生物基可降解聚合物食品包裝材料發(fā)展及應(yīng)用綜述

劉佳欣，趙曉穎，翁云宣

生物基可降解聚合物食品包裝材料發(fā)展及應(yīng)用綜述

劉佳欣，趙曉穎，翁云宣

（北京工商大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，北京 100048）

介紹生物基聚合物包裝的研究進展，總結(jié)生物基聚合物包裝材料的功能化。綜述目前生物基聚合物包裝材料來源的分類，列舉天然生物基聚合物、微生物合成的生物基聚合物和化學(xué)合成的生物基聚合物在食品包裝方面的研究進展，總結(jié)生物基聚合物包裝材料的功能化方向（抗菌、抗氧化、pH響應(yīng)、光熱響應(yīng)等）。生物基聚合物食品包裝在綠色食品包裝領(lǐng)域有較好的應(yīng)用潛力。

生物基聚合物；綠色食品包裝；功能食品包裝

食品包裝是食品生產(chǎn)的關(guān)鍵過程之一，在生產(chǎn)、儲存和銷售等環(huán)節(jié)影響著食品安全。目前，90%以上的塑料包裝原料為石油基，不可再生且難以生物降解[1]。近些年來，以生物基聚合物為原料的環(huán)境友好型包裝材料吸引了越來越多人的興趣。這類包裝的應(yīng)用能夠有效解決石油基塑料包裝造成的環(huán)境問題，滿足消費者日益增加的環(huán)保需求。本文將總結(jié)近年來不同種類的生物基聚合物包裝材料的研究進展，展望其未來的發(fā)展方向。

1 生物基聚合物及其食品包裝應(yīng)用

生物基聚合物根據(jù)其原料來源可分為天然生物基聚合物、微生物合成的生物基聚合物和化學(xué)合成的生物基聚合物（圖1）[2]。以下部分將介紹生物基聚合物的特點及其在食品包裝中的應(yīng)用。

圖1 生物基聚合物的分類

1.1 天然生物基聚合物

1.1.1 多糖

多糖來源廣泛，具有良好的生物相容性、生物降解性、無毒性等優(yōu)點，是良好的食品包裝材料基質(zhì)[3]。多糖的來源為植物源、動物源和微生物源等。

來自植物源中的纖維素是世界上產(chǎn)量最豐富的天然高分子化合物。由于纖維素自身含有很多羥基，其親水性、水溶性和成膜性較差，結(jié)晶度較高，這使得紙質(zhì)包裝材料具有較差的氣體阻隔性和抗菌性，限制了其在食品包裝中的應(yīng)用范圍[4]。所以當(dāng)前該材料包裝發(fā)展的方向是提高其阻隔性。研究發(fā)現(xiàn)，淀粉和納米纖維素之間存在一定的協(xié)同作用，納米纖維素可封閉紙張結(jié)構(gòu)，可用于紙張的表面處理[5]。He等[6]利用羧甲基纖維素作為基體，納米銀及納米纖維素（Cellulose Nanocrystals, CNC, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%）作為填料阻擋水蒸氣分子，可以減緩水蒸氣分子通過的速度，并提高基體的阻隔性。納米銀與CNC上的羥基通過離子–偶極相互作用以及絡(luò)合作用，均勻分散在CNC表面。結(jié)果表明，該涂布紙包裝可將草莓的保質(zhì)期延長至7 d，而未包裝的草莓僅在5 d就出現(xiàn)腐壞。

來自植物源的海藻酸鈉，有著良好的生物相容性、生物降解性等特性，可用于可食性食品包裝的制備[7]。但是海藻酸鹽易在存放過程中受微生物的影響產(chǎn)生變質(zhì)，常通過添加天然抗菌劑、精油等來達到抗菌、抗氧化的效果。Singh等[8]利用檸檬酸、酒石酸交聯(lián)海藻酸鈉/果膠，制得海藻酸鈉可食性薄膜。經(jīng)小鼠飼投喂試驗表明，該包裝安全可食用。

來自動物源的殼聚糖是甲殼素經(jīng)脫乙?；a(chǎn)生的堿性衍生物，是天然多糖中唯一的堿性多糖，在食品保鮮綠色包裝方面具有良好的應(yīng)用前景[9]。殼聚糖薄膜有著力學(xué)性能差、抗水性差等缺點，因此常通過堿處理中和殼聚糖中的質(zhì)子胺，提高機械強度和實用性[10]。Song等[11]通過在預(yù)先構(gòu)建的纖維素網(wǎng)絡(luò)引入殼聚糖和交聯(lián)劑，形成互穿網(wǎng)絡(luò)，制備了纖維素/殼聚糖/檸檬酸薄膜。與純纖維素薄膜相比，加入殼聚糖/檸檬酸后，纖維素網(wǎng)絡(luò)與殼聚糖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生氫鍵和離子相互作用，使得該薄膜具有優(yōu)異的耐水性、阻氧和抗菌能力。與傳統(tǒng)聚乙烯包裝相比，該包裝對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有明顯的抑制作用，在肉制品保鮮包裝方面有著應(yīng)用潛力。

