综述：电纺纳米纤维基食品包装在使用寿命结束时的降解途径、二次纳米塑料生成、纳米颗粒去向及循环设计策略

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Electrospun Nanofiber-Based Food Packaging at End-of-Life: Degradation Pathways, Secondary Nanoplastics, Nanoparticle Fate, and Circular Design Strategies

　　摘要
背景：电纺纳米纤维食品包装在功能性能方面发展迅速。然而，目前仍存在一个关键的知识缺口：人们往往仅根据其母体聚合物的可再生性来推测这类纳米材料的环境可持续性。尽管已有大量综述详尽介绍了使用阶段的创新成果（如阻隔性和抗菌性能），但这些综述往往将块状树脂的理论可生物降解性与电纺材料的实际使用后命运混为一谈，导致人们无法准确了解这种纤维形态的真实环境影响。

范围与方法：为弥补这一缺陷，本综述引入了一种新的“形态学证据审核”方法，从而使其有别于以往的包装领域文献。该方法通过严格区分针对真正电纺纳米纤维所获得的终端处置行为数据与仅从块状或铸膜类似物中推断出的数据，系统地分离出那些基于可持续性假设的结论。此外，该研究还独特地评估了“抗菌悖论”，即独立于聚合物基体本身的降解过程，分析活性纳米粒子所带来的独特生态毒性风险。

主要发现与结论：审核结果表明，虽然纳米级形态有助于某些聚酯类的生物降解，但这一优势在占据该领域主导地位的大多数生物聚合物中并未得到实证支持。更为关键的是，现有文献缺乏对成品电纺系统的从摇篮到坟墓的全生命周期评估。化学交联剂带来的降解抑制效应、嵌入纳米粒子的生态毒性以及消费者对可堆肥性标签的误解，都在一定程度上削弱了理论上的可持续性。随着欧盟《包装和包装废物法规》等严格监管措施的日益临近，终端处置行为和合规性必须从基于可再生原料的假设性考量，转变为首要的设计约束条件。

引言：食品包装通常被定义为一种综合性的材料系统，它负责在食品从生产到消费的整个过程中对其进行容纳、保护与保存，同时传递相关信息并与其发生互动（Robertson, 2005）。这些功能主要由四类材料实现：塑料、纸/纸板、玻璃和金属。虽然玻璃和金属具有出色的阻隔性能，但其重量限制了它们只能用于刚性包装形式；而纸张的亲水性虽可能降低阻隔性能，却不会影响其可回收性（Robertson, 2005）。因此，由于重量轻、易于成型且阻隔性能可调，塑料依然是最常用的包装材料（Kumar等人，2025）。然而，这种主导地位也带来了严重的环境代价。据估计，全球已生产了83亿吨原生塑料，其中包装领域是消耗量最大且产品寿命最短的领域（Geyer、Jambeck和Law，2017）。废弃物处理能力远远跟不上需求增长，目前全球仅有约9%的塑料垃圾得到回收，大约80%被填埋或随意丢弃，每年有400万至1200万吨塑料进入海洋（Reis、Wu和Potyatynnyk，2017）。按照目前的趋势推算，到2050年全球塑料垃圾总量可能达到120亿吨（Reis等人，2017）。此外，为延长食品保质期，人们开始使用金属-有机框架、金属氧化物纳米粒子以及纳米结构填料等功能性材料，但这些材料的使用又带来了新的终端处置复杂性，因为它们的环境命运很少与基础聚合物一同被评估（Khezerlou、Rezvani-Ghalhari、Sani和McClements，2025）。在日益严格的监管要求和消费者压力之下，人们加快了寻找生物基及可堆肥包装系统的步伐。在支持这一转型的新兴制造技术中，电纺技术已迅速发展成为最重要的手段之一。通过对Web of Science Core Collection中2007年至2021年间发表的350篇关于“电纺活性食品包装”的文章进行的文献计量分析发现，2016年后该领域的论文发表数量进入了快速增长阶段，2016年之后的论文数量约占2007年以来该领域所有论文总数的三分之二（Zhang等人，2024）。这一快速发展趋势仍在持续，近期还有研究报道了用于可持续包装的果胶基纳米纤维（Ardestani、McClements和Hadidi，2026；Idahagbon、Nicholas和Wei，2025）、兼具智能传感与保鲜功能的花青素功能化纳米纤维（Shi等人，2026）、用于活性包装的纤维素纳米纤维稳定型皮克灵乳液（Cao、Li和Liu，2026）、基于玉米醇溶蛋白的纳米粒子-纳米纤维共包封系统（Tadele、Islam和Mekonnen，2025），以及针对植物化学物质输送效果而言的纳米纤维与纳米乳液的对比研究（Tan等人，2026），此外还有基于淀粉的系统（Fonseca等人，2024）和基于壳聚糖的系统（Yang、Wang、Lou和Meng，2025）等。

