研究人员开发形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜，提升食品保鲜性能

形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜因其能够响应外部刺激而发生可逆形状变化的能力而引起了广泛的研究兴趣。因此，它们在食品保鲜等领域具有巨大的应用潜力。近日，巴基斯坦国立科技大学的研究人员在知名学术期刊《RSC Advances》上发表了题为“优化用于刺激响应型食品保鲜的形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜”。

研究人员对专为刺激响应型食品保鲜而设计的形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜进行了性能优化，研究了不同薄膜成分对聚氨酯薄膜气体渗透性和温度敏感性的影响。研究人员以聚乙二醇（PEG）、六亚甲基二异氰酸酯（HDI）、1,4-丁二醇（BDO）和蓖麻油为主要基础成分，合成了形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜。

在该研究中，重点测定了所合成聚氨酯薄膜的热性能、形状记忆特性和水蒸气渗透性。以不同蓖麻油/聚乙二醇比例制备的聚氨酯薄膜显示出在-18至1°C范围内的相变温度。其中，蓖麻油/聚乙二醇比例为40/60的形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜表现出优异的形状记忆特性。这些聚氨酯薄膜的形状恢复率超过96%，有助于将保鲜盒中新鲜农产品的保鲜期延长至多10天。蓖麻油/聚乙二醇比例为40/60的形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜表现出更高的水蒸气透过率，卷心菜叶片的水分流失仅为3%。与聚乙二醇含量较高的薄膜相比，聚乙二醇含量较低的薄膜表现出更强的阻隔性能，可能适用于包装呼吸速率较低的食品。

这些新型薄膜配方具有热响应型气体渗透性，有助于延长新鲜食品的保质期，因此在智能包装解决方案的开发方面具有广阔的应用前景。这些发现有望为开发能够响应环境变化的新型包装材料铺平道路，从而实现更可持续的食品保鲜。

研究概要

食品包装在保持易腐食品（尤其是新鲜农产品）的品质、安全性和保质期方面发挥着至关重要的作用。水果和蔬菜在采摘后仍保持代谢活跃，消耗氧气并释放二氧化碳、水蒸气和热量。这种呼吸作用会改变包装内的微环境，如果管理不当，会加速腐败、微生物滋生和营养流失。传统的包装材料，如低密度聚乙烯（LDPE）和聚氯乙烯（PVC），作为具有固定渗透性的静态屏障，往往无法适应呼吸作用引起的变化。温度波动会进一步提高呼吸速率，导致厌氧环境、组织降解和微生物污染。过高的湿度会促进冷凝、霉菌生长和酶促褐变。这些局限性凸显了开发能够动态调节气体和水分交换的刺激响应型包装的必要性。

形状记忆聚氨酯（SMPU）因其优异的形状恢复特性、可调的转变温度、易于合成以及在生物医学设备、纺织品、涂层和智能包装材料等领域的广泛应用而受到关注。形状记忆聚氨酯（SMPU）是一种刺激响应材料，由软链段（聚醚或聚酯基）和硬链段（二异氰酸酯和扩链剂）组成，形成相分离的微观结构，形成决定其可逆形状恢复的相分离微结构。软链段在玻璃化转变温度（Tg）或熔融温度（Tm）下发生热诱导转变，实现形状的固定和恢复；而硬链段则提供机械稳定性并作为固定相。

聚乙二醇（PEG）因其低玻璃化转变温度（Tg）和调节水蒸气透过率的能力而被广泛应用于形状记忆聚氨酯（SMPU）中，但其亲水性会导致过多的水分吸收。为了克服这一问题，研究人员添加了生物基添加剂-蓖麻油以引入疏水域，从而增强材料的弹性、热稳定性和耐湿性。聚乙二醇和蓖麻油的协同效应增强了气体渗透性，同时确保了冷藏期间的稳定性。这种策略性的平衡既能防止冷凝和微生物滋生，又能保证足够的氧气交换，因此形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜非常适合用于新鲜农产品包装。

