聚乳酸在食品包装中的研究进展与应用

李寅萱

（乳业生物技术国家重点实验室，光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海 200436）

随着科技的不断发展，高分子材料已经融入到社会发展的方方面面，然而，我们无法逃避其带来的种种问题。近年来，能源逐渐短缺、地球生态环境持续遭到破坏等问题逐渐被人们所重视，因此，环境友好型高分子制品的研发和应用逐渐成为热门。

聚乳酸(Polylactic acid)作为一种环境友好型的高分子材料受到广泛的应用，从原料提取、生产加工、改性应用、后期处理等方面综合考量，其环保性与其他材料相比占有一定优势。值得一提的是，聚乳酸PLA具有良好的安全性，因此也是环保型食品包装的热门研究材料之一。

聚乳酸PLA具有一定气体和水蒸气透过性、加工适应性、分子相容性和透光性，这使其在保鲜包装、食品抗菌包装、药品包装等领域受到广泛的应用。但是聚乳酸PLA存在降解速度慢，延伸性较差，耐热性差等缺点，也成为聚乳酸改性的作为食品包装材料的研究重点。

不断发展和优化的聚乳酸材料不断促进食品包装多元化、功能性的发展，使用聚乳酸PLA代替传统的石油基高分子材料，可以降低能源消耗，减少对地球生态环境的污染。本文就聚乳酸PLA以及新型环境友好型高分子材料在食品包装领域的研究现状、应用以及未来的发展趋势做出阐述。

1 聚乳酸

1.1 聚乳酸概述

聚乳酸PLA是一种可降解的环境友好型高分子材料，因聚乳酸环状二聚体开环聚合而得名。聚乳酸PLA也可通过乳酸直接缩聚或乳酸的直接固相聚合来制备。聚乳酸PLA分子结构式如图1。

图1 聚乳酸的分子结构Fig.1 Molecular structure of PLA

聚乳酸PLA在常温下是固态物，具有无毒无刺激性的特点，可以溶于部分有机溶剂，其密度在1.25g/cm3左右，玻璃态转化的温度在50℃~60℃，熔融温度可达170℃~180℃。目前，有研究发现通过不同的加工方法合成的聚乳酸，存在一些物理化学性质的差异。

聚乳酸PLA的原料来源较为广泛，是有生物可降解性的可再生材料，但是降解速度非常的缓慢，主要分为三种降解方式：水解、酶解、微生物降解。[1]聚乳酸PLA能够较易在自然环境中自行分解。聚乳酸PLA作为生物可降解材质的降解循环过程为（图2）：先发生水解，然后降解为一些小分子的产物，从而产生水和二氧化碳，主要的过程是通过断裂酯键来完成的。

图2 聚乳酸PLA降解循环过程Fig.2 Degradation cycle process of polylactic acid

1.2 制备与合成方法

聚乳酸PLA的合成主要通过两种途径：直接聚合法、丙交酯开环聚合法。[2]

直接聚合法也可细分为两种方法：第一种是通过高温脱水直接缩合的方式得到产物聚乳酸PLA。第二种是利用脱水剂通过脱去乳酸分子的羧基和羟基，使乳酸失去活性发生缩聚反应得到低聚物，随后加入催化剂各作用于乳酸分子间得到产物聚乳酸PLA。

表1 直接聚合法和丙交酯开环聚合法优缺点比较Table1 Comparison of advantages and disadvantages of direct polymerization and lactide ring-opening polymerization

开环聚合法是先将乳酸单体通过脱水环化得到合成产物丙交酯，再将产物丙交酯多次提纯后，将得到的重结晶的丙交酯进行开环聚合反应，最终得到产物聚乳酸PLA。

1.3 聚乳酸PLA的优点

实验证明[3]，生产聚乳酸PLA的过程中产生的温室气体排放量明显低于同类聚合物的碳排放量，因此选择生产聚乳酸PLA可以有效降低企业的碳排放水平。聚乳酸PLA可以在非人为干涉的环境中进行水合反应，分解为H2O和CO2，分解过程和产物无毒性，因此聚乳酸的分解产生的环境污染极少。[4]

此外，聚乳酸PLA具有良好的力学性能、物性以及机械性能，能够良好的封存具有气味的物质的味道，可运用于芳香物与油性物质的保存。[5]同时，其本身有一定透明性和优良的光泽度，还具有一定的抗菌作用。值得关注的是PLA的生产成本在一众可降解材料中属于较低水平。PLA在生产过程中所消耗的能源只占到传统石油化工产品的三分之一，碳排放量只有原来的50%。[6]聚乳酸PLA整体综合性较高，是应用发展潜力极大的新型环保型高分子材料。

2 聚乳酸在食品包装中的研究进展

2.1 聚乳酸改性

由于聚乳酸具有一些缺点，比如材料的韧性较差，降解速度较慢，高温条件下容易变形等，大部分学者和团队主要针对聚乳酸PLA的改性进行了许多研究，目前主要有三个方法进行改性：物理改性法、化学改性法和复合材料改性法。[7]

