肪烴引起的特定酸味。此外，具有六個碳原子的脂肪族分子在花油中提供綠葉氣味，而辛醛是造成橙油氣味的原因。精油只含有微量的脂肪族化合物，這些化合物上附著有氧化官能團並產生氣味。另一方面，烷烴由通過單鍵連接在一起的碳原子組成，而炔烴由碳碳三共價鍵組成。Bhavaniramya、Vishnupriya、Al-Aboody、Vijayakumar 和 Baskaran，2019 年）。
2.2 . 精油的種類
精油包含多種混合物，可根據其香氣化合物進行識別。不同類型的精油包括印楝（楝），薰衣草（薰衣草），百里香（百里香），藍桉（桉樹），錫蘭肉桂（肉桂），丁香（丁香），柑橘limonum（檸檬），互葉白千層（茶樹）、Brassica nigra（芥末）等（Bhavaniramya 等，2019）。這些揮發性化合物負責控制微生物生長和保存食物。例如，印楝精油是從印楝樹的籽仁中提取的揮發性混合物。它有令人不快的硫磺和大蒜香氣（Bodiba & Szuman，2018 年）。該研究進行的阿里，蘇丹娜，喬希，和拉金德倫（2016） ，表明楝樹精油顯著改善聚（對苯二甲酸乙二酯）的聚酯織物的抗菌活性。薰衣草精油是通過水蒸氣蒸餾從被稱為Lavandula angustifolia的植物中提取的。這種類型的機油包含幾種化學化合物，包括乙酸芳樟酯，芳樟醇，lavandulol，醋酸lavandulyl，B-ocimene，l-fenchone，viridiflorol，樟腦等。Bhavaniramya 等人，2019 年）。Jamróz、Juszczak 和 Kucharek (2018) 的一項研究在澱粉呋喃明膠 (S/F/G) 薄膜中使用薰衣草精油來測試它們的抗氧化、抗菌和物理特性。結果表明，不同濃度（2%、4%和6%）的薰衣草精油在S/F/G薄膜中對其物理性質有正面和負面影響。同時，抗氧化和抗菌能力顯著提高，從而延長了包裝食品的保質期。
3 . 目前精油在活性食品包裝中的應用
精油因其天然的抗菌、抗氧化或生物防腐作用而被廣泛用於食品工業，有助於延長食品的保質期。水果和蔬菜是最常見的使用精油的食物類型，包括其他類別，如魚製品、肉製品、牛奶和乳製品，以及麵包和烘焙食品。然而，當精油直接添加到食物基質中時，由於其不穩定的揮發性成分與外部因素（如光、氧化和加熱）之間的相互作用，它們開始迅速降解。這就是為什麼最近的技術創造了通過將精油封裝在脂質體、聚合物顆粒和固體脂質納米顆粒中來提高精油穩定性的新方法的原因 ( Fernández-López & Viuda-Martos, 2018）。
此外，歐盟第 450/2009 號法規（歐盟委員會法規第 450/2009 號，2009 年）指出，“活性材料和物品是指旨在延長保質期或維持或改善包裝食品狀況的；它們的設計目的是有意加入會向包裝食品或食品周圍環境釋放或吸收物質的成分”。當活性劑被封裝到包裝材料中時，它們會釋放出可提高食品質量和安全性的活性化合物（歐盟委員會條例第 450/2009 號，2009 年）。
精油在活性包裝中的應用可以以薄膜和塗層的形式使用。薄膜通常是預先製成的薄片，可用作各種食品的覆蓋物、包裝物、分層或包裝。另一方面，塗層被定義為可以塗在可食用產品表面的薄膜（Ribeiro-Santos 等，2017；Ribeiro-Santos 等，2017）。
有幾個例子將精油及其成分結合到活性薄膜中。例如，開發了含有藍桉精油的殼聚醣薄膜，用於包裝切片香腸，具有降低抗菌活性和控制食品系統中食源性污染的巨大潛力（Azadbakht 等，2018）。Perdones、Esriche、Chiralt 和 Vargas進行的另一項研究（2016 年）表明含有檸檬精油的殼聚醣基塗層可以非常有效地延遲草莓的成熟過程，因為它們會降低呼吸頻率。還確定，在儲存 7 天后，檸檬精油的香氣對草莓的感官特性沒有任何影響。
