综述：具有紫外屏蔽功能的生物基聚合物在可持续食品包装中的研究进展

《Composites and Advanced Materials》：Recent advances in biomass-based polymers with UV-shielding function for sustainable food packaging

　　

高性能且环境可持续的包装的开发在现代食品工业中仍是一项挑战。紫外线（UV）辐射通过光氧化作用是加速食品腐败的主要因素，导致营养损失、变色、异味产生，并带来潜在的安全风险。因此，具有定制紫外屏蔽性能的生物基聚合物引起了众多研究者的关注。本综述基于当前研究的比较，构建了一个新的结构-性能-功能关系框架。本文阐明了紫外吸收剂与生物基聚合物的分子架构和紫外屏蔽机制之间的关系，这可以为该类材料在包装中的合理设计提供支持。此外，还讨论了紫外屏蔽效率、光学清晰度和机械完整性之间的权衡，以及添加剂迁移评估方面的空白。紫外屏蔽剂的类型，包括无机纳米粒子、合成有机吸收剂和天然化合物，对所获得的紫外屏蔽包装的屏蔽效率、相容性、安全性和可持续性具有重要影响。此外，合适的改性策略和加工技术可以优化目标产品的紫外屏蔽性能。本文详细比较了这些典型包装材料的紫外屏蔽功效、抗氧化活性、抗菌活性和机械性能。此外，还强调了向多功能和智能包装系统发展的趋势。最后，本综述概述了旨在促进高性能生物基聚合物紫外屏蔽包装商业化的未来研究方向。因此，这项工作可以为开发下一代可持续食品包装提供一条可行的途径。

1 引言

全球粮食损失和浪费是一个严峻的挑战。紫外线（UV）辐射是导致食品光化学变质的主要因素之一。UV辐射根据波长分为UVC（100-280 nm）、UVB（280-315 nm）和UVA（315-400 nm）。UVC主要被臭氧层吸收，而UVB和UVA对食品系统影响显著。UV暴露会引发直接光降解和间接光氧化，导致脂质氧化、营养损失和微生物风险增加。传统包装材料，如玻璃和普通塑料，对UV辐射的防护不足，因此开发具有定制UV屏蔽性能的先进包装至关重要。生物基聚合物因其可持续性而成为有前景的替代品，但通常自身UV屏蔽能力有限。通过添加功能填料，如无机纳米粒子（如ZnO、TiO₂）和天然UV吸收化合物（如木质素、姜黄素），可以增强其UV屏蔽性能。当前研究趋势是采用天然UV吸收化合物作为可持续多功能添加剂，但也面临颜色改变和光学透明度之间平衡的挑战。本综述旨在建立UV吸收剂和生物基聚合物的分子架构与UV屏蔽性能之间的结构-性能-功能关系，提供不同添加剂的性能比较分析，并识别研究空白（如添加剂迁移评估）和未来趋势。

2 用于抗紫外线包装薄膜的生物基聚合物

生物基聚合物因其独特的化学结构，包含共轭体系、酚环和羰基等，具有内在的UV吸收能力。但天然生物聚合物的本征UV吸收通常不足以满足实际包装应用。

2.1 天然生物聚合物

天然生物聚合物直接从生物来源提取，主要包括多糖（如壳聚糖、淀粉、纤维素）和蛋白质（如明胶、大豆分离蛋白）。壳聚糖含有丰富的氨基和羟基，具有内在的抗菌活性和适度的UV吸收。淀粉成膜后通常高度亲水且脆性大。纤维素及其纳米衍生物具有出色的机械强度和表面改性潜力。明胶通过热可逆凝胶形成透明柔韧的薄膜，但通常需要交联以改善热稳定性和耐湿性。大豆分离蛋白因其芳香族氨基酸残基（酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸）而具有适度的内在UV屏蔽效率。然而，所有天然生物聚合物基质都面临亲水性和机械性能之间的固有权衡。

2.2 合成的生物基聚合物

合成生物基聚合物由可再生单体通过化学或生物聚合生产，具有结构规整、机械性能和加工一致性等优势。聚乳酸（PLA）是最商业化的生物基包装聚合物，但其本质UV屏蔽性能较弱，需要添加功能填料。聚羟基脂肪酸酯（PHA）通常为脂肪族聚酯，也需要添加剂来实现有效UV屏蔽。聚丁二酸丁二醇酯（PBS）具有柔性链结构，但内在UV吸收有限。与天然聚合物相比，合成生物基聚合物与常规工业加工技术（如挤出、注塑）的相容性更好。

3 紫外屏蔽添加剂

为克服生物聚合物内在UV吸收不足的局限，需要加入专门的UV屏蔽剂，主要分为无机纳米粒子、合成有机吸收剂和天然化合物三类。

3.1 无机纳米粒子

无机纳米粒子，如二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）和氧化铈（CeO₂），通过吸收和散射机制衰减UV辐射。其吸收机制涉及电子从价带激发到导带，散射主要通过米氏散射。无机屏蔽剂的优点是折射率高、光稳定性好、能提供UVA和UVB区域的广谱防护。一些金属氧化物如ZnO和TiO₂还具有光催化抗菌性。然而，实际应用受限于颗粒团聚、潜在迁移等问题。为解决这些局限，已开发了混合和掺杂策略，例如通过原位溶胶-凝胶合成ZnO-纤维素纳米纤维（CNF）杂化体，以及通过后氟化策略调控CeO₂纳米粒子的UV吸收。