2.1.1 化学改性法

聚乳酸PLA可以通过包括表面改性、共聚改性和交联改性的化学改性法进一步优化性能。主要方法是通过交联剂来提高材料的强度，还有涂抹共聚物来改善聚乳酸材料的表面透视量或者吸水性等。

2.1.2 物理改性法

目前，聚乳酸PLA一般是通过共混改性或增塑改性，针对于材料的机械性能、生物降解性和相容性方面进行优化和改善。

2.1.3 复合材料改性法

复合材料一般是保留了材料中的优点，再互相弥补单一材料中成分的不足，从而提高材料的综合性能。

2.2 改性研究进展

有研究发现[8]，通过将PEG与PLA熔融后混合得到的聚合物，可以有效增强聚乳酸分子链的可移动性，提高聚合物的冲击强度达98%以上。以丙交酯、羟脯氨酸为原料，通过溶液熔融聚合法合成PLLA-羟脯氨酸共聚物，材料的亲水性和降解性均得到提高。聚合物中异氰酸酯的长链结构可以使聚乳酸淀粉复合材料较易形成交联结构，增强其拉伸强度。采用改性后的氧化石墨烯和PEI层层自组装到PLA基膜，可使PLA薄膜的透湿量下降40.73%。聚对苯甲酰胺(PBA)增塑改性PLA可以改善材料的力学性能和加工性能。

3 聚乳酸PLA在食品包装中的应用

聚乳酸PLA可以制成透明性高、气体阻隔性好、加工成型性及力学性能优异的功能性薄膜，有良好的环保性，可以生物降解，可以在食品包装上进行使用。云雪艳回团队[9]通过对PLA分子链进行改性，提高了分子链的韧性、加工适应性、对CO2的渗透性，气体选择透过性、水蒸气透过性，使聚乳酸可以应用于果蔬生鲜气调包装，从而实现较长时间保鲜果蔬生鲜的目的。何依谣团队[10]通过对比纯PLA薄膜和PLA复合薄膜用于包装和贮藏西兰花的实验，证明PLA复合薄膜对西兰花在25℃的环境下贮藏有良好的保鲜效果，能够维持外观，保留风味，延长常温货架期23天。王爽爽团队[11]将聚乙烯醇薄膜加入到两层聚乳酸薄膜中，制得三层复合薄膜并对于冷鲜肉进行保鲜实验。其将复合薄膜包裹的冷鲜肉放入冷藏环境中，通过实验证明，复合薄膜包裹的冷鲜肉腐败过程明显延缓。尹敏团队[12]将迷迭香精油加入聚乳酸复合薄膜，制得一种新型纳米抗菌复合膜，可以减少膜内部冷凝水的形成、微生物生长，同时，PLA/REO/Ag复合薄膜还具有良好的抑菌性能，包裹金耳的保鲜实验可以有效延长16天贮藏期。

4 聚乳酸的生物安全性

食品包装材料的生物安全是食品安全的重要组成部分，生物安全性是生物可降解材料应用于食品包装用途的首要条件，因此聚乳酸材料应用于食品包装的应用受到广泛关注。

徐峰、郭豫等[13]依据《化学品毒性鉴定技术规范》对聚乳酸PLA进行全面的、系统的生物安全性评价，检测项目涵盖了急性毒性、亚急性毒性试验，致突变毒性，遗传毒性等。通过实验证明，聚乳酸单体的生物安全性良好，可以应用于食品包装中（图3、图4）。

图3 骨髓嗜多染红细胞微核实验Fig.3 Bone marrow polychromatic erythrocyte micronucleus assay

图4 睾丸染色体畸变试验Fig.4 Testicular chromosomal aberration test

5 结论与展望

聚乳酸PLA现阶段在各行各业中都开始引起了关注，但是聚乳酸仍旧存在运用难点和一些缺陷，使得其在包装领域的应用可能还处于相对较少的阶段。

首先，聚乳酸PLA的生产成本较高，进入国内市场较晚，是目前限制聚乳酸PLA在食品包装行业运用的主要问题之一。并且聚乳酸本身还具有一些性能上的缺陷无法满足对食品包装的要求，例如其对于氧气和水蒸气阻隔性较弱，保护含油脂的食品存在缺陷。[14]因此如何改进生产工艺和性能优化是急需克服的难点。

此外，在生产聚乳酸PLA包装时的催化剂安全问题也值得关注。目前，综合效益最好的催化剂是辛酸亚锡，主要运用于工业化的生产，但其是重金属化合物，并不适宜用于食品包装的领域。因此，如何运用高安全性和高效能的催化剂来用合成聚乳酸PLA也是十分重要的问题。

未来，在新型包装材料的研发中可降解包装材料占比将不断增加，绿色包装将成为发展的主导。通过不断开发新型复合包装材料，尽可能开发得到性能优良、加工工艺资源消耗少的材料。值得注意的是，在开发过程中，可以将内装物的贮藏需求考虑在内，开发出有针对性的功能性薄膜，以得到更优的复合材料。