可可壳纤维素与天然蜡共筑功能性生物塑料薄膜：迈向可持续活性食品包装的创新之路

本研究针对传统石油基塑料的环境污染问题，以巧克力工业副产物可可壳(CS)为原料，通过提取纤维素并羧甲基化(CS-CMC)，结合天然蜡(蜂蜡/巴西棕榈蜡)喷涂涂层技术，开发出具有优异疏水性(接触角>125°)、机械强度(3.58 MPa)和抗氧化活性的可降解包装薄膜，为食品活性包装提供了可持续解决方案。

　　

在全球每年产生440-750万吨可可壳废弃物的背景下，传统石油基塑料造成的白色污染问题日益严峻。巧克力工业的快速发展与可持续包装需求之间的矛盾，催生了这项创新研究——利用可可壳纤维素开发功能性生物塑料薄膜。

研究团队从可可壳中提取纤维素，通过化学改性制备羧甲基纤维素(CS-CMC)，并采用甘油/山梨醇增塑成膜。为克服纤维素基材料固有的亲水性，创新性地采用蜂蜡(BW)和巴西棕榈蜡(CW)以不同比例(100:0至0:100)进行表面喷涂处理。通过系统表征发现，25:75的BW/CW配比薄膜展现出最佳综合性能：接触角>125°的强疏水性、3.58 MPa的拉伸强度、降低的水蒸气透过率，同时保持生物降解性(28天降解58.18%)和细胞相容性(HaCaT细胞存活率96.67%)。

关键技术方法包括：(1)采用NaOH/NaClO₂两步法从可可壳提取纤维素；(2)通过醚化反应制备CS-CMC(取代度DS=0.71)；(3)超声乳化制备蜡-乙醇悬浮液；(4)喷涂涂层构建疏水表面；(5)通过FTIR、SEM、接触角测定仪等表征材料特性；(6)ABTS/DPPH法评估抗氧化活性；(7)MTT法测试HaCaT细胞相容性；(8)土壤埋藏实验评价生物降解性。

研究结果揭示：

3.1 纤维素提取与功能化

采用温和条件(5% NaOH)结合NaClO₂漂白，获得25.32%的高纯度纤维素，经羧甲基化后DS值达0.71，确保完全水溶性。FTIR证实羟基被羧甲基取代(1600 cm^-1和1416 cm^-1特征峰)，SEM显示改性后形成不规则片状结构。

3.3.1 化学与形态表征

ATR-FTIR显示涂层薄膜在2915 cm^-1和2848 cm^-1出现蜡特征峰。SEM证实蜡涂层显著增加表面粗糙度，25:75 BW/CW样品(CS-CMC^D)呈现最均匀的纳米结构。

3.3.2 力学性能

25:75 BW/CW涂层使薄膜拉伸强度提升63%(3.58 MPa)，穿刺强度达17.95 N/mm²，优于纯蜂蜡或棕榈蜡涂层。

3.3.3 物理特性

最佳配比CS-CMC^D的水蒸气透过率(WVTR)降低88%，接触角提升至125°以上，且保持58.18%的生物降解率。

3.3.4 生物功能与环境性能

50:50 BW/CW薄膜(CS-CMC^C)表现出最高抗氧化活性(DPPH清除率62.9%)，而25:75 BW/CW样品细胞相容性最佳(96.67%存活率)。

这项研究开创性地将食品工业废弃物转化为高性能包装材料，其创新点在于：(1)开发可可壳纤维素这一非粮生物质的新应用；(2)天然蜡复合涂层技术克服了生物基材料疏水性差的瓶颈；(3)材料兼具活性包装功能与环境友好特性。该成果发表于《Food Packaging and Shelf Life》，为循环生物经济提供了可规模化推广的解决方案，同时解决了废弃物增值与塑料污染双重环境挑战。未来研究可进一步优化涂层工艺，并开展实际食品保鲜验证。