瞿卫国：生物包装材料是新世纪材料界的重要领域

2017-10-31 09:39:59    1850次浏览

当今社会的塑料包装材料造成严重的"白色污染"，破坏了生态环境，造成了资源的浪费。以秸秆淀粉、纤维素、蛋白质以及甲壳质等天然可降解材料作为原料生产的生物包装材料具有来源丰富、价格低廉、无污染和易分解等特点，具有广泛的应用前景。

塑料制品具有不透气、不透水、耐酸碱、质量轻等特点和较高的强度、耐用度以及价格低廉等优点，从而成为包装业使用为广泛的一种材料。除生产企业外，零售商、农贸市场乃至街头巷尾的快餐摊点莫不以塑料袋、发泡塑料盒作为主要包装物。这些制品约有一半废弃在环境中，一般需要200年才能降解。另一类大量使用的包装材料是纸塑制品，这些纸塑制品使用后也大部分丢弃于环境中，即使在微生物的作用下，也需要80年才能够降解。这种难降解的塑料制品被丢弃于环境中所造成的严重后果是资源的巨大浪费和环境污染。

针对这一现状，科学家们提出了"环境包装"的概念，这种材料既要追求良好的使用性能，又要深刻认识到自然资源的有限性和尽可能降低废弃物排放量，并在材料的提取、制备、使用直到废弃与再生的整个过程中都尽可能地减少对环境的影响，是一种充分考虑到环境、生态和资源等因素的材料。这种材料具有节约资源、减少污染、对生态影响小、可再利用、可降解的特点。

近年来，世界各国相继开发出一些降解塑料、生物材料，对各国包装材料行业的发展起到了很大的推动作用。而降解塑料(主要是在塑料中加入淀粉、纤维素、光敏剂、生物降解剂等添加剂)存在消耗大量粮食、不能消除视觉污染等缺点，而且塑料微料的存在使其在土壤中降解速度较慢，不能及时回收利用。因此，降解塑料的应用前景具有局限性，有开发潜力的是生物包装材料。

生物包装材料的分类

淀粉作为天然高分子物质，来源丰富，价格便宜。在微生物作用下分解为葡萄糖，后代谢为水和二氧化碳，是一种取之不尽的可再生资源。

天然植物纤维同样也是符合可持发展要求的可再生资源，它是地球上丰富的碳水化合物。在自然界中可被微生物分解酶降解，作为植物或微生物营养源而被摄取。

甲壳质是甲壳素和壳聚糖的统称，大量存在于低等动物特别是节肢动物(如蟹、虾、昆虫等)的甲壳中，甲壳质纤维是自然惟一带正电荷的阳离子天然纤维。每年全球生物合成的甲壳素高达数百亿吨，产量仅次于天然纤维素，是地球上第二大生物高分子资源。

生物包装材料的应用

近年来，人们以天然生物材料制作包装原材料，或从天然生物材料中提取制作包装材料的原料，研制新的生物包装材料，这些生物包装材料一经问世，便显示出其强大的生命力。

淀粉基生物包装材料

近年来，改性淀粉的生物降解或可溶性的降解塑料，已成为淀粉基材料研究开发的热点。淀粉基材料可用作油炸快餐食品的包装、一次性食品用袋和纸包装的外层膜等。

淀粉基聚乙烯醇是淀粉基包装材料的典型代表。它在制膜前对淀粉进行处理，也就是在挤压机中进行"无序和塑化"或进行化学改性，加入一定量的增塑剂淀粉，再与聚乙烯醇或聚乙酸内酯共混可得到透明的膜。膜中的淀粉部分会生物降解，剩余部分在堆积过程中降解。淀粉-聚乙烯醇膜有中等阻气性能，机械性能比合成多聚物的膜差一些，可在食品一次性用袋方面代替低密度聚乙烯包装。实验表明，淀粉基材料对微生物的生长没有促进作用，并且包装外的不会透过而进入包装内，说明淀粉基材料具有长期包装的潜力。

玉米是一种美味又有营养的淀粉食物，还被广泛用于制造甜味剂和动物饲料。随着技术的进步，将玉米中的糖分提炼出来，经过发酵、蒸馏、萃取，得到制造塑料和纤维的基础材料，基础材料再被加工成直径只有4.57mm的聚交酯(PLA)细微颗料。后，这些小颗料被制成包装袋、泡沫塑料或餐具。

纤维素合成材料的应用

纤维素是多羟基葡萄糖聚合物，经过特定的物理和化学改性后具有不同的功能特点，可以粉状、片状、膜状、纤维以及溶液等不同形式出现，它同时具有价廉、可降解和不污染环境等优点。因此，用纤维素开发的功能材料极具灵活性并有广泛的应用。

