《International Journal of Biological Macromolecules》：Engineered biodegradable films from derived carbohydrate with dual UV-shielding and antioxidant activity for packaging
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摘要塑料衍生物的使用引发的环境危机要求开发高效的生物降解包装材料替代品。利用农业废弃物开发可作为生物塑料的纳米复合材料的策略具有重要价值。在本研究中，我们报告了通过将香蕉假茎衍生碳量子点 (CQDs) 和纳米纤维素 (NC) 纳入聚乙烯醇/淀粉/甘油/羧甲基纤维素 (CMC)
摘要
塑料衍生物的使用引发的环境危机要求开发高效的生物降解包装材料替代品。利用农业废弃物开发可作为生物塑料的纳米复合材料的策略具有重要价值。在本研究中，我们报告了通过将香蕉假茎衍生碳量子点 (CQDs) 和纳米纤维素 (NC) 纳入聚乙烯醇/淀粉/甘油/羧甲基纤维素 (CMC) 基质中开发薄膜。尺寸为 2–3 纳米的 CQDs 通过水热法合成，而 NC 通过酸水解提取，结晶度指数为 52%。这些薄膜表现出最佳的力学和光学性能。引入 CQDs 有助于实现浓度依赖的紫外线屏蔽效率，针对 UVB 高达 97.84%，针对 UVC 高达 99.87%，并防止光氧化降解。此外，引入 CMC 导致显著的延展性，断裂伸长率>101%，并具有抗氧化特性，自由基清除率为 97.76%。我们通过涂布香蕉和包裹枣作为模型水果的实验，计算了这些薄膜的实际包装效率。我们的实验显示衰老延迟，叶绿素降解，保质期延长至 8 天。此外，在土壤自然条件下 35 天内，纳米复合薄膜表现出近 80% 的生物降解。总体而言，这种可持续纳米复合平台证明了在需要紫外线屏蔽、抗氧化保护和机械柔韧性的包装应用中的潜力。
引言
合成聚合物，如聚乙烯 (PE) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)，由于其高可用性和与食品接触时的化学惰性，是我们日常生活中高度使用的材料。尽管有这些优势，但广泛使用塑料的关键问题由于其固有的不可生物降解性和痕量微塑料在食物链中的积累而引发了全球危机。[1] 全球采用的最有效缓解策略是减少使用或限制一次性塑料。
作为“生物塑料”的纳米复合薄膜可以被视为从简单生物质到衍生工程替代品的远见卓识的转化，不仅仅是作为被动容器，而是作为主动包装系统。这种转变对于柔性包装（如薄膜和包装纸）至关重要，尤其是对于电子商务和快餐服务部门。与传统被动包装材料不同，这些工程聚合物预计会与包装环境动态互动。从功能角度看，它们可以防止脂质氧化 [2]，保留光活性维生素 (Vit. D 和 B 族) 的降解 [3]，提供针对紫外线损坏的必要屏蔽。[4] 最终，通过整合此类保护功能，生物塑料可以显著延长保质期 [5] 并提供抗菌特性。[6] 然而，阻碍广泛工业采用的挑战是经济成本持平，因为生物塑料的生产成本相对高于传统 PE/PET。
生物聚合物的物质化提供了开发可持续生物复合材料的前景，旨在减少碳足迹。淀粉、聚乙烯醇 (PVA) 和羧甲基纤维素 (CMC) 等主要生物聚合物因其无毒性和成膜能力而广为人知。[7] 然而，由于可调节的机械强度和高度耐湿性，其工业采用往往受到限制 [8]。这带来了工程化多组分生物复合系统的范围，这些系统可以作为纳米填料。在这种情况下，香蕉假茎已成为纳米纤维素 (NC) 的优越木质纤维素储库。[9] 当与基质整合时，例如由 PVA 和淀粉形成，它介导了一个氢键网络，显著增强了抗拉强度 [10] 和杨氏模量 [11]，可能是由于有效的载荷传递机制。此外，NC 和 CMC 之间的协同作用可以有效地建立基质，有效减少水分和氧气渗透率，这对于食品包装是有利的。