來自微生物源的黃原膠，成膜性較強，含有氨基和羥基，易分散在水中，在藥物輸送、組織工程和食品包裝等方面有著較好的潛力[12]。黃原膠在不同條件下黏度都很穩(wěn)定，溫度或pH值對其黏度影響很小[13]。Fan等[14]開發(fā)了一種由果膠（6 g/L）、海藻酸鈉（5 g/L）和黃原膠（4 g/L）組成的新型可食用復(fù)合膜。通過響應(yīng)面法優(yōu)化后，薄膜的拉伸強度最大可達29.65 MPa，斷裂伸長率達19.02%。將該材料以薄膜/浸泡的形式用于土豆（鮮切）的保鮮，浸泡土豆可保持8 d不長霉，顯示出了該材料作為可食性包裝較好的保鮮效果。

1.1.2 蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和組成，而具有許多功能特性。蛋白質(zhì)在成膜時可以與鄰近的分子相互作用，形成一層堅固的、內(nèi)聚的、黏彈性的薄膜。蛋白質(zhì)按照其來源可以分為動物源（明膠、酪蛋白等）和植物源（大豆蛋白、豆類種子蛋白等）[15]。

來自動物源的明膠（Gelatin）是動物結(jié)締組織中膠原蛋白的部分降解產(chǎn)物，具有冷定型和熱可逆的特點，隨著溫度的提高可以從凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤旱男问絒16]。明膠結(jié)構(gòu)中含有的羥基，在明膠接觸高濕度的食品時，會發(fā)生溶解、膨脹或解體，所以需改善其阻水性。Pereira等[17]使用納米ZnO和甘油分別作為增強劑和增塑劑加入明膠中，使得該膜在不同的相對濕度環(huán)境中（11%、90%）仍保持著穩(wěn)定性。納米ZnO（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%）有助于提高明膠的疏水性，與明膠形成共價和非共價相互作用，使得薄膜接觸角增加了7.5%。該膜可作為濕度指示劑應(yīng)用于脫水食品中。

來自植物源的大豆分離蛋白（Soybean Protein Isolate，SPI）含有豐富的氨基酸，是一種可再生、易降解、生物相容性好的蛋白質(zhì)[18]。SPI結(jié)構(gòu)中含有氨基酸，易因吸濕而發(fā)生變化，常通過添加納米顆粒、植物提取物、抗氧化劑和抗菌劑等方式提高性能。Rashidi等[19]將乙基纖維素（Ethyl Cellulose, EC）、苦橙皮提取物（Bitter Orange Peel Extract，BOPE）與SPI通過靜電紡絲復(fù)合，制備了具有抗菌性和抗氧化性的活性食品包裝。當(dāng)EC/SPI質(zhì)量比為1∶1時，薄膜具有較好的熱穩(wěn)定性、氧阻隔性和力學(xué)性能。添加BOPE（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%）使薄膜具有抑制大腸桿菌和李斯特菌的能力，抗菌能力比未添加BOPE的EC/SPI薄膜提高了67.5%。

1.2 微生物合成的生物基聚合物

細(xì)菌纖維素（Bacterial Cellulose, BC）為多孔性網(wǎng)狀生物高分子聚合物，由直徑為20～100 nm的納米纖維組成，具有較低的熱膨脹系數(shù)、較高的結(jié)晶度和較好的韌性。與植物纖維素不同，BC的合成過程是低能耗的綠色過程（微生物發(fā)酵形成）[20]。當(dāng)前BC的大部分研究集中于生物醫(yī)學(xué)方面，在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用還有待發(fā)展。Zhou等[21]將可得然膠（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%）、肉桂精油（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）與BC（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）溶液混合制得包裝膜，可得然膠和BC之間形成了氫鍵相互作用，提高了BC復(fù)合膜的致密性、結(jié)晶度、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。添加肉桂精油提高了復(fù)合膜的抗氧化能力，減少了BC的聚集。該復(fù)合膜可在9 d內(nèi)有效抑制了大腸桿菌的生長，并延緩雞肉脂質(zhì)的氧化。

聚羥基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates, PHA）是一種細(xì)胞利用其自身過剩碳源合成的天然聚酯材料。PHA在自然條件下可以被微生物所分泌的外解聚酶降解，這些解聚酶覆蓋在PHA材料表面誘發(fā)侵蝕，最終導(dǎo)致PHA被分解為二氧化碳、水（有氧條件下）和甲烷（無氧條件下）[22]。PHA因為脆性較高和熱穩(wěn)定性較差而限制了其的一些應(yīng)用。PHA常通過添加精油、增塑劑、無機填料等改善其力學(xué)性能。Zheng等[23]采用PHA（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.4%）、聚乳酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73.6%）、蒙脫土（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%）和牛至精油（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%）制備活性包裝。其中蒙脫土制造了層間空隙，使得牛至精油可以從PHA基質(zhì)中緩慢釋放，從而延長包裝材料保鮮作用時間。該包裝材料對河豚魚片有著良好的保鮮性能，可在4 ℃下提高河豚肉質(zhì)新鮮度40%～60%，可以有效延長海鮮類食品的貨架期。

