塑料污染已成为一个全球性的环境问题，对生态系统和公共健康构成持续威胁[1]。近年来，全球塑料产量激增，年产量接近4亿吨，预计到2050年将翻倍[2]。不幸的是，塑料在自然环境中难以完全降解。塑料的老化和破碎通常是一个缓慢而复杂的过程，在此过程中会产生不同大小的塑料碎片[3]，这些碎片会进一步分解为微塑料甚至纳米塑料。这些微塑料由于表面积增大，更容易吸附一些杂质，包括有机污染物和重金属离子，从而加剧了生态和健康风险[4],[5],[6]。最近的研究表明，微塑料广泛存在于各种介质中，包括土壤、淡水、沉积物、大气、食品工业和饮用水[7],[8],[9]。令人担忧的是，在健康成年志愿者的血液中也检测到了微塑料[10]。此外，甚至在人类胎盘组织中也发现了微塑料[11]。这些证据清楚地表明了微塑料污染的普遍性及其对人类健康的潜在风险。因此，全球范围内都在呼吁研究对抗微塑料，并开发可生物降解和可再生的替代材料。
聚酰胺（PA）作为五大工程塑料之一，因其出色的机械强度、耐腐蚀性、吸湿性和耐磨性而被广泛应用于纺织、包装和高性能工程领域[12],[13],[14],[15]。然而，工业生产的传统聚酰胺在自然条件下几乎不可降解[16]。随着对“碳中和”和“绿色化学”的重视，来自可再生生物质的可生物降解聚合物已成为材料科学的重要研究方向[17]。开发基于生物的、可生物降解的聚酰胺不仅有助于缓解石油资源短缺，也为解决塑料污染提供了可行的途径。
尽管已经开发出一些基于生物的或半基于生物的聚酰胺，如PA1010、PA1212、PA46等，用于替代石油基的PA6/PA66，但这些聚酰胺仍然不可生物降解。聚丁内酰胺（PBY，PA4，也称为尼龙4或聚吡咯烷酮）是一种代表性的基于生物的短链聚酰胺，以其可生物降解性而闻名。PBY通过2-吡咯烷酮（丁内酰胺）的开环聚合合成，含有丰富的酰胺基团和高氢键密度，具有优异的机械性能和热稳定性[18]。更重要的是，2-吡咯烷酮这种基于生物的单体可以通过生物转化途径从可再生资源中生产。玉米或淀粉等原料可以通过多种细菌发酵得到谷氨酸（Glu），Glu在谷氨酸脱羧酶的作用下可以进一步转化为γ-氨基丁酸（GABA）[19],[20]。最终，GABA在高温下脱水环化生成2-吡咯烷酮。在适当的催化剂和引发剂存在下，2-吡咯烷酮单体发生开环聚合形成PBY。相反，PBY链断裂和分解后，产生的中间体GABA是无害物质，甚至是对动物有营养价值的氨基酸[21]，PBY的最终降解产物是二氧化碳和无害的硝酸盐[22]。这两种物质可以被植物吸收和再利用，实现了真正的生态循环[23],[24]。因此，PBY同时具有基于生物和可生物降解的双重优势，是一种非常有前景的可持续聚酰胺材料。
据报道，PBY首次在碱性条件下通过阴离子开环聚合在2-5分钟内合成，加入引发剂后反应迅速进行，得到了低分子量的PBY[25]。随后的一系列研究揭示了该聚合反应的相对严格条件。作为加速反应的介质，碱性催化剂不可或缺，尤其是氢氧化钠（NaOH）被广泛使用。然而，2-吡咯烷酮与NaOH反应产生的水成为了一个问题，因为水会抑制阴离子聚合过程中的质子转移，导致分子量降低[26]。尽管这种负面影响可能会抑制聚合反应，但人们对选择合适的催化剂成分关注较少。
