生物构建阻燃聚乙烯醇/β-环糊精/植酸复合膜在食品保鲜领域的创新应用研究

《Progress in Organic Coatings》：Bio-constructed fireproof poly (vinyl alcohol)/β-cyclodextrin/phytic acid composite films for food preservation

本文创新性地采用生物基β-环糊精（CD）与植酸（PA）构建多重交联网络，成功制备出兼具高效阻燃（UL-94 V-0级）、力学性能增强（拉伸强度提升至87.6 MPa）与紫外屏蔽（UV透射率<10%）的聚乙烯醇（PVA）复合膜。该材料通过物理/化学交联协同作用突破传统阻燃剂机械性能劣化难题，其抗菌特性与水蒸气阻隔性更凸显其在食品包装领域的应用潜力。

　　

亮点

通过生物基β-环糊精（CD）和植酸（PA）的多重交联策略，我们成功制备出集阻燃性、抗菌性、优异力学性能和透明度于一体的聚乙烯醇（PVA）复合膜（PCP）。这种创新设计不仅解决了传统阻燃剂导致的机械性能下降和透明度损失难题，还赋予了材料紫外屏蔽功能，为食品包装领域提供了绿色解决方案。

结果与讨论

由于PVA、CD和PA分子中富含大量活性羟基，它们之间可通过氢键（H-bonding）、羟基与磷氧双键的相互作用以及酸催化酯化形成的酯键产生多重交联（图1a）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析（图1b-d）显示，PVA的羟基伸缩峰在引入PA和CD后发生宽化并向低波数移动，证实了分子间氢键的增强。同时，在1045 cm^-1处出现P–O–C特征峰，表明PA的磷酸基团与PVA的羟基成功发生酯化反应，形成化学交联网络。X射线光电子能谱（XPS）进一步验证了P–O–C键的形成，说明PA不仅作为酸源参与阻燃，还作为化学交联点提升材料稳定性。

这种物理（氢键）与化学（酯键）双交联网络的协同作用，使PCP_0.25的拉伸强度从纯PVA的61.6 MPa显著提升至87.6 MPa，断裂伸长率从224.3%增至382.0%，实现了强度与韧性的同步增强。热重分析表明，PA与CD的催化成炭效应使PCP_0.25的热释放速率峰值和总热释放量分别降低63.3%和38.8%，残炭量从6.1 wt%增至32.1 wt%，达到UL-94 V-0级阻燃标准。可见光区透光率与纯PVA相当，而紫外线屏蔽能力（透射率<10%）有效延缓食品光氧化变质。抗菌试验中，PCP_0.25丰富的磷酸基团可破坏细菌细胞壁酶活性，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出显著抑制作用。

结论

本研究通过多重交联策略成功构建了生物基PVA/CD/PA复合薄膜，其综合性能优异：阻燃性达到UL-94 V-0级，力学性能（拉伸强度87.6 MPa，断裂伸长率382.0%）显著提升，同时保持高透明度与紫外屏蔽功能。交联网络与PA的塑化效应协同增强了材料稳定性，而磷酸基团赋予的抗菌性与水蒸气阻隔能力进一步拓展了其在食品保鲜包装中的应用前景。