聚乳酸在食品包裝中的研究進展與應用

李寅萱

（乳業生物技術國家重點實驗室，光明乳業股份有限公司乳業研究院，上海 200436）

隨著科技的不斷發展，高分子材料已經融入到社會發展的方方面面，然而，我們無法逃避其帶來的種種問題。近年來，能源逐漸短缺、地球生態環境持續遭到破壞等問題逐漸被人們所重視，因此，環境友好型高分子制品的研發和應用逐漸成為熱門。

聚乳酸(Polylactic acid)作為一種環境友好型的高分子材料受到廣泛的應用，從原料提取、生產加工、改性應用、后期處理等方面綜合考量，其環保性與其他材料相比占有一定優勢。值得一提的是，聚乳酸PLA具有良好的安全性，因此也是環保型食品包裝的熱門研究材料之一。

聚乳酸PLA具有一定氣體和水蒸氣透過性、加工適應性、分子相容性和透光性，這使其在保鮮包裝、食品抗菌包裝、藥品包裝等領域受到廣泛的應用。但是聚乳酸PLA存在降解速度慢，延伸性較差，耐熱性差等缺點，也成為聚乳酸改性的作為食品包裝材料的研究重點。

不斷發展和優化的聚乳酸材料不斷促進食品包裝多元化、功能性的發展，使用聚乳酸PLA代替傳統的石油基高分子材料，可以降低能源消耗，減少對地球生態環境的污染。本文就聚乳酸PLA以及新型環境友好型高分子材料在食品包裝領域的研究現狀、應用以及未來的發展趨勢做出闡述。

1 聚乳酸

1.1 聚乳酸概述

聚乳酸PLA是一種可降解的環境友好型高分子材料，因聚乳酸環狀二聚體開環聚合而得名。聚乳酸PLA也可通過乳酸直接縮聚或乳酸的直接固相聚合來制備。聚乳酸PLA分子結構式如圖1。

圖1 聚乳酸的分子結構Fig.1 Molecular structure of PLA

聚乳酸PLA在常溫下是固態物，具有無毒無刺激性的特點，可以溶于部分有機溶劑，其密度在1.25g/cm3左右，玻璃態轉化的溫度在50℃~60℃，熔融溫度可達170℃~180℃。目前，有研究發現通過不同的加工方法合成的聚乳酸，存在一些物理化學性質的差異。

聚乳酸PLA的原料來源較為廣泛，是有生物可降解性的可再生材料，但是降解速度非常的緩慢，主要分為三種降解方式：水解、酶解、微生物降解。[1]聚乳酸PLA能夠較易在自然環境中自行分解。聚乳酸PLA作為生物可降解材質的降解循環過程為（圖2）：先發生水解，然后降解為一些小分子的產物，從而產生水和二氧化碳，主要的過程是通過斷裂酯鍵來完成的。

圖2 聚乳酸PLA降解循環過程Fig.2 Degradation cycle process of polylactic acid

1.2 制備與合成方法

聚乳酸PLA的合成主要通過兩種途徑：直接聚合法、丙交酯開環聚合法。[2]

直接聚合法也可細分為兩種方法：第一種是通過高溫脫水直接縮合的方式得到產物聚乳酸PLA。第二種是利用脫水劑通過脫去乳酸分子的羧基和羥基，使乳酸失去活性發生縮聚反應得到低聚物，隨后加入催化劑各作用于乳酸分子間得到產物聚乳酸PLA。

表1 直接聚合法和丙交酯開環聚合法優缺點比較Table1 Comparison of advantages and disadvantages of direct polymerization and lactide ring-opening polymerization

開環聚合法是先將乳酸單體通過脫水環化得到合成產物丙交酯，再將產物丙交酯多次提純后，將得到的重結晶的丙交酯進行開環聚合反應，最終得到產物聚乳酸PLA。

1.3 聚乳酸PLA的優點

實驗證明[3]，生產聚乳酸PLA的過程中產生的溫室氣體排放量明顯低于同類聚合物的碳排放量，因此選擇生產聚乳酸PLA可以有效降低企業的碳排放水平。聚乳酸PLA可以在非人為干涉的環境中進行水合反應，分解為H2O和CO2，分解過程和產物無毒性，因此聚乳酸的分解產生的環境污染極少。[4]

此外，聚乳酸PLA具有良好的力學性能、物性以及機械性能，能夠良好的封存具有氣味的物質的味道，可運用于芳香物與油性物質的保存。[5]同時，其本身有一定透明性和優良的光澤度，還具有一定的抗菌作用。值得關注的是PLA的生產成本在一眾可降解材料中屬于較低水平。PLA在生產過程中所消耗的能源只占到傳統石油化工產品的三分之一，碳排放量只有原來的50%。[6]聚乳酸PLA整體綜合性較高，是應用發展潛力極大的新型環保型高分子材料。

2 聚乳酸在食品包裝中的研究進展

2.1 聚乳酸改性

由于聚乳酸具有一些缺點，比如材料的韌性較差，降解速度較慢，高溫條件下容易變形等，大部分學者和團隊主要針對聚乳酸PLA的改性進行了許多研究，目前主要有三個方法進行改性：物理改性法、化學改性法和復合材料改性法。[7]