4 . 精油摻入對食品包裝材料微觀結構的影響
可以使用掃描電子顯微鏡 (SEM) 或透射電子顯微鏡 (TEM) 來觀察含有精油等活性化合物的食品包裝材料的微觀結構。SEM 使用電子束掃描含有精油的可食用薄膜的結構，並與不含脂質的薄膜結構進行比較。與傳統的食品包裝材料多為非極性塑料相比，生物降解包裝和食用薄膜通常由多醣和蛋白質組成。如果包裝材料在處置後完全分解或分解為自然元素，則該包裝材料符合生物可降解性。可食用薄膜或塗層由可食用材料製成，例如脂類、多醣或蛋白質。這些可食用的薄膜或塗層是通過將水溶液倒在平坦的表面上，然後在恆溫下乾燥而形成的。精油可以通過使用不同的方法（例如乳化或均質化）摻入可食用薄膜基質中。在水相中，含有聚合物的精油傾向於出現在細乳液中，而在乾燥的薄膜中，脂滴會結合到聚合物結構中。
組分的結構排列對包裝材料的最終微觀結構有影響，在乾燥期間會由於聚結、乳化和液滴絮凝而發生變化。此外，聚合物形成膜對精油的損失有影響。這就是為什麼聚合物和精油之間的相互作用增強了乳液穩定性，從而顯著改善了薄膜的微觀結構 ( Atarés & Chiralt, 2016 )。
根據Atarés、Pérez-Masiá 和 Chiralt (2011) 進行的研究，HPMC 薄膜與姜精油相結合，與不含精油的薄膜相比，這有助於形成更開放的結構和更厚的薄膜。Acevedo-Fani、Salvia-Trujillo、Rojas-Graü 和 Martín-Belloso (2015) 的另一項研究發現，將百里香、檸檬草和鼠尾草等精油添加到海藻酸鹽薄膜中會導致薄膜表面粗糙。
它的成分也可以決定食品包裝材料的最終微觀結構。例如，Atarés、Bonilla 和 Chiralt (2010)用少量肉桂和姜精油製作了酪蛋白酸鈉薄膜。研究表明，在含有均勻分佈的肉桂油的蛋白質基質中觀察到薑油液滴。得出的結論是，兩種精油的不同行為會導致乾燥過程中膜的結構差異，並且是脂質、蛋白質和溶劑之間發生復雜相互作用的結果。
4.1 . 物理特性
含有精油的可生物降解食品包裝材料的物理特性高度依賴於它們的結構。例如，Ojagh、Rezaei、Razavi 和 Hosseini (2010) 進行的研究表明，將肉桂精油摻入殼聚醣薄膜可改善其結構和物理性能，如拉伸強度、表面疏水性和較低的柔韌性。
4.1.1 . 拉伸性能
食品包裝材料的拉伸性能通常取決於聚合物基質和精油成分之間的相互作用。奧賈格等人。(2010)進行的一項研究證明，將肉桂油添加到薄膜中會增加薄膜的拉伸強度，這是由於精油引起聚合物基質重組。此外，眾所周知，精油是複雜的液體，含有多種負責不同功能的揮發性化學物質。精油中最常見的化合物是苯酚，它通過與不同蛋白質位點相互作用導致蛋白質交聯，從而提高薄膜的拉伸強度（Atarés & Chiralt，2016 年）。
4.1.2 . 屏障特性
食品包裝材料的阻隔性能因其防潮能力而在提高產品質量和安全性方面發揮著重要作用。水蒸氣滲透率 (WVP) 和表面疏水性是通過測量水接觸角 (WCA) 來評估的，水接觸角可以確定包裝材料的疏水性/親水性。疏水性/親水性比對包裝材料控制水蒸氣過程的能力有影響。由於精油具有非極性分子結構，這意味著它們是疏水性的，將這些揮發性液體加入親水性聚合物基質中會導致屏障性能的提高（Atarés & Chiralt，2016 年）。皮雷斯等人。(2013) 還進行了一項研究，證明將香茅油、芫荽油、龍蒿油和百里香油加入鱈魚蛋白中可顯著降低水蒸氣滲透率。
4.1.3 . 光學特性：顏色、透明度、光澤