3.2 合成有机吸收剂

合成有机UV吸收剂主要包括二苯甲酮类（Benzophenones）和苯并三唑类（Benzotriazoles）。二苯甲酮类通过分子内氢键机制在280-380 nm范围内有效吸收。苯并三唑类通过激发态分子内质子转移（ESIPT）机制实现高效的能量耗散，具有显著的光稳定性。但这类小分子吸收剂的低分子量和挥发性导致其在聚合物基质中易迁移，这在食品包装应用中引发安全和稳定性担忧。受阻胺光稳定剂（HALS）通过催化再生循环（Denisov循环）清除自由基，但需与UV吸收剂配合使用。通过化学键合或共聚等策略可以有效缓解迁移问题。

3.3 天然有机化合物

天然UV吸收剂来源于植物提取物和生物源，主要包括多酚（如单宁酸）、姜黄素、花青素和木质素等。其共轭电子体系和芳香结构能够实现高效的UV光子捕获。天然吸收剂的优点是可再生、安全、可生物降解且具有抗氧化和抗菌等多功能性。但其局限性在于成分和生物活性不一致、光化学稳定性通常低于合成吸收剂。单宁酸兼具UV吸收和绿色交联剂功能。姜黄素在明胶膜中实现高UV屏蔽的同时保持良好透明度。花青素具有pH响应性变色功能。木质素是高效的天然UV屏蔽剂，但其深色着色在UV屏蔽效率和光学清晰度之间形成了固有权衡。

4 紫外屏蔽复合包装薄膜的制备技术

制备工艺对薄膜的微观结构和宏观性能有显著影响，决定了添加剂的分散、界面粘附及最终功能。

4.1 溶液浇铸法

溶液浇铸是实验室规模生产聚合物薄膜的基础方法，操作简单、成本低。该方法对薄膜成分控制良好，尤其适合掺入热敏性天然UV吸收剂。然而，其局限性在于溶剂蒸发速率、溶液粘度和干燥条件会显著影响薄膜的均匀性，导致添加剂分布不均。该方法的工业可扩展性受限于加工时间长和溶剂用量大。

4.2 共挤出法

共挤出是一种工业规模的制造工艺，将两种或多种不同聚合物熔体同时通过一个模头挤出形成多层膜结构。该方法能够制造具有特定层功能的包装材料，例如将UV屏蔽层与结构层或密封层结合。但不同聚合物熔体之间需要良好的界面粘附和流变相容性。高温加工也可能导致天然生物聚合物或有机吸收剂降解。设备初始投资高。

4.3 涂布法

涂布法是将功能性配方薄层施加到预成型基材薄膜或食品表面，包括浸涂、喷涂和刮涂技术。该方法能高效地赋予表面特定功能（如UV屏蔽），不改变基材的体性质。关键挑战是确保涂层与基材间的牢固粘附，以及水溶性生物聚合物涂层在高湿度环境下的稳定性。

4.4 逐层自组装法

逐层自组装（LBL）是一种自下而上的技术，通过带相反电荷聚电解质或相互作用物种的依次吸附，在纳米尺度上构建超薄多层膜。该方法能够精确控制薄膜的成分、厚度和结构，可实现高负载的功能剂而不发生团聚。尽管功能控制出色，但该方法耗时，尤其是制备厚膜时，规模化生产仍是挑战。

4.5 静电纺丝法

静电纺丝利用高压电场将聚合物溶液拉伸成连续超细纤维并收集为无纺毡。所制得的纳米纤维膜具有高孔隙率、大比表面积，并能有效包封功能添加剂。纤维结构可增强光散射并提供大量UV吸收位点。然而，其局限性在于需要专用溶剂、产量低、单层电纺膜的机械完整性可能较差。

5 紫外屏蔽复合包装薄膜的改性策略

为实现可实际应用的生物基UV屏蔽包装薄膜，除了UV屏蔽效率，还必须满足机械强度、阻隔性和环境稳定性等其他关键要求。这需要采取策略性改性以提升整体性能。改性策略的效果不仅取决于添加剂本身的化学性质，还取决于具体的生物聚合物基质和所采用的制备技术。例如，对纳米粒子进行表面功能化以改善分散性，也可能影响该添加剂在挤出加工过程中的热稳定性。因此，材料、添加剂和加工条件的协同整合对于实现最优性能至关重要。通过对不同生物基复合膜的比较研究可以发现，其UV屏蔽能力、力学性能（如拉伸强度、断裂伸长率）、水蒸气透过率（WVP）、抗氧化及抗菌活性，以及对各类食品（如鸡胸肉片、草莓、猪肉、虾、奶酪和番茄）的保鲜效果，均有显著差异。这些修饰策略的协同作用为设计下一代高性能、可持续的食品包装提供了理论基础和决策依据。