2.1.1 化學改性法

聚乳酸PLA可以通過包括表面改性、共聚改性和交聯改性的化學改性法進一步優化性能。主要方法是通過交聯劑來提高材料的強度，還有涂抹共聚物來改善聚乳酸材料的表面透視量或者吸水性等。

2.1.2 物理改性法

目前，聚乳酸PLA一般是通過共混改性或增塑改性，針對于材料的機械性能、生物降解性和相容性方面進行優化和改善。

2.1.3 復合材料改性法

復合材料一般是保留了材料中的優點，再互相彌補單一材料中成分的不足，從而提高材料的綜合性能。

2.2 改性研究進展

有研究發現[8]，通過將PEG與PLA熔融后混合得到的聚合物，可以有效增強聚乳酸分子鏈的可移動性，提高聚合物的沖擊強度達98%以上。以丙交酯、羥脯氨酸為原料，通過溶液熔融聚合法合成PLLA-羥脯氨酸共聚物，材料的親水性和降解性均得到提高。聚合物中異氰酸酯的長鏈結構可以使聚乳酸淀粉復合材料較易形成交聯結構，增強其拉伸強度。采用改性后的氧化石墨烯和PEI層層自組裝到PLA基膜，可使PLA薄膜的透濕量下降40.73%。聚對苯甲酰胺(PBA)增塑改性PLA可以改善材料的力學性能和加工性能。

3 聚乳酸PLA在食品包裝中的應用

聚乳酸PLA可以制成透明性高、氣體阻隔性好、加工成型性及力學性能優異的功能性薄膜，有良好的環保性，可以生物降解，可以在食品包裝上進行使用。云雪艷回團隊[9]通過對PLA分子鏈進行改性，提高了分子鏈的韌性、加工適應性、對CO2的滲透性，氣體選擇透過性、水蒸氣透過性，使聚乳酸可以應用于果蔬生鮮氣調包裝，從而實現較長時間保鮮果蔬生鮮的目的。何依謠團隊[10]通過對比純PLA薄膜和PLA復合薄膜用于包裝和貯藏西蘭花的實驗，證明PLA復合薄膜對西蘭花在25℃的環境下貯藏有良好的保鮮效果，能夠維持外觀，保留風味，延長常溫貨架期23天。王爽爽團隊[11]將聚乙烯醇薄膜加入到兩層聚乳酸薄膜中，制得三層復合薄膜并對于冷鮮肉進行保鮮實驗。其將復合薄膜包裹的冷鮮肉放入冷藏環境中，通過實驗證明，復合薄膜包裹的冷鮮肉腐敗過程明顯延緩。尹敏團隊[12]將迷迭香精油加入聚乳酸復合薄膜，制得一種新型納米抗菌復合膜，可以減少膜內部冷凝水的形成、微生物生長，同時，PLA/REO/Ag復合薄膜還具有良好的抑菌性能，包裹金耳的保鮮實驗可以有效延長16天貯藏期。

4 聚乳酸的生物安全性

食品包裝材料的生物安全是食品安全的重要組成部分，生物安全性是生物可降解材料應用于食品包裝用途的首要條件，因此聚乳酸材料應用于食品包裝的應用受到廣泛關注。

徐峰、郭豫等[13]依據《化學品毒性鑒定技術規范》對聚乳酸PLA進行全面的、系統的生物安全性評價，檢測項目涵蓋了急性毒性、亞急性毒性試驗，致突變毒性，遺傳毒性等。通過實驗證明，聚乳酸單體的生物安全性良好，可以應用于食品包裝中（圖3、圖4）。

圖3 骨髓嗜多染紅細胞微核實驗Fig.3 Bone marrow polychromatic erythrocyte micronucleus assay

圖4 睪丸染色體畸變試驗Fig.4 Testicular chromosomal aberration test

5 結論與展望

聚乳酸PLA現階段在各行各業中都開始引起了關注，但是聚乳酸仍舊存在運用難點和一些缺陷，使得其在包裝領域的應用可能還處于相對較少的階段。

首先，聚乳酸PLA的生產成本較高，進入國內市場較晚，是目前限制聚乳酸PLA在食品包裝行業運用的主要問題之一。并且聚乳酸本身還具有一些性能上的缺陷無法滿足對食品包裝的要求，例如其對于氧氣和水蒸氣阻隔性較弱，保護含油脂的食品存在缺陷。[14]因此如何改進生產工藝和性能優化是急需克服的難點。

此外，在生產聚乳酸PLA包裝時的催化劑安全問題也值得關注。目前，綜合效益最好的催化劑是辛酸亞錫，主要運用于工業化的生產，但其是重金屬化合物，并不適宜用于食品包裝的領域。因此，如何運用高安全性和高效能的催化劑來用合成聚乳酸PLA也是十分重要的問題。

未來，在新型包裝材料的研發中可降解包裝材料占比將不斷增加，綠色包裝將成為發展的主導。通過不斷開發新型復合包裝材料，盡可能開發得到性能優良、加工工藝資源消耗少的材料。值得注意的是，在開發過程中，可以將內裝物的貯藏需求考慮在內，開發出有針對性的功能性薄膜，以得到更優的復合材料。