生物塑料在食品药品包装中的应用及前景
袁春平 1、侯惠民 2*
1. 国药广东环球制药有限公司，广东 佛山；
2. 中国医药工业研究院国家药物制剂工程研究中心，上海
摘要：推广生物塑料的使用是解决塑料造成的环境污染的必由之路。 生物塑料是生物基塑料和可生物降解塑料的统称。 生物塑料的环境价值可以通过使用14C测量生物基塑料中的生物碳含量和/或测量可生物降解塑料在堆肥条件下分解成二氧化碳和水的程度来评估。
本文主要介绍淀粉基生物塑料、聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯、聚丁二酸丁二醇酯、醋酸纤维素等几种常用的商业可降解生物塑料的结构和特性，以及它们在食品、药品包装和药品载体中的应用，并展望了生物塑料未来在药品包装中的应用前景。
关键词：生物塑料； 食品和药品包装； 应用
尽管塑料制品重量轻、强度高、耐腐蚀、易于运输，被誉为20世纪最伟大的发明之一，但塑料污染已成为影响人类生存环境的重要问题。
由于塑料制品物理、化学结构稳定，在自然环境中数十至数百年不会分解； 大多数塑料在一次性用作包装材料后就被丢弃； 废弃塑料，尤其是塑料袋，随处可见。 在北极和南极都发现了微塑料。 因此，塑料袋被评为20世纪最糟糕的发明。
我国大力推广使用生物塑料来解决塑料污染问题。 中央全面深化改革委员会第十次会议审议通过了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》。 国家发改委、生态环境部联合发文明确要求“推广使用符合性能和食品要求的可降解包装膜、可降解购物袋、吸管饭盒等生物基产品”安全要求，以及可降解塑料袋和其他替代产品。” 这些替代产品是生物塑料（）。
本文简要讨论了生物塑料的概念、几种常用生物塑料的特点及其在食品药品包装中的应用，并对其未来在药品包装中的应用进行了展望。
1 生物塑料简介
根据欧洲生物塑料协会和日本生物塑料协会的定义，生物塑料是生物基塑料（bio-based）和生物可降解塑料（ ）的统称。 生物基塑料是从原料来源的角度提出的概念，而生物降解塑料主要是从塑料废弃后的环境吸收性能的角度提出的概念。
根据原料来源和生物降解性，生物塑料可分为3类。 第一类是完全源自生物质和部分源自生物质的不可降解塑料（基于），例如以玉米淀粉转化为生物乙醇再加工而获得的生物乙醇为基础的聚乙烯（PE）和聚苯乙烯。 (PP) 和部分基于生物乙醇的聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 都是生物基生物塑料。
第二类是生物质衍生的可生物降解塑料（基于），如热塑性淀粉（以淀粉为原料，在添加剂等作用下制成热塑性塑料）、聚乳酸（PLA，由玉米淀粉降解为乳酸） ，然后聚合）、醋酸纤维素（原料来源于植物纤维素，通过羟基乙酰化制成）等，既是生物基塑料，又是可生物降解塑料。
第三类来源于石油，但可生物降解（基于和），如聚丁二酸丁二醇酯（PBS，由丁二酸和丁二醇聚合而成）、聚己内酯（PCL，由6-羟基己酸缩合而成），它是可生物降解的塑料。
可见，生物基塑料不一定是可生物降解的，可生物降解的塑料也不一定是生物基塑料； 生物塑料不仅仅是单一材料，它是由一系列具有不同性能和用途的材料组成的。
