一、生物工程包裝材料的概念

什么是生物材料?由于生物材料的內涵豐富，而且從事生物材料研究的又是來自于不同領域的科學工作者，因此目前對生物材料尚無一個很確切的定義。廣義的生物材料可以理解為一切與生物體相關的應用性材料。按其應用可分為生物工程材料、生物醫用材料和其它生物應用材料。而按生物材料來源可分為天然生物材料和人工生物材料;與此同時材料學的發展使有些材料兼具天然和人工合成的特性。狹義的生物材料指的是能夠用來制作各種人工器官和制造與人工生理環境相接觸的醫療用具和制品的材料，即生物醫用材料及生物包裝材料。

本文所指的生物包裝材料是指生物工程材料中的包裝材料。其定義是，指利用生物技術，并與生物體相關的包裝應用性材料。或稱為生物工程包裝材料。

二、生物工程包裝材料的現狀與趨勢

當代生物材料產業發展迅速，尤以生物工程材料中的包裝材料和生物醫用材料的發展最為迅猛。

在包裝材料方面，眾所周知，由于人類的生產和生活活動在自然界中遺棄了很多不能自然降解的塑料制品，造成的白色污染是世界各國在工業化之后遇到的最嚴重的環境和社會問題之一。在過去的50年中，石油塑料和各種聚合物在包裝上的應用增長是驚人的，現在全球每年生產1.5X108t價值1500億美元的各種塑料相關材料。對此國內外已經提出了很多解決方案，但大都只能部分解決污染問題或用污染轉移的方法來掩蓋。現在很多發達國家已經通過立法來減少非環保塑料的使用，我國也作出相應的規定。這些都為生物可降解塑料的開發使用提供了很好的機遇。同時世界范圍的石油緊張也是促使可持續發展的生物包裝材料走向市場的動力。與生物包裝材料相比，當代生物用材料已更為產業化，其中生物醫用材料及制品已占到全球醫療器械市場份額的一半。而在我國等發展中國家，生物醫用材料增長則更快。

預計在今后15—20年間，生物醫用材料產業可達到相當于藥物市場份額的規模。與此同時，隨著生物材料前沿研究不斷取得進展，將開拓更為廣闊的市場空間，并為常規材料的改進和創新提供導向。

三、幾類形成熱點的生物工程包裝材料

在生物材料中，人工合成的生物材料是研究得最早最多的，研究得較多的還有生物陶瓷、無機材料、金屬及合金材料等。其中金屬材料應用最早，已有數百年的歷史。、而羥基磷灰石是另一種現在研究得較多的合成生物材料，它是哺乳動物硬組織的主要無機成分。自從20世紀70年代日本的青木秀希和美國的Jarcho成功地人工合成了羥基磷灰石，它便成為硬組織修復材料的研究熱點。

隨著人們對于環保要求的提高，同時也是應生物材料自身生物化的要求，天然及半天然的生物材料受到越來越多的重視。天然生物材料就是由生物過程形成的天然材料，如貝殼、骨、牙齒、蠶絲、蜘蛛絲、木材、蛋殼、皮膚、腱等。由于生物材料是由千萬年進化形成，因陋就簡，其特有的結構導致天然生物材料具有很多較合成材料優異的綜合性能。而眾多的這類材料中，由生物合成的乳酸聚合而成的聚乳酸(PLA)作為天然材料的典型代表，因其良好的性能及同時兼具生物工程材料和生物醫用材料應用特性，成為近年來研究最活躍的生物材料。

(一)聚乳酸(PLA)

聚乳酸是由生物發酵生產的乳酸經人工化學合成而得的聚合物，但仍保持著良好的生物相容性和生物可降解性。具有與聚酯相似的防滲透性，同時具有與聚苯乙烯相似的光澤度、清晰度和加工性。并提供了比聚烯烴更低溫度的可熱合性，可采用熔融加工技術，包括紡紗技術進行加工。因此聚乳酸可以被加工成各種包裝用材料，像農業、建筑業用的塑料型材、薄膜，以及化工、紡織業用的無紡布、聚酯纖維等。而PLA的生產耗能只相當于傳統石油化工產品的20%—50%，產生的二氧化碳氣體則只為相應的50%。

