瞿衛(wèi)國:秸稈可降解生物包裝材料的研究進(jìn)展
當(dāng)今社會的塑料包裝材料造成嚴(yán)重的"白色污染"，破壞了生態(tài)環(huán)境，造成了資源的浪費(fèi)。以秸稈淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)以及甲殼質(zhì)等天然可降解材料作為原料生產(chǎn)的生物包裝材料具有來源豐富、價格低廉、無污染和易分解等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
塑料制品具有不透氣、不透水、耐酸堿、質(zhì)量輕等特點(diǎn)和較高的強(qiáng)度、耐用度以及價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，從而成為包裝業(yè)使用最為廣泛的一種材料。除生產(chǎn)企業(yè)外，零售商、農(nóng)貿(mào)市場乃至街頭巷尾的快餐攤點(diǎn)莫不以塑料袋、發(fā)泡塑料盒作為主要包裝物。這些制品約有一半廢棄在環(huán)境中，一般需要200年才能降解。另一類大量使用的包裝材料是紙塑制品，這些紙塑制品使用后也大部分丟棄于環(huán)境中，即使在微生物的作用下，也需要80年才能夠降解。這種難降解的塑料制品被丟棄于環(huán)境中所造成的嚴(yán)重后果是資源的巨大浪費(fèi)和環(huán)境污染。
針對這一現(xiàn)狀，科學(xué)家們提出了"環(huán)境包裝"的概念，這種材料既要追求良好的使用性能，又要深刻認(rèn)識到自然資源的有限性和盡可能降低廢棄物排放量，并在材料的提取、制備、使用直到廢棄與再生的整個過程中都盡可能地減少對環(huán)境的影響，是一種充分考慮到環(huán)境、生態(tài)和資源等因素的材料。這種材料具有節(jié)約資源、減少污染、對生態(tài)影響小、可再利用、可降解的特點(diǎn)。
近年來，世界各國相繼開發(fā)出一些降解塑料、生物材料，對各國包裝材料行業(yè)的發(fā)展起到了很大的推動作用。而降解塑料(主要是在塑料中加入淀粉、纖維素、光敏劑、生物降解劑等添加劑)存在消耗大量糧食、不能消除視覺污染等缺點(diǎn)，而且塑料微料的存在使其在土壤中降解速度較慢，不能及時回收利用。因此，降解塑料的應(yīng)用前景具有局限性，最有開發(fā)潛力的是生物包裝材料。
生物包裝材料的分類
淀粉作為天然高分子物質(zhì)，來源豐富，價格便宜。在微生物作用下分解為葡萄糖，最后代謝為水和二氧化碳，是一種取之不盡的可再生資源。
天然植物纖維同樣也是符合可持發(fā)展要求的可再生資源，它是地球上最豐富的碳水化合物。在自然界中可被微生物分解酶降解，作為植物或微生物營養(yǎng)源而被攝取。
甲殼質(zhì)是甲殼素和殼聚糖的統(tǒng)稱，大量存在于低等動物特別是節(jié)肢動物(如蟹、蝦、昆蟲等)的甲殼中，甲殼質(zhì)纖維是自然惟一帶正電荷的陽離子天然纖維。每年全球生物合成的甲殼素高達(dá)數(shù)百億噸，產(chǎn)量僅次于天然纖維素，是地球上第二大生物高分子資源。
生物包裝材料的應(yīng)用
近年來，人們以天然生物材料制作包裝原材料，或從天然生物材料中提取制作包裝材料的原料，研制新的生物包裝材料，這些生物包裝材料一經(jīng)問世，便顯示出其強(qiáng)大的生命力。
淀粉基生物包裝材料
近年來，改性淀粉的生物降解或可溶性的降解塑料，已成為淀粉基材料研究開發(fā)的熱點(diǎn)。淀粉基材料可用作油炸快餐食品的包裝、一次性食品用袋和紙包裝的外層膜等。
