文字/编辑 听君聊

如今环境污染问题日益严峻，而在食品包装领域中，污染情况是最严重的。因此，我们急需开发一种可持续的包装材料，以减轻环境负担，推动循环经济。

我们发现一种叫做水凝胶的特殊材料能调节食品里的水分，它还可以作为一种载体来运输一些对身体有益的物质，最重要的是它对于延长食品的保质期有着很大的帮助。

然而，纯纤维素基水凝胶通常不够灵活，且功能也不多。

为了解决问题，我们采用物理和化学交联方法来处理天然纤维素，使其提高溶解性和反应性，从而我们能够开发出具有特殊功能的纤维素基水凝胶。

这种水凝胶可以抑制食品中坏菌的生长，延长食物保存时间，让食物变得更耐放。

一、纤维素可持续水凝胶的合成路线

纤维素基水凝胶（CBH）由多种来源合成，包括纤维素及其衍生物，如甲基纤维素、羟丙基纤维素）、羟丙基甲基纤维素和羧甲基纤维素。

这些衍生物具有经过修饰的化学结构，可以提高纤维素的溶解度、粘度和其他性能，使其具有广泛的应用前景。

此外，纤维素的酯衍生物，如乙酸偏苯三酸酯、乙酸邻苯二甲酸酯、邻苯二甲酸羟丙甲酯、邻苯二甲酸羟丙甲酯乙酸琥珀酸酯等，也可用于制备CBHs。

这些衍生物具有不同的特性，因此它们可针对某种特性，来定制并应用CBH。

然而，要想成功合成水凝胶并没有那么容易，这是因为天然纤维素或其衍生物不易溶于常见溶剂。为了应对这一挑战，我们寻找到一些能够溶解纤维素及其衍生物的溶剂。

其中包括LiCl/二甲基乙酰胺、N-甲基吗啉-N-氧化物以及离子液体。

而为了让不同类型的纤维素成功合成CBH，我们采用了有物理交联、化学交联等多种方法。

这些方法可以改善水凝胶的粘弹性和机械性能，以符合包装应用的特定标准。

物理交联涉及通过非共价相互作用形成CBH，例如氢键、范德华力或聚合物链的物理缠结。与化学交联聚合物相比，该方法具有广泛的性能和应用，因此引起人们越来越多的兴趣。

此外，物理交联不需要使用任何化学试剂，使其成为一种简单且经济高效的水凝胶生产方法。

这种交联可以通过不同的方法来实现，包括加热或冷却聚合物溶液、复合凝聚、冻融、氢键、离子相互作用或自组装。

在该方法中，我们将纤维素溶解在合适的溶剂中，并将所得溶液进行反复的冷冻和解冻循环。由于纤维素链的聚集，该过程导致水凝胶的形成。

尽管物理交联水凝胶具有不需要交联剂或化学改性的优点，但它们也有局限性，特别是在机械强度方面。

相比之下，化学交联的水凝胶很坚固，并在阻碍稀释和扩散方面有着更高的稳定性，因为它们要想溶解在水中，就必须破坏共价键。

在这种情况下，化学交联可以通过各种方法实现，包括接枝、使用交联剂、酶交联、自由基聚合和辐射交联。

为了合成 CBH，我们需要采用合适的化学改性技术，这取决于所用的交联剂和反应变量，如温度、pH 值和时间。

通过纤维素聚合物链的共价交联，这种方法能产生特定的水凝胶特性，例如溶胀行为、机械强度和降解率。

在CBH中使用化学交联的一个例子是基于羟乙基纤维素（HEC）和氧化锌（ZnO）的水凝胶薄膜的合成，其使用柠檬酸作为交联剂。

一般来说，CBH 合成交联技术的选择，取决于水凝胶的具体应用和所需性能。

尽管物理交联的水凝胶不需要交联剂或化学修饰，但它们需要进一步修饰，以提高高机械强度。

另外，虽然化学交联是合成CBH，使其具有更好机械和热性能的有效方法，但其毒性和缺乏生物降解性使其不适合用于食品包装应用。

二、纤维素基水凝胶的表征

一般来说，纤维素来源、交联方法、交联密度、取代度和加工条件等许多因素都会影响食品包装应用中CBH的性能。

因此，我们通过识别和优化这些因素，可以定制水凝胶的特性，包括高吸水能力、生物相容性、生物降解性、机械强度和功能特性，以满足各种食品包装应用的需求。

CBHs的关键特征之一是膨胀行为，这是决定其吸水能力和保水能力的重要特性。

CBH 在吸收大量水分方面表现出巨大的潜力，其吸水量高达原始干重的1000倍，这使得它们非常适合用于湿度控制至关重要的食品包装应用。

例如，以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为粘合剂，制备的CMC水凝胶薄膜在溶胀和消溶胀研究中，表现出显着的保水性和吸水能力。

