综述：植物基农业废弃物在可持续食品包装材料中的价值化：当前方法与功能应用

本综述系统阐述了将植物基农业废弃物转化为可生物降解食品包装材料的前沿策略与应用进展。文章重点探讨了从废弃物中提取纤维素、淀粉、木质素等生物聚合物，并通过溶剂浇铸、熔融挤出、静电纺丝等技术制备高性能包装材料的方法。这些材料不仅具备优异的机械强度、阻隔性能和生物活性，还能通过整合抗氧化剂、抗菌剂实现活性与智能包装功能，显著延长食品货架期。该研究为减少化石基塑料依赖、推动循环生物经济（CE）和实现联合国可持续发展目标（SDGs）提供了关键技术路径。

　　

引言：重塑食品包装的可持续路径

传统塑料包装对不可再生资源的依赖及其不可降解特性，已成为全球性的环境污染与健康隐患。这些材料在自然环境中需数百年才能分解，其废弃物不仅侵占土地、污染海洋，还会释放有毒化学物质进入食物链。据统计，食品包装约占全球废弃物的20%，而塑料回收率仅为14%。在此背景下，利用农业废弃物开发可生物降解包装材料，不仅符合循环生物经济原则，更能显著降低碳足迹（最高可达99%），为构建可持续食品体系提供关键解决方案。

农业废弃物的分类与潜力

农业废弃物根据植物来源可分为五大类：茎秆类（如香蕉假茎、蘑菇柄）、叶片类（如竹叶、橄榄叶）、果蔬类（如苹果渣、芒果皮）、种子壳类（如牛油果籽、花生壳）以及根茎类（如马铃薯皮、木薯渣）。这些废弃物富含纤维素、半纤维素、淀粉、果胶、木质素等高价值生物聚合物，可通过化学、机械或生物法提取转化。例如，香蕉假茎纤维素可增强复合膜的机械强度，蘑菇柄中的不溶性膳食纤维能形成具有优异阻隔性能的可食用膜，而芒果籽提取物可赋予包装材料显著的抗氧化活性。

生物聚合物的提取与创新应用

细菌纤维素（BC）：由Gluconacetobacter xylinus合成，具备高结晶度、强拉伸强度和生物相容性。以稻壳、咖啡渣等废弃物为底物，通过酸水解或酶预处理可提高BC产率（最高达8.3 g/L）。BC能有效增强马铃薯皮基薄膜的性能，用于活性食品保鲜包装。

聚羟基脂肪酸酯（PHA）：微生物合成的可降解聚酯。以果蔬废弃物、玉米秸秆为碳源，通过混合微生物发酵可降低成本。研究表明，米糠与玉米淀粉混合底物可实现PHA产量77.8 g/L，但其商业化仍面临提取纯化工艺优化的挑战。

纤维素与半纤维素：从甘蔗渣、大蒜秆等废弃物中通过碱酸处理去除木质素后，可制备纳米纤维素（CNC）。这些纳米材料能显著提高复合膜的拉伸强度（TS）和氧气阻隔性（OBP），例如咖啡银皮衍生的CNC使薄膜水蒸气渗透性（WVP）降低、热稳定性提高。

淀粉：源自马铃薯皮、菠萝茎等废弃物，需通过塑化（如甘油）和交联（如柠檬酸）改善其亲水性和脆性。菠萝茎淀粉（PSS）因高直链淀粉含量可形成强韧水不溶膜，而木薯-淀粉复合膜表现出与合成聚合物相当的机械性能。

果胶：从柑橘皮、芒果皮中提取，可通过与壳聚糖共混或添加纳米二氧化钛（TiO₂）提升膜的紫外线屏蔽能力和阻隔性能。柑橘果胶-壳聚糖膜表现出更高的拉伸强度和更低断裂伸长率。

