综述：环保材料在可持续包装和一次性用品领域的进展：十年来在制备、表征和应用方面的创新

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Advances in Eco-friendly Materials for Sustainable Packaging and Single-Use Utensils: A Decade of Innovation in Preparation, Characterization, and Applications

可持续包装与单次使用餐具的研究显示，2013-2024年间5744篇文献中90%以上集中于薄膜开发，但泡沫、杯具等材料研究不足。主要采用淀粉、纤维素、聚乳酸等生物基材料，辅以甘油（26.9%）、植物提取物（8.07%）等功能添加剂，纳米材料应用显著增长（19.7%）。研究证实生物活性包装能有效抑制大肠杆菌（30.28%）和金黄色葡萄球菌（26.91%），但可生物降解性测试覆盖率仅22.4%。挑战包括高成本（占比15.48%）、性能不足（水阻隔性差）及资源竞争，需加强多学科协作和全生命周期评估。

　　随着全球对可持续发展的重视程度不断提高，传统合成塑料的使用正面临前所未有的挑战。塑料污染和碳排放问题已经引起了广泛的关注，促使科学界和工业界寻求替代材料以减少对环境的影响。这一背景下，研究重点逐渐转向开发具有环保特性的包装材料和一次性餐具，这些材料不仅能够替代传统的石油基塑料，还能在生命周期结束后实现生物降解或可堆肥化。近年来，研究人员对可持续包装和一次性餐具的研究取得了显著进展，但仍然存在一些需要进一步解决的问题。本文通过系统分析2013年至2024年间发表的5,744篇相关文章，旨在全面了解该领域的技术趋势、研究空白以及创新成果，从而为未来的可持续材料研发提供指导。

### 研究背景与意义

包装在现代生活中扮演着至关重要的角色，它不仅用于保护和储存产品，还对食品供应链的稳定性、卫生条件和商品识别起到关键作用。然而，包装行业也是全球固体废弃物和石油资源消耗的主要来源之一，这导致了严重的环境问题。传统塑料制品，如一次性餐具和包装材料，因其不可降解的特性，长期存在于自然环境中，对生态系统的破坏性日益显现。因此，开发新型可持续材料成为当务之急。

可持续包装的概念涵盖了多个维度，包括材料来源、生产过程、使用性能以及生命周期管理。理想情况下，这些材料应具备良好的机械性能、物理屏障特性、生物降解性，同时在生产过程中减少能源消耗和碳排放。然而，当前研究仍然集中在某些特定类型，如薄膜材料，而对其他类型的包装和餐具，如泡沫、杯子、吸管和托盘等，关注较少。这种不均衡的分布可能源于薄膜材料在实验室研究中的便利性，以及其在多种应用场景中的广泛适用性。但这也意味着，未来需要更加全面地探索其他材料类型，以满足多样化的市场需求。

### 技术进展与材料选择

在可持续材料的开发过程中，研究者们广泛使用了多种天然和可再生资源作为原材料。淀粉、纤维素及其衍生物、聚乳酸（PLA）、壳聚糖、明胶、大豆蛋白、藻类提取物等均被用于制备可持续包装和一次性餐具。这些材料不仅来源于生物资源，而且具备一定的生物降解性，有助于减少对环境的长期影响。然而，它们在实际应用中也面临一些挑战，如机械性能不足、对水分敏感等。为了解决这些问题，研究者们常常引入添加剂，如增塑剂、填料和纳米材料，以提升材料的柔韧性、耐久性和功能性。

其中，甘油作为一种常见的增塑剂，被广泛用于改善淀粉、壳聚糖等材料的加工性能。它的使用比例在大多数研究中保持在30%左右，这表明其在可持续材料中的稳定性。此外，植物精油和天然提取物因其抗菌和抗氧化特性而受到重视，它们能够延长食品的保质期，提高包装的实用性。然而，这些添加剂是否完全符合可持续性标准仍需进一步评估，特别是在其降解性和对环境的潜在影响方面。

