包裝除了保護(hù)、美化商品并使商品便于攜帶等作用外，還可起到推薦演示和宣傳商品的作用。隨著人們生活水平的提高，對(duì)商品包裝的要求也越來(lái)越高，不僅要求商品包裝美觀、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，而且要符合環(huán)保要求。因此，包裝工業(yè)迅速崛起，包裝市場(chǎng)規(guī)模巨大。目前全世界包裝業(yè)的市場(chǎng)容量為8000億美元，且每年以15％～18％ 的速度增長(zhǎng)。
包裝工業(yè)的迅速成長(zhǎng)壯大，使包裝材料具有廣泛的發(fā)展空間，紙、塑料、金屬和玻璃等許多材料被廣泛應(yīng)用于各種包裝。然而，包裝在為人們帶來(lái)方便和效益的同時(shí)，也給人類生存的環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害，一方面包裝消耗大量的資源，另一方面日益增多的包裝廢棄物已經(jīng)成為僅次于水質(zhì)污染、海洋湖泊污染和空氣污染的第 4大污染源。塑料制品用過(guò)后約有一半廢棄在環(huán)境中，一般需要200年才能降解，而填埋、焚燒都不是理想的解決辦法。即使紙塑制品在微生物的作用下，也需要 80年才能降解。而造紙要消耗大量木材，同時(shí)造成水污染。
隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，基于可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略考慮，對(duì)產(chǎn)品包裝不僅要求其外觀新穎美觀，還要求包裝材料無(wú)污染、易分解。近年來(lái)，世界各國(guó)相繼開(kāi)發(fā)出一些降解塑料、生物材料，對(duì)推動(dòng)各國(guó)包裝材料行業(yè)的發(fā)展起到了很大作用。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(jué)污染等缺點(diǎn)，而且塑料微粒的存在使其在土壤中降解速度較慢，不能及時(shí)回收利用。因此，降解塑料的應(yīng)用前景具有局限性，最有開(kāi)發(fā)潛力的是生物包裝材料。
天然可降解物質(zhì)的利用對(duì)于可持續(xù)發(fā)展具有極其重要實(shí)際意義，淀粉、植物纖維、甲殼素、殼聚糖等為主體的生物材料適應(yīng)了這種完全環(huán)保的要求和趨勢(shì)。然而，對(duì)于生物包裝材料來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)方面需要注意：I)在包裝材料的使用過(guò)程中，要保證包裝材料正常功能的發(fā)揮；2)在包裝材料使用后，要快速降解。這就要求生物包裝材料在流通過(guò)程中必須避免因?yàn)橥饨绛h(huán)境而產(chǎn)生的降解行為；同時(shí)使用后又有一個(gè)優(yōu)化的環(huán)境能使其快速降解。
1 分類
淀粉作為天然高分子物質(zhì)，來(lái)源豐富，價(jià)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。天然淀粉是以 15～100~m的小顆粒形式存在，顆粒內(nèi)存在結(jié)晶結(jié)構(gòu)的高分子化合物。淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，直鏈淀粉是葡萄糖以 —D一1，4糖苷鍵結(jié)合的鏈狀化合物，相對(duì)分子質(zhì)量為(20～200)×10 。支鏈淀粉中葡萄糖單元的連接方式除 —D一1，4糖苷鍵外，還存在— D一1，6糖苷鍵，相對(duì)分子質(zhì)量為(100～400)×10。。
天然植物纖維同樣也是符合可持續(xù)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(yíng)養(yǎng)源而被攝取。纖維的主要成分纖維素是直鏈淀粉的異構(gòu)體，葡萄糖單元通過(guò)B—l，4一糖苷鍵相連，氧原子和羥基成反式結(jié)構(gòu)。
