瞿衛國：秸稈可降解生物包裝材料的研究進展
當今社會的塑膠包裝材料造成嚴重的“白色污染”， 破壞了生態環境， 造成了資源的浪費。 以秸稈澱粉、纖維素、蛋白質以及甲殼質等天然可降解材料作為原料生產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， 具有廣泛的應用前景。
塑膠製品具有不透氣、不透水、耐酸堿、品質輕等特點和較高的強度、耐用度以及價格低廉等優點， 從而成為包裝業使用最為廣泛的一種材料。 除生產企業外， 零售商、農貿市場乃至街頭巷尾的速食攤點莫不以塑膠袋、發泡塑膠盒作為主要包裝物。
針對這一現狀， 科學家們提出了“環境包裝”的概念， 這種材料既要追求良好的使用性能， 又要深刻認識到自然資源的有限性和盡可能降低廢棄物排放量， 並在材料的提取、製備、使用直到廢棄與再生的整個過程中都盡可能地減少對環境的影響， 是一種充分考慮到環境、生態和資源等因素的材料。
近年來， 世界各國相繼開發出一些降解塑膠、生物材料， 對各國包裝材料行業的發展起到了很大的推動作用。 而降解塑膠（主要是在塑膠中加入澱粉、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， 而且塑膠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， 降解塑膠的應用前景具有局限性， 最有開發潛力的是生物包裝材料。
1、生物包裝材料的分類
澱粉作為天然高分子物質， 來源豐富， 價格便宜。 在微生物作用下分解為葡萄糖， 最後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源而被攝取。
甲殼質是甲殼素和殼聚糖的統稱， 大量存在於低等動物特別是節肢動物（如蟹、蝦、昆蟲等）的甲殼中， 甲殼質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數百億噸， 產量僅次於天然纖維素， 是地球上第二大生物高分子資源。
2、生物包裝材料的應用
近年來， 人們以天然生物材料製作包裝原材料， 或從天然生物材料中提取製作包裝材料的原料， 研製新的生物包裝材料， 這些生物包裝材料一經問世， 便顯示出其強大的生命力。
2.1澱粉基生物包裝材料
近年來， 改性澱粉的生物降解或可溶性的降解塑膠， 已成為澱粉基材料研究開發的熱點。 澱粉基材料可用作油炸速食食品的包裝、一次性食品用袋和紙包裝的外層膜等。
澱粉基聚乙烯醇是澱粉基包裝材料的典型代表。 它在制膜前對澱粉進行處理， 也就是在擠壓機中進行“無序和塑化”或進行化學改性， 加入一定量的增塑劑澱粉， 再與聚乙烯醇或聚乙酸內酯共混可得到透明的膜。 膜中的澱粉部分會生物降解， 剩餘部分在堆積過程中降解。 澱粉-聚乙烯醇膜有中等阻氣性能， 機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。 實驗表明， 澱粉基材料對微生物的生長沒有促進作用，
玉米是一種美味又有營養的澱粉食物， 還被廣泛用於製造甜味劑和動物飼料。 隨著技術的進步， 將玉米中的糖分提煉出來， 經過發酵、蒸餾、萃取， 得到製造塑膠和纖維的基礎材料， 基礎材料再被加工成直徑只有4.57mm的聚交酯（PLA）細微顆料。 最後， 這些小顆料被製成包裝袋、泡沫塑料或餐具。
2.2纖維素合成材料的應用
纖維素是多羥基葡萄糖聚合物， 經過特定的物理和化學改性後具有不同的功能特點， 可以粉狀、片狀、膜狀、纖維以及溶液等不同形式出現， 它同時具有價廉、可降解和不污染環境等優點。 因此， 用纖維素開發的功能材料極具靈活性並有廣泛的應用。
用纖維素合成的各種生物降解材料，由於其大分子鏈上有許多羥基，具有較強的反應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，可得到廣泛應用。由於纖維素分子間有強氫鍵，取向度、結晶度高，不溶於一般溶劑，因此不能直接用來製作生物降解材料，必須對其改性。纖維素改性的方法主要有醯化、醚化以及氧化成醛、酮、酸等。
