塑料污染已成为一个严重的全球环境问题。这是因为每年生产的基于石油的塑料中有一大部分会在自然生态系统中积累并持续存在数十年（Chavan et al., 2021; Rahman & Goswami, 2023）。食品包装是塑料污染的主要原因之一，由于高周转率以及大多数包装材料为一次性使用，因此产生了大量的不可重复使用的塑料（Han, 2014; Rahman & Goswami, 2023）。为了减少环境问题，人们正在努力开发能够在保持食品质量的同时减少传统塑料环境影响的生物基和可生物降解的替代品（Oun et al., 2022; Rahman & Goswami, 2023）。然而，大多数生物基和可生物降解的聚合物未能满足实际包装所需的机械强度、阻隔性能、加工性能和功能性的全部要求。聚合物混合、多层结构和功能性填料已成为克服这些限制的补充策略（Abdullah et al., 2017; Andrade et al., 2022; T. Zhang et al., 2019）。
聚乳酸（PLA）是一种可生物降解的热塑性聚合物，来源于可再生资源，由于其良好的机械强度、加工性能和生物相容性，成为一种有吸引力的生物基包装材料（Aversa et al., 2023; Venkatesh et al., 2020; T. Zhang et al., 2019）。然而，高氧气渗透率、固有的脆性和低断裂伸长率限制了其作为食品包装材料的实际应用（Aversa et al., 2023; T. Zhang et al., 2019）。通过将PLA与更柔性的聚羟基烷酸酯（PHAs）混合可以克服这些限制，后者是一类由微生物合成的可堆肥聚酯（Adak et al., 2024; Aversa et al., 2023; Park et al., 2024）。根据单体组成，PHAs表现出从刚性结晶聚合物到柔软弹性体的多种机械性能。因此，将主要是无定形的PHA掺入半结晶PLA中可以提高韧性和柔韧性，同时保持可生物降解性（Aversa et al., 2023; Han et al., 2023）。然而，在先进的食品包装应用中，还需要进一步提高阻隔性能和功能性。多层结构提供了一种有效的方法，因为它们可以在单一材料中结合具有相互互补性能的聚合物（Andrade et al., 2022; Hosseini et al., 2022）。在这种系统中，外层主要提供结构完整性和对外部环境的抵抗力，而内层可以提供食品安全和质量监测所需的阻隔和活性功能。在可生物降解聚合物中，聚乙烯醇（PVA）作为内层特别有吸引力，因为它具有出色的成膜能力、可生物降解性、透明度、热稳定性、无毒性和食品接触应用的监管批准，以及优异的氧气阻隔性能（Andrade et al., 2022; Ollier et al., 2013; Oun et al., 2022）。由于PVA的亲水性会负面影响其防潮性能和机械强度（Ollier et al., 2013），因此在使用PLA等疏水性外层保护的多层结构中使用PVA可以最小化直接接触环境水分的情况。这种组合弥补了PVA的优异氧气阻隔性能和外层的优良防潮性能，使得氧气和水蒸气阻隔性能达到平衡（Andrade et al., 2022; T. Zhang et al., 2019）。
除了选择互补的聚合物外，使用功能性填料还可以进一步定制双层系统的性能以满足特定的包装要求，双层结构允许将每种填料置于最有效的位置。各种填料，包括金属氧化物（Pantani et al., 2013）、碳基纳米材料（Yakdoumi et al., 2022）和纳米纤维素（B. Zhang et al., 2019），已在提高聚合物基体的机械性能、阻隔性能和抗菌活性方面展现出显著潜力。其中，氧化石墨烯（GO）和TEMPO氧化的纤维素纳米纤维（T-CNF）对于改善聚合物复合材料的结构性能特别有前景。它们的高长宽比和与聚合物基体的强相互作用增强了机械强度、热稳定性和阻隔性能，使其非常适合作为PLA–PHA结构的外层增强材料（Jia et al., 2020; Silva-Leyton et al., 2019; Soni et al., 2016）。相比之下，内层PVA为加入活性和智能成分提供了理想平台，这些成分可以减少食品变质并实现实时新鲜度监测。因此，ZnO和CuO颗粒是PVA层中有吸引力的功能性填料，因为它们通过广谱抗菌活性抑制变质和病原微生物，同时增强紫外线阻挡效果（Badry et al., 2023; Castro Mayorga et al., 2018; Garcia et al., 2018; Venkatesh et al., 2020）。此外，富含花青素的红甘蓝提取物（RCE）含有随pH变化而明显变色的卤色颜料，使其成为储存过程中用于新鲜度监测的理想天然pH响应指示剂（Oladzadabbasabadi et al., 2022）。
尽管已有报道指出含有增强纳米填料、抗菌剂或pH响应指示剂的可生物降解多层薄膜（Andrade et al., 2022; Hosseini et al., 2022），但这些功能通常单独或部分整合到单一包装系统中。将这些互补功能整合到双层结构中，并根据每个组分的预期作用进行战略性地定位，仍然是一个重要的设计挑战。为了解决这一问题，本研究开发了一种多功能PLA–PHA/PVA双层薄膜，其中用GO/T-CNF增强的PLA–PHA外层提供结构支撑和防潮性，而含有ZnO或CuO微粒和RCE的内层提供氧气阻隔性能、抗菌活性和pH响应的新鲜度监测功能。通过使用虾作为易腐食品模型，评估了所开发双层薄膜的多功能性能。
