食品模拟物暴露下PLGA薄膜的稳定性、质量损失及结构-性能关联

《Materials Today Communications》：PLGA films under food simulants exposure: Stability, mass loss, and structure-property relationships

　　

PLGA（poly(lactic-co-glycolic acid)，聚乳酸-羟基乙酸共聚物）的稳定性取决于组成、形貌、食品模拟物（food simulants）类型和温度。
半结晶（semicrystalline）PLGA由于更紧密的链堆积（chain packing）而表现出改善的稳定性。
富乙醇食品模拟物使PLGA溶胀（swelling）和塑化（plasticization），增加迁移（migration）。
水性及酸性食品模拟物促进PLGA的水解降解（hydrolytic degradation）。
溶剂暴露和热调理（thermal conditioning）可提高PLGA结晶度（crystallinity）。

PLGA（poly(lactic-co-glycolic acid)，聚乳酸-羟基乙酸共聚物）是可生物降解聚酯，已在医学和药学领域用于控释给药系统和可吸收器件。近年其作为食品包装替代化石基塑料受到关注，主要因其GA（glycolic acid，羟基乙酸）含量可调，进而影响结晶行为和阻隔性能；提高GA比例可增强聚合物极性和链堆积，改善氧气阻隔。但食品接触环境可诱导溶剂吸收、水解、溶胀、结构重组和降解产物释放，并逐步改变热、力学和阻隔性能。这些过程受溶剂扩散、水解断链、结晶度演变和聚合物侵蚀共同控制，且生物医学体系的结果不能直接外推到食品包装，因为几何、微结构和暴露条件不同。食品接触介质涵盖水性、酸性、醇性和脂性环境，PLGA组成、初始结晶度和食品模拟物化学对膜稳定性、降解产物释放及功能保持的综合影响仍理解不足。因此，研究人员按EU No 10/2011采用标准化食品模拟物和暴露条件，选择PLGA51（51 mol% GA）、PLGA90（90 mol% GA）及退火PLGA90（PLGA90A），通过表观质量损失（apparent mass loss，ML）、降解产物释放、热性能和拉伸性能，阐明组成和微结构如何决定不同食品模拟物环境中的降解与性能演变。该研究为食品包装应用下PLGA稳定性和性能提供基础认识，并识别值得进一步研究的材料-暴露组合。

关键方法（不超过250字）：研究所用PLGA51和PLGA90粒料由Avantium（荷兰）提供；PLGA90A由PLGA90于90°C真空退火100 min制得。热压成膜后，按EU No 10/2011选用EtOH10%（A）、AC3%（B）、Tenax?（E），并以EtOH95%和isooctane作为D2替代物，在10 d 40°C和10 d 20°C暴露。以称重法测ML；以¹H NMR和LC-MS（liquid chromatography-tandem mass spectrometry，液相色谱-串联质谱）定量LA（lactic acid，乳酸）和GA及释放选择性因子（release selectivity factor，RSF）；DSC（differential scanning calorimetry，差示扫描量热法）测T_g（glass transition temperature，玻璃化转变温度）、T_cc（cold crystallization temperature，冷结晶温度）、T_m（melting temperature，熔融温度）、ΔH_m、ΔH_cc和X_c（apparent crystallinity，表观结晶度）；拉伸测E、σ_max和ε_b；ANOVA结合Tukey检验。