除作為包裝材料以外，PLA可成為這些藥物包裹材料、組織工程材料中的研究熱點之一。PLA可制成無毒并可進行細胞附著生長的組織工程支架材料，其支架內部可形成供細胞生長和運輸營養的多孔結構，還可為支持和指導細胞生長提供合適的機械強度和幾何形狀。其缺點是缺乏與細胞選擇性作用的能力。PLA在生物醫用材料中的應用是廣泛的，可用于醫用縫合線(無須拆線)，藥物控釋載體(減少給藥次數和給藥量)，骨科內固定材料(避免了二次手術)，組織工程支架等。

目前國際市場上出售的PLA有5種:

(1)(ECOPLA)美國CargillDow公司產品，1998年建成3600t/年的半工業化裝置，當年底生產能力擴大一倍。在Nebrasla的廠子2002年可生產7X10St的PLA，在2003年達到1X106t(其生產能力為1.5X106t/年)。CargillDow公司首先和日本的4家打算用PLA做應用包裝材料的企業(PacificDunlop，Sony，NTFDocomo和MitsdubishiPlastics公司)合作。然后再擴展到歐洲和美國(上述信息來自CargillDow公司主頁:WWW.cdpoly。com)。

(2)LACEA日本三井化學公司產品，生產能力500t/年。

(3)LACTY日本島津制作所產品，主要生產聚乳酸薄膜。生產能力1000t/年。

(4)CPLA大日本油墨與化學工業公司產品，生產能力1000t/年，在今后幾年內，該公司將建成幾千噸的CPLA裝置。

(5)HEPLON美國Chronopol公司產品，2000t/年，計劃建成一套世界級的生產裝置。

在PLA作為塑料產品方面，國外一家企業——Chronopol公司將PLA的生產成本由80000—120000元/t降低到30000—40000元/t;國內總生產成本至少為45000元/t，略高于美國。而通用塑料，如聚丙烯價格低至6200元/t，僅為PLA成本的1/7左右。要使聚乳酸大量用作包裝材料和一次性用品，其價格應降低到20000元/t以下，才有一定的市場接受性。所以加快相應的研究開發有著重要的社會效益。但目前PLA絕大多數的生產加工和應用專利仍掌握在一些發達國家手中，因而我們要很好地發展PLA產業必須在基礎應用研究中更多地投入，以期取得我們自己的自主知識產權。今后人工合成生物材料的生物化和多種材料的復合研究將受到重視。

現在全世界塑料的年生產量為1.5X10St，而其中目前可為PLA替代的為2X105t(如果有足夠生產量的話)。而隨著石油產品的價格上漲，PLA產品的環保性能優勢逐漸體現，PLA將占有更多的市場份額。根據日本有關專家預測，若干年內全世界對聚乳酸制品的年需求量將達到3X106t，對聚乳酸的發展將是一個很大的促進。因此進一步降低乳酸的發酵成本，改進乳酸的聚合工藝，提高PLA在組織工程上的應用性將是PLA研究的重點。

(二)聚羥基脂肪酸酯(PHA)

近20多年迅速發展起來的生物高分子材料——聚羥基脂肪酸酯(PHA)，是很多微生物合成的一種細胞內聚酯，是一種天然的高分子生物材料。因為PHA同時具有良好的生物相容性能、生物可降解性和塑料的熱加工性能。因為同時可作為生物醫用材料和生物可降解包裝材料，這已經成為近年來生物材料領域最為活躍的研究熱點。PHA還具有非線性光學性、壓電性、氣體相隔性很多高附加值性能。

天然的或合成的生物可降解的高分:材料往往有很高的水蒸氣透過性，這在食品保鮮中是不利的。而PHA則具有良好的氣體阻隔性，使其可能應用在較長時間的鮮品保鮮包裝上。因為水汽的穿透是保鮮包裝中的重要指標，PHA在這一點上的性能是完全可以和現在的PET、PP等產品等相比的。另—方面，PHA’還具有較好的水解穩定性，將PHA用75℃的自動洗碗機總洗20個循環，PHA制成杯的形狀和分子量都沒有發生變化，表明PHA可以很好地用于器具生產。此外與其它聚烯烴類、·聚芳烴類聚合物比，PHA還具有很好的紫外穩定性。PHA還可作為生物可降解的環保溶劑的來源，如乙基羥基—酸EHB(ethyl3—hydroxy—butyrate)是水溶性的，聚有低揮發性，可以用于清潔劑、膠)粘劑、染料、墨水的溶劑。正因為PHA匯集了這些優良的性能，使其可以在包裝材料、粘合材料、噴涂材料和衣料、器具類材料、電子產品、耐用消費品、農業產品、自動化產品、化學介質和溶劑等領域中得到應用。

