增塑剂对挤出和注塑加工热塑性大米蛋白性能的影响：从刚性材料到高延展性材料的可控设计

为解决石油基聚合物带来的环境问题，研究人员开展热塑性大米蛋白(RP)与尿素、甘油、山梨醇和木糖醇复合材料的挤出-注塑成型研究，获得拉伸强度超17 MPa的刚性材料及断裂伸长率超40%的高延展材料。通过DSC、DMTA等技术证实尿素晶体在RP基质中的嵌入机制，所有材料在3-4周内完全生物降解，为食品包装领域提供可持续解决方案。

　　

随着全球每年产生超过4亿吨塑料垃圾，石油基聚合物引发的环境危机日益严峻。传统塑料不仅依赖不可再生资源，其难以降解的特性更导致微塑料污染和生态链富集。在此背景下，生物基可降解材料成为研究热点，其中植物蛋白因其可再生性和完全堆肥特性备受关注。然而，蛋白质材料普遍存在机械性能不足、加工困难等瓶颈——例如大豆蛋白材料易吸湿，小麦面筋蛋白加工窗口窄，这些缺陷严重制约其工业化应用。

针对这一挑战，来自西班牙的研究团队创新性地选择年产量超7亿吨的稻米副产品——大米蛋白(RP)作为基质，通过尿素与多元醇协同增塑策略，在《Journal of Food Engineering》发表重要研究成果。该研究首次实现大米蛋白的挤出-注塑连续加工，开发出兼具优异力学性能和快速降解特性的可持续材料。

研究采用Xplore 15 HT微型共混挤出机(135°C, 100 rpm)和Xplore IM 12微型注塑机(135°C, 12 bar)完成材料制备。通过ISO标准方法测试力学性能，结合场发射扫描电镜(FESEM)观察微观形貌，并运用差示扫描量热仪(DSC)和动态热机械分析仪(DMTA)解析热行为特征。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学键变化，并依据ISO 20200标准进行堆肥降解实验。

4.1 加工扭矩演变
扭矩分析揭示RP/50U配方出现10 Nm的峰值扭矩，而添加15%甘油或山梨醇后扭矩升至15 Nm。这种变化源于山梨醇的六个羟基比甘油的三羟基形成更强氢键，导致熔体粘度增加。木糖醇体系则呈现中间特性，证实多元醇分子结构对加工性能的调控作用。

4.2 力学性能突破
纯尿素增塑材料展现惊人刚性：RP/50U的弹性模量达715 MPa，拉伸强度17.6 MPa，但断裂伸长率仅7.2%。引入甘油后材料发生"刚柔转换"，弹性模量骤降至62 MPa，但断裂伸长率飙升至41.9%，冲击强度从2.2 kJ/m²
提升至8.4 kJ/m²
。山梨醇和木糖醇体系则呈现平衡性能，证实通过增塑剂组合可实现材料性能的精准定制。

4.3 微观结构特征
FESEM图像显示所有样品均存在10-20 μm的针状尿素晶体，在RP/50U中呈现完美嵌入结构。加入多元醇后晶体分散更均匀，尤其在甘油体系中形成致密网络，这与DSC检测到的87-95°C熔融峰相互印证，证实尿素与多元醇形成共晶体系。

4.4 热行为解析
DSC首次加热循环在117-127°C出现尿素晶体熔融峰，二次加热时RP/35U-15G的玻璃化转变温度(T_g
)降至28°C。DMTA进一步揭示α松弛峰对应T_g
从纯尿素的72°C降至甘油体系的28°C，而β松弛峰(-39°C)反映小分子增塑剂的低温运动行为。

4.7 环境友好特性
堆肥实验显示所有材料4周内降解率超90%，其中木糖醇增塑样品2周即达80%降解率。FTIR证实尿素N-H键(3430 cm^-1
)与蛋白质酰胺I带(1678 cm^-1
)的氢键作用，这种可逆相互作用可能是快速降解的结构基础。

该研究开创性地证明：1) 尿素作为主增塑剂可赋予大米蛋白优异的加工性能，突破传统蛋白材料无法注塑成型的限制；2) 多元醇协同增塑策略实现材料从刚性到高弹性的可控调节；3) 晶体-非晶复合结构设计为开发生物基高性能材料提供新思路。特别值得注意的是，RP/35U-15G体系兼具41.9%断裂伸长率和6.5 MPa拉伸强度，其性能已接近低密度聚乙烯(LDPE)，而3-4周的完全降解周期远优于传统生物塑料PLA。这些发现为食品包装、农业地膜等一次性制品提供了理想的石油塑料替代方案，同时为谷物副产物高值化利用开辟新途径。

研究团队特别指出，尿素晶体在RP基质中的"自增强"效应与多元醇的增塑作用形成互补机制，这种"刚柔并济"的设计策略可拓展至其他植物蛋白改性领域。未来研究可进一步优化尿素/多元醇配比，并探索在医用敷料、缓释载体等高端领域的应用潜力。