《Applied Surface Science》：Preparation and characterization of PBAT/PLA/Lemon-extract quantum dots by melt extrusion for enhanced antibacterial and sustainable packaging
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本研究通过熔融挤出法将环保的柠檬提取量子点（LQDs）引入PBAT/PLA复合材料中，显著提升其紫外线阻隔（310 nm处完全阻隔）、抗菌性能（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑制率分别达90.8%和87.4%）及机械和气体/水蒸气阻隔性能，为可降解食品包装提供多功能解决方案。
Mohammadreza Jozaghkar | Seungjong Han | Kitae Park | Jamilur R. Ansari | Jongchul Seo
韩国江原道原州市Yonseidae-gil 1号，延世大学包装与物流系，邮编26493
摘要
聚丁酸 adipate-对苯二甲酸酯/聚乳酸（PBAT/PLA）共混物被认为是替代传统塑料的最佳生物降解材料。然而，由于共混体系的不兼容性以及缺乏适当的抗菌等功能性，其在包装应用中的广泛应用受到限制。本研究提出了一种绿色且可扩展的策略，通过熔融挤出法将环保的柠檬提取物量子点（LQDs）掺入PBAT/PLA共混物中，以克服这些限制。合成的LQDs显著改善了PBAT/PLA共混物的物理化学性质、紫外线（UV）阻隔能力和抗菌活性。所得到的PBAT/PLA/LQDs纳米复合材料在310 nm处实现了完全的UV-B阻隔，并且在相对较高的LQDs浓度下仍具有优异的可见光透明度。形态学、机械性能和热分析表明，LQDs均匀地掺入了PBAT/PLA共混体系，同时显著提高了拉伸强度、热稳定性以及氧气和水蒸气阻隔性能。此外，这些纳米复合材料表现出显著的抗菌活性，分别对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抑制率达到了90.8%和87.4%。这项工作为制造用于食品包装的生物降解PBAT/PLA/LQDs纳米复合材料提供了一种可持续的多功能方法。
引言
随着人们对传统石油基塑料负面环境影响的认识不断提高，对可持续和绿色包装材料的需求显著增加[1]、[2]、[3]。可生物降解聚合物，如聚丁酸 adipate-对苯二甲酸酯（PBAT）和聚乳酸（PLA），是可堆肥且低碳的聚合物[4]、[5]。尽管PBAT具有较高的柔韧性和延展性，但其广泛应用受到高熔体粘度、低机械强度和低结晶速率的限制。为了解决这些问题，通常将PBAT与其他生物聚合物（尤其是PLA）共混，以实现平衡的机械性能、改善的加工性能和有效的阻隔性能，这些在食品包装应用中至关重要[6]、[7]。然而，由于这两种聚合物的固有不兼容性和不相溶性，开发高性能的PBAT/PLA共混物具有挑战性。因此，共混体系往往表现出较差的拉伸强度和弱的界面粘附性。此外，在食品包装应用中，这些共混物还存在多种缺点，包括不足的紫外线（UV）阻隔性能、有限的抗菌活性和高吸湿率，从而降低了保持食品质量和新鲜度的能力[8]。因此，智能和主动包装系统在这一领域受到了广泛关注，以提高食品安全性和延长易腐食品的保鲜期。
最近的研究表明，添加量子点（QDs）可以显著增强可生物降解聚合物的抗菌和阻隔性能，从而延长包装食品的保质期。具体而言，这些零维碳纳米粒子由于其高表面积、可定制的表面化学性质以及从绿色前体出发的可持续合成路线而具有独特优势[9]、[10]、[11]。我们之前的研究展示了一种有效的升级策略，将乙酸乙酯（EA）衍生的CQDs（ECQDs）转化为环境可持续的活性材料[12]。除了利用自然资源外，这种创新方法还为包装行业日益增长的可持续替代品需求提供了潜在解决方案。特别是，通过EA对CQDs进行绿色改性，可以调整纳米粒子的功能基团（如–OH和–COOH基团），以优化与聚合物基体的相互作用，并可能增强它们之间的相容性。此外，改性的CQDs可以为体系赋予多种功能，包括抗菌活性、紫外线抗性和增强的界面粘附性能，这符合绿色化学的原则[12]。然而，由于CQDs通常在水基溶液中合成，其在聚合物纳米复合材料中的应用仅限于溶液涂层，尤其是在水溶性聚乙烯醇（PVA）的情况下[13]。
