从阻隔性能指标到冷链效果：生物基及可生物降解食品包装薄膜的性能导向认证框架

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：From Barrier Metrics to Cold-Chain Outcomes: A Performance-Based Qualification Framework for Bio-Based and Biodegradable Food-Packaging Films

　　

• 环境条件下测得的薄膜性能指标可能无法反映冷链包装的实际表现
• 冷凝、弯曲变形和密封缺陷是驱动泄漏路径的主要因素
• 六个验证领域揭示了冷链证据存在重大空白
• 弯曲变形后的阻隔性能以及湿冷条件下的密封保持力需要进一步验证
• 针对具体应用的验证可为可靠的冷链包装提供支持

引言

冷链食品体系面临两个相互关联的压力：一方面要减少食物损失与浪费（FLW），另一方面要限制对持久性一次性塑料的依赖。全球约有三分之一的食物在生产和消费过程中被损失或浪费，联合国可持续发展目标12.3（SDG 12.3）呼吁到2030年将人均食物浪费量减少50%。损失发生在整个价值链中，其中包装设计、冷藏储存稳定性和运输处理等环节对产品质量有重要影响（FAO, 2025）。因此，包装在流通环节中的性能与减少损失密切相关，对于温度敏感型食品尤为如此。本文综述采用与使用场景相关的因素来评估包装性能，包括湿度变化、冷凝、机械操作和长期冷藏储存，而非仅依赖环境条件下的阻隔性能（Uhlig等人, 2025）。近期评估还表明，冷链基础设施对减少食物损失有明确的贡献。冷藏设施不足与全球约5.26亿吨的食物损失或浪费有关，而改进冷链基础设施可在发展中国家每年预防约1.44亿吨的食物损失（FAO, 2026；UNEP和FAO, 2022）。

与此同时，塑料污染已成为一个关键的环境挑战，直接影响食品体系和消费者信任。石油基聚合物仍主导着包装领域，因为它们兼具气体和水蒸气阻隔性能、机械强度、低成本和可规模化生产的特点，常被认为是几乎所有包装塑料的组成（D'Almeida和de Albuquerque, 2024）。生物基塑料和生物可降解塑料代表了两类不同但部分重叠的材料类别，因为原料来源并不决定聚合物在特定末端环境中是否会降解（European Commission, 2022; Ghasemlou等人, 2024; Shlush和Davidovich-Pinhas, 2022）。传统塑料的使用规模相当可观：据估计，1950年至2015年间全球共生产了约83亿公吨原生塑料，其中约63亿公吨已成为废弃物，仅有约9%的废弃物被回收（Geyer等人, 2017）。对食品体系中微塑料和纳米塑料的日益关注，进一步增强了人们对降低持久性和减少非预期暴露的包装的需求。

生物基或生物可降解包装在受到机械损伤时，也可能产生微塑料或微生物塑料碎片。已有报道称，在可生物降解包装结构受到磨损和褶皱后可释放颗粒，但在冷藏或冷冻食品包装条件下的直接证据仍然有限（Fang等人, 2024; J. Sun等人, 2024）。因此，不应简单地假设低温会增加颗粒释放；冷链条件下的磨损和弯曲变形仍然是尚未解决的关键验证问题。

食品包装还必须在整个流通环节中维持对产品的保护功能。它提供机械保护，限制氧、湿气和光驱动的劣化，支持微生物安全，并承载物流和溯源所需的信息。当温度控制不完善时，这些功能变得尤为关键（Jiao等人, 2021）。因此，冷链性能取决于包装、产品和流通环境的综合表现，特别是在储存、运输和操作过程中出现短暂温度偏离时。

设计目标是在减少长期环境持久性的同时，维持目标应用所需的阻隔性能、密封性能和低温机械性能。传统冷链系统依赖聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），因为这些材料兼具强度、热封性、透明度、防潮性、规模化优势和成本效益（Bamps等人, 2023; Quinn等人, 2026）。多层结构可以将封合层、支撑层和阻隔层的角色分配给不同层次，这意味着用生物基和/或生物可降解替代品替换传统结构需要对完整的包装结构进行评估，而非仅替换单一聚合物（Quinn等人, 2026）。当其他格式（如涂层纸、铝箔复合膜、玻璃和不锈钢）适用于特定产品和流通模式时，也会采用这些格式（Piergiovanni和Limbo, 2016; Tas和Unal, 2021）。

