新型纤维素 / 聚乳酸 / MnO2生物纳米复合材料：食品包装纸张涂层的卓越之选

为解决传统食品包装材料的环境与性能问题，研究人员开展以纤维素纳米晶体（CNCs）、聚乳酸（PLA）和 MnO2纳米颗粒制备生物纳米复合膜用于纸张涂层的研究。结果显示该涂层提升多种性能，对食品包装意义重大。

　　在食品包装领域，传统包装材料多基于石油产品，不仅成本高昂、生产耗能大，还难以降解，对环境造成沉重负担。而生物可降解聚合物虽有环保优势，但在机械性能、热稳定性以及水汽和氧气阻隔性等方面存在短板，无法很好地满足食品包装的需求。同时，微生物滋生导致的食品变质问题也亟待解决。在这样的背景下，来自国外的研究人员开展了一项极具价值的研究，致力于制备一种新型生物纳米复合涂层，以改善食品包装材料的性能，相关成果发表在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：通过酸水解法制备纤维素纳米晶体（CNCs），利用特定反应制备 MnO₂纳米颗粒；采用超声分散等手段将 CNCs、PLA 和不同含量的 MnO₂纳米颗粒制成悬浮液，涂覆在纸张（PSH）上；运用傅里叶变换红外光谱（FT - IR）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）等多种表征技术对样品进行分析检测。

研究结果如下：

• 材料表征：FT - IR 光谱分析显示，MnO₂纳米颗粒在 3420cm^-1等位置有特征吸收峰，对应羟基和表面水分子振动；CNCs 在 3424cm^-1等位置的吸收峰分别与羟基、C - H 基团等相关。TEM 和 SEM 图像表明，MnO₂纳米颗粒呈规则平行六面体矩形结构，粒径小于 100nm，CNCs 呈网络状或棒状结构。DLS 和 UV - 可见光谱分析得出，MnO₂纳米颗粒平均粒径为 79.9nm，CNCs 平均粒径为 16.3nm，且 CNCs 在 200 - 300nm 有显著吸收，MnO₂纳米颗粒在 360nm 处有特征峰。
• 晶体结构分析：XRD 分析发现，MnO₂纳米颗粒有对应不同晶型的特征峰，CNCs 的结晶度指数为 0.65。涂层会使纸张纤维素衍射峰面积和高度变化，且 PLA 衍射峰在复合膜 XRD 谱中呈现特定形态。
• 表面形态观察：SEM - EDX 表征显示，PSH 表面有纤维束和残留物质，CNCs/PLA 样品表面为纤维束被 CNCs 和 PLA 包覆，CNCs/PLA@3% MnO₂样品表面能观察到 MnO₂纳米颗粒。
• 热性能研究：TGA 分析表明，PSH、CNCs/PLA 和 CNCs/PLA@3% MnO₂均有两个降解阶段。PLA 可延迟 CNCs/PLA 的起始降解温度，MnO₂纳米颗粒在 250 - 500℃能提高热稳定性，但在 500℃以上，CNCs/PLA@3% MnO₂热降解速率比其他两者快。DSC 曲线显示，PSH 有吸热和放热峰，分别与纤维素解聚产物形成蒸发和炭化有关。
• 机械性能测试：涂层能显著提高 PSH 的拉伸强度，添加 CNCs/PLA@2% MnO₂时拉伸强度提升明显，但过高含量的 MnO₂纳米颗粒会影响纤维接触，导致拉伸强度不再提升。涂层还会影响杨氏模量、伸长率和刚度等机械性能。
• 透气透湿性评估：研究发现，添加 MnO₂纳米颗粒可降低 CNCs/PLA 复合膜的水汽透过率（WVTR），如 CNCs/PLA@3% MnO₂的 WVTR 降至 145.46g/m²?day；同时提高氧气透过率（OTR），如 CNCs/PLA@3% MnO₂的 OTR 升至 5.23g/(m²?day) ，这在食品包装中具有重要意义。
• 抗菌性能检测：未涂层的 PSH 无抗菌活性，添加涂层后，抗菌活性随 MnO₂纳米颗粒含量增加而增强，MnO₂纳米颗粒对细菌和真菌的抗菌机制不同，分别通过损伤细胞膜和诱导氧化应激等方式抑制微生物生长。
• 生物降解性测试：PLA 降解缓慢，8 周失重约 8%，添加 CNCs（CNCs/PLA 样品）后降解率提高到 31%，MnO₂纳米颗粒虽有抗菌性，但也参与生物降解过程，使复合膜保持一定降解速率。

综合研究结论和讨论部分，该研究成功制备了基于纤维素纳米晶体、聚乳酸和 MnO₂纳米颗粒的生物纳米复合涂层。该涂层在纸张表面分布良好，与纸张兼容性佳，具有抗菌、改善机械性能、调节透气透湿性和提高生物降解性等优势，为食品包装材料的发展提供了新方向，有望在食品包装领域得到广泛应用，对推动环保型食品包装材料的发展具有重要意义。