此外，在CMC基水凝胶中存在着PVP，它改善了水热阶段在各种测试温度和相对湿度条件下的机械特性。

因此，CBH 的溶胀行为是通过改变交联密度、取代度和所用纤维素类型来控制的。

交联密度影响溶胀程度，交联密度越高，溶胀程度越低。

影响食品包装特点的一个重要因素是润湿性，就是材料与水或其他液体接触时相互作用的能力。

对于那些需要吸收液体或让液体附着的情况，我们会选择具有高润湿性的材料，这样它们能更好地吸收液体。

而对于不需要液体吸附的情况，我们会选择润湿性较低的材料，这样液体会被材料排斥。

就CBH的强度来说，它的耐用程度和性能非常重要。

这会影响到材料在制作、运输和储存过程中能否抵御外部力量，保持自己的结构不被破坏。

在食品包装中，不同种类的食物含有不同数量的水分。

因此，包装材料需要在一定的温度和湿度条件下，保持自己的完整性，同时还要能够实现预期的功能。

三、纤维素基水凝胶在食品包装系统中的应用

由于不断变化的市场趋势和客户对安全、健康和高标准产品的需求，CBH 在食品包装中的应用最近变得越来越流行。

在这方面，我们已经进行了大量的研究，涉及应用由纤维素开发的CBH来延长保质期并提高食品质量。

研究报告称，所开发的水凝胶薄膜可以承受 400% 的特殊拉伸应变而不破裂，这远远高于典型的食品包装薄膜。

优化后的水凝胶薄膜还具有一些额外的优点，如自修复、紫外线阻挡、优异的粘合强度、抗氧化性能以及良好的水和氧气阻隔特性。

在环境条件下储存时，这些特性有助于将新鲜草莓、芒果和樱桃的保质期延长至少一周。

而基于细菌纤维素制造的水凝胶薄膜用于食品包装，可提高蓝莓的保存期15天。

有趣的是，我们原本打算结合生物聚合物来创建三维 CBH 结构，以增强机械和阻隔性能。

结果，瓜尔胶、CMC和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）都被加入以增强其特性，从而提高了阻隔性以及弹性和承载能力。

CBH的含水量、水蒸气渗透性、机械强度和热稳定性都通过添加 ZnO-NP得到了改善。

此外，苹果、芒果、西红柿和香蕉等水果和蔬菜在包装过程中会释放乙烯气体，这会缩短产品的保质期并加速成熟。

而湿度对许多包装食品（尤其是花园水果）的保存和保质期起着关键作用。

考虑到这一点，我们利用纳米纤维纤维素和高锰酸钾，开发了基于CMC的水凝胶吸附剂。

这些材料降低了包装内的湿度，同时通过吸收储存过程中产生的乙烯来延长香蕉的保质期。

水凝胶在食品包装中的另一个值得注意的应用是涂料，其中包括直接形成网络排列作为纸基基材上的表面涂层，该涂层具有很强的抗菌性能，并能抑制单核细胞增生李斯特菌在奶酪外层生长。

水凝胶在智能食品包装中也发挥着重要作用， 它可以作为智能指示器形式的工具来监测包装食品的状况变化，例如新鲜度、腐烂和成熟度以及微生物活性和运输和储存历史。

它通过检查新鲜食品中微生物生长产生的代谢物，例如有机酸、CO2、挥发性碱性氮或硫化合物，可以识别食品腐烂情况。

不仅如此，一种由甘蔗渣纳米纤维素制成的水凝胶，能够作为比色新鲜度指示器，用于跟踪鸡胸肉的变质情况。

这种水凝胶指示剂带有溴百里酚蓝/甲基红 pH 响应染料，可根据鸡肉样本的新鲜度改变颜色。

虽然 CBH 薄膜和指示剂在食品包装应用中显示出广阔的潜力，但也存在一些需要解决的挑战。

一项挑战是开发具有成本效益且可扩展的 CBH 薄膜和指示器生产方法。

目前的方法非常耗时，并且需要专门的设备，这会限制它们在食品工业中的实际应用。

另一个挑战是优化CBH 薄膜的特性和指标，例如它们对特定代谢物的敏感性和选择性，这些特性的改进可以提高其检测食品腐烂的准确性和可靠性。

此外，我们仍需要对CBH薄膜和指示剂与食品接触时的安全性和毒性进行更全面的研究。

随着对可持续和环保包装材料的需求不断增长，这一点尤其重要。

四、结论

目前，我们在研究CBH薄膜、涂料以及在食品包装中使用的指示剂方面，已经取得了很有影响力的实质性进展。

这些研究显示，CBH和涂料等材料在机械性能和阻隔能力方面表现更好，而且还能更好阻止微生物的生长，同时也可以阻挡水分和氧气的进入。

这样一来，各种食物，像水果、蔬菜和肉类等，就可以更久地保存，这就像是给食物做了一个保护伞，让它们的储存时间变得更长。

此外，我们还制定了CBH指标来跟踪包装食品的新鲜度和质量，这些指标能够注意到食品状况的变化，例如腐烂、成熟度和微生物活动，它们表现出视觉颜色变化来传达有关食品质量的信息。

我们研究表明，CBH未来的发展空间比我们想象中得还要大，它有潜力带起可持续食品包装系统的创建，最终确保环境的可持续发展。

参考文献：

【1】Shin S.-K.、Um N.、Kim Y.-J.、Cho N.-H.、Jeon T.-W.《新的政策框架与塑料废物控制计划，以实现有效的塑料废物管理》

【2】Das A.、Ringu T.、Ghosh S.、Pramanik N.，《对生物聚合物制备、理化表征和生物工程应用最新进展的全面综述》

【3】Wang J.，Euring M.，Ostendorf K.，Zhang K.，《用于食品包装的生物基材料》

【4】Roy N.、Saha N.、Kitano T.、Saha P、PVP-CMC，《水凝胶薄膜的生物降解：一种有用的食品包装材料》