本文综述的术语遵循欧盟关于生物基、生物可降解和可堆肥塑料的政策框架及法规(EU) 2025/40。"生物基"描述的是原料来源，不意味着具有生物可降解性。"生物可降解"描述的是材料在特定环境条件下经过足够时间后能够进行生物降解的能力，与其原料是生物来源还是化石来源无关。"可堆肥"则指生物可降解材料中一个更窄的子集，设计为在定义的堆肥条件下达到要求，并应有相应的标准或认证支持。因此，"生物塑料"一词在本综述中不作为正式的材料类别使用（European Commission, 2022; European Parliament和Council of the European Union, 2025; International Organization for Standardization, 2021）。因此，本综述将原料来源与末端行为独立处理：生物基塑料不一定具有生物可降解性，而生物可降解或可堆肥塑料可能含有化石来源的原料。

《包装和包装废弃物法规》（PPWR）将塑料定义为能够作为包装主要结构组件发挥作用的基于聚合物的材料，同时排除未经过化学改性的天然聚合物。因此，对于可能不符合这一定义的天然聚合物体系，本文综述采用"薄膜"作为更宽泛的描述（European Parliament和Council of the European Union, 2025）。本综述聚焦于生物基和/或生物可降解的柔性薄膜类包装，包括共混物、涂层、纳米复合材料和多层结构。柔性薄膜与刚性容器分开讨论，因为柔性薄膜的性能极易受弯曲和折痕损伤、薄膜气体和水蒸气传输、热封界面以及层间黏附力的影响。刚性托盘、瓶子和容器不在主要讨论范围内，除非它们能提供必要的冷链背景或直接性能基准。传统不可生物降解聚合物不作为目标材料纳入；必要时，使用这些聚合物的研究将被明确标识为传统或混合基准。

关于生物基和生物可降解柔性包装的研究仍在不断扩大（Gabriel等人, 2021, 2024; Shlush和Davidovich-Pinhas, 2022）。对于冷链应用，重要的局限包括：湿度和冷凝依赖的传输行为、温度依赖的机械响应、密封强度损失或泄漏，以及机械损伤区域气体和水蒸气传输的增加（Ghasemlou等人, 2024; Guivier等人, 2023, 2024）。实际实施还取决于可规模化加工、可靠的末端处置途径，以及符合食品接触要求，包括添加剂和降解产物的迁移（Lestido-Cardama等人, 2025）。与主要强调材料类别、功能性添加剂或更广泛可持续性考虑的近期综述相比（Ghasemlou等人, 2024; Shlush和Davidovich-Pinhas, 2022; Uysal-Unalan等人, 2024），本综述按照预期的冷藏或冷冻使用状态来组织证据，在单个终点层面评估证据的相关性，并将这些区分转化为一个针对具体应用领域的六域验证框架。

部分摘要

文献检索与证据选择

利用ScienceDirect、SpringerLink、Wiley Online Library、MDPI和Google Scholar检索了关于生物基和/或生物可降解柔性食品包装系统在冷藏、冷冻、高湿度、冷凝、机械加载、密封和食品接触条件下性能的文献，检索截止至2026年5月。检索关键词结合材料相关术语，包括生物基、生物可降解、可堆肥、PLA（聚乳酸）、PBAT（聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯）、PBS（聚丁二酸丁二醇酯）、淀粉、壳聚糖和纤维素。

冷链使用条件与性能要求

冷链包装的性能受到物流界面不稳定性的强烈影响。产品在冷藏室、装卸区、运输车和临时暂存区之间流转，短暂的暴露会累积为温度漂移、湿度变化和机械损伤（Defraeye等人, 2015; Meng等人, 2023）。这些应力可能相互作用：温度偏离可增加冷凝风险，而低温下的机械变化和操作可导致裂纹、密封边缘……

冷藏和冷冻条件下的使用温度验证

使用温度验证应反映包装食品的预期状态，而非代表整个冷链的单一温度区间。冷藏储存、冷冻储存和解冻—再冻结暴露对产品与包装的条件要求不同，应分别进行评估（Giarratana等人, 2022; Lin等人, 2025）。冷藏产品保持未冻结状态，而冷冻产品则保持在相关冰点以下。解冻—再冻结暴露仅发生在……