用纤维素合成的各种生物降解材料，由于其大分子链上有许多羟基，具有较强的反应性能和相互作用性能，因此，这类材料加工工艺比较简单，成本低，加工过程无污染;能够被微生物王全降解;纤维素材料本身，可得到广泛应用。由于纤维素分子间有强氢键，取向度、结晶度高，不溶于一般溶剂，因此不能直接用来制作生物降解材料，必须对其改性。纤维素改性的方法主要有酰化、醚化以及氧化成醛、酮、酸等。

用稻草加工成的稻草板，具有节能、保温、隔热、隔音等功能，透气性好，冲击强度高，且防水和抗震性明显高于传统材料制品;另外，稻草板用作包装材料，其单位质量是同体积纸板材料的1/10，具有明显的优势。

除了稻草外，国内还利用其它草浆为主要原料，开发出一次性餐具专用纸板。采用化学助剂优化应用技术提高草浆质量，保证草浆接近制造餐具纸板的各项物理性能，表面又进行了适合于食品包装的加工处理，使成品具有抗热水、不渗漏、不分层、抗油及热封等功能。

蛋白质膜材料

用植物蛋白质制得的膜尽管不是完全疏水的，但有较好的阻湿性能和阻氧性能，并可挤压成型;其阻氧性受环境湿度影响较大，可在成膜时与脂质复合，提高阻氧稳定性，以应用与提高含油量食品的储藏。

小麦面筋蛋白膜已用来涂布油炸花生和炸鸡，这种膜有合适的阻氧性能，但对二氧化碳却有充分的通透性，适合于需要呼吸作用的新鲜产品，并且对芳香物质透过率是低密度聚乙烯膜的1/10，有利于保存食品风味。

动物来源的蛋白质用于制膜主要用胶原蛋白、乳清蛋白和酪蛋白。胶原蛋白膜是应用较多的可食性蛋白膜，低湿度下阻氧性好，以作为香肠的肠衣广泛使用;乳清蛋白膜可减少氧气的透过，与乙酚单甘油酯复合涂布与冷冻大马哈鱼与焙烤花生上可明显降低其氧化速度，也可将少早餐食品中的水分迁移;酪蛋白与脂肪的复合膜可应用与新鲜蔬菜、干果、冻雨的保藏，能够减少水分迁移和油脂氧化。

甲壳素及壳聚糖复合材料

用甲壳素加工制备的包装材料，有良好的透气性能，吸水保湿性也好。该材料还具有较好的化学稳定性、耐光性、耐药品性、耐油脂性、耐有机溶液性、耐寒性等，其稳定性优于纸张。由于甲壳素来源于生物体结构物质，与人体细胞有很强的亲和性和生物相溶性，可被体内的酶分解而吸收，对人体性和副作用，能有效地保护人体免受自然界的微辐射、重金属离子等对皮肤的侵害，可用于制造纺织品。

通过对甲壳素和壳聚糖进行化学修饰与改性，来制备性能独特的衍生物，已经成为当今世界应用开发的一个重要方面。目前，国际上应用甲壳质及其衍生物制备的海洋生物材料高科技产品不断推出，应用产品已达五百种以上。美国、日本、意大利、挪威、印度和韩国等国相继建立甲壳素壳聚糖生产厂，其中日本和美国是主要生产国家，同时又是主要的消费国。

其它生物包装材料

英国科学家从制作生物聚合物的中，提取了3种能产生塑料的基因，再转移到油菜的植株中，经过一段时期便产生一种聚合物液，再经提炼加工后，便可得到一种油菜塑料。用这种塑料加工制成包装材料或小儿尿布，弃后能自行化解，无污染残物。目前因为从微生物中提取多聚物成本很高而不能广泛使用，如果能通过扩大生产规模、改变工艺来降低成本，这将是一种很具潜力的多聚物。

巴西开发出一种新的环保物质"生物泡沫塑料"，可取代现有泡沫塑料。新物质的70%是由粟米、大豆和蓖麻的油制品提炼而成，而石油成分仅占30%。生物泡沫塑料可用作轻型包装材料，不到两年内化解在大自然中。

在我国，新型生物包装材料的研制也取得了一定的成果。已经掌握了将变质粮食加工成防震减压包装材料的技术，不仅为我国变质粮找到了出路，也成功地探寻了包装材料替代之路。此外，他们还能够将甘蔗渣、麦草和废报纸等加工成金黄色、橘黄色、浅灰色等各种各样的防震减压包装材料。经检验表明，这种材料的性能不比发泡塑料逊色，目前只需在减轻重量方而做进一步研究。

总结

随着当代人们环保意识的加强，面对日趋严重的"白色污染"和传统资源的日益枯竭，研究和开发新型包装材料具有十分重大的意义。生物包装材料从环境科学、生态科学和高分子科学等领域向人类展示了一种综合性的全新的科学领域，是新世纪材料界的重要领域。目前，生物包装材料局限于其成本过高，随着经济、科技、文化的发展，生物包装材料将得到更大的发展。