甲殼質(zhì)是甲殼素和殼聚糖的統(tǒng)稱，大量存在于低等動(dòng)物特別是節(jié)肢動(dòng)物(如蟹、蝦、昆蟲等)的甲殼中，甲殼質(zhì)纖維是自然界唯一帶正電荷的陽(yáng)離子天然纖維。全球每年生物合成的甲殼素高達(dá)數(shù)百億噸，產(chǎn)量?jī)H次于天然纖維素，是地球上第二大生物高分子資源。甲殼素是2一乙酰胺一2一脫氧一13一D一葡萄糖通過(guò)B一1， 4一糖苷鍵連接而成的線性聚合物。由于甲殼素中含有多種官能團(tuán)，因此，具有很強(qiáng)的反應(yīng)活性：可以發(fā)生脫乙?；⑺?、交聯(lián)、接枝、?；?、醚化、羧甲基化、氧化還原及絡(luò)合等反應(yīng)，生成具有不同性能的甲殼素衍生物。其中甲殼素脫去乙?；蟪蔀闅ぞ厶?，它是由N一乙酰氨基葡萄糖通過(guò)B一1，4一糖苷鍵連接起來(lái)的鏈狀高分子化合物，其性質(zhì)主要取決于乙酰化率和聚合度。由于殼聚糖含有游離氨基，反應(yīng)活性和溶解性能均比甲殼素強(qiáng)，是甲殼素最重要和應(yīng)用最廣的衍生物，且其分子內(nèi)含有一OH和一NH 活性基團(tuán)，易與多種有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)。
2 應(yīng)用
其實(shí)，人們利用天然生物原材料作為包裝材料的歷史很悠久。在亞洲、非洲以及太平洋和拉丁美洲一些地區(qū)，人們普遍利用荷葉、香蕉葉、棕櫚葉、椰子葉等作為包裝食品的材料。但是由于大多數(shù)天然高分子材料加工性能、熱性能和力學(xué)性能較差，因此，人們對(duì)這些分子進(jìn)行改性或共混來(lái)實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值。在包裝材料領(lǐng)域中，比較常見(jiàn)的是以淀粉、纖維素等為基料的復(fù)合材料。但是這種包裝材料的機(jī)械強(qiáng)度較小，不能用于要求較高的場(chǎng)合，并且降解不徹底，在土壤中仍留有塑料殘片。近年來(lái)，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～經(jīng)問(wèn)世，便顯示出強(qiáng)大的生命力。
2．1 淀粉
玉米是一種美味又有營(yíng)養(yǎng)的淀粉食物，還被廣泛用于制造甜味劑和動(dòng)物飼料。隨著技術(shù)的進(jìn)步，將玉米中的糖分提煉出來(lái)，經(jīng)過(guò)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。國(guó)外公司已看好這種新的環(huán)保材料，如可口可樂(lè)公司在鹽湖城冬奧會(huì)上用了50萬(wàn)只一次性杯子，全部是用玉米塑料制成的，這種杯子只需40天就在露天環(huán)境下消失得無(wú)影無(wú)蹤。
美國(guó)一家研究所利用土豆和乳清制成了一種能生物降解的塑料薄膜。其制法是：先用酶將制酪時(shí)形成的乳清和廢棄的土豆轉(zhuǎn)化為葡萄糖漿，然后用細(xì)菌發(fā)酵成含乳酸的液體。液體中的乳酪經(jīng)電滲析分離出來(lái)后，加熱使水分蒸發(fā)，留下的便是可以制薄膜和涂層的聚乳酸分子。這樣制成的塑料薄膜可以制成保鮮袋和代替涂有聚乙烯和防水蠟的包裝材料，最大優(yōu)點(diǎn)是可以分解為對(duì)環(huán)境無(wú)害的乳酸。
2．2 纖維素
纖維素的空間構(gòu)型和淀粉中直鏈淀粉的不同，纖維素的構(gòu)型比較直，而直鏈淀粉則相對(duì)要彎曲，在很大程度上導(dǎo)致了纖維和淀粉性能上的巨大差異，二者不經(jīng)過(guò)化學(xué)改性及特定工藝條件，在分子領(lǐng)域內(nèi)難以進(jìn)行一般的交聯(lián)、接枝等化學(xué)反應(yīng)。然而，人們總是想方設(shè)法地把這兩大天然高分子聚合物有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使其易于加工成型，且具備良好的使用性能和降解性能。