包裝材料的顏色、透明度和光澤等特性會影響食品的外觀和消費者的接受度。包裝材料的表面顏色很大程度上取決於包裝材料中添加的精油的類型和濃度。Yahyaoui、Gordobil、Herrera Díaz、Abderrabba 和 Labidi (2016)用 PLA、迷迭香、桃金孃和百里香精油配製薄膜。這些精油的加入顯示出輕微的顏色變化，當精油濃度增加時，顏色會增加。相比之下，Mohsenabadi、Rajaei、Tabatabaei 和 Mohsenifar進行的研究（2018 年）證明將游離迷迭香精油摻入澱粉-羧甲基纖維素中對薄膜的光學性能沒有顯著影響。Arezoo，Mohammadreza，Maryam和Abdorreza（2019）測試了將肉桂精油和納米TiO 2摻入西米澱粉膜中的過程，發現黃度增加與肉桂精油的顏色有關。
在Sharma、Barkauskaite、Duffy、Jaiswal 和 Jaiswal (2020a)對摻有百里香油和丁香油的聚（丙交酯）-聚（己二酸丁二酯-共對苯二甲酸酯）（PLA-PBAT）薄膜進行的一項研究中，丁香油和百里香油的摻入對包裝薄膜的光學性能有顯著影響。結果表明，與百里香油複合膜相比，丁香油複合膜呈現淡黃色，透明度較低，紫外線阻隔性高（Sharma 等，2020a）。在另一項研究中，作者觀察到，與對照 PLA/PBAT 薄膜相比，加入精油的可生物降解薄膜具有更高的紫外線阻隔性（Sharma、Barkauskaite、Duffy、Jaiswal 和 Jaiswal，2020b）。PLA/PBAT-桉樹薄膜 (10 wt%) 的紫外線阻擋性能比對照薄膜提高了 40%，而 PLA/PBAT-肉桂薄膜 (10 wt%) 的紫外線阻擋性能提高了 80%。由於高濃度的酚類化合物丁香酚可以吸收紫外線，因此在 PLA/PBAT-肉桂薄膜中觀察到了最佳的紫外線阻擋性能（Sharma 等，2020b）。
食品包裝材料的透明度可以通過獲得特定波長下的透光率或應用 Kubelka-Munk 理論來測量 ( Yang, Xu, Li, Zhou, & Lu, 2019 )。Valencia-Sullca、Vargas、Atarés 和 Chiralt（2018 年）使用了這種方法，研究了肉桂和牛至精油對熱塑性木薯澱粉-殼聚醣雙層膜透明度的影響。確定加入精油顯示出更高的不透明度，但會降低薄膜透明度，這取決於精油。含有牛至精油的包裝材料的透明度低於含有肉桂油的薄膜，因為其結構中存在不同的成分，會導致光散射。
將精油加入聚合物基質中可能會降低薄膜的光澤度，從而導致表面粗糙度增加。這種效果可能是由於油滴在薄膜表面內的分散降低了鏡面反射率並增加了粗糙度。懸停，由Valencia-Sullca 等人進行的研究。(2018)確定將牛至和肉桂精油加入木薯澱粉-殼聚醣薄膜中不會影響單層的光澤。
4.2 . 化學性質
含有精油的食品包裝材料的化學性質可以通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）來確定。這種類型的分析允許檢查固體材料並識別其結構中存在的官能團。Hedayati Rad、Sharifan 和 Asadi (2018)研究了含有Zataria multiflora和Rosmarinus officinalis精油的開菲蘭/水性聚氨酯薄膜的物理化學和抗菌性，並確定精油濃度的增加會導致不同的譜帶偏移。這種效果是由於濃度增加引起的精油和薄膜基質之間的分子間相互作用發生了改變。
5 . 活性化合物從包裝到食品的遷移
為特定食品設計合適的包裝可能是一項具有挑戰性的任務，因為包裝材料中存在的一些化合物會遷移到食品中並引起毒性（Sendón 等，2012 年）。然而，在活性包裝系統中，包裝和食品之間的相互作用是首選，其中活性劑如氧氣和乙烯清除劑、二氧化碳釋放劑以及抗菌和抗氧化成分為包裝材料提供功能（Vilela等，2018）。如圖2所示，摻入活性化合物的食品包裝材料可防止氣體、蒸汽、生物、化學和物理變質。
圖2。可食用薄膜和塗層的功能（Salgado、Ortiz、Musso、Di Giorgio 和 Mauri，2015 年）。