生物基塑料利用生物碳占总碳的百分比来评估其环境价值。 传统塑料采用石化原料（如石油、煤炭等），而石化原料由于年代久远，不含14C。 因此，14C可用于测定生物基塑料中的生物碳含量。
在此基础上，美国测试与材料协会制定了ASTM D6866标准，该标准等同于欧洲CEN/TS 16137标准。 由生物塑料制成的包装材料通常由独立的第三方认证机构根据上述标准进行评估和认证，并给予认证标志，如图1所示。这将有助于引导公众消费由生物塑料制成的产品。
A：比利时组织推出的认证标志（其中1星表示产品含有20%～40%生物碳，2星表示产品含有40%～60%，3星表示产品含有60%～80%，4星表示产品含有20%）至40%生物碳（如果生物碳含量超过80%），B：德国DIN机构推出的认证标志
图1 生物基塑料认证标志
生物降解塑料是指在自然环境或堆肥等条件下可以生物降解的一类塑料。 其中，在堆肥条件下能分解成二氧化碳和水而不对植物生长产生不利影响的塑料也称为可堆肥塑料。
可堆肥性测试标准包括欧洲 EN 13432、美国 ASTM D6400 以及其他国家使用的 ISO 17088。 可堆肥塑料的认证标志如图2所示。图2A和2B分别是比利时机构和德国DIN机构给出的可堆肥塑料标志。
A：比利时组织颁发的认证标志，B：德国DIN组织颁发的认证标志
图2 可堆肥生物塑料认证标志
生物塑料和石化塑料的主要区别在于它们的成分不同。 一般石化塑料只含有C和H，而生物塑料则含有C、H和O。生物塑料的广泛使用主要有利于：①减少二氧化碳排放，防止温室效应恶化； ②减少白色污染，减少垃圾填埋场占用宝贵的土地资源。 65%以上的生物塑料用于包装领域，还用于餐饮、消费电子、汽车、农业或园艺、玩具等产品的制造。 但目前生物塑料的价格较高，限制了其大规模使用。
2 常用生物塑料及其在包装中的应用
商业生物塑料主要包括淀粉基塑料、PLA、聚羟基脂肪酸酯（PHA）化合物、脂肪族二元酸乙二醇共聚物、各种纤维素等。下面介绍其起源、特点以及在包装领域的应用。
2.1 淀粉基生物塑料
淀粉因其来源广泛、可再生、成本低廉、可完全降解而被广泛用于制备淀粉基塑料（简称淀粉塑料）。 我国国家标准GB/T 21661-2008指出，淀粉含量在15%以上的塑料可称为“淀粉塑料”。
淀粉塑料的发展经历了填充、共混和全淀粉塑料三个阶段（图3），又称三型。 各阶段的淀粉含量较前阶段都有明显增加。
图3 淀粉塑料的分类
填充淀粉塑料主要由淀粉与PE、PP或PS等石油基塑料共混而成。 这类淀粉塑料制品只能部分降解，因此其应用前景有限。 但可以减少石油资源的使用和二氧化碳的排放，更适合焚烧。
共混淀粉塑料是由淀粉与其他可生物降解的合成或天然聚合物（如纤维素、PBS等）共混而成，可完全降解。
全淀粉塑料（又称热塑性塑料，TPS）在小分子增塑剂或其他条件的作用下破坏淀粉内部的氢键结构，使淀粉分子排列变得无序，降低其玻璃化转变温度。 升温，从而得到热塑性材料； 热塑性淀粉中淀粉含量达90%以上，可完全降解。 后两类淀粉塑料又称为“可降解淀粉塑料”。
淀粉塑料的发展方向和目标是替代石油基塑料，缓解能源短缺和环境污染等问题。 可降解淀粉塑料具有机械强度好、柔韧性强、冲击强度高、耐温性强、耐水、耐油、不软化、不变形、可塑性强等特点，已得到广泛应用。