纳米材料的应用则成为近年来研究的热点。纳米级的聚合物和添加剂不仅能够增强材料的机械性能和屏障功能，还能赋予其独特的生物活性。例如，金属纳米颗粒和黏土纳米材料可以显著提升材料的抗菌能力，同时改善其热稳定性和光学性能。然而，纳米材料的引入也带来了新的挑战，如其在食品接触材料中的迁移风险，以及对环境和人体健康的潜在影响。因此，未来的研究需要更加注重这些方面的安全性评估。

### 材料制备与性能评估

材料的制备方法也是研究中的一个关键环节。在分析中发现，铸造法是最常用的制备技术，占研究总量的73%以上。这一方法具有操作简便、成本低廉和适用范围广等优点，尤其适合于实验室研究。然而，在实际工业应用中，铸造法的局限性也逐渐显现，尤其是在大规模生产时，其成本和效率可能不如其他方法，如挤出法和热压成型。挤出法被用于生产连续的薄膜和复合材料，而热压成型则适用于形状复杂的材料。此外，一些新兴技术，如静电纺丝和3D打印，也开始被应用于可持续材料的制备，为材料的多样化发展提供了新的思路。

为了全面评估可持续材料的性能，研究人员采用了多种分析技术。这些技术包括拉伸测试、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）等。其中，拉伸测试是最常用的方法，用于评估材料的机械强度和弹性。FTIR则用于分析材料的化学结构和功能基团，为材料的性能优化提供理论依据。此外，水分透过率、溶解性、热稳定性等测试也被广泛应用，以确保材料在实际使用过程中能够满足各种环境条件。

然而，研究中也暴露出一些不足。例如，针对气体屏障性能的评估相对较少，而这一特性在食品包装中至关重要。氧气和二氧化碳的透过率直接影响食品的保质期和安全性，因此，未来的研究应更加关注这些方面。同时，抗菌活性的测试虽然在某些研究中有所涉及，但仍然不够系统。这可能是因为抗菌性能的评估需要复杂的实验设计和长期观察，而这些条件在实验室研究中难以完全模拟。

### 应用前景与挑战

尽管可持续材料在实验室研究中取得了显著进展，但其在实际应用中的表现仍需进一步优化。目前，大多数研究仍处于概念验证阶段，技术成熟度较低，尚未形成成熟的商业化产品。例如，一些研究涉及草莓、鱼类、鸡肉和番茄等食品的包装测试，但这些材料在市场上的应用仍局限于小规模试验。因此，未来的研究应更加注重将实验室成果转化为实际产品，提高技术就绪度（TRL）。

此外，可持续材料的经济性和可扩展性仍然是制约其广泛应用的关键因素。虽然这些材料在环保方面具有优势，但其生产成本往往高于传统塑料，这使得其在市场竞争中处于劣势。为了实现可持续材料的商业化，需要进一步降低生产成本，提高材料的生产效率，并探索更高效的回收和再利用方法。同时，土地资源的竞争问题也需要引起重视。例如，如果某些可持续材料的原料来源与食品生产或生物燃料制造产生冲突，那么如何在这些领域之间找到平衡，将成为一个重要的课题。

### 未来方向与建议

为了推动可持续包装和一次性餐具技术的发展，研究者们应更加关注材料的多功能性。例如，开发具有抗菌、抗氧化和智能感应功能的包装材料，可以满足消费者对食品安全和保鲜性能的需求。同时，研究还应拓展到非食品领域的应用，如医疗、电子、农业等，以探索更广泛的市场潜力。

在研究方法上，需要更加系统地评估材料的生命周期影响，包括其生产、使用和废弃阶段的环境和经济成本。这可以通过引入生命周期评估（LCA）、生命周期成本分析（LCC）和技术创新经济分析（TEA）等方法实现。此外，研究者还应关注消费者行为和市场接受度，因为即便材料在技术上是可持续的，如果消费者不了解其优势或不接受其外观和性能，那么这些材料的推广将面临困难。

最后，可持续包装和一次性餐具的研究仍需克服一些技术瓶颈，如提高材料的耐水性和耐热性，优化其机械性能，以及确保其在不同环境条件下的降解效率。这些挑战的解决不仅需要材料科学的进步，还需要跨学科的合作，包括化学、生物技术、工程和环境科学等。只有通过多方协作，才能真正实现可持续包装的广泛应用，为全球环境保护和资源节约做出贡献。