用于生物降解性PLA/PBAT/TPS薄膜功能化的中试规模超临界CO?浸渍技术

《Journal of CO2 Utilization》：Pilot-scale supercritical CO? impregnation for functionalization of biodegradable PLA/PBAT/TPS films

本研究成功将超临界CO?浸渍技术应用于生物降解PLA/PBAT/TPS薄膜的中间规模放大，优化了250 bar和35°C的条件，验证了浸渍效果和抗氧化活性（52%）与实验室规模一致，证实了该技术的规模化可行性。

　　**解读：**

本研究围绕超临界流体浸渍（SFI）技术在实验室和中试规模的应用展开，特别关注了橄榄叶提取物在生物可降解聚乳酸/聚己二酸-对苯二甲酸共聚物/热塑性淀粉（PLA/PBAT/TPS）薄膜中的成功浸渍。该技术在实验室中已被广泛研究，但其在中试规模上的应用仍然较少，因此，本研究旨在填补这一空白，探索其在工业应用中的可行性。通过优化实验室规模的浸渍条件，并将其扩展至中试规模，研究者评估了提取物体积、薄膜表面积和接触时间对浸渍效果的影响，最终实现了高质量、高均匀性且具有显著抗氧化活性的薄膜制备。

**研究背景与意义：**

随着全球对环境问题的关注日益增加，传统不可降解塑料的使用及其带来的污染成为亟需解决的难题。农业活动和食品包装产业是造成高废弃物的主要领域之一，尤其是石油基塑料如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和低密度聚乙烯（LDPE）的大量使用。为了减少对环境的影响，食品工业正逐渐转向使用可降解聚合物。然而，可降解材料如聚己二酸-对苯二甲酸共聚物（PBAT）通常价格较高，且在阻隔性能方面不如传统塑料。因此，将可降解材料与低成本材料如热塑性淀粉（TPS）结合，可以有效降低材料成本，同时保持其可降解性，提升其性能。

此外，将生物活性成分（如抗氧化物）浸渍到可降解材料中，能够进一步拓展其在食品包装中的应用，如活性包装材料。橄榄叶是一种丰富的资源，含有高含量的活性化合物，如橄榄素和叶绿素。这些成分具有潜在的抗氧化性能，可以通过浸渍技术将其结合到薄膜中，从而赋予薄膜抗氧化功能。然而，如何在工业规模上实现这一过程，以及如何确保浸渍的均匀性和稳定性，仍是当前研究的热点。

**实验设计与方法：**

为了实现SFI的中试规模应用，研究人员首先在实验室中对浸渍条件进行了优化。实验选择了250 bar和35°C作为最佳条件，该条件下的CO?密度较高，有助于提高提取物的溶解性和扩散能力。在这些条件下，SFI被放大四倍，以评估在中试规模下，提取物体积、薄膜表面积和接触时间对浸渍效果的影响。

实验采用高压力设备进行操作，薄膜在浸渍过程中被缠绕在金属网中，以避免薄膜内部层的直接接触。在浸渍结束后，设备被减压，以确保薄膜能够均匀地保留提取物。薄膜的性能评估包括浸渍均匀性、提取物负载量、化学成分和ABTS抗氧化活性等。研究中使用了多种分析方法，如色谱法、近红外光谱（ATR-FTIR）和高效液相色谱（HPLC-DAD），以确保结果的准确性和可靠性。

**实验结果与讨论：**

在实验室规模下，优化后的SFI条件（250 bar和35°C）能够实现较高的ABTS抗氧化活性（63±2%），且在中试规模下，通过使用30 ml提取物、1360 cm2薄膜和1小时的接触时间，能够获得与实验室规模相似的抗氧化活性（52±4%）和提取物负载量（1.41±0.08 mg cm?2）。这些结果表明，SFI技术在中试规模下是可行的，并且能够保持较高的性能水平。

研究还发现，提取物的负载量和抗氧化活性受到薄膜尺寸和提取物体积的影响。当薄膜尺寸增加时，虽然提取物的负载量保持相对稳定，但抗氧化活性有所下降。这可能是由于薄膜表面积增加导致的不均匀扩散，尤其是在较大尺寸的薄膜中，底部区域的浸渍效果更显著。同时，随着提取物体积的增加，抗氧化活性和负载量也随之提高，但当提取物体积达到60 ml时，负载量不再增加，表明此时系统可能已达到饱和状态。

在中试规模下，研究人员通过分析薄膜的色度（CIELAB坐标）和ΔE值，评估了浸渍的均匀性。结果表明，中试规模下的薄膜在视觉上呈现出均匀的绿色，且ΔE值的变化表明薄膜的浸渍效果一致。此外，通过FTIR-ATR和HPLC-DAD分析，研究人员进一步确认了提取物在薄膜中的存在，并发现薄膜中主要的浸渍化合物是叶绿素和橄榄素，而这些化合物在薄膜中的存在与浸渍的均匀性密切相关。

**研究的科学意义与实际应用：**

本研究的成果对于推动可持续包装材料的发展具有重要意义。首先，SFI技术能够在中试规模下实现高效且均匀的浸渍，为大规模生产提供了可能。其次，橄榄叶提取物中的活性成分，如橄榄素和叶绿素，能够赋予薄膜显著的抗氧化性能，这在食品包装中具有实际应用价值。例如，这些抗氧化物可以用于延长食品的保质期，减少食品在储存和运输过程中因氧化而造成的损失。

此外，本研究还揭示了SFI过程中的关键影响因素。压力和温度对浸渍效果具有显著影响，尤其是在实验室规模下，压力的增加有助于提高CO?的密度，从而促进提取物的溶解和扩散。然而，在中试规模下，温度对浸渍效果的影响可能被其他因素（如薄膜厚度）所抵消。因此，优化SFI的参数需要综合考虑多个变量，包括压力、温度、提取物体积和薄膜尺寸。

**未来研究方向与应用前景：**

尽管本研究取得了显著进展，但仍有一些问题需要进一步探讨。例如，如何在更大规模的生产中保持薄膜的均匀性和稳定性，以及如何进一步优化提取物的负载量和抗氧化活性。此外，由于提取物中存在多种化合物，它们之间的相互作用可能会影响最终薄膜的性能。因此，未来的研究可以针对这些化合物的单独作用进行分析，以更好地理解其在薄膜中的行为。

同时，本研究的结果也为其他类型的生物活性成分的浸渍提供了参考。例如，除了橄榄素和叶绿素，其他抗氧化物如羟基酪醇和 rutin 也可以通过SFI技术浸渍到可降解薄膜中，从而拓展其应用范围。此外，研究还可以探索SFI技术在其他材料（如天然纤维素或淀粉基材料）中的应用，以进一步提高包装材料的环保性和功能性。

**结论：**

综上所述，本研究成功地在中试规模下实现了橄榄叶提取物在PLA/PBAT/TPS薄膜中的浸渍，表明SFI技术具有在工业应用中的潜力。通过优化提取物体积、薄膜表面积和接触时间，研究人员能够获得高均匀性和高抗氧化活性的薄膜。这一成果不仅有助于开发可持续的食品包装材料，还为其他生物活性成分的浸渍提供了科学依据。未来的研究应进一步探索SFI在更大规模下的应用，并优化其参数以提高提取物的负载量和稳定性。此外，还需进一步研究提取物中不同化合物对薄膜性能的具体影响，以更好地指导实际生产。