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摘 要：生物纳米复合材料是以淀粉、蛋白质、纤维素与天然树脂等生物大分子为连续相，由于这些生物大分子来源丰富，可生物降解，降解产物对环境友好等特性，因此，与纳米粒子复合于一体，则可发挥各自优异性能、“扬长避短”。生物纳米复合材料已成为当今纳米复合材料研究中的新热点，在此，拟对生物大分子基纳米复合材料（主要就蛋白质基及淀粉基纳米复合材料）的制备及其在包装领域的应用研究进行综述，并对其今后的发展进行展望。
关键词：生物纳米；复合材料；包装领域；应用
1 前言
纳米包装材料被称为20世纪包装的10大发明之一。近年来，以阻隔性、保鲜性、耐热性、可食性、分解性纳米包装材料等为代表的功能性包装材料的出现，推动着包装行业的迅猛发展。通过插层复合等技术实现生物大分子（淀粉、蛋白质、纤维素与天然树脂等）与无机纳米粒子在纳米尺度上的复合，得到的生物纳米材料既体现了无机纳米材料的刚性、尺寸稳定性、耐热性等，又显示了生物大分子的可加工、韧性、可降解等优异性能，更难得的是从源头上消除了对环境的污染。
2 生物纳米复合材料制备方法
生物纳米复合材料的制备方法目前主要是插层法。
2.1溶液插层
将淀粉、蛋白质等生物大分子溶解于适当的溶剂中，加入已溶胀在水、氯仿、甲苯等溶剂的无机纳米填料颗粒（如层状硅酸盐、膨润土等），充分搅拌，使无机纳米颗粒在生物大分子中分散混合均匀，生物大分子链替代纳米颗粒层状间的溶剂，插层于纳米颗粒层状空隙内，移去混合物中的溶剂，形成插层的纳米生物复合材料。其缺点是使用溶剂、消耗原料及对环境可能产生一定危害。蒙脱土是一种层状硅酸盐，其片层结构厚度及层间距均处于纳米尺度，且聚合物熔融插层到粘土的硅酸盐层片中，已被证明是一种非常有效的制备聚合物———层状硅酸盐（PLS）杂化材料的方法，和原聚合物相比，含有少量粘土的PLS即可极大地提高材料的机械、热以及阻隔性能，并通过复合降低了聚合物的气体通透性和易燃性，提高了可生物降解聚合物的生物降解性。
2.2熔融插层
将层状无机物与淀粉、蛋白质等混合，再将混合物加热到软化点以上，在静止条件下或剪切力作用下，本体溶液中的生物大分子直接插层扩散进入纳米颗粒的层状间，当生物大分子在层状间的量高于一定值时，使层状纳米生物复合材料层与层分离，形成剥离的纳米生物复合材料。该方法的优点是不需要其它溶剂介质，对环境污染小、工艺简单，与现代工业加工工艺如挤压、注射成型等结合紧密，易于实现工业化生产，已是近年来制备层状纳米生物复合材料标准的方法。缺点是分散困难，能耗高，生产不易控制，对生产设备有较高要求；高温熔融共混易引起某些反应物的自交联，影响产品质量。
2.3原位分散聚合插层
用该法制备生物纳米复合材料，是先将生物大分子的单体如氨基酸，分散到纳米颗粒层状间，然后使单体在纳米颗粒层状间进行聚合或缩合反应，单体聚合缩合反应可通过加热、辐照，或在溶胀前通过离子交换等方法，在纳米颗粒层状间引入适当的引发剂。其优点是由于聚合物单体分子量较小，粘度低，容易使层粒纳米粒子均匀分散，粒子的纳米特性保持完好无损；同时，在原位填充过程中只经过一次聚合成型，不需要热加工，避免了由此产生的降解，保持了基质各种性能的稳定，但存在工艺相对繁琐、成本高、需专用分散设备等不足。
3 生物纳米复合材料研究进展
3.1淀粉基纳米复合材料
淀粉是可再生资源，价格便宜，用其制备生物降解淀粉塑料，可大大降低塑料工业对石油的依赖性。同时，用淀粉开发的具有生物降解性能的纳米复合材料产品，在各种环境都具备完全的生物降解能力，淀粉分子降解或灰化后，形成二氧化碳气体，不对土壤或空气产生毒害；通过一定工艺制备淀粉基纳米复合材料，可以达到塑料材料的机械性能；开拓淀粉的利用还有利于调整农村产业结构和促进农业经济发展。