(1)與PLA等生物材料相比，PHA結構多元化，通過改變菌種、給料、發酵過程可以很方便地改變PHA的組成，而組成結構多樣性帶來的性能多樣化使其在應用中具有明顯的優勢。根據組成PHA分成兩大類:一類是短鏈PHA(單體為C3-C5)，一類是中長鏈PHA(單體為C6-C14)，這些年已有報道菌株可合成短鏈與中長鏈共聚羥基脂肪酸酯。PHA的生產經歷了第一代PHA——聚羥基丁酸酯(PHB)，第二代PHA——羥基丁酸酸共聚酯(PHBV)和第三代PHA—羥基丁酸已酸共聚酯(PGBHHx)的生產，而第四代PHA羥基丁酸羥基辛酸(癸酸)共聚酸[PH-BO(PHBD)]尚處于開發階段。其中作為第三代PHA的PHBHHx是由清華大學及其合作企業實現了首次大規模生產。與傳統化工塑料產品的生產過程相比較，PHA的生產是一種低能耗和低二氧化碳排放的生產，因此從生產過程到產品對于環境保護都是很有利的。

(2)PHA生產的另一條可行的途徑是利用轉基因植物來實現。PHA在植物中的合成，可以利用光能消耗二氧化碳，成為一種可持續、可再生的材料生產方式。現在已在煙草、馬鈴薯、棉花、油菜、玉米、苜蓿等植物中實現了包括PHB、PHBV以及中長鏈PHA等不同PHA的合成。而其中在馬鈴薯塊根中的PHA合成是最具生產前景的。目前PHA的價格還很難和石油化工塑料相競爭，而聚丙稀的價格低于1美元/kg，而一些最便宜的生物可降解塑料的價格為3-6美元/Kg，而當今理想的PHB的生產成本為4美元/kg，隨著規模的擴大，生產成本將進一步降低，但很難達到2-3美元/kg，這主要是由于細菌發酵底物成本所決定。但通過轉基因植物的PHA合成，有望將PHA的成本大大降低，因為植物利用二氧化碳和太陽能生產植物油和淀粉的成本分別為0.5-1美元/kg和0.25美元/kg，另外植物中PHA的提取過程也有了較好的研究，提取成本不高于細菌中PHA的提取成本。PHA在植物中的生產將使經濟作物的可再生資源使用大大地邁進，這個項目的成功可能使到2020年植物生產基本化學原料和材料中可更新資源的使用達到現在的5倍。

PHA因其良好的生物降解性和生物相容性在藥物緩釋體系中發揮著越來越重要的作用。最早的PHA作為藥物釋放包裹微球的研究是1983年對于PHB的研究，之后隨著PHBV的發展，PHA的藥物包裹研究帶來了很大的進展。研究表明可通過調節PHA的單體組成、分子量、藥物包裹量、包裹顆粒大小實現藥物的可控速率釋放。此外，很多學者還利用PCL等其他聚合物與PHA進行混合包裹藥物的研究也取得了一定的成果。在PHA近十年的研究熱潮中，雖然在生產和應用方面的主要技術專利仍掌握在美、歐、日等發達國家和地區中，但我國這幾年在這方面的研究取得了長足的進展，在生產方面掌握了一些具有自主知識產權的菌種和后期工藝，特別是近兩年在組織組織工程研究方面有較好的研究成果，已有多項專利處于申請公開期，這些為PHA作為我國有自主知識產權的生物材料今后的產業化打下了良好的基礎。

PHA既是一種性能優良的環保生物塑料，又具有許多可調節的材料性能，其隨著成本的進一步降低以及高附加值應用的開發，將成為一種成本可被市場接受的多應用領域生物材料。由于它是一個組成廣泛的家族，其從堅硬到高彈性的性能使其可以適用于不同的應用需要。PHA的結構多樣化以及性能的可變性使其成為生物材料中重要的一員。相對于PLA，PHA發展的歷史很短，發展的潛力更大，其應用的空間也更大。

