研究人員開發形狀記憶聚氨酯（SMPU）薄膜，提升食品保鮮性能

形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜因其能夠響應外部刺激而發生可逆形狀變化的能力而引起了廣泛的研究興趣。因此,它們在食品保鮮等領域具有巨大的應用潛力。近日,巴基斯坦國立科技大學的研究人員在知名學術期刊《RSC Advances》上發表了題為“優化用于刺激響應型食品保鮮的形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜”。

 

研究人員對專為刺激響應型食品保鮮而設計的形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜進行了性能優化,研究了不同薄膜成分對聚氨酯薄膜氣體滲透性和溫度敏感性的影響。研究人員以聚乙二醇(PEG)、六亞甲基二異氰酸酯(HDI)、1,4-丁二醇(BDO)和蓖麻油為主要基礎成分,合成了形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜。

 

在該研究中,重點測定了所合成聚氨酯薄膜的熱性能、形狀記憶特性和水蒸氣滲透性。以不同蓖麻油/聚乙二醇比例制備的聚氨酯薄膜顯示出在-18至1°C范圍內的相變溫度。其中,蓖麻油/聚乙二醇比例為40/60的形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜表現出優異的形狀記憶特性。這些聚氨酯薄膜的形狀恢復率超過96%,有助于將保鮮盒中新鮮農產品的保鮮期延長至多10天。

 

蓖麻油/聚乙二醇比例為40/60的形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜表現出更高的水蒸氣透過率,卷心菜葉片的水分流失僅為3%。與聚乙二醇含量較高的薄膜相比,聚乙二醇含量較低的薄膜表現出更強的阻隔性能,可能適用于包裝呼吸速率較低的食品。

 

這些新型薄膜配方具有熱響應型氣體滲透性,有助于延長新鮮食品的保質期,因此在智能包裝解決方案的開發方面具有廣闊的應用前景。這些發現有望為開發能夠響應環境變化的新型包裝材料鋪平道路,從而實現更可持續的食品保鮮。

 

研究概要

食品包裝在保持易腐食品(尤其是新鮮農產品)的品質、安全性和保質期方面發揮著至關重要的作用。水果和蔬菜在采摘后仍保持代謝活躍,消耗氧氣并釋放二氧化碳、水蒸氣和熱量。這種呼吸作用會改變包裝內的微環境,如果管理不當,會加速腐敗、微生物滋生和營養流失。傳統的包裝材料,如低密度聚乙烯(LDPE)和聚氯乙烯(PVC),作為具有固定滲透性的靜態屏障,往往無法適應呼吸作用引起的變化。溫度波動會進一步提高呼吸速率,導致厭氧環境、組織降解和微生物污染。過高的濕度會促進冷凝、霉菌生長和酶促褐變。這些局限性凸顯了開發能夠動態調節氣體和水分交換的刺激響應型包裝的必要性。

 

形狀記憶聚氨酯(SMPU)因其優異的形狀恢復特性、可調的轉變溫度、易于合成以及在生物醫學設備、紡織品、涂層和智能包裝材料等領域的廣泛應用而受到關注。形狀記憶聚氨酯(SMPU)是一種刺激響應材料,由軟鏈段(聚醚或聚酯基)和硬鏈段(二異氰酸酯和擴鏈劑)組成,形成相分離的微觀結構,形成決定其可逆形狀恢復的相分離微結構。軟鏈段在玻璃化轉變溫度(Tg)或熔融溫度(Tm)下發生熱誘導轉變,實現形狀的固定和恢復;而硬鏈段則提供機械穩定性并作為固定相。

 

聚乙二醇(PEG)因其低玻璃化轉變溫度(Tg)和調節水蒸氣透過率的能力而被廣泛應用于形狀記憶聚氨酯(SMPU)中,但其親水性會導致過多的水分吸收。為了克服這一問題,研究人員添加了生物基添加劑-蓖麻油以引入疏水域,從而增強材料的彈性、熱穩定性和耐濕性。聚乙二醇和蓖麻油的協同效應增強了氣體滲透性,同時確保了冷藏期間的穩定性。這種策略性的平衡既能防止冷凝和微生物滋生,又能保證足夠的氧氣交換,因此形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜非常適合用于新鮮農產品包裝。

 

