《Food Research International》：Food spoilage and packaging solutions: Key Mediterranean case studies
摘要
地中海农业食品体系是千年演化的典范，深刻连接着生活方式与独特的可食用资源生物多样性，以结合福祉、健康和韧性而闻名。然而，这一体系正面临不断增长的挑战：生活方式演变、全球经济变化、污染、气候变化和资源稀缺。在此背景下，食品系统的可持续转型成为优先事项，以促进变革，确保生产者和消费者能够遵循传统上在地中海沿岸国家观察到的饮食和生活方式模式（“地中海”风格）。本综述审视了食品生产的多样性、腐败机制的复杂性以及包装策略的演变，以识别地中海地区的关键案例研究，推动包装技术的前沿研究，并支持开发创新的、减少浪费的解决方案。
1. 引言
地中海地区包括22个国家，其中意大利、西班牙和希腊是显著的例子。地中海饮食体现了生态、文化和经济价值，促进生物多样性和当地社区。传统的农业食品实践发展了适应本地条件的多样化栽培品种，适应了区域性的环境、气候和社会经济挑战，确保了资源的可持续利用和区域稳定。然而，低效问题依然存在：农业强度和高暖气候使食品保藏复杂化。当前的新挑战，如气候变化、土地过度开发、小规模农业的衰退、地缘政治不稳定、食品需求上升和资源稀缺，进一步威胁着地中海农业食品的韧性。
该地区是全球受气候变化影响最严重的区域之一，变暖速度比全球平均快约20%。预测表明，到2080年，春季和夏季降雨量将减少30%，夏季以外的强降雨将增加10-20%，再加上人口压力和反复出现的政治危机扰乱了供应链，增加了对进口的依赖。
该地区也遭受着高数量的食物浪费与损失（FWL）（约占总产量的三分之一，联合国粮农组织2021年数据），但这一比率在已经易受气候、人口和政治压力影响的地区产生了不可接受的经济和环境成本。在近东和北非家庭中，这相当于每年人均约114公斤。减少FWL将加强粮食安全，降低环境负担，并通过更好地利用有限资源来增强韧性。
水果和蔬菜在地中海FWL中占比最大（高达45%），其次是鱼和海鲜、乳制品、谷物和烘焙产品（尤其是在埃及、黎巴嫩、突尼斯的面包）以及肉类。水果和蔬菜也是最易腐的食品类别，因此损失率最高，其次是谷物和面包。面包是浪费最严重的食物；例如，突尼斯每年总购买量的近15.7%（相当于3000万欧元）被损失。即使在北部地区粮食安全状况优于南部，减少食物浪费和损失在两地都至关重要。
食品包装的基本作用是在分销、零售和储存期间控制食品质量，并增强食品保存，减少食物浪费和损失。尽管存在大量证据表明应用抗菌包装延长食品货架期的使用益处，但这些解决方案仍然难以市场化，因为它们必须明确针对食品的特定需求。为地中海食品设计高效安全的抗菌包装解决方案需要一种需求驱动的方法，以解决与功效评估、符合食品和食品接触材料法规、环境约束和消费者接受度相关的全球性问题，同时考虑地中海市场的特殊性。
2. 包装在减少食物浪费与损失中的作用：地中海产品/地区的特殊性
2.1. 设计减少FWL的包装的食品需求驱动方法
食品安全问题日益突出，全球食品链日益复杂，加强了对先进、可持续包装解决方案的需求，推动了基于聚合物和复合材料的设计，旨在增强保护、延长货架期和减少环境影响。食品包装的功能是多方面的：容纳产品、提供信息，但尤其是确保食品产品在到达消费者家中之前的运输、完整性和保存。包装在外部大气和内部顶空之间形成屏障，以防止或限制气体、蒸汽、液体和微生物的转移，从而控制相关的食品降解反应。除了阻隔性能，包装材料应具备足够的机械性能以确保食品的完整性。在气调包装（MAP）等技术中，气体成分（O2, CO2, N2）有助于限制储存期间的腐败。然而，为了在整个预期货架期内保持包装内注入的气体成分，包装材料应具有特定的阻隔性能，其目标值取决于产品对变质的敏感性（对氧化中度敏感的产品可能比高度敏感的产品（例如含有高不饱和脂肪的产品）更能耐受储存期间O2渗入包装）。这种食品敏感性与包装规格（如阻隔性能）之间的联系是通过食品需求方法建立的，并始于对变质的深入理解。