结果部分：
3.1 宏观物理完整性：40°C下Tenax?和isooctane中膜保持完整，PLGA90仅轻微不透明；EtOH95%中PLGA90和PLGA90A大体保形，PLGA51明显变形弯曲；EtOH10%和AC3%使所有膜严重失稳。20°C下EtOH95%、EtOH10%和AC3%中所有膜保持完整，PLGA90除EtOH95%外不透明度增加。SEC（size-exclusion chromatography，尺寸排阻色谱）显示PLGA51和PLGA90初始M_n分别54.1和53.6 kDa、M_w分别86.0和92.7 kDa，提示降解差异不宜主要归因于初始分子量。
3.2 失效条件下的降解：对结构破坏膜干燥后以DSC及降解产物分析评估。
3.2.1 降解PLGA膜的热特征：PLGA51为无定形，PLGA90和PLGA90A初始X_c为7%和29%。EtOH10%和AC3% 40°C暴露后T_g增宽升至约50°C；PLGA90/90A的T_m由约195–197°C降至约175–181°C，X_c分别升至约49%和48%；PLGA51出现多熔融峰、X_c升至3%–13%。这些热变化反映水解断链、酸催化、溶剂诱导链迁移和结晶重组等共同作用，DSC不能单独区分。EtOH95%对PLGA90/90A影响小，但PLGA51显著变化，与其乳酸含量较高、链堆积较松和自由体积较大有关。
3.2.2 降解产物的鉴定与定量：¹H NMR和LC-MS显示PLGA51释放LA、GA和乳酸基低聚物，PLGA90以GA为主。PLGA51在EtOH95%中总单体释放约1.49×10^-4 mol·L^-1，低于EtOH10%和AC3%；PLGA90/90A在EtOH10%和AC3%释放相近。EtOH10%和AC3%中所有PLGA的RSF≈0.8，提示LA相对富集；PLGA51在EtOH95%中RSF≥1。GA-rich低聚物在基体内保留或结晶及结构重组可延迟释放。
3.3 结构稳定PLGA膜暴露后的性能：仅对保持足够完整性的膜进一步分析。
3.3.1 表观质量损失与单体释放：40°C下Tenax?中ML约0–0.67 mg·dm^-2；isooctane中ML低，与PET约0.5 mg·dm^-2相当且低于PLA约2 mg·dm^-2。EtOH95%中PLGA90的ML为10.33±2.83 mg·dm^-2，略高于10 mg·dm^-2参考，PLGA90A为4.50±3.54 mg·dm^-2。20°C下EtOH95%、EtOH10%和AC3%中所有膜ML<1 mg·dm^-2。PLGA90和PLGA90A在40°C EtOH95%中LA和GA仅约占释放分数的32%和63%，其余可能为未鉴定低聚物或低分子提取物，不构成完整质量平衡。
3.3.2 合格食品模拟物中PLGA膜的热与力学行为：DSC显示PLGA51暴露后T_g由41°C降至约30°C，EtOH95% 20°C降至约21°C，主要仍无定形；PLGA90A的T_g约38–40°C，半结晶结构基本保持；PLGA90多数条件T_g约40°C，EtOH95% 20°C降至约31°C，Tenax?/isooctane 40°C和EtOH10%/AC3% 20°C后X_c由7%升至约37%–38%，EtOH95% 20°C后接近初始。拉伸试验显示40°C对照中PLGA51、PLGA90、PLGA90A的E分别602、686、754 MPa，σ_max约28、28、50 MPa，ε_b约8%、33%、11%；20°C对照E约591、625、870 MPa，σ_max约44、55、82 MPa，ε_b约10%、30%、10%。40°C储存主要降低σ_max，对E和ε_b影响小。
3.3.2.1 热历史与组成的影响：PLGA90延性最高，PLGA90A强度高但脆；40°C储存对刚度和断裂伸长影响有限，但系统降低拉伸强度。
3.3.2.2 食品模拟物的影响：40°C Tenax?/isooctane中PLGA51和PLGA90A力学稳定，PLGA90对isooctane敏感（E 686→449 MPa，σ_max 27→20 MPa，ε_b 33%→52%）。20°C PLGA51对模拟物最敏感，EtOH95%强塑化（E 591→187 MPa，σ_max 44→4 MPa，ε_b 10%→388%）；PLGA90保持E和σ_max但延性下降；PLGA90A基本不受影响。总体由塑化、结晶和水解竞争控制。
3.4 食品接触条件下PLGA膜的稳定性图谱：采用结构完整性、ML和机械稳定性顺序筛选。40°C接近T_g，是挑战性筛选；水相严重降解，Tenax?和isooctane较有利，但不能将40°C结果外推至低温长期储存，需时间依赖实验。对完整且ML低但力学不足者，优先采用无添加剂策略优化加工、热历史、退火、结晶度、分子量、膜厚和取向；若共混或加添加剂需重新开展迁移和毒理评估。

讨论与结论：讨论部分强调PLGA行为由共聚组成、结晶度、模拟物极性和温度共同决定；非极性环境促进稳定行为，水性和酸性介质在较高温度下促进水解和结构重组，富乙醇环境主要诱导低结晶材料的塑化和溶胀，温度是控制链迁移、溶剂扩散、结晶和水解动力学的关键因素。结论部分可译为：本研究考察不同组成和形貌PLGA膜在固体、水性、酸性及脂肪食品模拟物中两种标准条件（10 d 40°C和10 d 20°C）下的行为，结果表明溶剂-聚合物相互作用主导结构演变，并影响降解产物释放和力学性能。40°C长期储存下，Tenax?和isooctane中膜结构稳定并基本保持力学性能，ML低于作为背景参考的10 mg·dm^-2总体迁移限值；EtOH10%和AC3%通过水扩散和酸催化酯键断裂诱导明显水解降解，释放LA、GA、可溶性低聚物和短链片段，GA-rich PLGA释放组成不完全反映共聚组成，可能因GA-rich低聚物保留和结晶而延迟释放。EtOH95%呈中间行为，PLGA90的ML略高于总体迁移阈值参考，PLGA90A较低，但PLGA90A在处理时力学稳健性有限。20°C模拟冷冻条件下，所有配方在EtOH95%、EtOH10%和AC3%中ML低于1 mg·dm^-2；因温度低于T_g，降解有限且受扩散控制；富乙醇介质促进溶剂吸收、溶胀和塑化，PLGA51明显软化、溶剂保留和延性增加，而PLGA90尤其PLGA90A较稳定。应用上，三种PLGA在干食品模拟物长期条件下均显示有前景的稳定性；PLGA90A在20°C水性、酸性和富乙醇模拟物中响应最均衡，兼具有限表观质量损失和相对较好的热、力学稳定性。这些发现识别了值得进一步研究的材料-暴露组合，并为后续食品接触合规评估提供科学基础；后续需开展标准化总体和特定迁移测试、迁移物种全面鉴定、毒理评价，并在预期食品类型、接触时间和温度下验证。