为了解决水的抑制作用，本研究引入了甲醇钠（CH3ONa）和氢化钠（NaH）作为新的碱性催化剂，并系统比较了不同催化系统对2-吡咯烷酮开环聚合的影响。与NaOH不同，当CH3ONa/NaH作为催化剂时，反应产生的副产物是甲醇或氢气，因此可以显著减少其对反应的负面影响。特别是，来自NaH反应的氢气可以直接从系统中逸出，几乎完全消除副产物的抑制作用。
聚合物分离膜在食品工业的净化、澄清、浓缩和稳定过程中起着关键作用。它们被广泛用于果汁、茶饮料和啤酒等液态食品的处理。通过巧妙设计膜结构，可以实现高效分离和有效保持食品质量。例如，静电纺丝聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）[27]和尼龙6纳米纤维[28]膜由于其高孔隙率、三维互连结构和亚微米纤维直径，在苹果汁澄清方面表现出优异的性能。这些膜不仅提供了更高的过滤通量，还改善了果汁的浊度和颜色，同时有效保持了其抗氧化活性。特别是尼龙6膜，由于其独特的表面特性，可以选择性地吸附疏水性多酚（如单宁），有效去除果汁中的苦味化合物。同样，聚醚砜（PES）微滤和超滤膜[29]也广泛用于康普茶的澄清，有效去除悬浮颗粒和微生物，同时提高产品的澄清度和稳定性。最近，陈等人[30]开发了一种新型聚偏二氟乙烯/聚（乙烯丁醛）（PVDF/PVB）混合微滤膜，具有高度可控的孔结构和改进的抗污染性能，适用于粗啤酒的过滤。
啤酒澄清是酿造过程中的关键步骤，通常发生在发酵之后。其主要目的是去除粗啤酒中的浊度，包括酵母细胞、蛋白质-多酚聚集体和其他大分子，确保啤酒的澄清度、稳定性和生物安全性[31],[32],[33]。这些杂质不仅影响啤酒的外观，还会降低其生物稳定性，从而影响其质量和口感。因此，粗啤酒的澄清过程必须满足浊度要求，以确保最终产品符合欧洲啤酒公约（EBC）对清澈明亮啤酒的规定[34]。传统的啤酒澄清方法，如硅藻土（Kieselguhr）过滤，可以去除杂质。不幸的是，硅藻土无法高效回收，处理成本较高[35]。因此，具有环境效益、连续操作和低运营成本的微滤（MF）膜已取代硅藻土用于啤酒澄清，可以有效去除粗啤酒中的酵母细胞、蛋白质-多酚聚集体和其他大分子，从而提高啤酒的浊度和稳定性。然而，商业膜材料通常基于石油聚合物，可能会产生微塑料，引发食品安全问题。
然而，食品工业中常用的分离膜，如PET、尼龙6、PES和PVDF，都是由不可再生的石油基聚合物制成的。尽管它们提供了高效的分离性能，但由于可能释放单体或微塑料，也存在潜在的食品安全风险。此外，这些材料不可生物降解，处理后会产生微塑料污染，可能导致较高的处理成本和二次污染，对食品工业的绿色发展构成挑战。因此，迫切需要更可持续的基于生物的聚合物材料来替代传统的石油基膜，例如聚乳酸、聚羟基烷酸酯、聚丁烯琥珀酸纤维素基聚合物、海藻酸盐、聚异戊二烯、淀粉、壳聚糖、壳聚糖、丝胶等，正如F. Galiano等人所报道的[36]。
因此，食品工业和膜材料领域都迫切需要开发在整个生命周期内提供高效性能、食品安全和环境可持续性的分离膜。基于生物的、可生物降解的材料是一个非常理想的解决方案。本研究通过选择非水性催化剂并优化膜的分子结构、孔隙率和亲水性，开发了绿色的PBY合成及其分离膜，旨在为食品工业提供绿色和可持续的膜材料。在我们的研究中，PBY膜作为一种无害、安全且基于生物的材料，可以有效去除粗啤酒中的杂质，提高其质量和稳定性，同时降低食品安全风险。
