编辑推荐：
该综述聚焦非可降解塑料在食品包装领域的挑战，指出纳米填料加入生物聚合物基质可提升材料性能。探讨其分类、对材料性能的影响、制备技术、在食品包装的应用等，分析优劣势与挑战，展望其替代传统塑料的潜力。
1. 引言
现代食品包装领域因非可降解塑料的广泛使用面临严峻挑战，天然可降解聚合物虽具潜力但存在固有局限。纳米填料作为纳米材料的一种，尺寸在 1-100nm，按材料和形态可分类，能显著改善聚合物基质的机械强度、屏障性能等，在食品包装、医药等多领域有应用。传统包装材料存在保鲜、耐用性和环境等问题，生物可降解聚合物成为替代选择，而纳米填料的加入可进一步提升其性能，如增强离子电导率、形成导电网络等，在活性食品包装中可改善屏障、抗菌和控释等性能。
2. 纳米填料的类型
2.1 材料角度
- 有机纳米填料：如天然纤维（ hemp、flax 等），经预处理可改善吸水性和相容性，纤维素纳米晶可与聚合物形成氢键，赋予复合材料低细胞毒性、抗菌等特性，还可增强聚乳酸（PLA）的强度和抗菌性。
- 无机纳米填料：具无毒、 lightweight、 cost-effective 等优点，可作 hydrogel 的交联剂，分为被动（不具离子传导性）和主动（具高正离子传导性）两类，如银、硒基纳米填料可提升包装材料的抗菌、机械和热性能。
- 碳基纳米填料：包括碳纳米管（CNTs）、石墨烯等，CNTs 具高长径比和导电、机械性能，石墨烯可增强聚合物的机械强度，但其与聚合物界面相互作用较弱。
- 粘土及其他纳米填料：可通过 microstructure 调控提升聚合物物理性能，如纤维素纳米纤维与粘土纳米片结合可提升阻燃性，半导体量子点（QDs）具光稳定性但存在团聚和氧化问题。
2.2 形态角度
分为零维（0D，如 Ag 纳米颗粒、量子点）、一维（1D，如纳米棒、纳米线）、二维（2D，如石墨烯、蒙脱土）、三维（3D，如金属有机框架、气凝胶），不同维度纳米填料在增强聚合物性能方面各有特点，如 1D 的 CNTs、CNFs 可提升环氧树脂的循环耐久性，2D 的石墨烯可改善复合材料的机械和热性能。
3. 生物聚合物纳米复合膜的开发技术
- 溶液浇铸法：传统方法，将生物聚合物和纳米填料溶于溶剂，倒在平面蒸发溶剂成膜，可制备多层结构，常与热压结合增强界面粘合。
- 挤出和熔融共混法：适用于热塑性基质，挤出是连续可扩展过程，通过控制参数实现纳米填料均匀分散；熔融共混是高剪切混合形成均匀熔融混合物，溶剂 - free，适合工业生产。
- 原位聚合法：将纳米填料加入液体单体，引发聚合，可增强填料与聚合物基质的分散和界面相互作用，无需溶剂去除。
- 真空干燥法：在真空烘箱中对 cast film 施加适度 heat 和低压力，降低热破坏风险，促进溶剂蒸发，改善纳米颗粒分散和膜厚度均匀性。
4. 纳米填料的性能
4.1 机械性能
纳米填料加入可显著提升聚合物基质的拉伸强度和断裂伸长率，填充 voids 并建立强界面连接，分散和分布影响导电网络形成，表面改性（共价或非共价）可改善界面相互作用，影响复合材料机械性能。
4.2 控制释放性能
通过纳米填料可实现有益物质的可控释放，如通过纳米颗粒均匀分散延长渗透通道、利用多孔纳米颗粒作为载体、形成纳米乳液或纳米复合材料，二维纳米层因高纵横比可改善控释功能。
4.3 屏障性能
生物聚合物包装材料对气体等具固有屏障能力但有限，纳米复合材料通过形成迷宫结构显著减缓气体分子渗透，仅需少量填料，理想结构为插层和剥离结构，可提升气体和蒸汽屏障性能。
4.4 抗菌性能
纳米填料可提升聚合物的抗菌特性，抗菌物质分为杀菌和抑菌，纳米颗粒对革兰氏阴性菌更有效，机制包括与细胞表面相互作用、与 DNA 作用等，表面电荷和尺寸影响抗菌活性，如 Ag 纳米颗粒、ZnO 纳米棒、氧化石墨烯（GO）等具抗菌性能。
4.5 清除性能
纳米填料可提升食品包装的生物传感、抗菌和氧气清除等功能，作为 active food packaging 释放有益成分、去除不利因素，如具抗菌性能的纳米填料可防止微生物生长，具氧气清除能力的纳米填料可维持低氧环境，防止食品氧化。
4.6 热性能
纳米填料的类型和浓度影响纳米复合材料的热性能，高纵横比和表面积可提升热稳定性，如石墨烯可作为成核剂改善聚合物结晶行为，热重分析可评估材料热稳定性，少量纳米填料即可显著提升复合材料热稳定性。
4.7 光学性能
纳米材料具独特光学性能，如表面等离子体共振，可通过尺寸、形状和表面化学调控，纳米填料加入可改善聚合物基质的光透射、吸收等性能，如氧化铝（Al?O?）、氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO?）等纳米填料可用于调控聚合物的光学带隙和非线性光学性能。
5. 纳米填料在活性食品包装中的应用
食品工业面临易腐产品污染问题，纳米填料加入生物聚合物纳米复合材料可提供可持续包装解决方案，提升 barrier、mechanical、antimicrobial 等性能，40% 食品包装公司利用纳米技术增强 barrier 性能。不同纳米填料在水果、蔬菜、肉类、水产品、加工食品等包装中有应用，如纤维素纳米晶、银纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒等，还可开发智能包装如生物传感器、气体指示剂等。
6. 纳米填料在食品包装中的优势与局限
优势包括作为结构增强剂提升材料基本性能，赋予功能属性如抗菌、抗氧化等，增强生物降解性和光降解性；局限包括纳米填料均匀分布难、生产成本高、纳米颗粒迁移的健康和监管问题、界面粘合不足、部分纳米填料可能有毒性。
7. 纳米填料的挑战与解决方案
7.1 挑战
存在纳米填料迁移至食品的风险，无机纳米填料毒性可能较高，纳米填料尺寸影响人体毒性反应，部分组合可能放大毒性。
7.2 解决方案
选择合适 precursor 和 compatible 聚合物基质，利用生物纳米颗粒（如源自细胞毒性酶的纳米颗粒），提升 biodegradable 聚合物性能，减少对合成塑料依赖，降低环境影响。
8. 结论
生物聚合物具可持续发展潜力，但存在性能局限，纳米填料加入可有效提升其性能，优化分散和相容性是研究重点，纳米技术发展为开发多功能生物聚合物纳米复合材料提供新途径，这些材料在食品包装、 biomedical devices、 environmental remediation 等领域具应用前景，有望替代传统塑料，促进环境可持续性。