四、我國環保包裝材料市場的展望

生物材料作為最具發展潛力的材料，有其廣闊的市場前景，我國是人口大國，因此也是生物材料和包裝材料的需求大國。但是我國生物材料及器械國內產品單一，技術落后，科研與產業脫節，70%-80%要依靠進口，基礎研究水平不高直接制約了新技術和新材料的開發和應用。到目前為止，生物材料的主要知識產權仍掌握在美、歐、日等發達國家。

我國生物材料發展還未能成為一門真正的產業，生物材料研究尚未得到足夠的經濟支持，除了跟我們的基礎研究水平不高有關，還與科研機構和產業部門脫節、產業部門未充分認識生物材料在未來世界經濟產業中的重要地位有關。當然這也與科研成果尚未給企業帶來較好的經濟效益，損害企業的投資積極性密不可分。要解決個問題，改變我國生物材料依賴進口的狀況，需要科研部門和產業機構更好的相互信任與合作。隨著有關部門和研究機構對PHA的研究和開發工作重視程度的提高，我國將產生越來越多的生產和應用知識產權。由于PHA材料的結構和功能的多樣性，PHA將能適應各種不同的應用要求，特別是PHA的生產符合可持續發展的要求，有可能成為一個大的支柱產業。

現在在環保包裝材料市場，由于我國的法律較發達國家滯后，因此市場尚未被充分開發，因而國際上的大公司尚未給予充分的重視。只要我們在技術上能夠和國際水平競爭，那么我國的生物包裝材料將有很強的市場競爭能力，將在市場需求必然不斷擴大的未來占據有利位置。

可生物降解包裝材料以不斷加快的速度被優化

過去幾年，可生物降解的以生物為原料的包裝材料以不斷加快的速度被優化。下一代產品具有更好的性能和更有吸引力的價格。增長速度大大加快。盡管這種產品向消費者提出訴求，但是可生物降解包裝材料仍是一個持續成長的特殊市場。

最近在幾個國家進行的研究顯示，消費者對生物科技包裝材料非常感興趣，更有趣的是，消費者原因為此支付更多的錢。美國市場研究機構Grapentine公司最近的一項研究發現，41％的美國消費者和59％的歐洲消費者非常渴望購買以天然材料制成的環保材料包裝的食品。其中大約77％的歐洲消費者愿意為此多付5歐分，而74％的美國消費者愿意多付10美分。

這些方向印證了國際可生物降解聚合物協會及工作組(IBAW)2001年在德國進行的一項研究，通過調查卡賽爾的600位市民發現，三分之一的消費者愿意以0.15歐元購買購物袋，而對于一個可生物降解的酸奶盒，他們原因額外支付0.05歐元。

然而，值得留意的是，市民和消費者這兩個角色在同一個人身上的表現可能有天壤之別。作為市民，人們可能為了環保而愿意為可生物降解包裝材料多付一些錢，但是在超市里，大部分的消費者都是精打細算的。

可再生的資源

生物聚合物根據來源和加工方法分為不同的種類，第一類就是直接從天然材料中提取的包裝材料；第二類是以可再生的生物化學單體合成的材料；第三類是以微生物或轉基因細菌生產的包裝材料。

天然可生物降解的包裝材料一般包含以土豆、玉米、小麥、糠麩、大米等的淀粉和纖維素制成的多聚糖和乳清、酪蛋白、麥麩、大豆、膠原質等蛋白質，甚至可以使用食品工業的殘渣。

這個市場廣泛采用淀粉為原料是因為其價格便宜，而且，但淀粉被制成熱塑性塑料后，其二氧化碳和氧氣隔絕性能優異，而且加工性良好。

更好的防水性能

以淀粉為原料的主要問題是其容易吸水。為了達到更好的防水效果，需要與其它天然或是合成的可降解聚合物混合，或者添加不同來源的添加劑。

通過改性和添加劑的作用，這些混合物質具有更高或是更低的水汽敏感度和氣密性。熱塑性淀粉含有70％-90％的淀粉，但是其中40％-60％的淀粉卻是許多混合物，添加劑的使用提高了原料的成本。因而，這方面的研究主要是減少添加劑的用量，例如使用新的納米組分而不是淀粉或是改性粘土顆粒。

