综述：利用木质素作为贻贝仿生粘合剂和填料在可持续食品包装中的应用

这篇综述深入探讨了木质素（lignin）作为生物基粘合剂和填料在可持续食品包装中的创新应用，重点阐述了其独特的酚类结构赋予的UV屏蔽、抗氧化和抗菌特性。通过贻贝仿生化学（mussel-inspired chemistry）改性，木质素可显著提升包装材料的机械强度、气体阻隔性及光稳定性，同时解决塑料污染问题。文章系统比较了木质素与PLA、PHAs等生物基材料的性能差异，并指出其在活性包装（active packaging）和智能响应材料中的潜力，为食品工业的绿色转型提供了科学依据。

　　

木质素的多维化学特性

木质素是植物细胞壁中含量第二丰富的天然大分子聚合物，其复杂的芳香结构由三种单木质醇单元（p-香豆醇、松柏醇和芥子醇）通过氧化聚合形成。这种三维网络结构赋予木质素优异的机械强度、热稳定性和生物降解性，使其成为食品包装的理想候选材料。木质素的化学组成因植物来源和提取方法（如酸水解、碱提取、有机溶剂法）而异，其中硫含量（kraft lignin vs. organosolv lignin）直接影响其加工性能和应用场景。

提取与纯化技术的突破

从农业废弃物（如玉米秸秆、甘蔗渣）和林业副产品中提取木质素需克服结构异质性难题。酸水解法（H₂
SO₄
/HCl）能高效断裂木质素-碳水化合物键，但易导致分子量降低；碱提取（NaOH/KOH）适用于草本植物，而有机溶剂法（乙醇/甲酸）可生产高纯度硫-free木质素。新兴的离心辅助酸水解技术将产率提升至969.8 mg/g，远超传统热酸解法（679.8 mg/g）。纯化方面，超滤和色谱法能有效分离木质素与杂质，满足食品接触级标准。

仿生改性策略的创新

受贻贝足蛋白启发，通过引入儿茶酚基团（catechol）的化学修饰（如聚多巴胺PDA包覆），木质素微纳米球（LMNS）与环氧树脂复合涂层的粘附强度达5.9 MPa，阻抗模量（|Z|_{0.01 Hz}
）在盐雾环境中保持8.05×10⁸
Ω·cm²
。酶法氧化（漆酶-介体体系）可定向增加羧基含量达87%，促进纳米纤维解离。超声辅助溶解技术则使水解木质素（HL）在温和碱性条件下的溶解度提升30%，同时减少25% NaOH用量。

复合材料的性能优势

木质素增强生物复合材料展现出多重功能：

• 屏障性能：纤维素/木质素（50 wt%）薄膜的氧气透过率（OTR）低至3 cm³
  ·μm/(m²
  ·day·kPa)，油脂阻隔性（Kit值8）优于纯纤维素膜。
• UV防护：10 wt%木质素负载量即可阻挡90% UV-A和近100% UV-B辐射，归因于酚羟基和醌基的光子吸收机制。
• 抗菌活性：壳聚糖/木质素纳米颗粒（LNPs）薄膜对鱼片的保鲜期延长至10天，其抗菌机制涉及破坏细菌膜完整性（尤其对革兰氏阳性菌如S. aureus抑制率达49.7%）。
• 抗氧化效应：30 wt%木质素使k-卡拉胶薄膜的DPPH自由基清除率从3.25%跃升至60.5%，有效延缓油脂氧化。

产业化挑战与机遇

尽管Stora Enso等企业已实现年产5万吨木质素的商业化生产，但深色外观、熔融加工性差和残留溶剂迁移风险（<48.1 mg/kg乙酸模拟物）仍是主要瓶颈。未来需开发低成本改性技术（如等离子体处理、RAFT接枝聚合），并通过LCA评估全生命周期环境影响。木质素基多层包装（如PBAT/木质素涂层）在干食品（洋葱、土豆）保鲜中的表现已接近传统塑料，预示其在活性包装市场的广阔前景。

未来研究方向

探索木质素与动态响应材料（如温敏/ pH敏感聚合物）的复合，开发可监测食品新鲜度的智能包装；优化木质素纳米纤维（电纺法制备）的分散性以提升复合材料力学性能；建立符合FDA 21 CFR 170-199的食品安全标准，推动其在即食食品包装中的规模化应用。