《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Innovation in Eco-Friendly, Sustainable Bio-Material for Food Packaging: Characterization of PLA/Banana Fiber/Tulsi Essential Oil Composite Films, A Preliminary Evaluation for Strawberry Preservation
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本研究首先采用双螺杆挤出法，制备了不同香蕉纤维（BF）负载量（5、10和15 wt.%）的聚乳酸（PLA）基复合颗粒。随后，通过溶液浇铸法，向这些PLA基颗粒中添加2 wt.%的圣罗勒精油（TEO）作为天然生物活性剂，制备了复合薄膜。傅里叶变换红外光谱（FTI
本研究首先采用双螺杆挤出法，制备了不同香蕉纤维（BF）负载量（5、10和15 wt.%）的聚乳酸（PLA）基复合颗粒。随后，通过溶液浇铸法，向这些PLA基颗粒中添加2 wt.%的圣罗勒精油（TEO）作为天然生物活性剂，制备了复合薄膜。傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果表明，PLA基体与添加剂（BF和TEO）之间的相互作用本质上是物理性的。特别地，与纯PLA薄膜相比，添加了2 wt.% TEO和10 wt.% BF的PLA基薄膜（PLA/2TEO/10BF）的拉伸强度从22.1 ± 1.03 MPa增加到36.3 ± 0.64 MPa（提高了64.25%），水接触角（WCA）从81°增加到90°。此外，与纯PLA薄膜相比，PLA/2TEO/10BF复合薄膜表现出优异的柔韧性（断裂伸长率为8.74%）以及卓越的氧气和水蒸气阻隔性能。通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）分析，研究人员观察到PLA/2TEO/10BF薄膜具有致密的形态和均匀的BF分布。此外，这些复合材料对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）表现出卓越的抑制活性。在一项初步的概念验证草莓储存研究中，PLA/2TEO/10BF薄膜表现出最低的生理失重率（在第5、10和15天分别为3.27%、8.85%和11.89%），表明其在草莓保鲜方面具有广阔的应用潜力。
研究背景与目的
人类饮食高度依赖果蔬，但采后生理变化导致超过40%-50%的全球果蔬在消费前变质。微生物感染和脂质劣化是导致食品腐败的主要因素。传统塑料包装难以降解，造成严重的环境问题。因此，开发可生物降解、具有活性的包装材料至关重要。聚乳酸（PLA）作为一种源自可再生资源的生物聚合物备受关注，但其脆性、低热变形温度等缺点限制了应用。研究人员旨在通过将天然纤维（香蕉纤维，BF）和天然生物活性剂（圣罗勒精油，TEO）引入PLA基体，以改善其机械性能、阻隔性能和抗菌活性，从而开发出一种环保、可持续的活性食品包装材料，并以高易腐坏水果草莓为模型评估其保鲜效果。
研究方法与技术路线
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碱处理（Mercerization）：对香蕉纤维（BF）进行5% NaOH溶液预处理，以去除杂质（如髓部）、半纤维素和部分木质素，增强纤维表面特性，改善其与PLA基体的界面粘附性。
- 2.
熔融共混与挤出造粒：将PLA颗粒与不同重量百分比（5、10、15 wt.%）的碱处理BF通过双螺杆挤出机进行熔融混合，设置螺杆转速为100 rpm，温度区间为150°C至210°C，经冷却、切粒后获得PLA/BF复合颗粒。
- 3.
溶液浇铸法成膜：将PLA/BF复合颗粒溶解于氯仿中，再加入固定比例（2 wt.%）的圣罗勒精油（TEO），搅拌混合后浇铸于玻璃培养皿中，待溶剂挥发后形成PLA/TEO/BF复合薄膜。
- 4.