有許多因素可能導致活性化合物從包裝遷移到食品。例如，脂肪和水分等食品成分會增加活性包裝中酚類化合物向食品的釋放。此外，高溫和化學親和力/溶解度也可以增加活性劑分子的運動。
遷移測試可用於確定聚合物基質中活性化合物的移動，其中應用特定的時間和溫度條件，具體取決於所包裝食品的類型及其使用和儲存特性。此外，在進行遷移測試時，還必須考慮其他特性，例如聚合物的類型和遷移組分的濃度（Ribeiro-Santos 等，2017；Ribeiro-Santos 等，2017）。
可以使用色譜方法測量活性成分的遷移，該方法允許分離、鑑定和定性包裝中的生物活性化合物。例如，Ribeiro-Santos，de Melo等。(2017 ) 生產了一種摻有精油混合物的乳清蛋白薄膜，並研究了活性化合物向食物和食物興奮劑的遷移。在這項研究中，觀察到桉樹油與其他活性化合物相比遷移最多。此外，確定膜中混合精油的濃度越高，活性化合物向食物的遷移率越高。他們還報告說，溫度升高會導致活性化合物更快地從薄膜中遷移。
6 . 精油摻入對抗氧化性能的影響
食物變質通常是由於氧化過程造成的。它可能會在加工和儲存過程中影響食品，並導致其感官和營養特性發生不可逆轉的變化。脂質氧化是導致食物變質的主要因素之一，因為含有大量脂肪酸的食物更容易被氧化。脂質氧化是變色、質地變化、腐臭味和氣味、營養損失和有毒化合物產生的原因（Wang et al., 2019）。因此，必須在活性包裝中使用天然抗氧化劑代替化學添加劑來防止食品氧化，這將提高消費者對安全產品的接受度。
由於精油富含抗氧化劑，因此常用於可食用薄膜和塗層中（Atarés 等，2010；Jamróz 等，2018）。精油的抗氧化活性可以通過它們作為氧氣清除劑和允許活性劑擴散到塗層食品中的能力來表達。此外，Zheng 等人最近進行的研究。(2019) , 在食用殼聚醣基薄膜中使用橡子澱粉和丁香酚，確定將丁香酚摻入食用薄膜中可顯著提高抗氧化活性（約 86.77%）。
可以使用多種不同的方法來檢查薄膜中精油的抗氧化活性。最常見的分析方法包括 FRAP 分析和 DPPH 分析。FRAP 測定也稱為三價鐵 - 降低抗氧化能力測定。FRAP 或鐵還原抗氧化能力測定法是一種在低 pH 值的比色反應中使用抗氧化劑將 Fe 3+還原為 Fe 2+ 的方法。亞鐵-探針配合物變為藍色，並且在593 nm波長處測量的吸光度與抗氧化劑的總還原能力有關（Atarés＆Chiralt，2016年）。DPPH 或 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl 自由基法用於通過顯示植物和食品提取物中存在的抗氧化劑的清除能力來確定天然產物的抗氧化特性 ( Sujarwo & Keim, 2019 )。Wu 等人使用了這兩種方法。(2019)研究基於殼聚醣的塗層與含有月桂精油和納米銀的脂質體的抗氧化性能。他們發現加入月桂精油和納米銀的塗層具有更高的自由基清除能力。表 1顯示了最近在食品包裝中使用精油的研究。
表1。最近的研究涉及添加精油對薄膜體外抗氧化性能的影響。
| 香精油 | 聚合物 | 結果- | 參考 |
|---|---|---|---|
| 百里香油、檸檬草油和鼠尾草油 | 海藻酸鈉 |
• 百里香油顯示出最強的抗菌活性 • 含有EO和多醣的納米乳液可用於形成可食用薄膜 |
Acevedo-Fani 等。(2015) |
| 丁香酚 | 殼聚醣果膠澱粉 |
• 改善薄膜的功能特性，增強抗菌和抗氧化性能 |
鄭等人。(2019) |
| 胡澤斯塔尼察 | 開菲蘭羧甲基纖維素 |
• 對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌表現出抗菌活性 • 提高抗氧化性能 |
Hasheminya等。(2019) |