“”是意大利一家公司最早生产的淀粉塑料。 它由淀粉、纤维素、植物油等组成，可降解、可堆肥，符合欧洲EN 13432标准。 Mater-Bi可制成不同用途的产品，如薄膜制品（如塑料袋、尿布套、包装材料、堆肥袋、农用地膜等）、注塑制品（如塑料餐具、笔筒等） 、卫生用品、一次性餐具等）、发泡制品（如缓冲材料等）、橡胶制品（如汽车轮胎等）。
PSM®生物降解塑料是武汉华力环保科技有限公司生产的淀粉塑料，以植物淀粉为主要原料。 通过对淀粉进行改性、增塑，成为兼具刚性、韧性和弹性的新型环保塑料。
本产品及其制品是经过认证的可堆肥塑料（OK）。 用其制备的产品有一次性餐具、塑料购物袋、垃圾袋、酒店用品、厨房用品、化妆品包装瓶、衣架等。淀粉塑料安全、无毒、可生物降解，可广泛应用于医药行业。 由淀粉塑料制成的淀粉胶囊被认为是较有潜力替代普通明胶胶囊的产品。
李辉等. 以玉米淀粉为主要原料，PVA、海藻酸钠等为辅料，制备玉米淀粉胶囊。 与明胶胶囊相比，所得胶囊的成膜性、阻水性和强度显着增强，崩解时间缩短。
- 等人。 使用两种不同的高取代丙基淀粉塑料来制备纳米颗粒。 研究结果表明，纳米粒子对氟芬那酸、睾酮和咖啡因3种药物具有较高的包封率； 对这些纳米颗粒作为透皮递送载体的潜在用途进行了测试，结果表明纳米颗粒提高了氟芬那酸透皮递送的生物利用度，增强了药效。
目前，热塑性淀粉的生产成本较高，比PE、PP、PS等传统塑料制品高出15%以上，这是制约其发展的一大瓶颈。 但有研究表明，随着生产规模的扩大，热塑性淀粉的单位生产成本将降至传统塑料的价格以下。
2.2 聚乳酸（PLA）
PLA是将淀粉水解成葡萄糖，将得到的葡萄糖发酵得到乳酸，然后将乳酸聚合而得到的树脂材料。 PLA可以加工成型为各种产品。 这些产品被丢弃后，可以通过回收和堆肥完全生物降解为水和二氧化碳，然后通过光合作用返回到谷物。
PLA的生态循环过程示意图如图4所示。PLA的特性包括：高透明度、光泽度和透气性、高模量、完全可折叠性和保缠性、低温热封性和易打开性、柔软性等.可替代PS、PP、丙烯腈（ABS）等石化塑料。
图4 PLA生态循环示意图
通过熔融挤出、注塑、吹塑、发泡、真空成型等不同的加工方法，PLA可制备成各种形状的制品，如食品容器（瓶、托盘等）、薄膜、热收缩包装、透气包装、保香包装、购物袋、垃圾袋等，主要应用于食品包装领域。
例如，市场上许多糖果包装都采用PLA包装膜。 该包装膜的外观和性能与传统糖果包装膜相似。 它具有高透明度和优异的阻隔性能，能更好地保留糖果的风味。
PLA还用于短保质期食品的包装，如冰淇淋、沙拉等。PLA复合材料还用于瓶装水、果汁和酸奶的包装。 这些集装箱已达到德国和欧盟的相关标准。 PLA具有良好的生物降解性和抗菌性能。
综述了PLA作为抗菌药物载体在包装材料中的研究进展，详细阐述了抗菌药物与PLA混合后的力学性能和热性能，论证了PLA是抗菌药物（包括天然抗菌药物）更好的载体。 混合后制备的薄膜用于食品接触包装，可具有良好的抗菌效果； 与传统的石油基聚合物（不可降解）载体相比，PLA具有显着的环保效果。
PLA 也是 FDA 批准作为药物载体用于医疗用途的少数聚合物之一。 以PLA为原料，利用3D打印技术制备的缓控释药物制剂已成为该领域的研究热点。
水等。 在PLA中添加呋喃妥因，利用3D打印技术制备个性化药物缓释片，可有效抑制金黄色葡萄球菌生长。