然而，围绕这一发展领域的原始研究以及相关综述都存在一个严重的问题：它们几乎完全侧重于使用阶段的性能表现，而忽视了终端处置的现实情况。现有的综述已经详尽介绍了抗菌性能、阻隔性能以及智能传感功能（Fonseca等人，2024；Mathew、Paroly和Athiyanathil，2025；Rui、Jia、Wen、Luo和Xu，2024；J. Yang等人，2025；Yildiz等人，2025）。Pati?o Vidal等人的综述则是目前唯一较为关注终端处置问题的研究，它首次系统地评估了PLA和PHA基电纺材料的生物降解测试情况以及规范其可堆肥性声明的立法框架（Pati?o Vidal等人，2024）。尽管如此，这些综述仍然以使用阶段为核心，重点讨论材料选择、纳米纤维制备、功能性能以及食品保鲜效果。没有一篇综述将终端处置行为作为核心研究内容，也没有任何一篇能够明确区分针对电纺纤维形态直接获得的证据与从相同聚合物的块状或铸膜类似物中推断出的结论——这一特定于纤维形态的证据缺失问题正是本综述要重点探讨的内容。

这种综述文献的倾向并非编辑上的随意选择，而是源于各个原始研究本身存在的同样问题。这些不断增多的文献都有一个共同特点，那就是几乎都只关注使用阶段的性能表现，如抗菌活性、抗氧化能力、阻隔性能、控释功能，以及越来越重要的食品变质指标的智能检测功能（Rui等人，2024）。相比之下，几乎没有人对这些材料在功能寿命结束后会发生什么进行系统性的深入分析。在这一领域，几乎每篇原始研究都在引言中提及可持续性，将所使用的生物聚合物描述为“可生物降解的”、“环保的”或“绿色的”，但却很少有研究直接针对其终端处置行为展开实验研究。结果就是，这类文献往往更多地宣称某种材料的环保优势，而非真正提供相应的实验证据。

这并非简单的疏漏：电纺纳米纤维具有三种特殊性质，使得它们的终端处置行为在机制上与其常被比较的铸膜和挤出材料有所不同，而人们往往正是从这些材料出发来推断其可生物降解性。首先，电纺材料的表面积与体积比比相同聚合物的溶剂浇铸或挤出薄膜高出1到3个数量级，这一特性显著加速了水解和酶促降解过程（Dias、Sousa、Augusto、Bártolo和Granja，2022；Gasparyan、Tyubaeva、Varyan、Vetcher和Popov，2023）；因此，不能简单地将块状树脂的生物降解性直接套用到其电纺形式上，无论是在降解速率还是方向上都是如此。其次，电纺过程往往需要大量的溶剂和能量，这与人们通常认为该材料具有“可持续性”的印象相矛盾。第三，经过设计形成的纳米纤维在破碎后可能会产生与纳米塑料污染研究相关的颗粒，而已有研究表明，即使在环境压力作用下，可生物降解聚合物也会产生二次微塑料和纳米塑料（González-Pleiter等人，2019；Haider、V?lker、Kramm、Landfester和Wurm，2019）。鉴于以上情况，本综述对电纺包装在消费后的去向进行了批判性总结，有意将研究范围限定在食品接触应用领域，并刻意排除那些已在其他地方得到充分研究的 ??阶段功能评估内容。为弥补终端处置证据方面的这一重大缺陷，有必要明确界定本综述的范围，并凸显其独特性。因此，本综述的研究范围仅限于电纺纳米纤维在食品接触领域的应用。相应地，本文明确排除了这些材料在生物医药、纺织或空气过滤领域的应用，除非相关领域能提供有关聚合物降解途径的不可或缺的机制数据。此外，对于使用阶段的性能表现（如抗菌活性、阻隔性能、传感功能），本文也仅在已有大量研究且被引用的情况下才予以简要介绍，而不重复阐述。通过排除使用阶段的内容，本综述将重点聚焦于这些材料在消费后的命运。

