影响植物基纤维素纳米材料在食品包装薄膜系统中性能的因素：批判性综述

《Progress in Organic Coatings》：Factors affecting the performance of plant-based cellulose nanomaterials in food packaging film systems: A critical review

　　植物基纤维素纳米材料（CNMs）可以以不同形式用于食品包装。它们可以用作独立薄膜、涂层或纳米复合材料。根据这些形式，各种材料和加工因素会影响其性能。引言食品包装在保护食品质量方面具有重要作用，因为它能提供屏障，抵御湿气、氧气、光线和污染物等环境因素。适当的屏障性能有助于保持食品的新鲜度、口感、质地和营养价值，延长保质期并减少食品浪费。有效的包装可确保食品在整个预期储存期内安全可食用，防止变质，并维持消费者信任 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。目前，食品包装工业严重依赖石油基合成塑料，这些塑料占全球塑料总产量的40%以上。像聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚苯乙烯（PS）[3] 这类材料，因其耐久性、柔韧性以及优异的防潮和防污染屏障性能而在市场上占据主导地位。石油基塑料的主要挑战在于其对化石资源的依赖、在环境中的持久性，以及报废管理方面的限制 [2], [8], [9], [10], [11]。为了制造可堆肥/可再生的食品包装产品并缓解塑料基产品的环境问题，人们对寻找可持续替代品的兴趣日益增长。学术界和工业界的研究与开发工作集中在生物基和可生物降解材料上，如纤维素纳米材料（CNMs）、甲壳素、壳聚糖、淀粉、聚乳酸（PLA）以及聚羟基脂肪酸酯（PHAs）等生物聚合物，作为化石基包装材料的潜在替代品 [12], [13], [14], [15]。这一转变将是一个缓慢的过程，因为塑料基产品具有成本效益、成熟的生产工艺和良好的性能 [16]。纤维素在包装中有着悠久的使用历史。为了扩展其应用并更好地利用其独特性能，纤维素可以被转化为纳米结构，即CNMs。这种方法使得纤维素能够被设计成具有高长径比和大比表面积的纳米结构，这可以在保留纤维素可再生性的同时，增强生物基包装薄膜的机械强度和屏障性能 [17], [18], [19]。它们的性能取决于CNMs的类型和形态、表面化学性质、纤化程度、浓度、分散性、基体或底物的相容性，以及薄膜形成或涂覆条件，这取决于它们如何被生产和用于包装薄膜结构中。这些变量可以改变纳米网络的密度和形成，从而决定所得包装结构的机械和屏障性能 [20], [21]。同时，纤维素的固有亲水性可能限制其耐湿性，特别是在高相对湿度下，这在CNMs的优异干态屏障性能与其在实际包装条件下的性能之间产生了重要的权衡 [20], [22], [23]。不同类型的CNMs，包括纤维素纳米纤丝（CNFs）、纤维素纳米晶体（CNCs）和细菌纤维素（BC）及其改性版本，已在食品包装应用中得到了广泛研究 [17], [24], [25], [26]。CNMs的分类基于提取方法和所用原料类型。通常，CNFs的制备主要是一个机械过程，而CNCs的制备则采用化学过程。相比之下，BC是由特定细菌如醋酸杆菌（Acetobacter xylinum）和假单胞菌属（Pseudomonas spp）在代谢过程中以纳米纤维形式合成纤维素而产生的 [27]。细菌产生的CNM是最纯净的类型，并展现出独特的性能，如湿态下的高机械性能和保水能力 [28], [29], [30], [31], [32], [33]。不同类型CNMs的提取方法和性能已在许多其他综述文章中进行了评述 [28], [30], [31]。本综述重点强调了植物来源的纤维素纳米材料（CNMs）在食品包装应用中的最新进展。虽然其他CNMs如BC也可以由微生物产生，但本综述主要关注植物来源的CNMs。之所以选择这一范围，是因为植物生物质是一种丰富且可再生的原料，植物来源的CNMs在规模化生产和整合到现有生物基包装系统中具有巨大潜力。尽管许多综述文章已讨论了CNMs的提取、表面改性和活性包装应用 [9], [17], [22], [25], [34], [35]，但在批判性比较材料特性和加工策略如何影响不同薄膜构型性能方面，关注有限。