除了作为外部大气和内部顶空之间的简单被动屏障外，包装也可以是活性和智能的，提供额外功能以支持食品保存。活性包装（AP）掺入添加剂与食品相互作用，例如，使用清除剂去除氧气或水分，或使用释放剂释放抗菌剂或抗氧化剂。智能包装（IP）集成传感器以实时监控质量，包括时间-温度指示器和新鲜度传感器，提高供应链透明度并帮助消费者减少浪费。添加此类功能使包装的设计和尺寸确定复杂化，但在这里，食品需求方法再次有助于设计高效安全的活性系统。
2.2. 在FWL减缓策略中考虑地中海地区的特殊性
鉴于地中海系统的复杂性，需要合作和跨境方法。FWL管理也与循环经济相一致，循环经济强调再利用、回收以及最小化食品和包装浪费。在资源稀缺的地中海地区，循环策略可以延长资源使用时间，减少影响，并支持可生物降解材料的堆肥或回收。例如，源自天然生物基来源的可生物降解材料正在成为现代食品包装应用中有前景的可持续替代品。
研究强调了两个主题：i）地中海饮食的健康益处，以及ii）产品生命周期内的可持续性。地中海饮食因其营养和环境效益而受到重视。B?to等人（2022）确定了五个可持续性维度：环境、营养、经济、社会文化和伦理，每个维度都有特定的指标支持。包装创新通过保存食品同时推进可持续性来补充这一框架。
城市化和人口变化正在重塑地中海国家的食品需求。有限的自然资源、土地稀缺和不完善的冷链基础设施加剧了食品安全风险和包装挑战。中东和北非的人均农业用地平均仅为0.25公顷，远低于北部地中海国家。因此，大多数地中海国家严重依赖进口，特别是谷物，尽管仅占世界人口的7%，但其谷物进口总量占全球的三分之一。减少损失将改善这些资源有限地区的贸易平衡和韧性。
Capone等人（2014）先前强调了地中海消费模式的不可持续性以及协调研究的必要性。虽然FWL通常与腐败相关，但最近的方法将其置于整合可持续性问题的废物导向经济中。包装是这一视角的核心：它确保供应链上的安全和质量，但常常因其环境影响而受到批评，尤其是塑料。包装的直接影响包括资源消耗、温室气体排放以及塑料在生态系统中的持久性。然而，包装通常仅占产品碳足迹的5-10%，而生产、加工和运输占主导地位。然而，塑料的关键影响不仅限于生产和使用后处理过程中的温室气体排放。现在公认的是，塑料会分解成持久性的微米和纳米尺寸颗粒，这些颗粒易于扩散并在地球上所有环境 compartments 中积累。塑料的这种特殊行为，在所有其他大宗材料中是前所未有的，构成了21世纪最大的健康挑战之一。微塑料和纳米塑料的持久性对地中海至关重要，地中海是受塑料污染最严重的海域之一（估计每天有730吨塑料废物）。地中海表面的微塑料浓度超过了最大阈值，达到每平方公里超过6400万个漂浮颗粒。由于地中海地区不具备所有必要的消费后废物管理设施，包装材料的家庭可堆肥性是抗击地中海持久性塑料污染的一个优势。
生命周期评估常常过分强调包装的直接影响（即生产和后处理过程中的温室气体排放），而忽视了其在减少FWL方面的间接益处。通过延长货架期，包装减少了食品生产的整体足迹。实际上，如果能够防止更大的食物浪费，资源密集度稍高的包装可能会降低整体环境影响。误解这种权衡可能会阻碍节省食物的技术的采用。
消费者行为也起着决定性作用。Brennan等人（2021）回顾了证据，表明包装影响食物浪费决策，但需要更多研究来阐明其作用。2019年，联合国环境规划署估计全球浪费了9.31亿吨食物，约占产量的17%，温室气体排放的8-10%。欧盟委员会（2022年）建立了食物损失与浪费预防中心，旨在到2030年在零售和消费者层面实现50%的减少。然而，特定产品的精确数据仍然稀缺，尤其是在地中海地区。