1.3 化學(xué)合成的生物基聚合物

聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）是以乳酸為主要原料聚合得到的，原料來源充分且可再生。使用PLA材料比使用傳統(tǒng)石油基聚合物更有助于減少不可再生能源的消耗[24]。PLA有著較好的生物相容性、較好的力學(xué)性能以及良好的生物降解性（特定條件下），已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、包裝容器和環(huán)境修復(fù)膜等領(lǐng)域，是當(dāng)前最有發(fā)展前途的綠色包裝材料。Chaiya等[25]將質(zhì)量比3∶1的聚乳酸與聚環(huán)氧乙烷熔融共混，利用PEO提高了PLA的延展性、熱性能和力學(xué)性能。通過3D打印技術(shù)，打印PLA/PEO基底，又通過噴墨打印技術(shù)將氯化鈷濕度指示劑噴涂在PLA/PEO骨架表面，制備了濕敏型三維包裝材料。當(dāng)濕度增加時，該材料顏色從藍(lán)色變化為粉色，使得其有望應(yīng)用于監(jiān)測環(huán)境濕度的包裝。

聚丁二酸丁二醇酯（Poly(butylene succinate), PBS）的原料不僅可以來源于石油基，也可以來源于生物基，如可以通過葡萄糖、乳糖、纖維素等發(fā)酵制備。PBS可生物降解，可被動物體內(nèi)的酶和自然界中多種微生物分解，在有氧條件下分解為CO2和H2O，厭氧條件下分解為CO2和CH4[26]。PBS作為包裝除了需要一定的機械強度外，還需要具有一定的抗菌功能。Lpusiewicz等[27]將槲皮素（Quercetin）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%）添加到PBS中，制備了具有抗菌和抗氧化作用的食品包裝薄膜材料。槲皮素具有很強的抗氧化、抗炎、抗癌和抗病毒等特性，常被用作化妝品和食品添加劑。添加槲皮素雖提高了PBS的抗菌性能，但降低了其力學(xué)性能，使得PBS拉伸強度由11.8 MPa下降至8.4 MPa。隨著槲皮素添加量的增加，薄膜顏色由白色變?yōu)辄S色，該顏色變化可以減緩由光誘導(dǎo)的氧化。將該PBS包裝應(yīng)用于食品中時，可避免營養(yǎng)物質(zhì)的損失、變色和異味。PBS系列生物降解材料產(chǎn)品的價格較高，當(dāng)前限制發(fā)展的主要問題是性價比問題。近年來，PBS在包裝袋、衛(wèi)生防護用品、紡織服飾等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸起步，將進一步降低成本，推動生物基聚合物的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2 生物基包裝材料的功能化

食品在貯藏過程中，質(zhì)量會不斷變化，其內(nèi)部主要是pH值和微生物的變化，外部主要為貯藏條件的變化[28]（見圖2）。包裝的功能化可以使食品包裝在保持食品新鮮度的同時，又能起到功能性抗菌或抗氧化等作用，改變微環(huán)境，延長保鮮時間和食用品質(zhì)。

2.1 抗菌功能

食品包裝通常采用加入抗菌劑的方式延長易腐食品的保質(zhì)期，抗菌劑可有效減少食品中的微生物、保障食品品質(zhì)、延長食品貨架期。近年來，常通過加入天然抗菌劑制備活性食品包裝，抗菌劑的主要來源可分為三大類：植物源、動物源和微生物源。

圖2 食品包裝功能化發(fā)展

植物精油為具有芳香氣味植物的次生代謝產(chǎn)物，其來源廣泛、安全環(huán)保，并且抑菌抗菌效果較好。精油添加到包裝中后，對多種微生物都具有一定的抑制作用，并能一定程度上改善材料的力學(xué)性能[29]。Song等[30]將質(zhì)量比1∶1的茶樹精油加入殼聚糖溶液中制膜，茶樹精油的加入提高了殼聚糖薄膜的抗菌性能，可以有效防止食源性細(xì)菌所造成的食品變質(zhì)。

動物源抗菌劑中，蜂膠逐漸從藥用走向抗菌包裝領(lǐng)域，蜂膠中含有的酚類化合物具有抑菌效果。Olewnik-kruszkowska等[31]將蜂膠提取物（5 mL）加入PLA–PEG（50 mL）中，制備PLA/蜂膠薄膜。蜂膠的加入使得PLA薄膜由透明變?yōu)辄S色霧狀，并顯著提高了其水蒸氣阻隔性。使用該包裝保存藍(lán)莓14 d后，藍(lán)莓的質(zhì)量損失不到15%，說明該包裝可以在較長時間內(nèi)保持水果的水分，延長水果的保質(zhì)期。