利用3D打印技术将庆大霉素和甲氨蝶呤加载到PLA的三维结构中。 这种药物输送系统既可以抵抗感染包装技术08 5 塑料包装工艺 塑料袋 泡罩贴体，又可以抑制颌骨肿瘤细胞的增殖。 该方法为临床医生提供了个性化的药物治疗策略，作为可调节的给药系统具有广阔的临床应用前景。 PLA在药品包装领域也显示出良好的应用前景。
任怡文等人发表了PLA药用包装材料、制备方法及应用的专利。 在PLA中添加稳定剂、增塑剂和抗水解剂，利用普通塑料加工设备即可制备出适合药品泡罩包装的片材。 该方法应用于片剂泡罩包装，实现低温泡罩包装。 覆盖处理包装技术08 5 塑料包装工艺 塑料袋 泡罩贴体，达到环保效果。
2.3 聚羟基脂肪酸酯（PHA）
PHA是一种由多种微生物在体内合成的生物聚酯颗粒。 在一定条件下，微生物合成的PHA含量可达到细胞干重的90%。 PHA的一般化学结构式如图5所示，相对分子质量为5×104～2×107。 PHA因其良好的生物相容性而成为人们关注的焦点。 但由于其力学性能差、生产成本高、功能有限，使其在材料、能源、生物医学等方面的应用受到很大限制。
图5 PHA的结构通式
近年来，通过生物合成和化学改性方法合成的PHA共聚物可以大大降低生产成本，提高其机械和物理化学性能。 改性PHA共聚物在生物医学领域具有广阔的应用前景。
PHB是PHA家族中结构最简单、应用最广泛的。 传统塑料需要100年才能降解，而PHB只需12个月即可完全分解，释放的产物是无污染的水和二氧化碳。
PHB是具有α螺旋结构的晶体，结晶度为55%～80%，熔点为180℃。 其物理性能和分子结构与PP相似。 因此，PHB已成为绿色包装的首选材料之一，广泛用于制备剃须刀、用具、高尔夫球座、鱼饵、尿布、女性卫生用品、化妆品等产品的包装。
与其他纳米材料相比，PHA作为药物载体具有更大的发展潜力。 采用PHB封装阿霉素磁性纳米粒，所得产品在中性介质中可稳定存在2个月，可有效提高药物的抗肿瘤效果。
基于PHB的高疏水性，LUO等人。 合成了一种低毒、可生物降解的热敏性两亲性聚氨酯，并利用聚氨酯形成的胶束来封装疏水性药物（多西紫杉醇）。 所得纳米粒与市售多西紫杉醇注射液相比，胶束可显着增加多西紫杉醇在水中的溶解度，有效减少溶血反应，大大提高药物的血液相容性。
2.4 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）
PBS是一种高结晶聚酯，外观乳白色，无臭、无味。 具有良好的生物相容性和生物吸收性，很容易自然降解为二氧化碳和水。 它具有良好的机械性能。 强度与PP、PE等通用塑料相近，可适应注塑、挤出、吹膜、层压等制备工艺。 同时还可以与碳酸钙、淀粉等填料共混，降低成本。
PBS在正常储存和使用过程中性能相对稳定，只有在堆肥条件下才能被微生物分解，增加了耐久性。 PBS比PLA和PHA具有更好的耐热性。 热变形温度接近100℃。 改性后可超过100℃，足以满足日常用品的耐热需求。
PBS用途广泛，可用于包装（包括食品、化妆品、药品等产品的外包装）、餐具、一次性医疗用品、农用薄膜等。近年来，PBS在组织工程、药物缓释载体、医用塑料（一次性注射器、采血管、医用导管等）领域。 由PBS制成的药物递送系统可以通过调节PBS的降解速率来控制药物释放速率，提高药效。