淀粉基聚乙烯醇是淀粉基包裝材料的典型代表。它在制膜前對淀粉進(jìn)行處理，也就是在擠壓機(jī)中進(jìn)行"無序和塑化"或進(jìn)行化學(xué)改性，加入一定量的增塑劑淀粉，再與聚乙烯醇或聚乙酸內(nèi)酯共混可得到透明的膜。膜中的淀粉部分會生物降解，剩余部分在堆積過程中降解。淀粉-聚乙烯醇膜有中等阻氣性能，機(jī)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裝。實(shí)驗(yàn)表明，淀粉基材料對微生物的生長沒有促進(jìn)作用，并且包裝外的細(xì)菌不會透過而進(jìn)入包裝內(nèi)，說明淀粉基材料具有長期包裝的潛力。
玉米是一種美味又有營養(yǎng)的淀粉食物，還被廣泛用于制造甜味劑和動物飼料。隨著技術(shù)的進(jìn)步，將玉米中的糖分提煉出來，經(jīng)過發(fā)酵、蒸餾、萃取，得到制造塑料和纖維的基礎(chǔ)材料，基礎(chǔ)材料再被加工成直徑只有4.57mm的聚交酯(PLA)細(xì)微顆料。最后，這些小顆料被制成包裝袋、泡沫塑料或餐具。
纖維素合成材料的應(yīng)用
纖維素是多羥基葡萄糖聚合物，經(jīng)過特定的物理和化學(xué)改性后具有不同的功能特點(diǎn)，可以粉狀、片狀、膜狀、纖維以及溶液等不同形式出現(xiàn)，它同時具有價廉、可降解和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。因此，用纖維素開發(fā)的功能材料極具靈活性并有廣泛的應(yīng)用。
用纖維素合成的各種生物降解材料，由于其大分子鏈上有許多羥基，具有較強(qiáng)的反應(yīng)性能和相互作用性能，因此，這類材料加工工藝比較簡單，成本低，加工過程無污染;能夠被微生物王全降解;纖維素材料本身無毒，可得到廣泛應(yīng)用。由于纖維素分子間有強(qiáng)氫鍵，取向度、結(jié)晶度高，不溶于一般溶劑，因此不能直接用來制作生物降解材料，必須對其改性。纖維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，具有節(jié)能、保溫、隔熱、隔音等功能，透氣性好，沖擊強(qiáng)度高，且防水和抗震性明顯高于傳統(tǒng)材料制品;另外，稻草板用作包裝材料，其單位質(zhì)量是同體積紙板材料的1/10，具有明顯的優(yōu)勢。
除了稻草外，國內(nèi)還利用其它草漿為主要原料，開發(fā)出一次性餐具專用紙板。采用化學(xué)助劑優(yōu)化應(yīng)用技術(shù)提高草漿質(zhì)量，保證草漿接近制造餐具紙板的各項(xiàng)物理性能，表面又進(jìn)行了適合于食品包裝的加工處理，使成品具有抗熱水、不滲漏、不分層、抗油及熱封等功能。
蛋白質(zhì)膜材料
用植物蛋白質(zhì)制得的膜盡管不是完全疏水的，但有較好的阻濕性能和阻氧性能，并可擠壓成型;其阻氧性受環(huán)境濕度影響較大，可在成膜時與脂質(zhì)復(fù)合，提高阻氧穩(wěn)定性，以應(yīng)用與提高含油量食品的儲藏。
小麥面筋蛋白膜已用來涂布油炸花生和炸雞，這種膜有合適的阻氧性能，但對二氧化碳卻有充分的通透性，適合于需要呼吸作用的新鮮產(chǎn)品，并且對芳香物質(zhì)透過率是低密度聚乙烯膜的1/10，有利于保存食品風(fēng)味。