荷蘭瓦赫寧根農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出不含石化產(chǎn)品的可降解生物塑料，這種材料用／J、麥、玉米、馬鈴薯淀粉制成，并摻大麻纖維以提高強(qiáng)度?？捎米靼b涂層、食物儲(chǔ)藏箱、垃圾箱襯里、購(gòu)物袋以及農(nóng)用薄膜等。這種材料能完全溶于水，降解后變成水和二氧化碳。美國(guó)科學(xué)家采用小麥秸稈的纖維和麥粒中的淀粉制成的快餐包裝盒，是一種價(jià)格便宜、對(duì)環(huán)境無(wú)污染的快餐新包裝。這種包裝盒，不僅完全可以生物降解，而且比常用的紙板包裝盒和土豆淀粉包裝盒，保溫的時(shí)間長(zhǎng)一些。如果把廢棄的這種包裝盒扔在肥料堆中，不僅不會(huì)污染環(huán)境，而且還能轉(zhuǎn)化為肥料，應(yīng)用前景十分看好。
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(shì)。
除了稻草外，國(guó)內(nèi)還利用其它草漿為主要原料，開(kāi)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；而且可以回收利用，生產(chǎn)書寫紙。另外，艾蒿具有抗菌、防霉、防蟲和藥用功能。用艾蒿粉和添加物混合加工而成的薄膜保鮮袋?？纱_保食物處于抗菌、防霉、防蟲的環(huán)境中，能將食品保鮮期延長(zhǎng)2倍。這種保鮮袋用臟了，經(jīng)過(guò)刷洗可反復(fù)使用，廢棄袋還可被微生物分解。
2．3 甲殼素及殼聚糖
天然甲殼素也是一種非常好的原料。由于原料來(lái)自天然，無(wú)毒、無(wú)味、耐熱，而且有良好的吸濕性、紡絲性和成膜性，抑菌除臭。能滿足食品、衛(wèi)生、醫(yī)藥等行業(yè)對(duì)包裝材料的衛(wèi)生要求。所以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(lái)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(duì)人體無(wú)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(duì)皮膚的侵害，可用于制造紡織品。
殼聚糖具有許多獨(dú)特的化學(xué)物理性質(zhì)，根據(jù)其酰化、硫酸酯化和氧化、接技與交聯(lián)、羥乙基化、羥甲基化等反應(yīng)，還可制備成多種用途的產(chǎn)品，而且從氨基多糖的特點(diǎn)出發(fā)，具有比纖維素更為廣泛的用途。對(duì)甲殼素和殼聚糖的應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究，自20世紀(jì)60年代以來(lái)就十分活躍，近年來(lái)國(guó)際上更是十分重視對(duì)它們的深入開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，通過(guò)對(duì)甲殼素和殼聚糖進(jìn)行化學(xué)修飾與改性，來(lái)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(kāi)發(fā)的一個(gè)重要方面。目前，國(guó)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(guó)、日本、意大利、挪威、印度和韓國(guó)等國(guó)相繼建立甲殼素殼聚糖生產(chǎn)廠，其中日本和美國(guó)是主要生產(chǎn)國(guó)家，同時(shí)又是主要的消費(fèi)國(guó)。
從1997年開(kāi)始，浙江舟山海山生化制品有限公司從中國(guó)紡織大學(xué)引進(jìn)甲殼素纖維生產(chǎn)技術(shù)專利，生產(chǎn)甲殼素纖維，試制成功甲殼素纖維與其它各種纖維混紡制成的保健T恤、襯衣、內(nèi)衣、襪子、床上用品等各種混紡制品，該廠生產(chǎn)的甲殼素纖維混紡織品已通過(guò)了浙江省科技廳科學(xué)成果鑒定，并通過(guò)國(guó)家棉紡織產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，產(chǎn)品具有極佳的抗輻射(紫外線)功能，特別適用于夏季從事戶外工作的人員穿著。
雖然對(duì)甲殼素及殼聚糖的研究尚未成熟，但可以預(yù)言，甲殼質(zhì)及殼聚糖可望有朝一日象塑料一樣進(jìn)入人{(lán)門的日常生活，成為2l世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。