| 肉桂油 | 殼聚醣阿拉伯膠食用膜 |
• 提高薄膜的阻水性能 • 大大增強了抗氧化功效 |
徐等人。(2019) |
| 丁香酚和/或生薑精油 | 明膠殼聚醣 |
• 增強的紫外-可見光阻隔和抗氧化性能 • 增加薄膜表面的粗糙度 |
博尼利亞、波洛尼、洛倫索和索布拉爾 (2018) |
| 蠟菊 | 隨著冷氮等離子體 |
• 儲存 1 天后，生物膜中的金黃色葡萄球菌活菌計數低於 2 log CFU/cm 2 |
崔、李、李、林 (2016) |
| R. officinalis L、A . herba alba Asso、O. basilicum L、M. pulegium L。 | 海藻酸鈉 |
• 水分、厚度和拉伸強度降低 • 對食源性致病菌具有很高的抗菌作用，並具有很強的抗氧化能力 |
Mahcene 等人。(2020) |
| 牛至油 | 大豆蛋白 |
• 對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有很強的抗菌活性 • 由於封裝，更好的機械性能和水蒸氣阻隔性能 |
多斯桑托斯帕廖內等。(2019) |
| 迷迭香油、薄荷油 | 殼聚醣果膠和澱粉聚合物 |
• 降低拉伸強度和防水性能。 • 提高靈活性 • 對枯草芽孢桿菌、大腸桿菌和單核細胞增生李斯特菌的抑制區至少增加了 40% |
阿赫特（Akhter），馬蘇迪（Masoodi），瓦尼（Wani）和拉瑟（Rather）（2019） |
| 肉桂油、馬鬱蘭油和百里香油 | 聚丙烯 (PP) 表面 |
• 經過優化的消毒劑可以成功清除PP表面上形成的24到168小時的未成熟和成熟的生物膜。 |
維達奇等人。(2018) |
| 丁香油 | 柑橘果膠 |
• 改善熱穩定性 • 對金黃色葡萄球菌和單核細胞增生李斯特菌的抗菌效率 |
Nisar等。(2018) |
| 姜精油 | 明膠薄膜 |
• 抗氧化活性提高，但未觀察到抗菌活性 |
Alexandre、Lourenço、Bittante、Moraes 和 do Amaral Sobral (2016) |
| 迷迭香提取物 | 木薯澱粉薄膜 |
• 顯著的抗氧化活性，增強的紫外線特性 |
Piñeros-Hernandez、Medina-Jaramillo、López-Córdoba 和 Goyanes (2017) |
| 百里香精油 | β-環糊精 ε-聚賴氨酸納米顆粒，明膠 |
• 對雞上的空腸彎曲桿菌表現出優異的抗菌活性 |
林等人。(2018) |
| 丁香精油 | 聚乳酸和聚（己二酸丁二醇酯-共對苯二甲酸酯） |
• 丁香油表現出 80% 的紫外線阻擋性能 • 觀察到完全殺死金黃色葡萄球菌，即從 6.5 log CFU/mL 減少到 0 log CFU/mL |
夏爾馬等人。(2020a ) |
| 丁香精油（CEO） | ß-環糊精 (ß-CD) |
• 從相對濕度60%吸水 • 彈性降低 |
Maestrello、Tonon、Madrona、Scapim 和 Bergamasco（2017 年） |
| 迷迭香精油 | 澱粉-羧甲基纖維素 |
• 對金黃色葡萄球菌的抑製作用增加，水蒸氣滲透率更高 |
Mohsenabadi等。(2018) |
| 百里香精油 | 聚乳酸和聚（己二酸丁二醇酯-共對苯二甲酸酯） |
• 百里香油複合膜表現出 20% 的紫外線阻隔性能 • 抑制大腸桿菌生物膜生長 71.39% |
夏爾馬等人。(2020a ) |
| 香茅油、香菜油、龍蒿油和百里香油 | 鱈魚蛋白 |
• 降低機械性能，抑制腐敗希瓦氏菌 • 增加抗氧化性能 |
皮雷斯等人。(2013) |
| 月桂精油 | 殼聚醣塗層聚乙烯 (PE) 薄膜 |
• 抗菌活性強。 • 將豬肉在 4°C 下的儲存期從 9 天延長至 15 天 |
吳等人。(2019) |
