果胶基高阻氧涂层在食品包装中的应用：提升PET薄膜的可持续性与回收性

为解决多层复合食品包装膜难以回收的问题，研究人员开发了一种基于果胶（pectin）的生物源性高阻氧涂层，应用于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜。研究通过添加异丙醇（IPA）和氧化石墨烯（GO）显著降低了氧气透过率（OTR≤0.22 cm3/m2.day.atm），涂层可热水洗脱，使PET基材易于回收，为可持续食品包装提供了新方案。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，食品包装行业的可持续发展面临重大挑战。柔性食品包装膜因其需要具备高阻氧性、机械强度和透明度，通常采用多层复合结构，但这使得回收变得异常困难——2020年英国仅4%的柔性薄膜被回收，其余大多被焚烧或填埋。现有高阻氧材料如乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）虽性能优异，但依赖化石燃料原料且对湿度敏感，更重要的是，多层复合结构难以分离，严重阻碍了塑料循环经济的发展。

为此，来自英国斯旺西大学威尔士印刷与涂层研究中心的研究团队在《Future Foods》上发表了一项创新研究，他们开发了一种基于果胶（pectin）的生物源性氧气阻隔涂层，应用于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜，旨在实现高性能与可回收性的统一。果胶作为一种从柑橘皮等食物废料中提取的生物聚合物，具有生物可降解、无毒、水溶性及良好的成膜性，是替代合成阻隔材料的理想选择。

研究人员通过棒涂法（bar coating）将水基果胶涂层沉积在12微米厚的PET薄膜上，并系统评估了不同配方（添加异丙醇IPA或氧化石墨烯GO）的涂层性能。关键实验技术包括：流变学测量分析涂层溶液的粘度与流变行为；厚度测量采用感应测厚仪；紫外-可见光谱（UV-Vis）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征涂层的光学性能与化学结构；氧气透过率（OTR）使用MOCON OX-TRAN?设备在23°C、0%相对湿度下测定；涂层可去除性通过70–80°C热水浸泡实验验证。

3.1. 涂层分散体的流变学

研究发现，纯8wt%果胶水溶液呈现近牛顿流体行为，粘度约11 Pa.s。添加0.1wt% GO使粘度增加至33 Pa.s，而加入10% IPA则显著提高了剪切稀化行为和粘度（超过100 Pa.s），表明IPA促进了果胶链的聚集，形成更紧密的网络结构。

3.2. 涂层一致性和厚度

所有配方均能在PET表面形成均匀涂层。使用0.3毫米和0.64毫米线径涂布棒获得的干涂层厚度分别为约1.4微米和3.7微米，厚度控制良好，为后续性能比较奠定了基础。

3.3. 涂层薄膜的紫外-可见光谱

除非添加GO，果胶涂层对400–800 nm可见光区的透光率没有显著影响，保持了包装所需的透明度。但GO的加入使薄膜呈现灰色，透光率降低14.2%，这可能影响消费者接受度。

3.4. 涂层薄膜的红外光谱

FTIR光谱显示，涂层样品在3600–3000 cm^-1出现羟基特征峰，证实果胶成功涂覆。添加IPA或GO未引起明显光谱变化，因GO官能团与果胶相似。

3.5. 涂层和未涂层PET薄膜的氧气阻隔性能

未涂层PET的OTR为92 cm³/m².day。纯果胶涂层（1.4微米厚）将OTR降至3.44 cm³/m².day，较厚的涂层（3.7微米）进一步降至2.3 cm³/m².day。添加GO后OTR≤0.7 cm³/m².day，而添加IPA的样品表现出最高阻隔性，OTR≤0.22 cm³/m².day，甚至部分样品低于设备检测限（0.05 cm³/m².day）。计算得到的氧气渗透系数显示，添加IPA的涂层性能优于EVOH（OP≤0.76 vs. 5 cm³.μm/m².day.atm）。

3.6. 涂层去除评估

热水浸泡后，所有涂层均被完全去除，FTIR光谱中羟基峰消失，视觉检查也无染料残留，证明涂层可轻松洗脱，留下洁净的PET基材便于回收。

该研究成功开发出一种果胶基氧气阻隔涂层，其性能可与商用EVOH相媲美，同时具备生物来源、可降解和可移除的优势。添加IPA通过增强果胶链的聚集大幅提升了阻隔性，而GO虽有效但牺牲了透明度。涂层的热水可移除性解决了多层薄膜回收的瓶颈，为设计可回收单材料包装系统提供了实用方案。尽管果胶涂层在潮湿环境中的性能仍需优化，但这项技术为替代合成高阻隔聚合物、推动食品包装向循环经济转型迈出了关键一步，不仅适用于肉类包装，也有潜力扩展至烘焙食品等低湿度需求领域。未来工作可探索无毒交联剂改善耐水性，并进一步评估工业化生产的可行性。