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生物包装材料的发展现状

浏览次数: 日期:2016-07-22 16:33:30

包装除了保护、美化商品并使商品便于携带等作用外,还可起到推荐演示和宣传商品的作用。随着人们生活水平的提高,对商品包装的要求也越来越高,不仅要求商品包装美观、经济、实用,而且要符合环保要求。因此,包装工业迅速崛起,包装市场规模巨大。目前全世界包装业的市场容量为8000亿美元,且每年以15%~18%  的速度增长。

  包装工业的迅速成长壮大,使包装材料具有广泛的发展空间,纸、塑料、金属和玻璃等许多材料被广泛应用于各种包装。然而,包装在为人们带来方便和效益的同时,也给人类生存的环境造成了严重的危害,一方面包装消耗大量的资源,另一方面日益增多的包装废弃物已经成为仅次于水质污染、海洋湖泊污染和空气污染的第4大污染源。塑料制品用过后约有一半废弃在环境中,一般需要200年才能降解,而填埋、焚烧都不是理想的解决办法。即使纸塑制品在微生物的作用下,也需要80年才能降解。而造纸要消耗大量木材,同时造成水污染。

  随着人们环保意识的加强,基于可持续发展的战略考虑,对产品包装不仅要求其外观新颖美观,还要求包装材料无污染、易分解。近年来,世界各国相继开发出一些降解塑料、生物材料,对推动各国包装材料行业的发展起到了很大作用。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,而且塑料微粒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,最有开发潜力的是生物包装材料。

  天然可降解物质的利用对于可持续发展具有极其重要实际意义,淀粉、植物纤维、甲壳素、壳聚糖等为主体的生物材料适应了这种完全环保的要求和趋势。然而,对于生物包装材料来说,有两个方面需要注意:I)在包装材料的使用过程中,要保证包装材料正常功能的发挥;2)在包装材料使用后,要快速降解。这就要求生物包装材料在流通过程中必须避免因为外界环境而产生的降解行为;同时使用后又有一个优化的环境能使其快速降解。

  1  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,最后代谢为水和二氧化碳,是一种取之不尽的可再生资源。天然淀粉是以15~100~m的小颗粒形式存在,颗粒内存在结晶结构的高分子化合物。淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成,直链淀粉是葡萄糖以—D一1,4糖苷键结合的链状化合物,相对分子质量为(20~200)×10  。支链淀粉中葡萄糖单元的连接方式除—D一1,4糖苷键外,还存在—  D一1,6糖苷键,相对分子质量为(100~400)×10。。

  天然植物纤维同样也是符合可持续发展要求的可再生资源,它是地球上最丰富的碳水化合物。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。纤维的主要成分纤维素是直链淀粉的异构体,葡萄糖单元通过B—l,4一糖苷键相连,氧原子和羟基成反式结构。

  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,甲壳质纤维是自然界唯一带正电荷的阳离子天然纤维。全球每年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。甲壳素是2一乙酰胺一2一脱氧一13一D一葡萄糖通过B一1,4一糖苷键连接而成的线性聚合物。由于甲壳素中含有多种官能团,因此,具有很强的反应活性:可以发生脱乙酰基、水解、交联、接枝、酰化、醚化、羧甲基化、氧化还原及络合等反应,生成具有不同性能的甲壳素衍生物。其中甲壳素脱去乙酰基后成为壳聚糖,它是由N一乙酰氨基葡萄糖通过B一1,4一糖苷键连接起来的链状高分子化合物,其性质主要取决于乙酰化率和聚合度。由于壳聚糖含有游离氨基,反应活性和溶解性能均比甲壳素强,是甲壳素最重要和应用最广的衍生物,且其分子内含有一OH和一NH活性基团,易与多种有机物发生反应。

  2  应用

  其实,人们利用天然生物原材料作为包装材料的历史很悠久。在亚洲、非洲以及太平洋和拉丁美洲一些地区,人们普遍利用荷叶、香蕉叶、棕榈叶、椰子叶等作为包装食品的材料。但是由于大多数天然高分子材料加工性能、热性能和力学性能较差,因此,人们对这些分子进行改性或共混来实现其应用价值。在包装材料领域中,比较常见的是以淀粉、纤维素等为基料的复合材料。但是这种包装材料的机械强度较小,不能用于要求较高的场合,并且降解不彻底,在土壤中仍留有塑料残片。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~经问世,便显示出强大的生命力。

  2.1  淀粉

  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。最后,这些小颗料被制成包装袋、泡沫塑料或餐具。国外公司已看好这种新的环保材料,如可口可乐公司在盐湖城冬奥会上用了50万只一次性杯子,全部是用玉米塑料制成的,这种杯子只需40天就在露天环境下消失得无影无踪。

  美国一家研究所利用土豆和乳清制成了一种能生物降解的塑料薄膜。其制法是:先用酶将制酪时形成的乳清和废弃的土豆转化为葡萄糖浆,然后用细菌发酵成含乳酸的液体。液体中的乳酪经电渗析分离出来后,加热使水分蒸发,留下的便是可以制薄膜和涂层的聚乳酸分子。这样制成的塑料薄膜可以制成保鲜袋和代替涂有聚乙烯和防水蜡的包装材料,最大优点是可以分解为对环境无害的乳酸。

  2.2  纤维素

  纤维素的空间构型和淀粉中直链淀粉的不同,纤维素的构型比较直,而直链淀粉则相对要弯曲,在很大程度上导致了纤维和淀粉性能上的巨大差异,二者不经过化学改性及特定工艺条件,在分子领域内难以进行一般的交联、接枝等化学反应。然而,人们总是想方设法地把这两大天然高分子聚合物有机地结合起来,使其易于加工成型,且具备良好的使用性能和降解性能。