動物來源的蛋白質(zhì)用于制膜主要用膠原蛋白、乳清蛋白和酪蛋白。膠原蛋白膜是應(yīng)用較多的可食性蛋白膜，低濕度下阻氧性好，以作為香腸的腸衣廣泛使用;乳清蛋白膜可減少氧氣的透過，與乙酚單甘油酯復(fù)合涂布與冷凍大馬哈魚與焙烤花生上可明顯降低其氧化速度，也可將少早餐食品中的水分遷移;酪蛋白與脂肪的復(fù)合膜可應(yīng)用與新鮮蔬菜、干果、凍雨的保藏，能夠減少水分遷移和油脂氧化。
甲殼素及殼聚糖復(fù)合材料
用甲殼素加工制備的包裝材料，有良好的透氣性能，吸水保濕性也好。該材料還具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐光性、耐藥品性、耐油脂性、耐有機(jī)溶液性、耐寒性等，其穩(wěn)定性優(yōu)于紙張。由于甲殼素來源于生物體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，與人體細(xì)胞有很強(qiáng)的親和性和生物相溶性，可被體內(nèi)的酶分解而吸收，對人體無毒性和副作用，能有效地保護(hù)人體免受自然界的微輻射、重金屬離子等對皮膚的侵害，可用于制造紡織品。
通過對甲殼素和殼聚糖進(jìn)行化學(xué)修飾與改性，來制備性能獨(dú)特的衍生物，已經(jīng)成為當(dāng)今世界應(yīng)用開發(fā)的一個重要方面。目前，國際上應(yīng)用甲殼質(zhì)及其衍生物制備的海洋生物材料高科技產(chǎn)品不斷推出，應(yīng)用產(chǎn)品已達(dá)五百種以上。美國、日本、意大利、挪威、印度和韓國等國相繼建立甲殼素殼聚糖生產(chǎn)廠，其中日本和美國是主要生產(chǎn)國家，同時又是主要的消費(fèi)國。
其它生物包裝材料
英國科學(xué)家從制作生物聚合物的細(xì)菌中，提取了3種能產(chǎn)生塑料的基因，再轉(zhuǎn)移到油菜的植株中，經(jīng)過一段時期便產(chǎn)生一種聚合物液，再經(jīng)提煉加工后，便可得到一種油菜塑料。用這種塑料加工制成包裝材料或小兒尿布，棄后能自行化解，無污染殘物。目前因?yàn)閺奈⑸镏刑崛《嗑畚锍杀竞芨叨荒軓V泛使用，如果能通過擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、改變工藝來降低成本，這將是一種很具潛力的多聚物。
巴西開發(fā)出一種新的環(huán)保物質(zhì)"生物泡沫塑料"，可取代現(xiàn)有泡沫塑料。新物質(zhì)的70%是由粟米、大豆和蓖麻的油制品提煉而成，而石油成分僅占30%。生物泡沫塑料可用作輕型包裝材料，不到兩年內(nèi)化解在大自然中。
在我國，新型生物包裝材料的研制也取得了一定的成果。已經(jīng)掌握了將變質(zhì)糧食加工成防震減壓包裝材料的技術(shù)，不僅為我國變質(zhì)糧找到了出路，也成功地探尋了包裝材料替代之路。此外，他們還能夠?qū)⒏收嵩?、麥草和廢報紙等加工成金黃色、橘黃色、淺灰色等各種各樣的防震減壓包裝材料。經(jīng)檢驗(yàn)表明，這種材料的性能不比發(fā)泡塑料遜色，目前只需在減輕重量方而做進(jìn)一步研究。
總結(jié)
隨著當(dāng)代人們環(huán)保意識的加強(qiáng)，面對日趨嚴(yán)重的"白色污染"和傳統(tǒng)資源的日益枯竭，研究和開發(fā)新型包裝材料具有十分重大的意義。生物包裝材料從環(huán)境科學(xué)、生態(tài)科學(xué)和高分子科學(xué)等領(lǐng)域向人類展示了一種綜合性的全新的科學(xué)領(lǐng)域，是新世紀(jì)材料界的重要領(lǐng)域。目前，生物包裝材料局限于其成本過高，隨著經(jīng)濟(jì)、科技、文化的發(fā)展，生物包裝材料將得到更大的發(fā)展。