本综述的独特之处在于采用了一种独特的批判性方法论，即严格的“形态学证据审核”。在以往的食品包装领域可持续性论述中，人们往往将聚合物的生物起源与其环境友好性混为一谈，认为如果某种块状树脂是可堆肥的，那么其电纺形式也同样具有可持续性。本综述则是首次系统地尝试将这两种观点分开。它的核心贡献在于，直接对比针对高度多孔的电纺纤维形态所获得的证据与仅从块状或铸膜类似物中推断出的证据。此外，本综述还独特地评估了嵌入其中的活性纳米粒子在终端处置阶段所带来的独立生态毒性风险，这一风险与聚合物基体本身的降解过程是不同的。通过定义“抗菌悖论”并结合即将实施的监管要求对其进行分析，本综述为电纺活性包装的循环设计提供了前所未有的指导路径。

图1总结了第3节“食品包装中的电纺纳米纤维”、第4节“终端处置路径”、第5节“生命周期评估证据基础”以及第6节“批判性评估：可持续性声明与证据”中所阐述的观点，它展示了电纺纳米纤维食品包装产品从生产到最终处置的完整路径，并在每个阶段标明是否存在针对电纺纤维形态的直接证据、现有证据是否来自相同聚合物的块状或铸膜形式，或者是否完全没有相关证据。在相关文献中，这些挑战往往仅以笼统的表述被提及；然而，若依据具体的数值标准进行评估，才能揭示出转化应用方面存在的实际差距。工业翻译与未来研究需求：电纺技术的规模化本身并非无法解决的工程问题，现有的商用多针式及无针式电纺系统早已存在，并且有从制药和生物医学制造角度进行的相关研究（Omer等人，2021年）。尚未解决的问题在于，如何将现有的规模化生产及工艺知识，与本综述中指出的环境及产品寿命终结方面的缺陷相结合，尤其是在食品包装应用领域。与联合国可持续发展目标及气候减缓措施的契合：要准确衡量电纺活性食品包装的实际价值，就必须依据全球可持续发展指标，尤其是联合国可持续发展目标来对其技术发展状况进行评估。根据2023年的联合国可持续发展目标报告，气候变化带来的日益严重的影响以及循环经济领域进展缓慢的情况，要求在工业制造和消费品领域采取紧急的系统性干预措施（Reduction，2023年）。电纺生物聚合物包装……结论：从功能性能角度来看，电纺纳米纤维食品包装的相关研究发展迅速，但本综述指出，其在产品寿命终结后的环境处理方面存在亟待解决的严重缺陷。本综述的独特之处在于采用了严格的“形态学证据审核”方法，这种研究方法能够系统地区分那些针对真实电纺纳米纤维直接得出的环境相关结论，以及那些仅从其他材料中推导出来的结论。CRediT作者贡献声明：Prashant Pandey：概念构建、数据整理、正式分析、研究设计、方法论设计、软件应用、结果验证、可视化处理以及论文撰写——负责初稿编写。Devika Tripathi：论文撰写——负责审阅与编辑工作以及数据整理。数据可用性：本研究未生成新的实验数据，相关参考文献数据是从PubMed、Scopus和Web of Science数据库中获取的。利益冲突声明：作者们声明不存在任何利益冲突。Prashant Pandey|Devika Tripathi印度北方邦勒克瑙市巴巴萨赫布·比姆拉奥·安贝德卡尔大学药学系，邮编226025