微生物源抗菌劑中的乳酸鏈球菌素，可以很好地抑制食源性致病菌。Yang等[32]將尼生素與纖維素結(jié)合，制備了納米纖維素薄膜。將該薄膜用于火腿包裝內(nèi)襯，在4 ℃下，7 d內(nèi)可以有效抑制李斯特菌的生長，該發(fā)現(xiàn)還有望擴大納米纖維素在綠色食品包裝中的應(yīng)用。

2.2 抗氧化功能

天然抗氧化劑中的植物提取物具有抗氧化性，一般含有酚類物質(zhì)、維生素C、類胡蘿卜素等，可以有效地清除自由基，延長食品的保質(zhì)期。Yong等[33]將甘薯提取物（Purple-Fleshed Sweet Potato Extract, PSPE）加入殼聚糖溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）中，制備了既有抗氧化性又有pH響應(yīng)性的活性包裝。PSPE中的花青素在酸性時呈現(xiàn)橘色，堿性時呈綠色。隨著PSPE加入量的增加，薄膜的透明度下降，但抗氧化能力和pH響應(yīng)能力都有提高。添加PSPE（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）的殼聚糖薄膜可以作為智能包裝薄膜使用，可展示肉類新鮮度。

2.3 pH響應(yīng)功能

食品在變質(zhì)過程中會產(chǎn)生揮發(fā)性氣體，如水果易產(chǎn)生酸性氣體、肉類易產(chǎn)生堿性氣體。隨著食品的變質(zhì)，氣體逐漸累積在包裝內(nèi)部，會與水分結(jié)合導(dǎo)致pH值的變化。姜黃素水溶液在酸性時呈黃色，堿性時呈紫色，有著靈敏的pH值響應(yīng)性。Ezati等[34]在果膠中加入姜黃素和硫納米顆粒，制備了具有pH值響應(yīng)和抗氧化功能的智能食品包裝。該薄膜可通過pH值響應(yīng)的顏色變化來展示蝦的變質(zhì)程度。在蝦存放36 h后，薄膜顏色由原本的黃色變?yōu)榧t色，指示該蝦為堿性，新鮮度有所下降。該包裝在檢測水產(chǎn)品、肉制品的活性以及智能包裝應(yīng)用方面具有很大潛力。

2.4 光熱響應(yīng)功能

溫度是影響食品保質(zhì)期的一個重要因素，不適當(dāng)?shù)膬Σ販囟葧谷忸惢虻鞍踪|(zhì)變性，隨著溫度變化控釋抗菌劑可有效延長食品保鮮期[35]。Xing等[36]將聚吡咯引入海藻酸/明膠形成半互穿網(wǎng)絡(luò)，利用聚吡咯的光熱轉(zhuǎn)換能力，以及明膠熱致相變的特性，制備了溫度響應(yīng)型復(fù)合水凝膠。實驗通過溫度曲線評估該凝膠的光熱轉(zhuǎn)化能力，在陽光照射600 s后，材料溫度上升了17 ℃。該結(jié)果證明聚吡咯有明顯的光熱效應(yīng)，且該效應(yīng)可被用于制備光熱響應(yīng)包裝材料。

3 生物基聚合物的降解性及評價方法

隨著全球范圍內(nèi)大量的塑料垃圾被排放到環(huán)境中，對生態(tài)系統(tǒng)造成了污染。相較于石油基塑料，可生物降解聚合物最重要的優(yōu)勢在于能被天然微生物分解，已被認(rèn)為是解決污染的主要方案之一[37]?？缮锝到饩酆衔镌谟醒鯒l件下會降解產(chǎn)生二氧化碳、水、無機鹽和其他新物質(zhì)；在厭氧條件下會產(chǎn)生甲烷或低分子量酸[38]。生物基聚合物的降解通常用質(zhì)量損失、相對分子質(zhì)量變化和力學(xué)性能損失來衡量，但降解過程會受到結(jié)構(gòu)、組成、化學(xué)鍵、應(yīng)力和環(huán)境條件（pH值、溫度、濕度）等因素的限制[39]。

