湿法混合制备细菌纤维素/聚乙烯醇/壳聚糖复合膜：调控力学与功能特性用于可持续食品包装

《ACS Omega》：Bacterial Cellulose/Poly(vinyl alcohol)/Chitosan Films: Tuning Mechanical and Functional Properties for Sustainable Food Packaging

本研究报道了一种绿色可扩展的湿法混合策略，通过精确调控细菌纤维素（BC）、聚乙烯醇（PVA）和壳聚糖（CH）的配比，制备出具有可调屏障性、力学性能和抗菌活性的复合薄膜。BC/PVA比例主导材料的水相互作用、紫外（UV）屏蔽及机械强度（弹性模量高达8.5 GPa，拉伸强度接近93 MPa）。添加5 wt% CH可提升薄膜均一性并赋予抗菌功能，有效延长草莓保鲜期。该工艺避免使用苛刻溶剂，且薄膜在土壤埋藏15天后生物降解率超30%，为替代石油基塑料提供了可持续包装解决方案。

　　

材料与方法

研究采用湿法混合结合流延成型技术制备BC/PVA/CH复合薄膜。BC由Bioniks公司提供，经碱纯化至中性；PVA（Mowiflex TC232）水溶液（6 wt%）在80°C下搅拌制备；CH（脱乙酰度>75%）溶于1%乙酸溶液后过滤离心。将预处理后的BC与PVA、CH溶液以不同质量比（BC/PVA为100/0至0/100，CH固定5 wt%）混合，均质后注入模具，50°C干燥成膜。

微观结构与热性能

扫描电镜（SEM）显示湿法混合后BC仍保持多级纤维网络结构（纤维素 ribbon直径86±25 nm）。PVA填充BC纤维间隙，但过量PVA（>60 wt%）引入界面缺陷导致孔隙率增加；CH的加入通过氢键作用提升组分相容性，使薄膜更致密。热重分析（TGA）表明，CH的引入将薄膜的1%、3%、5%质量损失温度提高至100–147°C，且700°C残留质量增加，证明其增强热稳定性。

力学与屏障性能

拉伸测试表明，纯BC薄膜弹性模量为6.0 GPa，拉伸强度达92.5 MPa，但断裂应变仅3.1%。添加PVA后材料柔性提升（PVA薄膜断裂应变235.4%），但过量PVA（60 wt%）时强度降至5.6 MPa。CH的加入使BC/5CH薄膜模量升至8.5 GPa。水蒸气渗透性（WVP）分析显示，BC薄膜WVP最低（0.7 g·μm/Pa·h·m²），随PVA含量增加而上升；CH通过减少孔隙使BC/5CH的WVP进一步降低。所有薄膜在UV-C波段（200–280 nm）透光率<10%，具备优异紫外屏蔽功能。

功能应用验证

草莓保鲜实验表明，纯BC膜可延缓真菌生长至第6天；BC/60PVA膜避免鼓包且抑制霉菌；含CH薄膜（如BC/19PVA/5CH）通过抗菌作用将草莓腐败推迟至第7天，综合性能优于商用低密度聚乙烯（LDPE）膜。土壤埋藏试验中，薄膜15天后生物降解率超30%，且降解速率随PVA含量增加而加快。

结论

BC/PVA/CH复合薄膜通过组分调控可实现力学强度、水氧屏障、紫外防护与抗菌功能的平衡，其中PVA含量低于60 wt%并添加5 wt% CH的配方在保鲜性与环境相容性方面表现突出，为开发可定制化绿色食品包装材料提供了有效路径。