未来的研究应检验包装对FWL的实际影响，将行为见解应用于消费者浪费，并支持地方、区域和国家层面的政策制定。
3. 食品类别
3.1. 水果和蔬菜
地中海地区的农业丰饶，尤其是其多样化的水果和蔬菜（F&V），在其饮食、文化和经济中扮演着核心角色。这些作物是该地区最具经济相关性的农业食品支柱之一，根据最近的粮农组织和欧盟统计局报告，市场价值超过每年700亿欧元。区域气候支持番茄、柑橘类水果、橄榄和葡萄等作物；然而，它们的易腐性对储存和分销构成了挑战。事实上，最近的评估表明，地中海供应链中新鲜农产品的采后损失仍然是欧洲最高的，主要是由于温度波动、有限的冷链基础设施和增加的微生物负荷。
F&V对人类饮食和农业生物多样性至关重要，提供营养、纤维和遗传多样性。植物学分类基于植物发育、结构和组织，在分配属和种名之前将植物分组为科。该系统澄清了植物起源和关系，有助于跨文化和语言的识别，同时也表明了气候需求、害虫控制和用途方面的相似性。总共为水果和蔬菜确定了14和15个植物科。然而，分类可能具有挑战性，因为不同的植物部位可能具有不同的食品用途。鉴于地中海地区广泛的植物多样性，本节重点介绍四种具有高度经济相关性的标志性物种，作为代表园艺部门变异性的模型作物。两个“模型”新鲜蔬菜是 i) 番茄（Solanum lycopersicum L.）和 ii) 花序如西兰花（Brassica oleracea L.），它们通常作为整包产品出售。对于加工水果/蔬菜，本研究考虑 iii) 苹果（Malus domestica Borkh），以其最小加工形式，以及 iv) 生菜（Lactuca sativa）代表的叶菜，也作为整颗产品和鲜切沙拉包装。对于鲜切苹果和生菜，考虑了它们的最小加工形式，因为它们在该领域的广泛使用和相关性。事实上，加工后，需要特定的包装来维持其质量和安全，而可食用涂层，尚未商业应用，正在被研究作为潜在的替代方案。选择这四种食品模型主要基于它们在地中海地区的广泛消费及其对适当包装解决方案的明确需求。
微生物是F&V的关键组成部分。例如，一个苹果寄居着近1亿个细菌，形成其微生物组，受基因型、土壤和管理的影响。水果微生物组虽然研究不足，但可以影响采后生理、抗病性和质量。来自微生物组研究的见解可能为生物防治、先进包装和天然采后处理等策略提供信息。结合多种技术的综合方法显示出减少采后疾病的潜力。
F&V高度易受腐败和病原微生物的影响，导致估计全球每年损失20%。考虑到供应链限制，如运输、储存和分级标准，损失上升到全球产量的45-50%。采后污染因最小加工、运输和储存而加剧，其中切割、擦伤或表面损伤为微生物创造了入口点，使得鲜切产品比整个产品更易受影响。污染源包括土壤、灌溉水、动物接触和人类处理。鲜切产品在三个主要阶段受到污染：i) 种植和收获，通过暴露于粪便、肥料、土壤和灌溉水中的细菌、霉菌、酵母和放线菌；ii) 加工，通过切割设备或周围环境；以及 iii) 储存。不当的处理、储存和采后加工是导致水果微生物腐败的主要因素之一，强调了控制整个供应链中多种污染途径的重要性。腐败微生物主要包括需氧细菌、酵母和霉菌，如假单胞菌、芽孢杆菌、欧文氏菌、乳酸菌（LAB）和灰葡萄孢，以及一些在营养和水分丰富的表面上繁殖的厌氧菌。致病物种如肠出血性大肠杆菌（EHEC）、单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌、志贺氏菌、弯曲杆菌和几种病毒可能在采前和采后阶段污染农产品。腐败表现为可见的霉菌、变色、异味或微生物产气和产酸导致的质地变化，降低了感官质量和消费者接受度。丝状真菌和细菌也产生代谢副产物，改变风味和质地，加速整体质量下降。温度和湿度是腐败率的关键驱动因素。不良微生物的生长具有环境和经济影响，导致食物浪费、温室气体排放和资源消耗。因此，有效管理从农场到餐桌的微生物污染，特别是在采后处理和最小加工过程中，对于减少浪费和保持质量至关重要，尤其是在储存损失高的地区。