生物可降解包裝的模擬實驗通常是參照國際（ISO）、歐洲（CEN）和美國（ASTM）等標(biāo)準(zhǔn)進行，通常在堆肥、土壤、污泥、淡水和海水等環(huán)境模擬材料的降解過程。堆肥法是目前國際上評價塑料生物降解性能的主要方法，能反映塑料在自然環(huán)境中的生物降解能力（宏觀層面）[40]。根據(jù)EN 13432等標(biāo)準(zhǔn)，可堆肥材料須滿足：能夠被自然存在的微生物分解，生物降解塑料與制品必須包含一半以上有機物，重金屬含量不得超標(biāo)；12周內(nèi)碎片化至肉眼不可分辨的大小（<2 mm）；堆肥6個月內(nèi)至少降解90%；堆肥產(chǎn)物對植物生長發(fā)芽過程和蚯蚓等動物的生存無害[41]。工業(yè)化堆肥是在靜態(tài)堆肥容器中，利用穩(wěn)定的腐熟堆肥作為固床（養(yǎng)分和富含嗜熱菌的接種物源），在恒溫為（58±2）℃、一定氧濃度和濕度下，進行需氧堆肥（GB/T 19277.1—2011、GB/T 19277.2—2013）。家庭堆肥可自制設(shè)施，但很難維持堆肥中嗜熱性細(xì)菌的增殖，產(chǎn)生土壤中溫度分層[42]。因此新家庭堆肥規(guī)范中（GB/T 40553—2021）溫度僅要求保持在（25±5）℃。使用家庭堆肥方法評估生物基聚合物材料的降解速度，具有經(jīng)濟有效、符合可持續(xù)發(fā)展的綠色觀念等優(yōu)點，但存在收益較低、產(chǎn)物質(zhì)量不穩(wěn)定和儲存成本較高等缺點。

除堆肥外，也可在土壤中進行降解實驗。土壤降解可發(fā)生在不同的地點和季節(jié)，無須工業(yè)堆肥較高的溫度要求。在土壤降解環(huán)境下評估材料的降解速度，天然生物基聚合物材料的降解速度較快，如殼聚糖薄膜25 d可降解70%以上[43]，但PLA等合成材料在土壤中降解較慢，只有高溫堆肥條件下才易發(fā)生降解（200 d降解92%）[44]。土壤環(huán)境雖含有不同于堆肥環(huán)境的微生物，但它們同樣可以將生物聚合物轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和新的生物質(zhì)[45]，符合可持續(xù)發(fā)展的綠色觀念。

在海水中，生物降解材料的降解性能實驗常用的標(biāo)準(zhǔn)為ISO 18830、ISO 19679等。材料在海洋環(huán)境和堆肥環(huán)境中降解存在著較大的差異。相較于堆肥環(huán)境，海洋環(huán)境溫度較低（0～30 ℃），微生物種類較少。一些聚合物，如聚己二酸丁二酯和聚對苯二甲酸丁二酯，在土壤或堆肥環(huán)境中易降解，但在海水環(huán)境中不易降解，最終導(dǎo)致大量塑料垃圾堆積[46]。因此，研究生物基聚合物材料在海水中的降解性能對緩解污染問題具有指導(dǎo)意義。

淡水包括河流、泉水、湖泊和沼澤等環(huán)境。淡水環(huán)境的微生物群落與堆肥、海水、土壤等環(huán)境均不同，因此仍需探索淡水中不同類型材料的降解機制[47]?，F(xiàn)有的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用CO2（有氧條件）和CH4（厭氧條件）來確定材料的生物降解性，但聚合物在自然生態(tài)系統(tǒng)中降解所需的時間被低估，在實際環(huán)境中難以達到在實驗室中較高的降解率[48]。

4 結(jié)語

隨著包裝的大量使用，廢棄包裝產(chǎn)生的環(huán)境問題引起了人們的關(guān)注。近年來，生物基聚合物在科研和工業(yè)應(yīng)用中發(fā)展迅速，具有資源節(jié)約和環(huán)境保護的雙重優(yōu)勢[49]。雖然生物基聚合物材料的性能略遜于傳統(tǒng)石油基材料的，但作為石油基塑料的生態(tài)友好替代品，生物基聚合物材料可以緩解環(huán)境污染和資源枯竭的問題[50]。生物基聚合物包裝經(jīng)過功能化改性后具有良好的抗菌、抗氧化等性能，能夠有效減少食品腐敗、延長食品貨架期，符合當(dāng)前消費者對食品質(zhì)量安全的需求。

目前，擴大生物基聚合物制備的規(guī)模，進行成本和技術(shù)可行性評估、生命周期性評價和對降解周期的評估都有待研究。隨著生物基食品包裝材料的發(fā)展，使用普魯蘭多糖、土豆淀粉等材料制備包裝的新興方式已經(jīng)出現(xiàn)，但是目前國內(nèi)和國際上關(guān)于此類食品包裝的標(biāo)準(zhǔn)還沒有進行更新，并且現(xiàn)有的石油基食品包裝材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也不適用[51]。

此外，生物基聚合物材料在食品包裝方面的實際應(yīng)用還取決于消費者的需求。普通消費者對價格較敏感，導(dǎo)致綠色環(huán)保商品始終難以破圈[52]。生物基聚合物包裝材料的發(fā)展以及工業(yè)化，需要科研機構(gòu)、政府、消費者等多方面共同努力，從技術(shù)創(chuàng)新、政策引導(dǎo)、消費者教育等多個方面共同推進相關(guān)法規(guī)和規(guī)則的制訂。展望未來，生物基聚合物材料有望在部分食品包裝領(lǐng)域逐步替代傳統(tǒng)石油基包裝材料。

[1] SONG Ting-yu, QIAN Sheng, LAN Tian-tong, et al. Recent Advances in Bio-Based Smart Active Packaging Materials[J]. Foods, 2022, 11(15): 2228.