盡管形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜展現出良好的應用前景,但現有研究大多集中于室溫應用,忽略了冷藏在新鮮農產品儲存中的關鍵作用。新鮮水果和蔬菜通常儲存在溫度為3至5℃的保鮮盒中,在此溫度下,溫度敏感型聚合物往往會轉變為剛性的玻璃態,從而降低其適應性。研究人員通過專門針對冷藏環境定制形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜來彌補這一不足。通過調節蓖麻油/聚乙二醇的比例,設計了軟段玻璃化轉變溫度 (Tg) 低于冷藏溫度(-12至-2℃),而熔融溫度(Tm)則在冷藏溫度范圍(2至15℃)內的薄膜。這種雙相轉變方法確保薄膜在3.8℃時仍保持柔韌性,使其能夠動態調節透氣性并維持最佳的氣體和水分平衡。這些薄膜在冷藏溫度下保持響應性的能力,使其在長時間內保持新鮮農產品方面非常有效。

 

形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜的性能取決于其相變行為。當溫度低于玻璃化轉變溫度(Tg)時,薄膜轉變為玻璃態,導致氣體滲透性降低和呼吸速率減慢,這對于在運輸和冷鏈儲存過程中保持品質尤為有利。當溫度高于玻璃化轉變溫度(Tg)時,薄膜轉變為橡膠態,從而提高透氣性以適應更高的呼吸速率。此外,在熔融溫度(Tm)附近,聚乙二醇微晶的部分熔化形成瞬態水分釋放通道,從而減少冷凝引起的腐敗。這種自我調節機制確保包裝能夠動態適應儲存條件的變化,從而防止厭氧呼吸、微生物繁殖和新鮮農產品的結構降解。這些特性使基于聚乙二醇/蓖麻油的形狀記憶聚氨酯成為傳統包裝薄膜的高效替代品。

 

鑒于全球對食物浪費和可持續性的日益關注,開發生物基和自適應包裝材料變得愈發重要。新鮮農產品占全球食物浪費的近45%,其中大部分是由于儲存和運輸過程中使用的保鮮方法不當造成的。溫度波動會使農產品的呼吸速率翻倍,從而增加氧氣需求并產生更多二氧化碳,這往往會導致農產品過早腐爛。傳統包裝材料缺乏應對這種動態變化所需的適應性,從而導致厭氧發酵、過多水分滯留和因材料剛性造成的物理損傷等問題。形狀記憶聚氨酯薄膜在食品包裝中的應用提供了一種可持續的主動響應解決方案,顯著減少食物浪費,同時確保延長的新鮮度和品質。此外,像蓖麻油這樣的可再生材料的加入符合包裝行業對環保替代品日益增長的需求。

 

最近的研究表明,形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜具備溫度敏感的氣體滲透性,通過調控氧氣、二氧化碳和水蒸氣的交換,為新鮮農產品的智能包裝提供了可能。然而,一個關鍵的挑戰仍然存在:需要開發轉變溫度精確調節在冷藏條件附近,同時保持高形狀恢復性和可靠氣體滲透性的形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜。針對這一空白,研究人員專注于調整形狀記憶聚氨酯(SMPU)的鏈段組成,以實現針對智能食品包裝應用優化的刺激響應性薄膜。

 

這項研究不僅推進了形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜在食品包裝領域的應用,而且通過建立聚合物組成、熱轉變和功能性能之間的清晰相關性,為更廣泛的高分子科學領域做出了貢獻。通過微調蓖麻油/聚乙二醇的比例,該研究展示了如何設計形狀記憶聚氨酯(SMPU)以在冷藏條件下實現精確的滲透性控制。此外,使用卷心菜作為模型蔬菜進行的實際食品保鮮測試驗證了這些薄膜在延長貨架期的同時保持新鮮度的功效。本研究的結果為下一代適應性包裝解決方案鋪平了道路,這些解決方案可以增強食品保鮮、減少環境影響并提高供應鏈效率。

 

相關圖表

在實驗中,研究人員以聚乙二醇(PEG)、六亞甲基二異氰酸酯(HDI)、1,4-丁二醇(BDO)和蓖麻油為主要基礎成分,合成了三種形狀記憶聚氨酯(SMPU)薄膜,分別標記為PU1,PU2,PU3。

 

PU1、PU2和PU3自支撐SMPU薄膜的形狀記憶測試。左列展示測試開始前的薄膜,中列展示薄膜在35℃加熱并在3 kg重物下折疊180°后的狀態,右列則呈現薄膜在室溫下的恢復情況。中列和右列的圖像中分別標注了薄膜的固定角θfixed和最終角θfinal。最后一列給出了形狀固定率(Rf)和形狀恢復率(Rr)的比值。

 

 

食品包裝測試結果顯示,使用PU1、PU2、PU3和對照組包裝的卷心菜葉片在冰箱中儲存的情況。圖(b)顯示了對照組和不同SMPU薄膜配方包裝的卷心菜葉片重量隨時間的變化,圖(c)為(b)中SMPU薄膜包裝的放大圖。此處,對照組指未加包裝膜的儲存容器。