潘锐等. 采用熔融共混法制备美托洛尔-PBS药物释放体系，仅通过热处理（90℃处理和淬火处理）控制药物体系的药物释放通道，不添加其他添加剂。 结果表明，在药物释放中期，90℃处理的载药系统的药物释放速率明显快于淬火的药物释放系统； 在药物释放后期，两个系统的药物释放速率相似。 这说明通过调整和改变热处理方法，可以有效控制PBS的降解速度，从而控制药物释放行为。
2.5 醋酸纤维素
醋酸纤维素由植物纤维素乙酰化而成，最终可在自然环境中降解为二氧化碳和水。 它是一种绿色环保的可生物降解塑料。 根据取代度，醋酸纤维素可分为单醋酸纤维素、二醋酸纤维素、三醋酸纤维素。
由于纤维素分子中的羟基被乙酰基取代，分子间氢键的作用减弱，纤维素分子间的距离增大，使得二醋酸纤维素（结构见图6，以下简称CA）表现出良好的性能。热塑性。
图6 二醋酸纤维素的结构
CA的性能与一般塑料相似。 具有良好的透明度，透光率在85%以上，符合透明塑料的要求。 具有加工性能好、易成膜、亲水性优良、通量大、耐氯性高等特点。 已制成各种类型的渗透功能膜，广泛应用于不同水体的海水淡化和处理。
CA最大的使用领域是香烟过滤嘴的制备。 还可用作工具手柄、自行车手柄、笔筒、眼镜架、油苯容器、保温材料、板、管、棒等型材和包装薄膜。 另外，CA制成的无纺布可用于手术敷料，且与伤口不粘连。 它们是先进的医疗卫生材料。
基于CA是热塑性高分子材料的特性，侯惠民院士的研究团队结合了塑料行业中塑料薄膜的制造方法、包装行业中的贴肤包装理念以及高精度激光熔化技术开发一种用于渗透泵片剂包衣的新型“热塑性包衣技术”。 这项新技术分为热挤压成膜、热体涂层和激光熔化三个步骤。
利用该新技术制备的盐酸二甲双胍热塑包衣片和硝苯地平热塑包衣片均具有普通渗透泵控释片的零级药物释放特性。 与普通溶剂喷涂技术相比，该新技术具有以下特点：
①不使用挥发性有机溶剂，不产生粉尘，生产的热塑性包衣膜和片剂不污染环境；
② 包衣膜单独制备，其性能易于控制，更有利于保证药品质量；
③涂胶、激光打孔、吸塑包装制造工艺可连续完成，更适合自动化、智能化生产；
④ 用CA代替吸塑包装中使用的聚氯乙烯（PVC）更加环保。
3 生物塑料在药包材领域的应用前景
以上介绍的几种生物塑料已广泛应用于多个领域。 淀粉塑料制品主要有挤出片材、吹膜、流延膜、注塑制品、中空容器、玩具等； PLA作为新兴的功能性医用高分子材料，主要产品包括医用手术缝合线及骨科固定材料、眼科材料等； PHA主要应用于生物医药及化妆品、不透明片材、半透明薄膜等领域； PBS主要应用于食品、餐具、化妆品和药品外包装、一次性医疗用品、农用薄膜、农药以及化肥缓释材料和生物医用高分子材料等领域。
常用的塑料药品包装材料有PE、PP、PVC、PET等。笔者总结并展望了可能替代常用塑料的生物塑料在包装领域的应用，如表1所示。
表1 塑料在包装中的应用及替代生物降解塑料
从表1可以看出，目前主要用于药品内包装（药瓶、泡罩包装、输液瓶等）和外包装（塑料袋、塑料薄膜、药托盘等）的普通塑料可由各种生物材料制成。 被可降解塑料取代。
随着科学技术的发展，新型生物塑料必将展现出更多传统塑料的功能和特性，经济且能以无机物的形式进入生态环境，不产生二次污染。 使用生物塑料逐步减少和淘汰造成“白色污染”的石油基塑料，是未来药包材发展的必然趋势。