本综述的主要焦点是批判性考察植物基CNM性能的变化和加工条件如何影响关键的包装薄膜功能性能，特别是机械强度和屏障性能。为实现这一目标，本综述考虑了CNM基包装材料的三种不同物理构型：（1）纯独立薄膜，（2）纳米复合薄膜，以及（3）涂覆在常规基底上的CNM涂层。通过比较这些构型并批判性考察CNM特性、加工条件和所得薄膜性能之间的关系，本综述强调了工艺依赖性变化在决定性能方面的作用，并指出了每种方法所固有的重要优势、局限性和权衡。工业规模扩大、经济可行性以及实现CNMs在疏水聚合物基体内均匀、无团聚分散，是CNM基包装更广泛发展的重要考量。然而，对这些方面以及化学改性、添加剂、多层结构和聚合物基体对纳米颗粒迁移、可回收性、生命周期评估、可堆肥性和报废行为影响的详细评估，超出了本综述的范围。对这些更广泛的工业、经济、可持续性、均匀性和报废考量感兴趣的读者，请参阅相关文献 [17], [36], [37], [38], [39], [40], [41]。本综述的新颖之处在于全面考察了CNM类型、浓度、化学改性和加工技术如何影响食品包装材料的机械和屏障性能。这些因素在不同类别的CNM基包装系统中被系统性地讨论和比较。通过将这些因素置于一个共同框架内，与以往通常关注特定CNM类型或包装应用的综述相比，本综述提供了对支配包装性能因素的更具结论性的比较。这种比较分析也为选择所需的CNM材料和加工策略提供了实用见解，以满足机械和屏障性能要求。章节片段木质纤维素生物质和CNMs木材和农业残留物是生物质衍生产品的主要来源。化学上，它们主要由木质素、半纤维素和纤维素组成（图1）。纤维素占木质纤维素生物质的40-60%。它是由葡萄糖单元组成的线性聚合物链，并构成纤维素纤维的结构 [37], [42]。CNMs的化学改性由于纤维素和衍生CNMs的结构中存在-OH官能团，人们已做出大量努力通过化学改性来改变其表面化学性质。氧化、化学接枝、醚化、酯化和硅烷化是报道的主要化学改性技术（图4）[7], [9], [69], [73]。从机械角度来看，这些改性可以改变CNM-CNM和CNM-基体相互作用之间的平衡。例如，官能团基于CNM的薄膜制备方法图5展示了使用CNMs的不同薄膜制备技术，这些技术可能适用于阻隔食品包装。在溶液浇铸技术中，通过将CNMs分散在水或有机溶剂中制备CNM悬浮液。在水性介质中，CNMs简单分散在水中以形成稳定性良好的悬浮液。然后通过混合和浇铸形成薄膜，随后在室温或高温下干燥 [56], [78]。有机溶剂主要用于CNMs在食品包装工业中的应用某些CNM薄膜表现出优异的机械强度，如抗拉强度和柔韧性，以提供足够的耐久性和抗变形能力。此外，它们具有高屏障性能，这显著阻碍了食品包装薄膜中油脂、氧气以及某种程度上湿气的传输 [9], [94], [95]。例如，Yang等人最近的一项研究表明，当将4%的CNCs添加到刺槐豆胶（TG）和结冷胶（GG）的复合材料中时，原本高健康与安全考虑CNMs因其可生物降解性以及固有的高机械强度和气体阻隔性能，被认为是食品包装中化石基塑料的可持续替代品 [20]。纳米材料的特性与其块体材料显著不同，因为其尺寸小、比表面积大、聚集程度、表面化学性质和多变的形态。这些特性可能影响它们与生物系统的相互作用，包括结论与未来趋势本综述全面研究了CNM类型、浓度、改性和加工技术对纯CNM薄膜、CNM纳米复合材料和CNM涂层三类食品包装薄膜机械和屏障性能的影响。根据文献，CNFs和CNCs展现出独特的性能和特性，但具有互补优势，其中CNFs以其高长径比和缠结的纤维网络可以增强抗拉强度，而CRediT作者贡献声明Mostafa Rohi Gal：写作——审阅与编辑，写作——初稿，调查，形式分析，概念化。Hasan Sadeghifar：写作——审阅与编辑，调查，概念化。Douglas W. Bousfield：写作——审阅与编辑，监督，资源，资金获取。Mehdi Tajvidi：写作——审阅与编辑，监督，资源，概念化。资助本研究由NOAA国家海洋补助计划资助，名称为“从源头减少海洋垃圾：一次性食品包装的材料替代与源头减量”，NOAA资助编号为NA23OAR4170178-T1-01。利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。Mostafa Rohi Gal|Hasan Sadeghifar|Douglas W. Bousfield|Mehdi Tajvidi