[2] NILSEN-NYGAARD J, FERNáNDEZ E N, RADUSIN T, et al. Current Status of Biobased and Biodegradable Food Packaging Materials: Impact on Food Quality and Effect of Innovative Processing Technologies[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2021, 20(2): 1333-1380.

[3] ZHANG Hao-dong, ERIC S L W, ZHOU Jing-ping. Recent Developments of Polysaccharide-Based Double- network Hydrogels[J]. Journal of Polymer Science, 2023, 61(1): 7.

[4] KARTHIKA R, JAYANTHI B, ARUNA A, et al. Handbook of Nanocelluloses[M]. Springer International Publishing, 2020: 1-34.

[5] LOUREN?O A F, GAMELAS J A F, SARMENTO P, et al. Cellulose Micro and Nanofibrils as Coating Agent for Improved Printability in Office Papers[J]. Cellulose, 2020, 27(10): 6001-6010.

[6] HE Yun-qing, LI Hui, FEI Xiang, et al. Carboxymethyl Cellulose/Cellulose Nanocrystals Immobilized Silver Nanoparticles as an Effective Coating to Improve Barrier and Antibacterial Properties of Paper for Food Packaging Applications[J]. Carbohydrate Polymers, 2021, 252: 117156.

[7] GHEORGHITA (PUSCASELU) R, GUTT G, AMARIEI S. The Use of Edible Films Based on Sodium Alginate in Meat Product Packaging: An Eco-Friendly Alternative to Conventional Plastic Materials[J]. Coatings, 2020, 10(2): 166.

[8] SINGH P, BAISTHAKUR P, OMPRAKASH Y S. Synthesis, Characterization and Application of Crosslinked Alginate as Green Packaging Material[J]. Heliyon, 2020, 6(1): 03026.

[9] PRIYADARSHI R, RHIM J. Chitosan-Based Biodegradable Functional Films for Food Packaging Applications[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2020, 62: 102346.

[10] LEITE MILI?O G, SOUZA SOARES LD, BALBINO D F, et al. pH Influence on the Mechanisms of Interaction Between Chitosan and Ovalbumin: a Multi-Spectroscopic Approach[J]. Food Hydrocolloids, 2022, 123: 107137.

[11] SONG Zi-yue, MA Tian-cong, ZHI Xiu-juan, et al. Cellulosic Films Reinforced by Chitosan-Citric Complex for Meat Preservation: Influence of Nonenzymatic Browning[J]. Carbohydrate Polymers, 2021, 272: 118476.

[12] ELELLA M H, GODA E S, GAB-ALLAH M A, et al. Xanthan Gum-Derived Materials for Applications in Environment and Eco-Friendly Materials: A Review[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2021, 9(1): 104702.

[13] HAZIRAH M A S P, ISA M I N, SARBON N M. Effect of Xanthan Gum on the Physical and Mechanical Properties of Gelatin-Carboxymethyl Cellulose Film Blends[J]. Food Packaging and Shelf Life, 2016, 9: 55-63.

[14] FAN Yan-ling,YANG Jing,DUAN An-bang, et al. Pectin/Sodium Alginate/Xanthan Gum Edible Composite Films as the Fresh-Cut Package[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2021, 181: 1003-1009.

[15] CALVA-ESTRADA S J, JIMéNEZ-FERNáNDEZ M, LUGO-CERVANTES E. Protein-Based Films: Advances in the Development of Biomaterials Applicable to Food Packaging[J]. Food Engineering Reviews, 2019, 11(2): 78-92.

[16] LIN Lin, REGENSTEIN J M, LV Shun, et al. An Overview of Gelatin Derived from Aquatic Animals: Properties and Modification[J]. Trends in Food Science & Technology, 2017, 68: 102-112.

[17] PEREIRA P F M, PICCIANI P H S, CALADO V M A, et al. Gelatin-Based Nanobiocomposite Films as Sensitive Layers for Monitoring Relative Humidity in Food Packaging[J]. Food and Bioprocess Technology, 2020, 13(6): 1063-1073.

[18] KOSHY R, MARY S, THOMAS S, et al. Environment Friendly Green Composites Based on Soy Protein Isolate-A Review[J]. Food Hydrocolloids, 2015, 50: 174-192.

[19] RASHIDI M, SEYYEDI MANSOUR S, MOSTASHARI P, et al. Electrospun Nanofiber Based on Ethyl Cellulose/Soy Protein Isolated Integrated with Bitter Orange Peel Extract for Antimicrobial and Antioxidant Active Food Packaging[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2021, 193: 1313-1323.

[20] CAZóN P, VáZQUEZ M. Bacterial Cellulose as a Biodegradable Food Packaging Material: A Review[J]. Food Hydrocolloids, 2021, 113: 106530.

[21] ZHOU Li-bang, FU Jiang-chao, BIAN Luyao, et al. Preparation of a Novel Curdlan/Bacterial Cellulose/ Cinnamon Essential Oil Blending Film for Food Packaging Application[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2022, 212: 211-219.