例如紙張或是卡紙等未經改性的纖維素材料具有較差的氣密性和防潮性能，因而除非是干貨，一般很少用來作為外包裝材料。改性的纖維素和纖維素衍生物材料，主要是聚碳酸酯等聚合物用于這一方面還是有些昂貴。

產品多樣

聚乳酸（PLA）是人工合成的可生物降解包裝材料的范例。PLA由乳酸單體聚合而成，在不同的食品包裝領域提供不同的性能。

PLA可以制成結晶或是透明的形態，可以吹膜、注塑以及涂層，既可以單獨使用也可以與其它天然原料制成的聚合物混合使用。例如，PLA經常與淀粉混合以提高降解性能、降低成本。

第三類的可生物降解包裝材料用微生物制成，包括多羥基鏈烷酸酯(PHAs)，而聚羥基丁酸酯(PHB)最為普遍。PHAs目前的價格仍比較高，但是從技術角度來看，用途會非常廣泛，吹塑、注塑、拉膜、涂層都可以。也可以與熱塑性淀粉等可生物降解材料混合。PHAs用于食品包裝有個有趣的特性那就是水汽透過率非常低，與低密度聚乙烯接近。

生物聚合物的市場

根據IBAW的統計，可生物降解包裝材料是個特殊的小市場，2001年的數字顯示歐盟可生物降解產品的消費量為2.5-3萬噸，而傳統聚合物的用量高達3500萬噸。塑料包裝協會預計2010年傳統聚合物的用量將達到5500萬噸，IBAW預計可生物降解產品的用量屆時會達到50-100萬噸。可生物降解材料最終可能會占據10％的市場份額。

這一樂觀的估計是基于可生物降解產品不斷改善性能做出的，其中包括防水性、氣密性、透明度、印刷性能、加工性能等。

盡管與傳統聚合物相比，可生物降解產品的價格依然偏高，但是未來會逐步降低，首先是以淀粉為原料的聚合物然后波及其它材料。最終，不斷增長的消費需求將驅動可生物降解包裝材料的材料增長。

改善的形象

歐洲一些主要的零售商采取的行動推廣可生物降解包裝材料映襯出消費者需求的增加。

意大利一家連鎖超市IPER的銷售總監Mario

Spezia表示，客戶對以環保方式生產和包裝的食品比較感興趣，他們知道以可再生資源生產的包裝材料的好處。IPER在2002年推出可生物降解包裝材料以來，用量增加了一倍以上。

目前，可生物降解包裝材料在熟食、奶酪等新鮮食品包裝方面的用量還非常有限，在包裝黃瓜用的收縮膜、裝橙子的網袋、包裝蔬菜用的保鮮膜以及裝方便食品用的熱成形盒子等也是如此。較高的水汽隔絕性能可以讓水果、蔬菜保持新鮮，而聚乳酸的氣密性能夠使產品更加新鮮脆嫩。

總而言之，可生物降解包裝材料作為傳統聚合物的環保型替代物將不斷獲得進展，特別是零售商比食品生產商更加有興趣推動這方面的發展，因為他們控制著生鮮食品市場。

生物聚合物的優點

毫無疑問，與傳統聚合物相比可生物降解材料較高的價格在對比兩者的優點時必須要考慮，除了環保之外，可生物降解材料的優點還在于：

營銷優勢：這種包裝材料有利于宣傳環保食品的概念；

功能優勢：延長保質期、氣密性、可食用、紡靜電、方便、衛生、可生物降解等；

法律/成本優勢：根據歐洲包裝廢物處理規定，集中堆放是包裝材料回收和再利用的方式之一。一些國家對可生物降解材料征收較低的稅收。

產品識別標簽

可生物降解包裝材料必須滿足歐洲標準13432的要求，合格的產品可以貼上可生物降解的標簽，保證該產品具有這一性能。

德國、瑞士、荷蘭、英國和波蘭已經接收這一標簽，對于以特殊處理系統處理的可降解包裝材料會加上一個六邊形的標識，這一標識已經在德國開始使用，很快將引入英國。

IBAW希望在全球范圍內協調可生物降解材料的認證和標識工作。美國和日本的可生物降解聚合物協會也持類似觀點。美國的可生物降解聚合物研究所和日本的可生物降解聚合物公會已經就產品認證的推廣和協調達成協議。