值得注意的是，结构稳定性对于综合食品包装解决方案仍然至关重要。大多数生物基基质对紫外线辐射高度渗透，这通过催化光敏营养素降解和加速脂质过氧化而降低食品质量。我们假设，可以通过在多重复合材料系统中引入碳量子点 (CQDs) 作为纳米填料来弥合这一差距。CQDs 不仅被证明是生物相容且均匀分散的，而且它们还具有独特的光致发光和紫外线吸收能力。[12] 尽管可以通过 NC 获得机械上理想的抗拉强度约 20–40% [10] 并通过 CQD 实现紫外线屏蔽，它们在 PVA、淀粉、CMC 基质中的集成行为仍未被探索。目前，缺乏关于农业（废弃物）衍生的 NC 和 CQDs 的生物降解性和功能耐久性评估的实证数据。在这种情况下，这些信息可以帮助建立针对机械应力和光氧化的双重保护系统。[13] 本工作的研究问题侧重于评估机械完整性和光学屏蔽的同时增强，以提供针对环境压力的主动屏蔽。
在本工作中，我们报告了一种通过香蕉假茎资源化利用工程多功能纳米复合材料的可持续策略。我们采用水热法合成 CQDs，采用碱漂酸水解过程提取 NC，从而避免使用危险的有机溶剂。然后将这些纳米填料与 PVA、淀粉、CMC 整合以开发薄膜。讨论了协同效应的评估，参考机械抗拉强度、浓度依赖的紫外线阻挡效率以及诸如内部结构、透明度和水亲和性等水物理性质，这为开发适合食品包装相关应用的农业废弃物生物塑料铺平了道路。
章节片段
化学品与材料
可生物降解的香蕉假茎是合成的起始材料。玉米淀粉、甘油、羧甲基纤维素 (CMC) 钠盐、聚乙烯醇和氢氧化钠颗粒购自印度 Himedia Laboratories Pvt. Ltd.，硫酸购自 Finar。整个实验中使用乙醇 (99% 纯度) 和 Milli-Q 水。除非另有说明，所有化学品均为分析级。Sigma Aldrich 的 300 目铜网用于 FE-TEM 成像。
合成 CQDs 的光学和结构表征
激发依赖的光致发光 (PL) 被认为是 CQDs 最重要的特性之一 (图 1A)。激发波长从 300 到 400 纳米以 10 纳米为增量变化以记录发射。我们发现 300 纳米激发下有 418 纳米的特征发射峰。然而，随着激发波长增加，发射峰向长波长移动 (红移)，且强度降低。
傅里叶变换红外光谱中在处的宽吸收带
结论
在本研究中，我们开发了一种基于纳米复合材料的生物降解包装系统，具有主动多功能活性。在这里，我们利用香蕉假茎的生物质合成 NC 和 CQDs，使用水热法。CQD 合成的可持续方法产生 2–3 纳米的粒径，具有强紫外线 - 可见光吸收和激发依赖的光致发光，可以将有害的紫外线辐射转化为无害能量。同样，NC 提取过程利用
CRediT 作者贡献声明
Sanjoy K. Basu：写作 – 初稿，方法论，调查，正式分析。Nirupam Das：写作 – 初稿，调查，正式分析。Anirban J. Banerjee：调查，正式分析。Rajiv K. Kar：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，验证，监督，调查，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。
致谢
RKK 还感谢 ICMR、DHR 和 印度政府 授予研究补助 EM/SG/Dev-Res/110/7794-2023。这项工作部分由 IITG 的资助支持（项目参考号 2026-2026010513000101）。作者感谢 IITG 的 Arup K. De 博士进行科学讨论。
Sanjoy K. Basu|Nirupam Das|Anirban J. Banerjee|Rajiv K. Kar