表征技术：利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察薄膜表面形貌；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学官能团及相互作用；采用万能试验机测试力学性能（拉伸强度和断裂伸长率）；使用接触角测量仪测定水接触角（WCA）；依据标准方法测试氧气透过率（OTR）和水蒸气透过率（WVTR）；采用抑菌圈法评估对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抗菌活性；通过称重法计算草莓在储存期间的生理失重率（PLW）。
研究结果与结论
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FESEM分析：纯PLA薄膜表面光滑均匀。PLA/2TEO/5BF和PLA/2TEO/10BF复合薄膜呈现出致密、均匀的表面，无可见空隙或相分离，表明BF、PLA和TEO之间具有良好的界面相容性。然而，当BF含量增至15 wt.%时，PLA/2TEO/15BF薄膜出现明显的纤维团聚现象，这是由于填料含量超过了最佳阈值。
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力学性能：纯PLA薄膜的拉伸强度为22.1 ± 1 MPa，断裂伸长率为2.14%。添加TEO和BF后，薄膜的拉伸强度和柔韧性均得到提升。其中，PLA/2TEO/10BF复合薄膜的综合力学性能最优，拉伸强度达到最大值36.3 ± 0.64 MPa，断裂伸长率为8.74%，实现了强度与韧性的良好平衡。进一步提高BF含量至15 wt.%则因纤维团聚导致力学性能下降。
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水接触角（WCA）：纯PLA薄膜的WCA为81.4°，呈中等亲水性。随着TEO和BF的加入，复合薄膜的WCA显著增加。PLA/2TEO/10BF和PLA/2TEO/15BF薄膜的WCA分别达到90.1°和93.5°，转变为疏水特性。这归因于TEO中的疏水成分（如丁香酚）以及BF带来的表面粗糙度增加。
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气体阻隔性能：与纯PLA薄膜相比，所有PLA/TEO/BF复合薄膜的氧气透过率（OTR）和水蒸气透过率（WVTR）均显著降低。PLA/2TEO/15BF薄膜表现出最佳的阻隔性能，其OTR和WVTR分别降低了约39%和49%。阻隔性能的提升主要得益于TEO的疏水性和BF在基体中形成的“曲折路径”效应，增加了气体分子的扩散阻力。
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FTIR分析：PLA/TEO/BF复合薄膜的红外光谱显示出与纯PLA相同的特征吸收峰，未发生偏移或出现新的吸收峰。这表明TEO和BF的加入并未改变PLA的化学主链结构，它们与PLA基体之间仅为物理混合。
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抗菌活性：纯PLA薄膜几乎无内在抗菌活性。而所有PLA/TEO/BF复合薄膜均对S. aureus和E. coli表现出显著的抑菌作用，且抑菌圈直径随BF含量的增加而增大。复合薄膜对革兰氏阳性菌（S. aureus）的抑制效果优于革兰氏阴性菌（E. coli），这与后者细胞壁结构更复杂有关。
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草莓保鲜研究：在室温储存条件下，未经包装的草莓在第5天即严重失水、霉变。商业聚乙烯（PE）和纯PLA薄膜提供了一定保护，但效果有限。相比之下，PLA/2TEO/10BF复合薄膜包裹的草莓在储存10天后仍保持较好的外观，无明显真菌生长，且生理失重率（PLW）始终最低（第5、10、15天分别为3.27%、8.85%和11.89%）。这表明该复合薄膜通过改善的阻隔性和抗菌活性，有效延缓了草莓的品质劣变。
讨论与结论
本研究的局限性在于，每批薄膜配方均来自单次浇铸批次，重复测量代表的是技术重复而非独立重复，且实验室阶段使用了氯仿作为溶剂，虽经干燥但未检测残留，因此尚不能完全符合食品接触材料的法规标准。未来需进行多批次独立实验、残留溶剂分析、迁移测试及全面的安全性评估。
研究结论指出，研究人员成功通过熔融共混结合溶液浇铸法制备了负载TEO和BF的活性环保型PLA基复合薄膜。系统的表征结果显示，添加2 wt.% TEO和10 wt.% BF的PLA/2TEO/10BF薄膜综合性能最佳，其拉伸强度比纯PLA薄膜提高了约1.6倍，同时展现出优异的疏水性、气体阻隔性和广谱抗菌活性。初步的草莓保鲜实验证实了其良好的保鲜潜力。该研究为开发基于PLA、农业副产品（香蕉纤维）和植物源精油的可持续活性包装材料提供了概念验证证据。然而，在商业化应用之前，仍需进一步开展关于规模化制造、精油迁移安全性、长期储存稳定性、经济可行性以及食品接触法规合规性等方面的系统研究。