[22] VU D H, ?KESSON D, TAHERZADEH M J, et al. Recycling Strategies for Polyhydroxyalkanoate-Based Waste Materials: An Overview[J]. Bioresource Technology, 2020, 298: 122393.

[23] ZHENG Hui, TANG Hai-bing, YANG Chun-xiang, et al. Evaluation of the Slow-Release Polylactic Acid/Polyhydroxyalkanoates Active Film Containing Oregano Essential Oil on the Quality and Flavor of Chilled Pufferfish (Takifugu Obscurus) Fillets[J]. Food Chemistry, 2022, 385: 132693.

[24] 宋丹陽, 鄭紅娟, 李一龍. 聚乳酸基油水分離材料研究進展[J]. 中國塑料, 2022, 36(9): 187-192.

SONG Dan-yang, ZHENG Hong-juan, LI Yi-long. Research Progress in PLA-Based Oil-Water Separation Materials[J]. China Plastics, 2022, 36(9): 187-192.

[25] CHAIYA N, DARANARONG D, WORAJITTIPHON P, et al. 3D-printed PLA/PEO Blend as Biodegradable Substrate Coating with CoCl2for Colorimetric Humidity Detection[J]. Food Packaging and Shelf Life, 2022, 32: 100829.

[26] RESHMY R, PAULOSE T, PHILIP E, et al. Updates on High Value Products from Cellulosic Biorefinery[J]. Fuel, 2022, 308: 122056.

[27] ?OPUSIEWICZ ?, ZDANOWICZ M, MACIEJA S, et al. Development and Characterization of Bioactive Poly(Butylene-Succinate) Films Modified with Quercetin for Food Packaging Applications[J]. Polymers, 2021, 13(11): 1798.

[28] GAO Shu-ting, TANG Guo-sheng, HUA Da-wei, et al. Stimuli-Responsive Bio-Based Polymeric Systems and Their Applications[J]. Journal of Materials Chemistry B, 2019, 7(5): 709-729.

[29] ZUBAIR M, SHAHZAD S, HUSSAIN A, et al. Current Trends in the Utilization of Essential Oils for Polysaccharide- and Protein-Derived Food Packaging Materials[J]. Polymers, 2022, 14(6): 1146.

[30] SONG Xue-ying, WANG Lei, LIU Liu, et al. Impact of Tea Tree Essential Oil and Citric Acid/Choline Chloride on Physical, Structural and Antibacterial Properties of Chitosan-Based Films[J]. Food Control, 2022, 141: 109186.

[31] OLEWNIK-KRUSZKOWSKA E, GIERSZEWSKA M, WRONA M, et al. Polylactide-Based Films with the Addition of Poly(Ethylene Glycol) and Extract of Propolis-Physico-Chemical and Storage Properties[J]. Foods, 2022, 11(10): 1488.

[32] YANG Yang, LIU Han-dong, WU Min, et al. Bio-Based Antimicrobial Packaging from Sugarcane Bagasse Nanocellulose/Nisin Hybrid Films[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2020, 161: 627-635.

[33] YONG Hui-min, WANG Xing-chi, BAI Ru-yu, et al. Development of Antioxidant and Intelligent pH-Sensing Packaging Films by Incorporating Purple-Fleshed Sweet Potato Extract into Chitosan Matrix[J]. Food Hydrocolloids, 2019, 90: 216-224.

[34] EZATI P, RHIM J. pH-Responsive Pectin-Based Multifunctional Films Incorporated with Curcumin and Sulfur Nanoparticles[J]. Carbohydrate Polymers, 2020, 230: 115738.

[35] MüLLER P, SCHMID M. Intelligent Packaging in the Food Sector: A Brief Overview[J]. Foods, 2019, 8(1): 16.

[36] XING Jian-yu, DANG Wen-wen, LI Jing-chang, et al. Photo/Thermal Response of Polypyrrole-Modified Calcium Alginate/Gelatin Microspheres Based on Helix-Coil Structural Transition and the Controlled Release of Agrochemicals[J]. Colloids and Surfaces B, Biointerfaces, 2021, 204: 111776.

[37] ERDAL N B, HAKKARAINEN M. Degradation of Cellulose Derivatives in Laboratory, Man-Made, and Natural Environments[J]. Biomacromolecules, 2022, 23(7): 2713-2729.

[38] AKHLAQ S, SINGH D, MITTAL N, et al. Polyhydroxybutyrate Biosynthesis from Different Waste Materials, Degradation, and Analytic Methods: a Short Review[J]. Polymer Bulletin, 2023, 80: 5965–5997.

[39] YOGALAKSHMI K N, SINGH S. Bioremediation of Industrial Waste for Environmental Safety[M]. Singapore: Springer, 2020: 99-133.

[40] LIU Chao, LUAN Peng-cheng, LI Qiang, et al. Biodegradable, Hygienic, and Compostable Tableware from Hybrid Sugarcane and Bamboo Fibers as Plastic Alternative[J]. Matter, 2020, 3(6): 2066-2079.