由于淀粉是多羟基的刚性天然高分子，其机械与物理特性都很差，在高于其玻璃化温度和熔点以下温度经过热处理，淀粉颗粒分子结构无序化，形成热塑性淀粉，然而热塑性淀粉仍存在天然淀粉类似的不足，如耐水性差、气水阻隔特性和机械特性低等问题。在热塑性淀粉中加入纳米粒子，制备淀粉基纳米复合材料，将改变热塑性淀粉的结晶动力学、结晶形态与微晶尺寸，从而影响其机械与物理特性。
3.2蛋白質基纳米复合材料
与淀粉相比，因其分子组成与结构的复杂性，蛋白质具有溶解、凝胶化、弹性、乳化和凝聚等功能特性。在介质中可自发迁移在油-水或水-油界面上，一旦蛋白质分子移动在界面上，分子与分子间的亲水基与亲水基、亲油基与亲油基粘在一起，形成强的粘弹性膜，蛋白质膜还显示出更好的气阻隔特性和低的水蒸气渗透特性，这些特性适用于制备包装材料，特别是食品包装材料。
用蛋白质基制备纳米复合材料，其蛋白质主要有：来源于动物的蛋白质，如酪蛋白、乳清蛋白、胶原质、鸡蛋白和鱼肌原纤维蛋白，由于酪蛋白耐水性好，在工业中许多国家已有很多应用，如胶水、涂料、涂布等；来源于植物的蛋白质，如大豆蛋白、玉米蛋白和小麦麦质。
4 结语
在食品消费趋于功能化、健康化、方便化、营养化的今天，食品工业对食品包装材料不断提出新的要求。生物纳米材料应用于包装领域，特别是食品绿色包装领域将有良好的发展前景。在抗菌包装方面，纳米生物复合材料可提升食品质量，实现包装的抗菌透气性。利用纳米技术改造纯天然的基础材料，生产出的纳米复合材料本身抑菌效果可达86%～95.3%，能起到除异味、杀菌消毒的作用。在保鲜保鲜方面，如果采用特殊功能的生物纳米复合材料来包装食品，既可以防止传统食品保鲜紫外线对食品的破坏，又可以使食品保持新鲜，其前景十分广阔。在阻隔包装方面，将纳米级微粒融入生物大分子等，能提高材料的强度、刚度和阻隔性等性能。例如，利用纳米无机粉料对尼龙6、PET、PP、PE等进行改性后，显著提高了材料的阻隔性、力学性能、透明性和抗菌性，现已用于食品包装之中。
参考文献
[1]祝钧，苏醒，张晓娟.[J].食品科学，2008，（12）：766-768.
[2]邵琼芳.环糊精接枝聚乳酸的初步研究[J].江西科学，2002：4
（作者单位：宏观世纪（天津）科技股份有限公司）
关键词：生物纳米；复合材料；包装领域；应用
1 前言
纳米包装材料被称为20世纪包装的10大发明之一。近年来，以阻隔性、保鲜性、耐热性、可食性、分解性纳米包装材料等为代表的功能性包装材料的出现，推动着包装行业的迅猛发展。通过插层复合等技术实现生物大分子（淀粉、蛋白质、纤维素与天然树脂等）与无机纳米粒子在纳米尺度上的复合，得到的生物纳米材料既体现了无机纳米材料的刚性、尺寸稳定性、耐热性等，又显示了生物大分子的可加工、韧性、可降解等优异性能，更难得的是从源头上消除了对环境的污染。
2 生物纳米复合材料制备方法
生物纳米复合材料的制备方法目前主要是插层法。
2.1溶液插层
将淀粉、蛋白质等生物大分子溶解于适当的溶剂中，加入已溶胀在水、氯仿、甲苯等溶剂的无机纳米填料颗粒（如层状硅酸盐、膨润土等），充分搅拌，使无机纳米颗粒在生物大分子中分散混合均匀，生物大分子链替代纳米颗粒层状间的溶剂，插层于纳米颗粒层状空隙内，移去混合物中的溶剂，形成插层的纳米生物复合材料。其缺点是使用溶剂、消耗原料及对环境可能产生一定危害。蒙脱土是一种层状硅酸盐，其片层结构厚度及层间距均处于纳米尺度，且聚合物熔融插层到粘土的硅酸盐层片中，已被证明是一种非常有效的制备聚合物———层状硅酸盐（PLS）杂化材料的方法，和原聚合物相比，含有少量粘土的PLS即可极大地提高材料的机械、热以及阻隔性能，并通过复合降低了聚合物的气体通透性和易燃性，提高了可生物降解聚合物的生物降解性。
2.2熔融插层