低温下的湿度与冷凝控制

湿度控制是冷链包装面临的主要挑战，因为升温与再降温事件可使顶部空间湿度和薄膜内侧表面接近露点条件（Mahajan和Lee, 2023; Nur Hanani等人, 2023）。当冷藏包装升温后再次被冷却时，局部表面温度可能降至顶部空间露点以下，即使在平均储存温度仍处于规定范围内也可能产生冷凝（Linke等人, 2023）。冷凝液可能……

冷藏、冷冻及循环温度暴露下的机械完整性

机械损伤是柔性冷链包装的主要失效途径，包括振动引起的针孔、折叠处开裂、密封附近撕裂以及堆叠时的穿刺（L. Wang等人, 2025）。对于使用温度接近脆性响应区域的聚合物，链段运动能力降低可增加刚度并限制塑性变形。该响应的程度因材料而异，应在预期使用温度下进行测量（Kiehas等人, 2024）。

冷藏条件下的气体阻隔性能

冷藏使用期间的气体阻隔性能取决于温度、湿度和包装完整性，而非单一的室温氧气透过率（OTR）值。高内部相对湿度可增加敏感阻隔层的气体传输，而操作造成的裂纹或密封缺陷可引入完整薄膜渗透率测量无法反映的泄漏路径。此处讨论的证据主要与冷藏和高相对湿度使用条件相关；亚零度气体传输的直接数据……

挥发性有机化合物（VOC）与香气保持

氧气透过率本身并不能描述挥发性香气化合物的保持情况。挥发性有机物可透过薄膜、分配至聚合物基体中，或通过风味萃取被包装吸附；这些过程取决于聚合物与挥发性物质之间的亲和力以及扩散系数。柠檬烯透过率常被用作香气阻隔性能的模型终点。在全生物基PBS薄膜中，Flores Fernández等人（2025）在25°C下测得柠檬烯透过率为（5.73 ± 0.67）× 10?1? kg·m·m?2·s?1·Pa?1。

冷链储存条件下的密封完整性与安全

密封完整性是柔性冷链包装常见的失效点，因为机械加载、冷凝或润湿以及顶部空间控制在密封处交汇。即使薄膜本体具有较低的固有渗透率，密封缺陷也可能通过不均匀的密封历史、污染以及边缘和角部的应力集中，成为氧气和水分进入的主要路径。密封的形成取决于封合温度、压力、保压时间、聚合物互扩散、界面……

功能集成：主动与智能冷链包装

当温度—时间偏差加速微生物、氧化或生化劣化时，仅靠阻隔性能可能不够。即使是轻微的温度—时间历史偏差，也可能加速微生物和生化劣化（Liu、Zhang等人, 2024），而温度偏离—恢复循环会产生易冷凝的条件，提高微生物风险和操作脆弱性（Mahajan和Lee, 2023）。在此情境下，主动功能通过冷藏……

生物基与生物可降解冷链包装的未来展望与验证优先级

一个持续存在的局限在于性能报告方式与冷藏流通中触发失效的方式之间的不匹配。附表S1和S2旨在对比与使用条件或状态相关的证据与环境条件下筛选的示例。这一对比说明了即使在配方表现出有前景的材料性能时，仍可能缺失的验证数据类型；不应将其解释为这些……的相对流行程度估计。

结论

冷链流通对生物基和生物可降解柔性薄膜施加的使用条件与传统环境实验室测试存在显著差异。温度波动、冷凝、温度依赖的机械行为变化以及操作损伤可将包装性能从本征材料属性转向缺陷耐受性、密封完整性和湿度依赖的稳定性。因此，验证应从明确的冷藏或冷冻使用条件开始……

未引用参考文献

European Parliament and Council of the European Union, 2004; European Parliament and Council of the European Union, 2025; Huang等人, 2023; International Organization for Standardization, 2021; Liu等人, 2024; Wang等人, 2025; Wang等人, 2025; Yar等人, 2025; Zhang等人, 2025。

CRediT作者贡献声明

Azmi Alvian Gabriel：概念设计；方法学；调研；数据管理；撰写——初稿。Tetsu Yonezawa：资源、项目管理、资金获取；概念设计；监督；方法学；验证；撰写——审阅与编辑。

数据可用性

本综述未产生新的数据。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文呈现结果的经济或人际利益冲突。

致谢

作者感谢日本北海道大学对本综述的支持。

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