2．4 其它生物包裝材料
利用植物乳汁液或糧食提煉成的蛋白質(zhì)糖衣或油脂薄膜作為食品包裝材料在亞洲一些國(guó)家也很盛行。
法國(guó)農(nóng)藝研究和發(fā)展國(guó)際合作中心正是根據(jù)這種發(fā)展趨勢(shì)瞄準(zhǔn)未來(lái)的包裝工業(yè)，正積極從熱帶農(nóng)林原料中研制軟包裝、硬包裝、半硬包裝、涂層包裝等各種生物包裝材料。據(jù)該中心的材料顯示，目前，不少國(guó)家已用棉籽蛋白生產(chǎn)包裝薄膜，用小麥蛋白研制出包裝材料。
另外，英國(guó)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(guò)一段時(shí)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(wú)污染殘物。
巴西開(kāi)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。
美國(guó)農(nóng)業(yè)部的專家最近宣布，一種新式的環(huán)保型食品包裝材料可望近期問(wèn)世，這種包裝材料完全采用粉碎的草莓制成，是一種可以自然分解的、非常環(huán)保的材料，用這種材料制成的包裝薄膜不僅可以起到保鮮的作用，而且還能改善水果的味道。他們預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，不僅草莓可以用作包裝材料，胡蘿卜、花椰菜等蔬菜和水果也可以用作包裝材料，這種新型的生物包裝材料將取代傳統(tǒng)的聚乙烯塑料薄膜而成為食品包裝業(yè)的主要材料。
從大豆等植物中提取出的蛋白質(zhì)也在生物包裝材料中占有一席之地。法國(guó)研究學(xué)者采用新工藝將蛋白質(zhì)制成薄膜。由于這種薄膜的原材料是從食物中提取出來(lái)的，因此可以食用；同時(shí)，薄膜在加工過(guò)程中采用了新工藝，具有耐濕、抗氧化、較好的抗拉強(qiáng)度以及適當(dāng)?shù)膹椥?。另外，從向日葵中提取出的蛋白質(zhì)也引起了人們的注意，法國(guó)和希臘的研究人員對(duì)以這種蛋白質(zhì)為主要成分的薄膜包裝材料進(jìn)行了研究，并嘗試添加其它的組分對(duì)材料的性能進(jìn)行改善。
在我國(guó)，新型生物包裝材料的研制也取得了一定的成果。如湖北武漢富拓環(huán)保包裝材料公司和武漢金豐環(huán)保塑料公司，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(guó)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(bào)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)泡塑材遜色，目前只需在減輕重量方面做進(jìn)一步研究。
3 結(jié)語(yǔ)
由于。白色污染的日趨嚴(yán)重及世界石油資源的日益枯竭，研究和開(kāi)發(fā)生物包裝材料具有極其重要的意義。生物包裝材料為人類展示了一個(gè)環(huán)境科學(xué)、生物化學(xué)、高分子化學(xué)等學(xué)科交叉的全新科學(xué)領(lǐng)域，是2l世紀(jì)新材料的重要領(lǐng)域。不同類別的生物材料在實(shí)際應(yīng)用時(shí)承擔(dān)不同的角色，除用于包裝材料外，還用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、食品工業(yè)等方面。目前雖然成本高、科學(xué)研究還不完善，但隨著高新技術(shù)的應(yīng)用，這些問(wèn)題將得到逐步解決，生物包裝材料的應(yīng)用前景將更加廣闊，隨著經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展和工業(yè)化程度的提高，世界生物材料包裝工業(yè)將會(huì)有更大的發(fā)展。
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