聚丁二酸丁二醇酯薄膜负载精油作为活性包装材料延长番茄货架期的研究与应用

本研究针对传统化石燃料基塑料包装的环境污染问题，开发了一种基于可生物降解聚丁二酸丁二醇酯(PBS)并负载地中海植物精油(包括百里香酚、香芹酚和丁香油酚)的活性包装薄膜。通过热熔挤出技术制备的薄膜表现出优异的抗氧化活性、气体阻隔性能和机械性能，番茄保鲜实验证实其能有效延缓氧化褐变和微生物腐败，为可持续食品包装提供了创新解决方案。

　　

随着全球塑料污染问题日益严重，食品包装行业正面临着前所未有的环保压力。据统计，每年生产的塑料中有40%用于包装领域，这些源自化石燃料的塑料材料在自然环境中难以降解，导致微塑料在海洋和土壤中不断累积，造成严重的生态污染。欧盟为此颁布了《一次性塑料指令》(2019/904)，强制要求减少塑料包装的使用，推动可生物降解材料的研发应用。

在此背景下，可生物降解聚酯材料聚丁二酸丁二醇酯(Polybutylene succinate, PBS)因其优异的生物降解性和机械性能受到广泛关注。然而，纯PBS薄膜在功能性方面存在局限，无法有效延缓食品腐败。地中海地区植物精油(Essential Oils, EOs)如百里香酚(Thymol)、香芹酚(Carvacrol)和丁香油酚(Eugenol)等，因其显著的抗氧化和抗菌特性，为开发活性食品包装提供了新思路。

来自意大利巴勒莫大学工程系的研究团队在《Applied Food Research》发表了创新性研究成果，他们通过热熔挤出技术成功将三种地中海精油融入PBS基质，制备出具有生物活性的食品包装薄膜，并系统评估了其在番茄保鲜中的应用潜力。

研究人员采用热熔挤出和直接流延成型技术制备薄膜样品，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学相互作用，扫描电子显微镜(SEM)观察形态结构，差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)表征热性能，万能拉力机测试机械性能，紫外-可见光谱测定光学特性，DPPH自由基清除实验评估抗氧化活性，气体渗透仪测量CO₂和O₂渗透性，高效液相色谱(HPLC)分析精油释放率，并通过番茄保鲜实验验证实际应用效果。

3.1. FTIR分析

FTIR光谱证实精油成功嵌入PBS基质，在2950和2930 cm^-1处出现明显的亚甲基C-H伸缩振动峰，1740 cm^-1处的C=O伸缩振动和1145 cm^-1处的C-O伸缩振动峰发生位移，表明精油与聚合物之间形成了有效的分子间相互作用。

3.2. 形态学分析

SEM显示所有薄膜表面均匀平整，无油滴聚集、划痕或孔洞等缺陷，表明精油与PBS基质具有良好的相容性。厚度测量显示添加精油后薄膜厚度在8.63-11.91μm之间，与纯PBS相比无明显变化。

3.3. 机械性能表征

纯PBS薄膜的拉伸强度为27.0 MPa，断裂伸长率为67.2%。添加3%精油后，材料韧性显著提升，断裂伸长率增加23-70%，其中PBS/百里香酚薄膜表现出最佳力学平衡（拉伸强度23.0 MPa，断裂伸长率115.4%），表明精油发挥了有效的增塑作用。

3.4. 热性能表征

DSC显示纯PBS在106.2°C和117.9°C处出现双熔融峰，添加精油后第二个熔融峰向低温移动4-5°C，结晶度提高3-5%。TGA表明精油添加对热稳定性影响较小，初始分解温度保持在342.7-352.0°C之间。

3.5. 光学性能

紫外-可见光谱显示PBS薄膜在UV-A区域透光率最低，添加精油后可见光区域透光率显著增加，透明度提高统计显著(p<0.001)。

3.6. 抗氧化活性

DPPH自由基清除实验表明，纯PBS薄膜抗氧化活性较低，而添加精油的薄膜清除率显著提高(p<0.01)。其中罗勒提取物薄膜表现最佳，比百里香酚和香芹酚薄膜分别高出12.7%和16.7%，混合精油(PBS/All)薄膜显示出协同增强效应。

3.7. 气体渗透性

精油添加显著提高了薄膜对CO₂和O₂的渗透性，其中罗勒提取物薄膜气体渗透性最高(CO₂: 16.74 cm³ mm m^-2 d^-1 kPa^-1; O₂: 1.27 cm³ mm m^-2 d^-1 kPa^-1)。

3.8. HPLC分析

HPLC检测显示单一精油薄膜中精油释放率较低(百里香酚22.2%，香芹酚26.4%，罗勒提取物2.8%)，而混合精油薄膜释放率显著提高(百里香酚和香芹酚45.5%，丁香油酚10.0%)。

3.9. 食品保鲜测试

为期三周的番茄保鲜实验显示，纯PBS包裹的番茄出现明显褐变和微生物污染，而精油薄膜包裹的番茄保鲜效果显著。特别是PBS/All薄膜表现最佳，能有效抑制氧化褐变和霉菌生长，减少水分流失，保持番茄新鲜度。

该研究证实热熔挤出技术能有效将地中海精油嵌入PBS基质，制备的功能性薄膜不仅保持了精油的生物活性，还改善了PBS的机械性能和气体渗透性。FTIR和DSC分析揭示了精油与聚合物之间的分子相互作用，SEM证实了良好的相容性。抗氧化实验和番茄保鲜测试表明这些薄膜能有效延缓食品氧化和微生物腐败，其中混合精油薄膜(PBS/All)表现出最佳综合性能。

这项研究的重要意义在于开发了一种真正可持续的活性包装解决方案，既解决了塑料污染问题，又通过天然精油的添加增强了包装的功能性。相比传统塑料包装，PBS/精油薄膜不仅可生物降解，还能主动延长食品货架期，减少食物浪费。研究结果为开发下一代绿色活性包装材料提供了科学依据和技术路线，对推动食品包装行业向可持续发展转型具有重要实践价值。

未来研究需要进一步开展微生物学表征、迁移测试和大规模成本分析，以全面评估这些材料在食品包装中的应用潜力。但当前研究无疑为替代传统石油基塑料包装提供了有前景的解决方案，符合循环经济和环境保护的国际战略方向。