[41] RUJNI?-SOKELE M, PILIPOVI? A. Challenges and Opportunities of Biodegradable Plastics: A Mini Review[J]. Waste Management & Research: the Journal of the International Solid Wastes and Public Cleansing Association, ISWA, 2017, 35(2): 132-140.

[42] BARRENA R, SáNCHEZ A. Home Composting: A Review of Scientific Advances[J]. Engineering Proceedings, 2022, 19(1): 35.

[43] YU Zhen, LI Bao-qiang, CHU Jia-yu, et al. Silica in Situ Enhanced Pva/Chitosan Biodegradable Films for Food Packages[J]. Carbohydrate Polymers, 2018, 184: 214-220.

[44] MUNIYASAMY S, OFOSU O, JOHN M J, et al. Mineralization of Poly (lactic acid)(PLA), Poly (3-Hydroxybutyrate- co-Valerate)(PHBV) and PLA/PHBV Blend in Compost and Soil Environments[J]. Journal of Renewable Materials, 2016, 4(2): 1-10.

[45] MTIBE A, MOTLOUNG M P, BANDYOPADHYAY J, et al. Synthetic Biopolymers and Their Composites: Advantages and Limitations-an Overview[J]. Macromolecular Rapid Communications, 2021, 42: 2100130.

[46] TIAN Ying, HU Han, CHEN Chao, et al. Enhanced Seawater Degradation through Copolymerization with Diglycolic Acid: Synthesis, Microstructure, Degradation Mechanism and Modification for Antibacterial Packaging[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 447: 137535.

[47] 倪瑞龍, 姚盼盼, 胡劍燦, 等. 水生環(huán)境中化學(xué)纖維及塑料的生物降解性能檢測方法分析[J]. 中國纖檢, 2022(9): 98-101.

NI Rui-long, YAO Pan-pan, HU Jian-can, et al. Analysis of Detection Methods for Biodegradability of Chemical Fibers and Plastics in Aquatic Environment[J]. China Fiber Inspection, 2022(9): 98-101.

[48] JACQUIN J, CHENG Jing-guang, ODOBEL C, et al. Microbial Ecotoxicology of Marine Plastic Debris: A Review on Colonization and Biodegradation by the "Plastisphere"[J]. Frontiers in Microbiology, 2019, 10: 865.

[49] XU Ya-zhou, DAI Song-lin, BI Liang-wu, et al. Catalyst-Free Self-Healing Bio-Based Polymers: Robust Mechanical Properties, Shape Memory, and Recyclability[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2021, 69(32): 9338-9349.

[50] SPASOJEVIC P, SESLIJA S, MARKOVIC M, et al. Optimization of Reactive Diluent for Bio-Based Unsaturated Polyester Resin: A Rheological and Thermomechanical Study[J]. Polymers, 2021, 13(16): 2667.

[51] 王琳, 周淑紅, 張萍, 等. 發(fā)達國家食品接觸材料法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系研究[Z]. 北京：國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局國際檢驗檢疫標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)法規(guī)研究中心, 2017.

WANG Lin, ZHOU Shu-hong, ZHANG Ping, et al. Research on the Regulatory Standards System of Food Contact Materials in Developed Countries[Z]. Beijing: National General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine International Inspection and Quarantine Standards and Technical Regulations Research Center, 2017.

[52] MEHTA N, CUNNINGHAM E, ROY D, et al. Exploring Perceptions of Environmental Professionals, Plastic Processors, Students and Consumers of Bio-Based Plastics: Informing the Development of the Sector[J]. Sustainable Production and Consumption, 2021, 26: 574-587.

Development and Application of Biobased Materials for Food Packaging

LIU Jia-xin, ZHAO Xiao-ying, WENG Yun-xuan

(College of Chemistry and Materials Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

The work aims tointroduce the research progress of biobased polymer packaging and provide a reference for further research on the functionalization of biobased polymer packaging materials. According to the source classification of biobased polymer packaging materials, the research progress of natural biobased polymers, microbially synthesized biobased polymers and chemically synthesized biobased polymers was summarized and the functionalization of these biobased polymers and their applications for food packaging, such as antibacterial, antioxidant, pH-responsive, photo-thermal responsive packaging applications was concluded. The food packaging from biobased polymer has a great application potential in the green food packaging field.

biobased polymers; green food packaging; functional food packaging

TB484.9

A

1001-3563(2023)13-0019-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.003

2023?03?12

北京工商大學(xué)高層次人才隊伍建設(shè)專項項目（19008022215）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（22208006）；北京市科委項目（Z211100004321004）

劉佳欣（1998—），女，碩士生，主攻食品包裝膜。

趙曉穎（1986—），女，博士，教授，主要研究方向為生物降解食品包裝材料；翁云宣（1972—），男，博士，教授，主要研究方向為生物基材料及環(huán)境友好高分子材料。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