壳聚糖稳定聚乳酸乳液：一种提升包装材料阻隔性能的绿色涂层策略

为解决石油基塑料环境污染及生物基材料阻隔性能不足的问题，研究人员通过乳化-溶剂蒸发法开发了基于聚乳酸(PL)和壳聚糖(CS)的水性涂层。该研究通过调控PL/CS比例（65/35至94/6），获得均匀分散的PL颗粒（100-1400 nm），使双层体系在50%RH下氧气渗透率降低78%，水蒸气渗透率降低35%。这项研究为食品包装提供了可调控屏障性能的环保解决方案。

　　

石油基塑料的不可降解性已成为全球性环境难题，仅9%的塑料被回收，近半数最终进入自然环境。尽管聚乳酸(PLA)等生物基材料展现出替代潜力，但其氧气和水蒸气阻隔性能不足制约了应用。传统共混方法因PLA和壳聚糖(CS)加工特性差异面临挑战——PLA需熔融加工而CS需水溶液处理。更棘手的是，现有研究多使用有毒有机溶剂（如二氯甲烷），且CS添加量通常低于10%。这些限制催生了西班牙食品科学研究所团队在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》发表的创新研究。

研究采用乳化-溶剂蒸发技术，以乙酸乙酯(EtOAc)为PLA溶剂，通过超高速剪切(25,000 rpm)制备PL/CS乳液，经24小时溶剂蒸发获得稳定分散体系。关键方法包括：激光共聚焦显微镜分析颗粒分布，流变学测定剪切稀化行为，扫描电镜观察膜断面形貌，热重分析评估热稳定性，以及通过氧渗透仪和水蒸气透射仪测定双层体系屏障性能。

3.1 乳液与分散体表征

通过调节CS浓度(1-4% w/v)获得不同PL/CS比例的分散体(DPLCS1-4)，其中DPLCS3(70/30)展现最佳稳定性。共聚焦图像显示CS浓度升高使PL颗粒尺寸从1400 nm降至100 nm，流变学证实所有体系均呈现剪切稀化特性，粘度随CS增加而升高（DPLCS4达397.43 Pa·sⁿ）。

3.2 PLCS复合膜特性

SEM显示PLCS3膜具有最均匀的PL颗粒分布(200-600 nm)。FTIR证实两组分无化学相互作用，TGA显示复合材料的热降解温度较单一组分提高。MDSC检测到PLA玻璃化转变温度(T_g)从42.8°C升至57.6°C，归因于CS基质的物理限制效应。

3.3 双层体系性能

PLA/PLCS3在50%RH下氧气渗透率降至175 cm³ m^-2 day^-1，降幅达78%。估算涂层本征氧渗透率(PO₂)显示PLCS3在90%RH仍保持最低值(0.90×10^-2 cm3 m m^-2 day^-1 atm^-1)。水蒸气阻隔测试中，尽管CS本征渗透率高，但PLA/PLCS3因涂层厚度(8.8 μm)使透湿率降低27-35%。力学测试显示CS增加使拉伸强度从88.9 MPa(PLCS1)降至55.1 MPa(PLCS4)。

该研究突破性地实现了高CS含量(最高35%)水性涂层的制备，首次报道PLA/CS水性涂层体系。PLCS3配方在保持加工性的同时，通过纳米级PL颗粒分散和CS基质协同作用，创造了优异的氧气阻隔网络。尽管高湿度环境会削弱CS屏障性能，但研究为开发可降解食品包装提供了新思路——通过精确调控PL/CS比例，可针对不同食品需求定制屏障性能。未来可通过交联改性或多层结构进一步优化高湿条件下的性能，推动绿色包装的实际应用。