利用高蛋白微生物生物质开发高氧阻隔性包装材料：迈向可持续食品包装的新策略

为解决化石基包装材料的环境污染问题，研究人员开发了基于蛋白质富集微生物生物质（MB）的生物塑料包装材料。该材料通过压缩成型制备，在50%相对湿度和23°C条件下展现出优异的氧阻隔性能（OP低至0.33 cm3·mm·m?2·day?1·atm?1），力学性能接近塑料化乳清蛋白膜，可作为EVOH的可持续替代品，减少微塑料污染并促进循环生物经济发展。

　　

当前全球塑料污染问题日益严峻，自1950年代大规模生产以来，人类已生产约83亿吨原生塑料，其中超过60%最终成为残留在海洋和自然环境中的废弃物。包装材料作为塑料最大的应用领域（占欧洲塑料用量的39%），其短暂的使用寿命和缓慢的降解速度导致严重的微塑料污染问题。特别是广泛用于食品多层包装的乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH），虽然具有优异的氧阻隔性能，但其高碳足迹、高生产成本以及难以生物降解的特性，促使研究人员寻找更可持续的替代方案。

蛋白质基生物聚合物因其生物基和可生物降解的特性成为理想候选材料。蛋白质材料具有固有的低分子运动性、广泛的偶极相互作用和氢键网络，在低至中等湿度条件下表现出卓越的气体阻隔性能。然而，传统的植物和动物蛋白来源面临土地和水资源消耗的挑战。近年来，蛋白质富集的微生物生物质（包括酵母、细菌、微藻和真菌）因其快速生长速率、最小化的土地和水资源需求、低碳足迹以及全年供应的稳定性，展现出作为新型生物材料源的巨大潜力。

在这项发表于《Communications Chemistry》的研究中，国际研究团队开发了一种基于蛋白质富集微生物生物质的创新包装材料。研究人员利用马铃薯加工行业的液体侧流培养多菌株细菌，通过喷雾干燥获得蛋白质含量达68.4%的微生物生物质（MB），并采用压缩成型技术制备了薄膜和托盘原型。

研究采用了几项关键技术方法：使用喷雾干燥作为预处理步骤有效破坏细胞结构；通过压缩成型工艺（110°C，5-25分钟）制备薄膜和托盘；添加甘油（20-30 wt%）作为塑化剂改善材料加工性能；采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析蛋白质二级结构变化；通过扫描电子显微镜（SEM）观察材料形态；使用氧气渗透仪测定氧渗透系数（OP）；通过拉伸测试评估力学性能。

蛋白质富集微生物生物质（MB）

研究人员利用马铃薯加工侧流培养的多菌株细菌经喷雾干燥处理后，其组成包含蛋白质（68.4%）、脂质（5.4%）、碳水化合物（12.2%）和少量PHBV（2.8%）。氨基酸组成分析显示富含赖氨酸和酪氨酸，这对材料的热诱导交联反应具有重要意义。

原型薄膜和托盘从蛋白质富集细菌生物质制备

通过压缩成型成功制备了MB薄膜（25 wt%甘油）和托盘（20 wt%甘油）。SEM图像显示喷雾干燥有效破坏了细菌细胞结构，形成均匀的材料形态。光学性能测试表明材料具有紫外线阻挡能力（600 nm处透光率23%），适合光敏感食品包装。热重分析证实了甘油的存在，材料在约150°C以上出现重量损失。

微生物生物质材料的化学结构

FTIR分析显示，热压处理促进了β-折叠结构（1618 cm?1和1625 cm?1）的形成，增强了肽链间的氢键作用。延长压制时间（从5分钟到25分钟）会导致强氢键β-折叠减少，可能对力学性能产生负面影响。

微生物生物质材料的力学性能

材料表现出典型的弹塑性行为：薄膜（25 wt%甘油）的断裂伸长率为67±8%，托盘（20 wt%甘油）为87±23%。杨氏模量（薄膜65±8 MPa，托盘55±4 MPa）和最大拉伸应力（薄膜1.9±0.1 MPa，托盘2.1±0.1 MPa）与塑料化乳清蛋白分离膜相当，但低于传统化石基塑料。Ashby图分析表明其力学性能接近低密度松质骨，适用于需要中等强度要求的包装应用。

微生物生物质材料的氧阻隔性能

MB薄膜（25 wt%甘油）在50%相对湿度和23°C条件下的平均氧渗透系数为0.33±0.7 cm3·mm·m?2·day?1·atm?1，与EVOH（0.04-0.4 cm3·mm·m?2·day?1·atm?1）和PVDC（0.01-0.3 cm3·mm·m?2·day?1·atm?1）相当，显著优于PS、PE、PP和PET。当甘油含量增加至30 wt%时，OP值升至16.9±4.2 cm3·mm·m?2·day?1·atm?1，表明甘油含量对阻隔性能有重要影响。

研究结论表明，蛋白质富集微生物生物质可通过压缩成型工艺成功转化为具有优异氧阻隔性能的包装材料。材料的力学性能优于先前报道的单细胞蛋白基薄膜，与塑料化乳清蛋白分离膜相当。其氧阻隔性能与商业高阻隔材料EVOH相当，同时具备生物基和可生物降解的特性。研究人员还发现材料具有内在粘性，可用于可重复密封包装设计。

这项研究的重要意义在于提供了一种可持续的包装解决方案，不仅减少对石油基材料的依赖，还能在材料生命周期结束时避免微塑料污染。微生物生物质的生产利用农业工业侧流，进一步增强了其环境可持续性。该技术为开发高性能、可生物降解的氧阻隔包装材料提供了新途径，支持循环生物经济发展和塑料污染减少的全球努力。未来研究可优化加工条件以提高力学性能，并探索在多层包装结构中的实际应用。