Electrospun Nanofibrous Architectures for Food Packaging: A Review of Pore Engineering, Permeability Control, and Sustainability.

چکیده اصلی

Fresh food spoils rapidly when packaging cannot balance gas exchange with moisture and microbial barriers. Conventional plastic films generally fall short of these combined demands. This review examines electrospun nanofibrous architectures (NFAs) as next-generation sustainable food packaging platforms. Beyond covering fabrication fundamentals, we explore how processing parameters, polymer crystallinity, and pore structure together control oxygen permeability (OP) and water vapor permeability (WVP), which determine preservation performance. Building on these insights, we highlight the emerging role of machine learning (ML) in predicting fiber morphology and optimizing pore design, offering a data-driven route to minimize empirical trial-and-error in material design. However, its current applicability is constrained by data scarcity and generalizability challenges. We also identify greener fabrication routes, including solvent-free melt electrospinning and bio-based, renewable solvents, as key steps toward sustainability. The review further covers smart packaging systems, in which biopolymer blends act simultaneously as integrated freshness sensors that detect spoilage indicators, such as total volatile basic nitrogen (TVB-N), and as carriers for the controlled release of antimicrobial and antioxidant agents. In addition, a techno-economic assessment shows that scaling up the production of electrospun NFAs is commercially attractive for specific high-value food sectors, particularly with high-throughput configurations. Collectively, electrospun NFAs represent a scalable, tunable platform for active food preservation. Future progress will rely on standardizing safety and migration protocols, developing closed-loop solvent recovery systems, and building the large, shared datasets needed to make ML models genuinely transferable across laboratories and polymer systems.

ترجمه فارسی چکیده

بسته‌بندی‌های سنتی فیلم‌های پلاستیکی معمولاً در برآورده کردن هم‌زمان تقاضاهای تعادل مبادله گاز و مانع رطوبت و میکروبی ناکافی هستند. این مرور معماری‌های نانوتیغه‌ای الکترواسپان (NFAs) را به عنوان پلتفرم‌های بسته‌بندی مواد غذایی پایدار نسل بعدی بررسی می‌کند. علاوه بر پوشش اصول ساخت، بررسی می‌کند که چگونه پارامترهای فرآیند، بلورینگی پلیمر و ساختار منافذ به طور مشترک نفوذپذیری اکسیژن (OP) و نفوذپذیری بخار آب (WVP) را کنترل می‌کنند که عملکرد حفاظت را تعیین می‌کنند. بر اساس این بینش‌ها، نقش ظهور یادگیری ماشین (ML) در پیش‌بینی شکل‌ظاهر تار و بهینه‌سازی طراحی منافذ را برجسته می‌کند، که مسیری داده‌محور برای کاهش آزمایش و خطا در طراحی مواد ارائه می‌دهد. با این حال، کاربرد فعلی آن محدودیت‌هایی مانند کمبود داده و چالش‌های تعمیم‌پذیری دارد. همچنین مسیرهای ساخت پایدارتر، از جمله الکترواسپان ذوب بدون حلال و حلال‌های مبتنی بر زیست‌تولید، به عنوان گام‌های کلیدی به سمت پایداری شناسایی می‌شوند. مرور همچنین سیستم‌های بسته‌بندی هوشمند را پوشش می‌دهد، در آن‌ها مخلوط‌های بیوپلیمر به عنوان همزمان حسگرهای یکپارچه تازگی عمل می‌کنند که نشانگرهای فساد، مانند نیتروژن بازیاب کل متحرک (TVB-N) را تشخیص می‌دهند و حامل‌های آزادسازی کنترل‌شده عوامل ضد میکروبی و آنتی‌اکسیدانی هستند. علاوه بر این، ارزیابی فنی-اقتصادی نشان می‌دهد که مقیاس‌پذیری تولید NFAs الکترواسپان برای صنایع غذایی خاص با ارزش بالا، به ویژه با پیکربندی‌های با ظرفیت بالا، جذاب تجاری است. در مجموع، NFAs الکترواسپان یک پلتفرم مقیاس‌پذیر و قابل تنظیم برای حفاظت فعال مواد غذایی هستند. پیشرفت‌های آینده به استانداردسازی پروتکل‌های ایمنی و مهاجرت، توسعه سیستم‌های بازیافت حلال حلقه بسته و ساخت مجموعه داده‌های بزرگ و مشترک مورد نیاز برای اینکه مدل‌های ML واقعاً قابل انتقال بین آزمایشگاه‌ها و سیستم‌های پلیمری باشند، وابسته است.

متن کامل اصلی