Preparation of biodegradable CNTs-ZnO/cellulose membrane with photothermal antibacterial activity for food packaging application

식품 포장은 농산물의 신선도를 유지하면서 폐기물을 방지해야 하는 어려운 과제를 맡은, 우리 일상 식사의 조용한 수호자입니다. 수십 년 동안 그 해결책은 주로 플라스틱이었는데, 이는 내구성과 가벼움 덕분에 높게 평가받았으나 환경에 지속적으로 잔류하고 음식을 부패시키는 미생물을 능동적으로 차단하지 못한다는 점 때문에 비판을 받아왔습니다. 과학자들이 식물 섬유와 같은 천연 생분해성 대안으로 플라스틱을 대체하기 위해 오랫동안 노력해 왔지만, 이러한 친환경 소재들은 종종 자신이 담아야 할 미생물과 싸우는 힘이 부족했습니다. 과제는 지구에 안전할 뿐만 아니라, 독성 화학 물질이 음식으로 스며들지 않게 하면서도 빛의 에너지를 이용해 열을 발생시켜 박테리아를 죽이는 등 내부의 음식을 능동적으로 방어할 수 있는 포장재를 만드는 데 있습니다.

최근 중국 장쑤 대학교의 연구진은 천연 식물 섬유와 특수 나노입자 혼합물을 결합하여 이 문제를 해결하고자 하는 새로운 유형의 포장 막을 개발했습니다. 연구팀은 볏짚에서 추출한 식물의 주요 구조 성분인 셀룰로오스로부터 시작했습니다. 이 천연 기반 물질에 탄소 나노튜브와 산화아연 입자로 구성된 복합 재료를 첨가했습니다. 탄소 나노튜브는 빛을 흡수하는 능력이 뛰어난 탄소 원자로 이루어진 매우 가느다란 튜브 형태의 구조체이며, 산화아연은 박테리아를 죽이는 능력으로 알려진 광물입니다. 연구진은 이 구성 요소들을 함께 혼합하여 셀룰로오스 위에 증착함으로써, 부패에 대한 방패 역할을 하는 얇고 유연한 필름을 만들어냈습니다.

이 새로운 막의 가장 놀라운 특징은 빛을 열로 바꾸는 능력입니다. 연구진이 이 필름을 모사된 햇빛에 노출했을 때, 표면 온도가 급격히 상승했습니다. 1.8와트/제곱센티미터의 빛 강도에 노출된 지 단 2분 만에, 막의 표면 온도는 쾌적한 22.0도에서 뜨거운 67.2도로 치솟았습니다. 이러한 급격한 온도 상승은 많은 박테리아가 그러한 열 속에서 생존할 수 없기 때문에 매우 중요합니다. 연구 결과, 이 가열된 막을 *황색포도상구균(Staphylococcus aureus)*이나 *대장균(Escherichia coli)*과 같은 흔한 식중독균 근처에 두었을 때 박테리아의 성장을 효과적으로 억제하는 것으로 나타났습니다. 이 막은 특히 대장균에 대해 97.85% 이상의 성장 억제력을 보이며 매우 효과적이었으며, 황색포도상구균에 대해서도 65.66% 이상의 억제율을 보이며 강력한 저항성을 나타냈습니다.

박테리아를 열로 죽이는 능력 외에도, 이 막은 실제 식품 저장 상황에서 실용적인 해결책임을 입증했습니다. 연구진은 높은 수분 함량과 곰팡이에 취약한 특성 때문에 빠르게 상하는 과일인 신선한 딸기를 사용하여 이 재료를 테스트했습니다. 9일 동안 빛 조건 아래에서 새 막으로 감싼 딸기는 신선하고 탱탱한 상태를 유지했으며, 일반 플라스틱 필름으로 감싼 딸들을 덮었던 곰팡이의 징후를 보이지 않았습니다. 새 재료로 감싼 딸기는 무게 손실이 7%에 불과했는데, 이는 막이 수분을 잘 관리하여 과일이 너무 빨리 마르거나 너무 축축해지지 않도록 하면서도 숨을 쉴 수 있게 해준다는 것을 시사하는 유의미한 개선입니다.

또한 이 연구는 재료의 환경적 운명에 대해서도 다루었습니다. 수 세기 동안 지속될 수 있는 전통적인 플라스틱과 달리, 이 새로운 막은 자연적으로 분해되도록 설계되었습니다. 토양에 묻었을 때, 이 막은 며칠 이내에 눈에 띄게 분해되기 시작했으며 20일 이내에 미생물에 의해 대부분 분해되었습니다. 이러한 생분해성은 신선한 농산물의 유통기한을 연장하는 능력과 결합되어, 지구에 부담을 주지 않으면서 음식을 보호하는 포장의 앞날을 제시합니다. 연구진은 이 막이 여러 번의 가열 및 냉각 주기 동안 효과를 유지한다는 것을 발견했으며, 이는 포장 용도로 반복 사용하기에 충분히 안정적임을 나타냅니다. 햇빛의 단순한 힘을 활용해 열을 생성하고 퇴비화 가능한 천연 기반과 결합함으로써, 이 연구는 식품 포장이 그 식품만큼이나 지속 가능한 미래를 향한 유망한 발걸음을 제공합니다.