综述：生物聚合物及其纳米复合材料涂覆纸基高阻隔可持续食品包装材料

这篇综述系统探讨了生物聚合物（如多糖、蛋白质、木质素）与纳米材料（CNC/CNF/纳米粘土）在纸基食品包装中的应用，通过涂层技术（LbL/多层/纳米复合）提升阻隔性能（O2/H2O/微生物），平衡环境可持续性与食品安全需求，为替代传统塑料（PE/PP/PET）提供创新解决方案。

　　

Abstract

全球食品包装市场正面临从石油基塑料（PE/PP/PET）向可持续材料的转型。纸基包装因其可生物降解和可回收特性成为理想候选，但天然亲水性和多孔性限制了其阻隔性能。通过生物聚合物涂层（如纤维素、壳聚糖、PLA）和纳米复合材料（如纳米粘土、CNF、GO）的协同作用，可显著提升对氧气、水蒸气和微生物的屏障效果。多层涂层策略（如LbL技术）和纳米粒子分散状态（剥离型>插层型）是优化性能的关键。

Introduction

传统塑料包装的不可降解性导致微塑料污染问题日益严峻。纸基材料虽环保，但需通过涂层技术克服其固有缺陷。生物聚合物（多糖、蛋白质、脂质）和生物聚酯（PHB/PHBV）通过挤出、浸渍或喷涂等方式形成涂层，而纳米材料（如SiO₂/ZnO/AgNP）的加入可赋予抗菌和超疏水特性。

屏障性能提升策略

聚合物共混：如PHBV与柔性生物聚合物共混，牺牲部分阻隔性以改善脆性；结晶调控：通过成核剂（如硬脂酸）或热处理提高PLA/PEF结晶度（↑5-15%）；纳米复合：黏土纳米片（蒙脱土）剥离后形成迂曲路径，O₂渗透率降低50%以上；多层设计：壳聚糖-蜂蜡双层涂层使水蒸气透过率（WVP）下降80%。

纳米材料分类与应用

• 等维纳米粒子：球形CNC/SiO₂增强机械强度
• 纤维状材料：CNF/CNT通过高长径比提升气体阻隔
• 纳米片层：石墨烯/黏土通过“迷宫效应”阻隔渗透

挑战与展望

尽管生物聚合物涂层在实验室规模表现优异，但大规模生产（如LbL技术）仍面临成本与工艺难题。未来需优化纳米分散技术（超声/球磨），并建立回收体系（如纸浆再制浆）以实现循环经济。EFSA/FDA对迁移物的监管标准（SML/GRAS）也需同步跟进。

Biodegradability & Recycling

生物降解依赖微生物酶解（→CO₂/H₂O），而回收需分离涂层与纸纤维。每吨纸基包装回收可节约17棵树，但PLA等生物聚酯需单独堆肥处理。

总结

生物聚合物纳米复合涂层为食品包装提供了“绿色解决方案”，其性能已接近传统塑料，但在规模化生产、成本控制和政策合规方面仍需突破。多学科协作将是推动该领域发展的核心动力。