| 肉桂精油 | 聚乳酸納米薄膜 |
• 對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的MIC約為 1 mg/ml。 • 有效延長豬肉保質期 |
Wen等。(2016) |
| 肉桂精油 | 聚乳酸和聚（己二酸丁二醇酯-共對苯二甲酸酯） |
• 10% (w/w) 肉桂油 PLA-PBAT 薄膜的紫外線阻隔性能提高 80% • 抑制了 89.82% 的大腸桿菌生物膜 • 減少金黃色葡萄球菌4.26日誌CFU / ml的生長 |
夏爾馬等人。(2020b ) |
| 迷迭香油、桃金孃油和百里香油 | 聚乳酸 (PLA) |
• 1.5% 的商業百里香油和 5% 的天然桃金孃油顯著提高了對黑曲霉的抗真菌活性。 |
Yahyaoui 等人。(2016) |
| 薰衣草精油 | 澱粉、呋喃膠和明膠 (S/F/G) 薄膜 |
• 顯示出抗氧化和抗菌能力 |
Jamróz 等人。(2018) |
| 松精油 | 聚乳酸和聚（己二酸丁二醇酯-共對苯二甲酸酯） |
• 更低的楊氏模量和更大的斷裂伸長率 |
埃爾南德斯-洛佩斯等人。(2019) |
| 桉樹精油 | 聚乳酸和聚（己二酸丁二醇酯-共對苯二甲酸酯） |
• 紫外線阻隔性能提高 40% • 減少金黃色葡萄球菌的生長由3.04日誌CFU / ml和大腸桿菌由3.58日誌CFU / ml的 • 抑制84.37% 的大腸桿菌生物膜 |
夏爾馬等人。(2020b ) |
7 . 精油摻入對抗菌性能的影響
由於病原微生物和腐敗微生物的存在，食物會迅速變質。腐敗微生物的生長可能導致脂質氧化，導致食物中的材料降解並改變其外觀、質地、氣味和味道。另一方面，食源性病原體可能直接或間接感染人類並引起某些疾病。將精油等生物活性化合物加入活性包裝中可以延長食品的保質期，從而減少浪費。從芳香植物的不同部位提取的精油含有多種可作為抗菌劑的生物活性化合物（Atarés & Chiralt，2016 年）。圖3 。顯示了精油對微生物的各種活性機制。
圖3。精油的抗菌活性機制（Khorshidian et al., 2018）。
精油的抗菌特性可以通過應用不同的方法在體外評估，包括瓊脂井法、圓盤擴散法、瓊脂稀釋法和肉湯稀釋法。Thielmann、Muranyi 和 Kazman (2019)使用肉湯微量稀釋法測試了 179 種商業精油樣品對食源性致病菌大腸桿菌（E.coli）和金黃色葡萄球菌（S.aureus）的抗菌活性。結果表明，百里香和牛至精油是最有效的，印楝和山蒼子精油可被視為新的抗菌候選物大腸桿菌和金黃色葡萄球菌。
一些精油在用於活性食品包裝的生物可降解材料中的使用可能非常有限，因為它們具有強烈的氣味。然而，將精油添加到食品包裝材料基質中，可以通過與薄膜聚合物產生相互作用並減少抗菌劑向食品中的移動來顯著提高其抗菌性能。抗菌化合物向食品中的遷移取決於多種因素，例如抗菌劑與聚合物基體之間的靜電相互作用，滲透，物理變化和環境條件（Atarés＆Chiralt，2016年）。
如前所述，可以使用不同的方法測試食品包裝材料的抗菌活性。最常見的篩選方法之一是圓盤擴散試驗，其中將薄膜圓盤放置在先前接種的瓊脂平板上。Sánchez Aldana、Andrade-Ochoa、Aguilar、Contreras-Esquivel 和 Nevárez-Moorillón (2015)使用這種方法研究了含有墨西哥酸橙精油的果膠基食用薄膜的抗菌活性。結果表明甘蔗渣果膠膜對大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、蠟狀芽孢桿菌和單核細胞增生李斯特菌表現出更好的體外抗菌活性 而含有墨西哥酸橙甘蔗渣和果渣的薄膜對革蘭氏陰性菌更有效。
8 . 在食品中使用精油的法律問題