尽管形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜展现出良好的应用前景，但现有研究大多集中于室温应用，忽略了冷藏在新鲜农产品储存中的关键作用。新鲜水果和蔬菜通常储存在温度为3至5℃的保鲜盒中，在此温度下，温度敏感型聚合物往往会转变为刚性的玻璃态，从而降低其适应性。研究人员通过专门针对冷藏环境定制形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜来弥补这一不足。通过调节蓖麻油/聚乙二醇的比例，设计了软段玻璃化转变温度 (Tg) 低于冷藏温度（-12至-2℃），而熔融温度（Tm）则在冷藏温度范围（2至15℃）内的薄膜。这种双相转变方法确保薄膜在3.8℃时仍保持柔韧性，使其能够动态调节透气性并维持最佳的气体和水分平衡。这些薄膜在冷藏温度下保持响应性的能力，使其在长时间内保持新鲜农产品方面非常有效。

形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜的性能取决于其相变行为。当温度低于玻璃化转变温度（Tg）时，薄膜转变为玻璃态，导致气体渗透性降低和呼吸速率减慢，这对于在运输和冷链储存过程中保持品质尤为有利。当温度高于玻璃化转变温度（Tg）时，薄膜转变为橡胶态，从而提高透气性以适应更高的呼吸速率。此外，在熔融温度（Tm）附近，聚乙二醇微晶的部分熔化形成瞬态水分释放通道，从而减少冷凝引起的腐败。这种自我调节机制确保包装能够动态适应储存条件的变化，从而防止厌氧呼吸、微生物繁殖和新鲜农产品的结构降解。这些特性使基于聚乙二醇/蓖麻油的形状记忆聚氨酯成为传统包装薄膜的高效替代品。

鉴于全球对食物浪费和可持续性的日益关注，开发生物基和自适应包装材料变得愈发重要。新鲜农产品占全球食物浪费的近45%，其中大部分是由于储存和运输过程中使用的保鲜方法不当造成的。温度波动会使农产品的呼吸速率翻倍，从而增加氧气需求并产生更多二氧化碳，这往往会导致农产品过早腐烂。传统包装材料缺乏应对这种动态变化所需的适应性，从而导致厌氧发酵、过多水分滞留和因材料刚性造成的物理损伤等问题。形状记忆聚氨酯薄膜在食品包装中的应用提供了一种可持续的主动响应解决方案，显著减少食物浪费，同时确保延长的新鲜度和品质。此外，像蓖麻油这样的可再生材料的加入符合包装行业对环保替代品日益增长的需求。

最近的研究表明，形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜具备温度敏感的气体渗透性，通过调控氧气、二氧化碳和水蒸气的交换，为新鲜农产品的智能包装提供了可能。然而，一个关键的挑战仍然存在：需要开发转变温度精确调节在冷藏条件附近，同时保持高形状恢复性和可靠气体渗透性的形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜。针对这一空白，研究人员专注于调整形状记忆聚氨酯（SMPU）的链段组成，以实现针对智能食品包装应用优化的刺激响应性薄膜。

这项研究不仅推进了形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜在食品包装领域的应用，而且通过建立聚合物组成、热转变和功能性能之间的清晰相关性，为更广泛的高分子科学领域做出了贡献。通过微调蓖麻油/聚乙二醇的比例，该研究展示了如何设计形状记忆聚氨酯（SMPU）以在冷藏条件下实现精确的渗透性控制。此外，使用卷心菜作为模型蔬菜进行的实际食品保鲜测试验证了这些薄膜在延长货架期的同时保持新鲜度的功效。本研究的结果为下一代适应性包装解决方案铺平了道路，这些解决方案可以增强食品保鲜、减少环境影响并提高供应链效率。

相关图表

在实验中，研究人员以聚乙二醇（PEG）、六亚甲基二异氰酸酯（HDI）、1,4-丁二醇（BDO）和蓖麻油为主要基础成分，合成了三种形状记忆聚氨酯（SMPU）薄膜，分别标记为PU1，PU2，PU3。

PU1、PU2和PU3自支撑SMPU薄膜的形状记忆测试。左列展示测试开始前的薄膜，中列展示薄膜在35℃加热并在3 kg重物下折叠180°后的状态，右列则呈现薄膜在室温下的恢复情况。中列和右列的图像中分别标注了薄膜的固定角θfixed和最终角θfinal。最后一列给出了形状固定率（Rf）和形状恢复率（Rr）的比值。

食品包装测试结果显示，使用PU1、PU2、PU3和对照组包装的卷心菜叶片在冰箱中储存的情况。图(b)显示了对照组和不同SMPU薄膜配方包装的卷心菜叶片重量随时间的变化，图(c)为(b)中SMPU薄膜包装的放大图。此处，对照组指未加包装膜的储存容器。