木质素：通过有机溶剂或微波辅助从葡萄籽、橄榄核中提取，能增强材料的抗氧化性和紫外屏障功能。但因其与聚合物基质相容性差，需通过功能化策略改善分散性。

壳聚糖：源自虾蟹壳，具有天然抗菌性。与橙皮果胶或菠萝叶纳米纤维素复合后，薄膜的机械强度和耐水性显著提升，其中纳米纤维素-壳聚糖复合膜拉伸强度达18.25 MPa，吸水率仅160%。

海藻酸盐：从褐藻中提取，与胡萝卜纤维或葱蒜废弃物结合时，能降低水蒸气渗透性并增强抗氧化活性。例如添加葱废料的可食用膜可有效抑制鲜切水果褐变。

先进制备技术与功能化策略

包装膜的制备技术多样，各具特色：

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  溶剂浇铸：操作简单且能整合功能性添加剂（如精油、纳米颗粒），但生产效率低且溶剂回收难；
  

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  熔融挤出：适用于热塑性聚合物，可实现连续化生产，但高温可能导致生物聚合物降解；
  

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  静电纺丝/喷涂：可制备纳米纤维膜，精准控制活性成分释放，但产量低且设备成本高；
  

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  层层自组装（LBL）：通过交替沉积带相反电荷的物质构建多层结构，能精确控制膜厚与组成，如壳聚糖与纤维素纳米晶体（CNC）复合显著改善聚乙烯 terephthalate（PET）的气体阻隔性。

功能化方面，通过添加茶多酚（TP）、香芹籽精油（EO）等活性成分，可赋予包装抗菌（AMP）和抗氧化（AOP）特性。例如含石榴皮提取物的玉米蛋白膜能将Kalari奶酪货架期延长50%，而壳聚糖-海藻酸盐涂层使番石榴乙烯/CO₂产生量降低64%/29%。交联剂（如柠檬酸、单宁酸）和纳米填料（如蒙脱土纳米粘土）的引入，进一步增强了薄膜的机械强度、热稳定性及阻隔性能。

现实效能与性能对比

农业废弃物衍生包装在真实食品体系中表现卓越：香蕉皮-壳聚糖膜的水蒸气渗透性（WVP）降低30%，椰子油-乳清蛋白膜减少30%脂肪吸收，而红卷心菜提取物制备的pH响应膜可通过颜色变化指示食品腐败。定量数据显示，这些材料的拉伸强度可达76.6 MPa，水蒸气传输率（WVTR）低至0.0240 g·m^-1·m^-2·d^-1·kPa^-1，抗氧化活性（DPPH法清除率达70–90%），与传统聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）相比，在环境效益上具有显著优势，但灵活性和大规模加工性能仍需提升。

挑战与未来展望

尽管农业废弃物包装前景广阔，仍面临多重挑战：

1. 1.

   提取工艺：酶法提取成本高，酸碱法污染大，超声波、微波辅助提取等绿色技术需进一步优化以适应工业化规模；
   

2. 2.

   经济可行性：目前生物聚合物生产成本（2.0–6.0美元/公斤）远高于传统塑料（1.2–1.5美元/公斤），需通过流程优化降低能耗与原料成本；
   

3. 3.

   法规符合性：需通过迁移试验和毒性评估满足FDA、EFSA等机构食品安全标准，目前食品级增塑剂（如山梨醇）和交联剂（浓度0.05%）的添加已被证实安全；
   

4. 4.

   技术整合：材料性能 variability 及与现有灌装-密封（FFS）设备的兼容性不足，阻碍了规模化应用；
   

5. 5.

   消费者接受度：对材料安全性和功能性的疑虑需通过教育宣传消除，研究表明细菌纤维素-橄榄油涂层在9周内仍能保持果蔬感官品质。

未来研究应聚焦于：开发深共晶溶剂（DES）等绿色改性剂、构建智能包装系统、推进模块化生物精炼模式，并通过政策支持推动产业链整合。唯有攻克这些瓶颈，农业废弃物衍生包装才能真正实现从实验室创新到产业应用的跨越，为全球可持续发展目标贡献实质性的解决方案。