  荷兰瓦赫宁根农业大学研制出不含石化产品的可降解生物塑料,这种材料用/J、麦、玉米、马铃薯淀粉制成,并掺大麻纤维以提高强度。可用作包装涂层、食物储藏箱、垃圾箱衬里、购物袋以及农用薄膜等。这种材料能完全溶于水,降解后变成水和二氧化碳。美国科学家采用小麦秸秆的纤维和麦粒中的淀粉制成的快餐包装盒,是一种价格便宜、对环境无污染的快餐新包装。这种包装盒,不仅完全可以生物降解,而且比常用的纸板包装盒和土豆淀粉包装盒,保温的时间长一些。如果把废弃的这种包装盒扔在肥料堆中,不仅不会污染环境,而且还能转化为肥料,应用前景十分看好。

  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;而且可以回收利用,生产书写纸。另外,艾蒿具有抗菌、防霉、防虫和药用功能。用艾蒿粉和添加物混合加工而成的薄膜保鲜袋。可确保食物处于抗菌、防霉、防虫的环境中,能将食品保鲜期延长2倍。这种保鲜袋用脏了,经过刷洗可反复使用,废弃袋还可被微生物分解。

  2.3  甲壳素及壳聚糖

  天然甲壳素也是一种非常好的原料。由于原料来自天然,无毒、无味、耐热,而且有良好的吸湿性、纺丝性和成膜性,抑菌除臭。能满足食品、卫生、医药等行业对包装材料的卫生要求。所以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,对人体无毒性和副作用,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。

  壳聚糖具有许多独特的化学物理性质,根据其酰化、硫酸酯化和氧化、接技与交联、羟乙基化、羟甲基化等反应,还可制备成多种用途的产品,而且从氨基多糖的特点出发,具有比纤维素更为广泛的用途。对甲壳素和壳聚糖的应用开发研究,自20世纪60年代以来就十分活跃,近年来国际上更是十分重视对它们的深入开发和应用,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。

  从1997年开始,浙江舟山海山生化制品有限公司从中国纺织大学引进甲壳素纤维生产技术专利,生产甲壳素纤维,试制成功甲壳素纤维与其它各种纤维混纺制成的保健T恤、衬衣、内衣、袜子、床上用品等各种混纺制品,该厂生产的甲壳素纤维混纺织品已通过了浙江省科技厅科学成果鉴定,并通过国家棉纺织产品质量监督检验中心检验,产品具有极佳的抗辐射(紫外线)功能,特别适用于夏季从事户外工作的人员穿着。

  虽然对甲壳素及壳聚糖的研究尚未成熟,但可以预言,甲壳质及壳聚糖可望有朝一日象塑料一样进入人{门的日常生活,成为2l世纪的支柱产业之一。

  2.4  其它生物包装材料

  利用植物乳汁液或粮食提炼成的蛋白质糖衣或油脂薄膜作为食品包装材料在亚洲一些国家也很盛行。

  法国农艺研究和发展国际合作中心正是根据这种发展趋势瞄准未来的包装工业,正积极从热带农林原料中研制软包装、硬包装、半硬包装、涂层包装等各种生物包装材料。据该中心的材料显示,目前,不少国家已用棉籽蛋白生产包装薄膜,用小麦蛋白研制出包装材料。

  另外,英国科学家从制作生物聚合物的细菌中,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。

  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。

  美国农业部的专家最近宣布,一种新式的环保型食品包装材料可望近期问世,这种包装材料完全采用粉碎的草莓制成,是一种可以自然分解的、非常环保的材料,用这种材料制成的包装薄膜不仅可以起到保鲜的作用,而且还能改善水果的味道。他们预计在不久的将来,不仅草莓可以用作包装材料,胡萝卜、花椰菜等蔬菜和水果也可以用作包装材料,这种新型的生物包装材料将取代传统的聚乙烯塑料薄膜而成为食品包装业的主要材料。

  从大豆等植物中提取出的蛋白质也在生物包装材料中占有一席之地。法国研究学者采用新工艺将蛋白质制成薄膜。由于这种薄膜的原材料是从食物中提取出来的,因此可以食用;同时,薄膜在加工过程中采用了新工艺,具有耐湿、抗氧化、较好的抗拉强度以及适当的弹性。另外,从向日葵中提取出的蛋白质也引起了人们的注意,法国和希腊的研究人员对以这种蛋白质为主要成分的薄膜包装材料进行了研究,并尝试添加其它的组分对材料的性能进行改善。

  在我国,新型生物包装材料的研制也取得了一定的成果。如湖北武汉富拓环保包装材料公司和武汉金丰环保塑料公司,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材逊色,目前只需在减轻重量方面做进一步研究。

  3  结语

  由于白色污染的日趋严重及世界石油资源的日益枯竭,研究和开发生物包装材料具有极其重要的意义。生物包装材料为人类展示了一个环境科学、生物化学、高分子化学等学科交叉的全新科学领域,是2l世纪新材料的重要领域。不同类别的生物材料在实际应用时承担不同的角色,除用于包装材料外,还用于农业、医学、食品工业等方面。目前虽然成本高、科学研究还不完善,但随着高新技术的应用,这些问题将得到逐步解决,生物包装材料的应用前景将更加广阔,随着经济、科技的发展和工业化程度的提高,世界生物材料包装工业将会有更大的发展。

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