基于纤维素-聚乙烯醇的活性可生物降解食品包装薄膜的合成与表征

《Journal of the Indian Chemical Society》：Synthesis and characterization of the cellulose-PVA based active biodegradable packaging films for food packaging

　　

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  作为传统塑料替代品的生物聚合物材料。
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  对已开发生物聚合物材料的特性评估。
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  可持续材料，可长期用于食品包装。

引言

日益增长的工业化和包装食品需求加剧了对石油基聚合物（如聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）[1]和聚丙烯（PP）[2]）的依赖。尽管这些材料在食品包装中具有耐用且经济的优点，但其不可生物降解的特性引发了严重的环境问题[3]。陆地和海洋环境中塑料废弃物的积累，以及塑料制造和处置过程中温室气体排放[4]，促使全球转向开发可持续且环保的替代方案[5]。由可再生自然资源制成的可生物降解聚合物薄膜在食品包装应用中受到广泛关注[6]。纤维素是最丰富的天然聚合物，由于其可再生性、可生物降解性、强机械强度、优异的成膜能力、透明性、柔韧性以及有效的油气阻隔性能，被认为是一种极具前景的生物聚合物[7]。已有大量研究从各种天然来源中提取纤维素，并随后制备薄膜用于食品保鲜[[8], [9], [10]]。此外，某些系统被设计用于将活性剂（如抗氧化剂和抗菌化合物）直接释放到食品中[11,12]。活性包装中抗菌剂和抗氧化剂的控释代表了技术进步，可延长保质期，实现靶向保鲜，限制微生物生长和氧化，并减少对抗生素添加剂的依赖[13]。食品中的微生物生长和氧化会改变感官特性，包括气味、风味、质地和颜色，并可能产生有毒化合物，影响消费者的接受度[14,15]。抗菌包装在确保食品安全和保鲜方面发挥着至关重要的作用，因为所添加的抗菌剂可抑制或减缓微生物的增殖，从而减少腐败和食源性污染的风险[16,17]。抗氧化和抗菌活性剂可从合成制剂或天然物质中获得。由于某些合成化合物存在潜在健康风险，用天然提取物替代被认为是一种可行且更安全的策略，与人体健康和食品应用具有更好的相容性[18,19]。食品加工行业产生的废弃物副产品目前被视为天然抗氧化剂的宝贵来源[20]。

印楝树（Azadirachta indica）是一种传统药用植物，具有多种生物活性化合物，非常适合用于各种健康和功能性应用[21]。印楝树自然生长于热带和半热带地区。这些树枝没有市场价值，但焚烧它们会危害环境[22]。树枝木材具有抗菌、抗真菌、抗病毒和抗炎特性，这归因于其中含有生物活性物质，如类黄酮（如槲皮素和芦丁）、甾醇（如β-谷甾醇）、裂环烯醚萜类（如印楝素）以及谷氨酸和酪氨酸等必需氨基酸[22]。聚合物基质在生产期间和之后保护这些成分，特别是通过限制热量、氧气和光线的接触。类黄酮表现出在高达100°C的温度下直接证明稳定性，使其最有可能在100°C条件下耐受24小时的工艺。印楝素和其他裂环烯醚萜类对热更敏感，但在封装或稳定于聚合物体系中时，其活性可以维持[23,24]。这在食品包装中特别有用，因为细菌污染是一个主要关注点[25]。由Azadirachta indica（叶、树皮、种子和木材）制成的透明抗菌薄膜可以帮助包装食品延长保质期[26]。此外，这些薄膜可能减少合成抗菌剂的使用，符合消费者对清洁标签和活性包装解决方案的需求[27,28]。利用水基提取方法、最少化学处理和甘油等环保增塑剂进行绿色生产，进一步增强了其可持续性[29]。此外，通过优化成分和加工条件，可以定制基于印楝的薄膜的机械和阻隔性能，以满足传统塑料包装的性能要求[30]。尽管生物聚合物的兴趣日益增长，但关于使用Azadirachta indica衍生物作为可生物降解包装的主要纤维素来源的文献有限。大多数现有研究侧重于其药用或杀虫特性，而非其在包装和材料科学中的潜力[31]。本研究旨在弥补这一差距，通过研究从印楝树枝中提取、表征和应用印楝衍生纤维素薄膜。研究重点是评估其机械、结构、光学、抗菌和阻隔性能，以确定其作为石油基包装可持续替代品的适用性。值得注意的是，印楝树枝木材废弃物约占树木生物量的68.42%，为这类应用提供了低成本且丰富的原材料[32]。

目标是找到一种生态环保的方法，制造具有更优异光学和结构特性的高质量可生物降解薄膜。该策略还促进了绿色技术、植物残渣的增值利用以实现环保包装应用，以及通过使用废弃印楝树枝降低成本。

章节摘要

材料

从印度恰蒂斯加尔邦赖布尔的一棵枯树和新近砍伐的枝条中采集了Azadirachta indica木材。实验过程中使用的化学品包括亚氯酸钠（NaClO₂，80%，Loba Chemie Pvt. Ltd.）、冰醋酸（CH₃COOH，99.5%，Loba Chemie Pvt. Ltd.）、氢氧化钠颗粒（NaOH 97%，Loba Chemie Pvt. Ltd.）、聚乙烯醇（PVA）（C₂H₄O）_n（用于合成，Loba Chemie Pvt. Ltd.）、甘油（C₃H₈O₃，98%，Loba Chemie Pvt. Ltd.）和二水合草酸（C₂H₂O₄

薄膜厚度

薄膜厚度是决定机械强度、水蒸气透过性、光学透明度和整体食品保鲜效果的重要因素（图2）。厚度由聚合物浓度、固体含量、添加剂、制造方法和干燥环境决定。商业食品包装薄膜的厚度通常在0.03至0.30毫米之间。

PVA复合薄膜PVA-2、PVA-3、PVA-4、PVA-5和PVA-6的厚度分别为0.27±0.3、0.25±0.2，

结论

本研究成功证明了从印楝（Azadirachta indica）树枝木材中提取纤维素及其在可生物降解PVA复合薄膜生产中的应用。傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究表明，由于纤维素与PVA之间强的氢键和化学反应，成功形成了交联网络。这些相互作用成功降低了薄膜的吸湿性，同时提高了其机械性能、耐水性和整体效率。在

作者贡献声明

Rahul Kumar：撰写–原稿撰写、可视化、形式化分析、数据整理。Amit Keshav：撰写–审阅与编辑、可视化、指导、方法论、概念化。M.S. Gaikwad：验证、指导、调查、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

Rahul Kumar|Amit Keshav|M.S. Gaikwad