用稻草加工成的稻草板，具有節能、保溫、隔熱、隔音等功能，透氣性好，衝擊強度高，且防水和抗震性明顯高於傳統材料製品；另外，稻草板用作包裝材料，其單位品質是同體積紙板材料的1/10，具有明顯的優勢。
除了稻草外，國內還利用其它草漿為主要原料，開發出一次性餐具專用紙板。採用化學助劑優化應用技術提高草漿品質，保證草漿接近製造餐具紙板的各項物理性能，表面又進行了適合於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。
2.3蛋白質膜材料
用植物蛋白質制得的膜儘管不是完全疏水的，但有較好的阻濕性能和阻氧性能，並可擠壓成型；其阻氧性受環境濕度影響較大，可在成膜時與脂質複合，提高阻氧穩定性，以應用與提高含油量食品的儲藏。
小麥麵筋蛋白膜已用來塗布油炸花生和炸雞，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，適合於需要呼吸作用的新鮮產品，並且對芳香物質透過率是低密度聚乙烯膜的1/10，有利於保存食品風味。
動物來源的蛋白質用於制膜主要用膠原蛋白、乳清蛋白和酪蛋白。膠原蛋白膜是應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，與乙酚單甘油酯複合塗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；酪蛋白與脂肪的複合膜可應用與新鮮蔬菜、乾果、凍雨的保藏，能夠減少水分遷移和油脂氧化。
2.4甲殼素及殼聚糖複合材料
用甲殼素加工製備的包裝材料，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穩定性、耐光性、耐藥品性、耐油脂性、耐有機溶液性、耐寒性等，其穩定性優於紙張。由於甲殼素來源於生物體結構物質，與人體細胞有很強的親和性和生物相溶性，可被體內的酶分解而吸收，對人體無毒性和副作用，能有效地保護人體免受自然界的微輻射、重金屬離子等對皮膚的侵害，可用於製造紡織品。
通過對甲殼素和殼聚糖進行化學修飾與改性，來製備性能獨特的衍生物，已經成為當今世界應用開發的一個重要方面。目前，國際上應用甲殼質及其衍生物製備的海洋生物材料高科技產品不斷推出，應用產品已達五百種以上。美國、日本、義大利、挪威、印度和韓國等國相繼建立甲殼素殼聚糖生產廠，其中日本和美國是主要生產國家，同時又是主要的消費國。
2.5其它生物包裝材料
英國科學家從製作生物聚合物的細菌中，提取了3種能產生塑膠的基因，再轉移到油菜的植株中，經過一段時期便產生一種聚合物液，再經提煉加工後，便可得到一種油菜塑膠。用這種塑膠加工製成包裝材料或小兒尿布，棄後能自行化解，無污染殘物。目前因為從微生物中提取多聚物成本很高而不能廣泛使用，如果能通過擴大生產規模、改變工藝來降低成本，這將是一種很具潛力的多聚物。
巴西開發出一種新的環保物質“生物泡沫塑料”，可取代現有泡沫塑料。新物質的70%是由粟米、大豆和蓖麻的油製品提煉而成，而石油成分僅占30%。生物泡沫塑料可用作輕型包裝材料，不到兩年內化解在大自然中。
在我國，新型生物包裝材料的研製也取得了一定的成果。已經掌握了將變質糧食加工成防震減壓包裝材料的技術，不僅為我國變質糧找到了出路，也成功地探尋了包裝材料替代之路。此外，他們還能夠將甘蔗渣、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。經檢驗表明，這種材料的性能不比發泡塑膠遜色，目前只需在減輕重量方而做進一步研究。
3、總結
隨著當代人們環保意識的加強，面對日趨嚴重的“白色污染”和傳統資源的日益枯竭，研究和開發新型包裝材料具有十分重大的意義。生物包裝材料從環境科學、生態科學和高分子科學等領域向人類展示了一種綜合性的全新的科學領域，是新世紀材料界的重要領域。目前，生物包裝材料局限于其成本過高，隨著經濟、科技、文化的發展，生物包裝材料將得到更大的發展。
用纖維素開發的功能材料極具靈活性並有廣泛的應用。用纖維素合成的各種生物降解材料，由於其大分子鏈上有許多羥基，具有較強的反應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，可得到廣泛應用。由於纖維素分子間有強氫鍵，取向度、結晶度高，不溶於一般溶劑，因此不能直接用來製作生物降解材料，必須對其改性。纖維素改性的方法主要有醯化、醚化以及氧化成醛、酮、酸等。
