高性能食品包装のための亜麻繊維で強化した持続可能なキトサン系バイオ樹脂複合材料

Sustainable chitosan bio-resin composites reinforced with flax fibers for high-performance food packaging.

抄録

本研究では、食品包装における石油由来プラスチックの環境影響に対処するための持続可能な代替品として、キトサンをベースとしたバイオ樹脂複合材料を開発するための革新的な戦略を提案する。キトサンマトリックスは、可塑剤としてソルビトール（50％w/v）、架橋剤としてゲニピン（0.1％w/v）の相乗的配合により強化され、機械的・機能的性能が大幅に向上した。さらに亜麻短繊維（5wt%）で強化した結果、キトサン-亜麻繊維（CS/FF）複合体は、引張強度が220%向上し、11.20MPaに達し、熱安定性も向上し、劣化開始温度は350℃に達した。この複合材は、98％の紫外線遮断効率、微生物の増殖を90％減少させる優れた抗菌活性、30日以内の完全な生分解性など、卓越した機能特性を示した。さらに、バナナの保存試験では、従来の包装材料と比較して保存期間が大幅に延長された。これらの知見は、CS/FF複合材料が、スマート食品包装用途の高性能で生分解性の代替材料として、高度な機械的・機能的特性と効果的な食品保存能力を兼ね備えた環境的に持続可能なソリューションを提供する可能性を強調するものである。

This study proposes an innovative strategy for developing chitosan-based bio-resin composites as sustainable alternatives to address the environmental impacts of petroleum-derived plastics in food packaging. The chitosan matrix was enhanced using a synergistic formulation of sorbitol (50 % w/v) as a plasticizer and genipin (0.1 % w/v) as a cross-linking agent, which significantly improved its mechanical and functional performance. Further reinforcement with short flax fibers (5 wt%) resulted in a chitosan-flax fiber (CS/FF) composite with a remarkable 220 % increase in tensile strength, reaching 11.20 MPa, and an enhanced thermal stability with an onset degradation temperature of 350 °C. The composite demonstrated exceptional functional properties, including 98 % UV-blocking efficiency, superior antibacterial activity with a 90 % reduction in microbial growth, and complete biodegradability within 30 days. Additionally, preservation trials on bananas showed a broad extension in shelf life compared with conventional packaging materials. These findings highlight the potential of CS/FF composites as high-performance, biodegradable alternatives for smart food packaging applications, offering an environmentally sustainable solution that combines advanced mechanical and functional properties with effective food preservation capabilities.