為了將精油用作食品中和食品上的調味劑，它們必須由歐盟委員會 (EC) 註冊（委員會，2008 年）。歐盟委員會發布的第 (EC) 號法規 (EC) 第 1334/2008 號包含各種要求，必須落實這些要求以確保安全使用調味劑。它還提供了描述不同類型調味品的定義列表。除此規定外，附件 I 於 2012 年 10 月 1 日推出，其中包含定期審查和更新的歐盟批准調味品清單。法規 (EC) 第 1334/2008 號指出，不得將不良物質添加到食品中，除非它們被列入授權的聯盟清單。
在美國，食品和藥物管理局 (FDA) 也批准了可用作調味劑的精油清單。此外，這些精油被歸類為 GRAS（公認安全）。然而，FDA 指出，如果以推薦量使用精油，則認為它們是安全的（美國 FDA，2018 年）。儘管精油可以用作食品添加劑，但在某些情況下，它們會引起過敏反應。
使用精油會導致不利的健康影響，例如對眼睛、皮膚和粘膜的刺激以及對成分中含有醛和酚基團的油的敏感性（Ali et al., 2015）。Tisserand, Young, Tisserand, and Young (2014)還報告了幾種精油，在急性口服攝入的情況下會引起嚴重的過敏反應。例如，攝入丁香精油會導致酸中毒、肝功能退化、血糖水平降低、抽搐、酮尿甚至昏迷。香茅精油中毒可以通過症狀和體徵來區分，包括發燒、嘔吐、抽搐、紫紺和深而快速的呼吸。因此，確定精油的有效性和毒性之間的平衡至關重要（Ribeiro-Santos, Andrade et al., 2017）。
9 . 使用精油作為食品包裝的局限性
精油在加入食品包裝時具有許多意義，例如增加抗氧化性能、紫外線阻隔性能、抗菌性能等等。但是，它也有一些限制。使用精油作為活性劑的主要缺點是其溶解度低、揮發性高、香氣濃郁以及可能對食品的感官特性產生負面影響。此外，精油具有較差的溶解性、熱敏性和光敏性以及高揮發性。因此，從包裝中丟失精油的機會增加。為了避免 EO 丟失，已經使用了納米乳化和封裝等技術。克服低溶解度和熱和光變性Moghimi、Aliahmadi 和 Rafati (2017)已經在羥丙基甲基纖維素 (HPMC) 薄膜中加入了Thymus daenensis EO納米乳劑( Moghimi et al., 2017 )。此外，Lee and Park (2015)已經通過真空工藝將百里香精油封裝到埃洛石納米管 (HNTs) 中，以控制釋放速率並固化百里香油 ( Lee & Park, 2015 )。
精油在食品包裝中的另一個主要缺點是它可能對食品的感官特性產生負面影響。由於食物由具有復雜基質的各種相互關聯的微環境組成。如果產品中的 EO 含量過高，可能會超過感官可接受的水平，從而導致食品的天然味道發生變化（Ribeiro-Santos 等，2017）。納米纖維被更多地研究作為食品包裝來克服負面影響。Aytac、Ipek、Durgun、Tekinay 和 Uyar（2017 年）製造了百里酚包合物（IC）封裝的電紡玉米醇溶蛋白納米纖維網（玉米醇溶蛋白-THY/γ-CD-IC-NF）作為食品包裝材料（Aytac 等人， 2017 年）。溫等人。(2016), 已經通過靜電紡絲技術將肉桂精油/β-環糊精包合物摻入聚乳酸納米纖維中 ( Wen et al., 2016 )。
10 . 未來的趨勢
有多種食品在儲存期間非常容易受到腐敗微生物和脂質氧化的影響，從而導致市場上的高損失。此外，消費者對健康和安全食品的需求不斷增長，促使研究人員尋找更天然的替代方法，以提高食品的質量和安全性，同時保持其營養價值和感官特性。由於精油被 EC 和 FDA 批准為添加劑，因此它們現在最有可能用於食品中和食品上，而不是合成防腐劑。這就是為什麼由於精油的生物活性特性，人們對在活性包裝中用作添加劑的精油越來越感興趣。