用稻草加工成的稻草板，具有節能、保溫、隔熱、隔音等功能，透氣性好，衝擊強度高，且防水和抗震性明顯高於傳統材料製品；另外，稻草板用作包裝材料，其單位品質是同體積紙板材料的1/10，具有明顯的優勢。
除了稻草外，國內還利用其它草漿為主要原料，開發出一次性餐具專用紙板。採用化學助劑優化應用技術提高草漿品質，保證草漿接近製造餐具紙板的各項物理性能，表面又進行了適合於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。
2.3蛋白質膜材料
用植物蛋白質制得的膜儘管不是完全疏水的，但有較好的阻濕性能和阻氧性能，並可擠壓成型；其阻氧性受環境濕度影響較大，可在成膜時與脂質複合，提高阻氧穩定性，以應用與提高含油量食品的儲藏。
小麥麵筋蛋白膜已用來塗布油炸花生和炸雞，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，適合於需要呼吸作用的新鮮產品，並且對芳香物質透過率是低密度聚乙烯膜的1/10，有利於保存食品風味。
動物來源的蛋白質用於制膜主要用膠原蛋白、乳清蛋白和酪蛋白。膠原蛋白膜是應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，與乙酚單甘油酯複合塗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；酪蛋白與脂肪的複合膜可應用與新鮮蔬菜、乾果、凍雨的保藏，能夠減少水分遷移和油脂氧化。
2.4甲殼素及殼聚糖複合材料
用甲殼素加工製備的包裝材料，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穩定性、耐光性、耐藥品性、耐油脂性、耐有機溶液性、耐寒性等，其穩定性優於紙張。由於甲殼素來源於生物體結構物質，與人體細胞有很強的親和性和生物相溶性，可被體內的酶分解而吸收，對人體無毒性和副作用，能有效地保護人體免受自然界的微輻射、重金屬離子等對皮膚的侵害，可用於製造紡織品。
通過對甲殼素和殼聚糖進行化學修飾與改性，來製備性能獨特的衍生物，已經成為當今世界應用開發的一個重要方面。目前，國際上應用甲殼質及其衍生物製備的海洋生物材料高科技產品不斷推出，應用產品已達五百種以上。美國、日本、義大利、挪威、印度和韓國等國相繼建立甲殼素殼聚糖生產廠，其中日本和美國是主要生產國家，同時又是主要的消費國。
2.5其它生物包裝材料
英國科學家從製作生物聚合物的細菌中，提取了3種能產生塑膠的基因，再轉移到油菜的植株中，經過一段時期便產生一種聚合物液，再經提煉加工後，便可得到一種油菜塑膠。用這種塑膠加工製成包裝材料或小兒尿布，棄後能自行化解，無污染殘物。目前因為從微生物中提取多聚物成本很高而不能廣泛使用，如果能通過擴大生產規模、改變工藝來降低成本，這將是一種很具潛力的多聚物。
巴西開發出一種新的環保物質“生物泡沫塑料”，可取代現有泡沫塑料。新物質的70%是由粟米、大豆和蓖麻的油製品提煉而成，而石油成分僅占30%。生物泡沫塑料可用作輕型包裝材料，不到兩年內化解在大自然中。
在我國，新型生物包裝材料的研製也取得了一定的成果。已經掌握了將變質糧食加工成防震減壓包裝材料的技術，不僅為我國變質糧找到了出路，也成功地探尋了包裝材料替代之路。此外，他們還能夠將甘蔗渣、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。經檢驗表明，這種材料的性能不比發泡塑膠遜色，目前只需在減輕重量方而做進一步研究。
3、總結
隨著當代人們環保意識的加強，面對日趨嚴重的“白色污染”和傳統資源的日益枯竭，研究和開發新型包裝材料具有十分重大的意義。生物包裝材料從環境科學、生態科學和高分子科學等領域向人類展示了一種綜合性的全新的科學領域，是新世紀材料界的重要領域。目前，生物包裝材料局限于其成本過高，隨著經濟、科技、文化的發展，生物包裝材料將得到更大的發展。