将层状无机物与淀粉、蛋白质等混合，再将混合物加热到软化点以上，在静止条件下或剪切力作用下，本体溶液中的生物大分子直接插层扩散进入纳米颗粒的层状间，当生物大分子在层状间的量高于一定值时，使层状纳米生物复合材料层与层分离，形成剥离的纳米生物复合材料。该方法的优点是不需要其它溶剂介质，对环境污染小、工艺简单，与现代工业加工工艺如挤压、注射成型等结合紧密，易于实现工业化生产，已是近年来制备层状纳米生物复合材料标准的方法。缺点是分散困难，能耗高，生产不易控制，对生产设备有较高要求；高温熔融共混易引起某些反应物的自交联，影响产品质量。
2.3原位分散聚合插层
用该法制备生物纳米复合材料，是先将生物大分子的单体如氨基酸，分散到纳米颗粒层状间，然后使单体在纳米颗粒层状间进行聚合或缩合反应，单体聚合缩合反应可通过加热、辐照，或在溶胀前通过离子交换等方法，在纳米颗粒层状间引入适当的引发剂。其优点是由于聚合物单体分子量较小，粘度低，容易使层粒纳米粒子均匀分散，粒子的纳米特性保持完好无损；同时，在原位填充过程中只经过一次聚合成型，不需要热加工，避免了由此产生的降解，保持了基质各种性能的稳定，但存在工艺相对繁琐、成本高、需专用分散设备等不足。
3 生物纳米复合材料研究进展
3.1淀粉基纳米复合材料
淀粉是可再生资源，价格便宜，用其制备生物降解淀粉塑料，可大大降低塑料工业对石油的依赖性。同时，用淀粉开发的具有生物降解性能的纳米复合材料产品，在各种环境都具备完全的生物降解能力，淀粉分子降解或灰化后，形成二氧化碳气体，不对土壤或空气产生毒害；通过一定工艺制备淀粉基纳米复合材料，可以达到塑料材料的机械性能；开拓淀粉的利用还有利于调整农村产业结构和促进农业经济发展。
由于淀粉是多羟基的刚性天然高分子，其机械与物理特性都很差，在高于其玻璃化温度和熔点以下温度经过热处理，淀粉颗粒分子结构无序化，形成热塑性淀粉，然而热塑性淀粉仍存在天然淀粉类似的不足，如耐水性差、气水阻隔特性和机械特性低等问题。在热塑性淀粉中加入纳米粒子，制备淀粉基纳米复合材料，将改变热塑性淀粉的结晶动力学、结晶形态与微晶尺寸，从而影响其机械与物理特性。
3.2蛋白質基纳米复合材料
与淀粉相比，因其分子组成与结构的复杂性，蛋白质具有溶解、凝胶化、弹性、乳化和凝聚等功能特性。在介质中可自发迁移在油-水或水-油界面上，一旦蛋白质分子移动在界面上，分子与分子间的亲水基与亲水基、亲油基与亲油基粘在一起，形成强的粘弹性膜，蛋白质膜还显示出更好的气阻隔特性和低的水蒸气渗透特性，这些特性适用于制备包装材料，特别是食品包装材料。
用蛋白质基制备纳米复合材料，其蛋白质主要有：来源于动物的蛋白质，如酪蛋白、乳清蛋白、胶原质、鸡蛋白和鱼肌原纤维蛋白，由于酪蛋白耐水性好，在工业中许多国家已有很多应用，如胶水、涂料、涂布等；来源于植物的蛋白质，如大豆蛋白、玉米蛋白和小麦麦质。
4 结语
在食品消费趋于功能化、健康化、方便化、营养化的今天，食品工业对食品包装材料不断提出新的要求。生物纳米材料应用于包装领域，特别是食品绿色包装领域将有良好的发展前景。在抗菌包装方面，纳米生物复合材料可提升食品质量，实现包装的抗菌透气性。利用纳米技术改造纯天然的基础材料，生产出的纳米复合材料本身抑菌效果可达86%～95.3%，能起到除异味、杀菌消毒的作用。在保鲜保鲜方面，如果采用特殊功能的生物纳米复合材料来包装食品，既可以防止传统食品保鲜紫外线对食品的破坏，又可以使食品保持新鲜，其前景十分广阔。在阻隔包装方面，将纳米级微粒融入生物大分子等，能提高材料的强度、刚度和阻隔性等性能。例如，利用纳米无机粉料对尼龙6、PET、PP、PE等进行改性后，显著提高了材料的阻隔性、力学性能、透明性和抗菌性，现已用于食品包装之中。
参考文献
[1]祝钧，苏醒，张晓娟.[J].食品科学，2008，（12）：766-768.
[2]邵琼芳.环糊精接枝聚乳酸的初步研究[J].江西科学，2002：4
（作者单位：宏观世纪（天津）科技股份有限公司）