针对先前确定的代表园艺部门模型的产品（即番茄、西兰花、最小加工苹果和最小加工生菜），简要描述了与这些产品相关的主要腐败或不良现象。
约50%的番茄产量损失；其中微生物污染以及运输和储存处理问题占30%。番茄的高糖和有机含量、相对较低的pH值（4.9–6.5）和高水分活度（aw）使其高度易受微生物生长影响，考虑到其经常作为生食产品消费，这一点令人担忧。影响番茄质量的主要腐败真菌包括黑曲霉、镰刀菌、匍枝根霉和链格孢等植物/采后病原体。此外，番茄易受食源性细菌如沙门氏菌的影响，一些报告将其与李斯特菌爆发联系起来。
西兰花采后储存障碍的发展常常因微生物而加剧，包括黄化、硬度损失和软腐病，导致产品货架期减少和40-60%的损失/浪费。负责腐败的主要微生物是果胶杆菌、荧光假单胞菌、边缘假单胞菌和绿黄假单胞菌，以及链格孢等真菌。假单胞菌是影响西兰花小花质量的主要细菌，抑制其他微生物。它导致组织快速褐变和腐烂，影响食品质量。这种微生物直接降解西兰花组织并将糖氧化产生酸。它们还产生过氧化氢酶、氧化酶和果胶分解酶，这些酶分解细胞壁，导致腐败和变质。此外，西兰花的采后失水主要通过蒸腾作用发生，导致储存和处理过程中显著的重量减少和质量恶化。
苹果微生物腐败主要与丝状真菌有关，包括黑曲霉、扩展青霉、产黄青霉、指状青霉、匍枝根霉和链格孢。此外，木霉和酵母（梅奇酵母、德巴利酵母和念珠菌）被发现在采后与水果变质相关，整个供应链的总损失估计约为35-50%。至于最小加工产品，确保微生物稳定性的可用处理方法很少，结合水果组织的活跃代谢和最终产品在其包装内的储存，放大了天然存在微生物的生长潜力。通常，这些产品经过温和的加工步骤，如清洗、去皮、切割和包装，通常伴随着处理，如冷藏、MAP和使用温和的化学消毒剂（例如，氯基化合物、有机酸）以减少初始微生物负荷而不影响感官或营养质量。鲜切苹果的切面微生物腐败和酶促褐变缩短了其货架期，影响风味、营养和经济价值。关键病原体包括大肠杆菌O157:H7、肠炎沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌、小肠结肠炎耶尔森菌、嗜水气单胞菌和金黄色葡萄球菌。
鲜切生菜代表了微生物的天然生态位。包装内的需氧环境主要与荧光假单胞菌和欧文氏菌相关，它们产生果胶分解酶降解生菜组织以增加营养可用性。水生拉恩氏菌、明串珠菌和乳酸球菌在缺氧条件下占主导。也鉴定出不同类型的酵母。关于叶菜沙拉安全问题，大肠杆菌O157:H7、单核细胞增生李斯特菌和沙门氏菌有绝对限值。单核细胞增生李斯特菌和沙门氏菌可以在低温储存期间生长，肠炎沙门氏菌是叶菜相关爆发的主要责任菌。细菌和真菌腐败现象通常与粘滑、水样外观相关，由生物膜形成和组织分解引起。在食品腐败相关微生物中，欧文氏菌可以在冷藏温度下存活。
鉴于地中海F&V的易腐性，它们通过长供应链的分销需要有效的包装解决方案以防止重大损失和浪费。对于预切、即用产品尤其如此，这些产品没有包装无法销售。因为F&V在收获后继续呼吸，当最小加工时呼吸速率甚至更高，包装必须应对其他食品中未发现的独特挑战。可以区分整颗和切块F&V。整颗产品，在包装中销售以防止脱水和污染，需要与其呼吸速率匹配的O2/CO2渗透性材料。相比之下，切块产品需要较低的渗透性以维持改良气氛（低O2，高N2/CO2），因此通常使用活性或被动MAP包装，用有利于延长货架期的气体混合物替代周围空气。它可以是活性的（直接气体冲洗或使用吸收剂/释放剂）或被动的，当产品呼吸和薄膜渗透性之间的平衡创造稳定的内部气氛时。AP通过掺入乙烯清除剂、抗菌剂、氧气吸收剂或湿度调节剂进一步增强保存，减缓衰老、微生物生长和成熟。传统材料如塑料包裹物或纸板通常无法提供足够的气体交换；因此，穿孔塑料广泛用于整颗农产品，而阻隔塑料则优选用于活性MAP下的鲜切产品。然而，MAP本身不能总是控制微生物增殖，这凸显了AP作为补充策略的前景。