相比之下，熔融挤出法是一种直接生产含有均匀分散纳米填料的聚合物共混物和纳米复合材料的方法。该过程易于扩大规模，并能够实现具有稳定性能的纳米复合材料的高通量生产，这与溶液浇铸方法不同[14]、[15]、[16]。尽管先前的研究已经展示了熔融挤出在聚合物加工中的广泛应用，但将QDs掺入PBAT/PLA共混体系中的研究尚未被充分记录，因此这是文献中的一个关键空白。
据我们所知，本研究是首次通过可扩展的熔融挤出工艺将绿色合成的乙酸乙酯衍生的LQDs掺入PBAT/PLA共混物中。之前的研究主要集中在基于CQD的纳米复合材料的溶液浇铸，或使用金属/氧化物纳米填料来增强难以工业化处理的生物降解聚合物的功能。相比之下，本研究提出了一种非水性的、经过升级的LQD系统，可以在熔融混合过程中直接与PBAT/PLA相容，无需使用溶剂，从而实现连续薄膜的生产。
因此，本研究的主要目标是探索LQDs和喷雾辅助热扩散方法对所得纳米复合材料的相容性、机械性能、热性能和阻隔性能的影响，并评估其在食品包装应用中的可行性。使用替代非水溶剂合成LQDs有望克服与水基介质相关的限制，促进其整合到聚合物基体中，通过熔融挤出提高加工效率。对挤出的PBAT/PLA/LQDs纳米复合薄膜进行了全面表征，以评估其物理化学性质，如形态、机械性能、UV阻隔效率、气体和水蒸气阻隔性能以及抗菌活性，从而评估其适用于绿色活性包装应用的潜力。
材料
本研究中使用的柠檬购自韩国江原道的商业市场。高纯度乙酸乙酯（EA，99.5%）由Duksan General Science Co.（首尔，韩国）提供。PBAT（EnPol PBG7070，分子量=162,000）由S-EnPol Co., Ltd.（原州，韩国）提供。本研究使用的PLA（Ingeo 2003D）来自NatureWorks LLC（美国明尼苏达州），其熔体流动指数（MFI，210°C/2.16 kgf）约为6 g/10 min。使用前，PBAT和PLA聚合物已进行了
物理化学性质
量子点（CQDs）是一种先进的纳米材料，以其出色的光物理性质、可调节的表面功能性和卓越的化学稳定性而闻名。此外，CQDs的量子限制结构和出色的表面积与体积比使其能够有效功能化，并显著改善与这些材料共混的任何聚合物的物理性能[19]。然而，将CQDs掺入非极性聚合物（如PBAT和PLA）中会带来一些挑战
结论
本研究开发了一种绿色且可扩展的策略，用于生产由PBAT和PLA组成的多功能纳米复合材料。成功地将天然来源的LQDs掺入熔融挤出薄膜中，改善了其关键性能，使这项工作区别于之前的PBAT/PLA改性方法，制备出的纳米复合薄膜具备适合现代食品包装的优异性能组合。
CRediT作者贡献声明
Mohammadreza Jozaghkar：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、研究、数据分析、概念化。Seungjong Han：研究、数据分析、数据管理、概念化。Kitae Park：方法论。Jamilur R. Ansari：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究、数据分析、概念化。Jongchul Seo：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、方法论、资金支持
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢韩国国家研究基金会（NRF）通过Brain Pool Fellowship项目对Jamilur R. Ansari提供的财政支持[资助编号：RS-2023-00263418]。本研究还得到了韩国国家研究基金会（NRF）和韩国政府（MSIP）的支持[资助编号：RS-2023-00208596]。