越來越多的研究開發了專利，證明了精油在食品包裝中的有益特性（Ribeiro-Santos, Andrade et al., 2017）。專利號 WO 2013084175A1（Ortoloni、Sagratini、Sirocchi 和 Vittori，2013 年）指出，將迷迭香、檸檬和葡萄樹精油加入包裝材料中，有可能抑制和控制新鮮生物胺的發展生產。此外，在專利 US20160325911A1（Domingo、García、Prieto 和 Saldaña，2016 年) 已申請開發一種用於食品包裝的抗菌組合物，該組合物由水楊醛和香芹酚、百里酚或其混合物組成。此外，專利 US20190008146A（Ramirez & Sanchez，2019 年）的主題是水果和蔬菜的可降解包裝，該包裝由基於聚烯烴的聚合物基質與多種精油如桉樹、肉荳蔻、扁柏、肉桂和牛至組成。將這些精油封裝在可降解包裝中可顯著提高其抗真菌和抗菌性能。張敏，2019年獲得複合精油（丁香精油、肉桂精油和八角茴香精油）30s調質保鮮牛肉方法專利，氣調包裝（Zhang, M., Feng, L., Xu, H. 和 Zhang, W.，南京江高乾燥設備有限公司和江南大學，（2019 年），2019 年）。
11 . 結論
食品包裝在保護食品免受紫外線、氧氣、水蒸氣、壓力、熱量等環境因素影響方面起著至關重要的作用。它還有助於通過防止化學和微生物污染來提高食品安全和延長保質期。有多種包裝技術有助於保持食品質量。主動包裝等更具創新性的方法，由於其在解決生態問題和提高消費者接受度方面的積極作用，已取代了傳統的包裝技術。儘管活性包裝可能含有合成添加劑，但人們對在活性食品包裝的可生物降解材料中使用生物活性化合物（如精油）的興趣日益濃厚。精油是從芳香植物的各個部分中提取的揮發性液體，可以根據它們的香氣化合物進行識別。這些生物活性化合物適用於主動包裝，因為它們能夠防止食源性病原體的生長和保存食品。目前精油在活性食品包裝中的應用包括以薄膜和塗層的形式應用於不同的食品組，如水果、蔬菜、魚產品、肉製品、牛奶和乳製品以及麵包和烘焙食品。精油成分的結構排列對最終包裝材料的微觀結構有影響。根據精油的類型和濃度，它可以增加材料的拉伸、阻隔和光學（顏色、光澤和透明度）性能。活性化合物從可生物降解材料向食品的遷移高度依賴於食品成分，如水分，可加速活性食品包裝材料中酚類化合物的排放。精油可提高包裝材料的抗氧化活性，因為它們具有除氧劑的作用，並使活性劑擴散到塗層食品中。由於精油含有大量的生物活性化合物，它們可以提高包裝材料的抗菌性能，從而保護食品免受致病細菌的侵害。為了將精油用作可生物降解材料的添加劑，它們必須在歐盟委員會註冊。一旦精油被批准為添加劑，
CRediT 作者貢獻聲明
Shubham Sharma：概念化、調查、數據管理、寫作原稿。Sandra Barkauskaite：概念化、調查、數據管理、寫作原稿。Amit K. Jaiswal：概念化、寫作審查和編輯、監督、項目管理、資金收購。Swarna Jaiswal：概念化、寫作審查和編輯、監督、項目管理。
競爭利益聲明
作者聲明他們沒有已知的競爭性經濟利益或個人關係可能會影響本文報告的工作。
致謝
作者要感謝都柏林理工大學- 城市校區在 2017 年 Fiosraigh 獎學金計劃下的資助。
參考
Acevedo-Fani et al., 2015
Domínguez et al., 2018
Fernández-López and Viuda-Martos, 2018
Moghaddam and Mehdizadeh, 2017
Moghimi et al., 2017
Perdones et al., 2016
Realini and Marcos, 2014
Terry, Ilkenhans, Poulston, Rowsell, & Smith, 2007
Zheng et al., 2019