对于番茄，高效的包装系统对于减轻采后损失、延长货架期和在低温储存期间保持其质量特性至关重要。传统使用的包装选项有几个缺点，包括高成本、环境危害和机械损伤风险。可食用涂层可以代表创新的解决方案，当富含天然提取物和精油时，能有效保持质量并延长番茄货架期。几项研究证明了MAP和AP在改善番茄质量和货架期方面的有效性。由于番茄相对较低的呼吸速率和传统低密度聚乙烯（LDPE）薄膜渗透性与水果生理需求的兼容性，MAP已被证明可以延长番茄的货架期。包装有效降低了呼吸速率，延迟了成熟，并最大限度地减少了冷害。特别是，AP系统，如具有抗真菌特性的袋子、富含KMnO4的盒子以通过吸收乙烯延长货架期，从而减缓番茄的成熟和衰老，以及富含活性物质的薄膜，表现出抗菌活性，延长了货架期并保持了新鲜产品的硬度。
西兰花头在未成熟阶段收获，使其易受水分损失和质量恶化。整颗西兰花头通常商业化，用塑料薄膜包裹或装在宏孔袋中以减少水分损失。因此，当周围相对湿度（RH）高时，通常优选具有高水蒸气阻隔性能的聚合物薄膜。尽管如此，这些方法可能导致冷凝，从而促进微生物生长和腐败。结合MAP和冷藏的综合策略对于延迟衰老和保持西兰花采后质量至关重要；然而，选择适当的微孔或宏孔薄膜对于防止异味产生至关重要。具有最佳气体成分（2–5% O2和 10–15% CO2）和RH高于90%的MAP通过保持功能化合物和色素延长西兰花货架期。微孔薄膜改善了气体交换，降低了厌氧条件的风险，从而防止质量损失。
最小加工苹果的最佳MAP条件（1-3% O2, 1-5% CO2，温度0-5 °C）保持硬度并限制乙烯产生；将MAP与抗褐变浸泡（主要是有机酸）结合有效控制了表面氧化现象。通常，应用MAP抑制乙烯产生，因为乙烯是一种促进成熟和软化的植物激素，导致苹果等乙烯敏感水果的质地和质量恶化。此外，MAP减缓成熟并延长货架期。将精油、活性成分和天然抗菌剂掺入AP和涂层中可以改善微生物稳定性并抑制褐变酶，从而在较长时间内保持质量。创新的可食用涂层保留了生物活性成分，抑制了褐变和微生物活性，抑制了呼吸速率和酶促褐变，并提供了抗菌益处。带有指示剂的IP通过乙烯或醛排放检测成熟。这些策略共同改善了货架期、安全性和感官品质，为最小加工和鲜切苹果产品提供了有效的解决方案。
鲜切生菜即使在MAP中也高度易腐。需要MAP策略，如初始气体改良，以通过减缓氧化过程和细菌生长来保持产品新鲜度。通常，应用冷库与0.5-3% O2和 5-10% CO2的气体混合物以保持产品质量。包装因素，包括水蒸气传输和冷凝，也影响货架期。至于其他F&V产品，可持续包装，结合生物基材料和精油，提供抗菌和抗氧化益处，有可能在符合环保和节能趋势的同时改善质量。
将微生物组研究与先进包装技术相结合可以为地中海食品保存的未来提供巨大潜力，支持设计复杂的挑战测试，并促进受自然启发的解决方案。能够实时监控微生物活动并提供产品新鲜度即时反馈的IP系统有潜力改变该行业。这些创新有望更新供应链，最大限度地减少食物浪费，并确保地中海消费者能够更长时间地获得新鲜、高质量的产品。
（注：由于字数限制，此处仅提供了部分章节的详细归纳总结。要完成不超过3000汉字的全文总结，需要类似地精简概述第3.2至3.5节以及第4、5节的内容。以下将继续以精简方式概述剩余部分的核心内容。）
3.2. 海鲜产品
地中海被认为是生物多样性热点，拥有丰富的海洋物种。海鲜生产包括捕捞渔业和水产养殖。然而，该地区海鲜面临过度捕捞、污染和气候变化等威胁。海鲜高度易腐，由于其高水分活度、近中性pH值和丰富的营养成分
