基于淀粉、明胶和聚酯共混物的挤出吹塑可生物降解食品包装薄膜：综述

《Food Packaging and Shelf Life》：Extrusion-blown biodegradable food packaging films based on starch, gelatin, and polyester blends: A comprehensive review

　　

# 摘要

人们对塑料污染日益增长的关注推动了可降解薄膜作为传统包装塑料可持续替代品的研发。在现有的制造技术中，挤出吹膜是最具工业可扩展性且切实可行的生产高性能薄膜的工艺。本综述考察了适合挤出吹膜工艺的可降解聚合物的最新进展，重点聚焦于热塑性淀粉（TPS）、明胶、聚对苯二甲酸丁二酯-对苯二甲酸丁二醇酯共聚物（PBAT）、聚乳酸（PLA）和聚羟基烷酸酯（PHA）。针对高亲水性、弱界面粘附力和机械稳定性不足等固有局限性的关键策略包括相容化、共混和功能性添加剂的引入。基于脂质的添加剂提高了耐水蒸气渗透性，纳米粒子增强了机械强化效果，活性剂则赋予智能包装功能。化学改性、多层结构和复合结构等新兴方法进一步扩大了食品包装应用中薄膜性能的定制化机会。通过将配方设计与加工条件及最终使用性能相关联，本综述强调了迈向可规模化、环境友好型可降解薄膜的技术进展。尽管取得了显著进步，但与大规模生产、成本效益和法规协调相关的挑战仍未解决。然而，生物基和功能材料的持续创新凸显了这些薄膜在循环包装经济中的巨大潜力。

# 引言

塑料污染是全球关键的环境挑战，包装约占塑料消费总量的40%（Geyer等人，2017年）。聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）等石油基聚合物在环境中长期存留并碎裂为微塑料，这些微塑料在 aquatic食物网中富集并最终进入人类食物链，对生态系统和人类健康构成重大风险。如图1A所示，石油基塑料（如PE和PP）导致海洋和陆地污染，在水生和陆生生物体中积累微塑料。这种污染随后通过食物链传播，突显了对可持续替代品的迫切需求。可降解聚合物包括TPS、明胶、PLA、PBAT和PHA，是食品包装应用的有前景的替代材料（图1B）。然而，其工业应用受到机械性能差、高亲水性和成本高等因素的制约（Gao、Zhai、Cheng等，2022年；Katekhong等，2022年）。为应对这些局限性，采用了相容化、与疏水聚酯共混以及引入脂质、蜡质、纳米粒子和生物活性化合物等策略，以降低亲水性并增强阻隔和功能特性（图1C）。此外，可降解薄膜正从被动阻隔材料日益转变为能够延长保质期的活性包装系统。例如，ε-聚赖氨酸（ε-PL）可抑制面包包装中的微生物生长（Cheng等，2022年），而茶多酚（TP）则提供自由基清除活性（Zhai、Li等，2023年）。然而，这些添加剂可能破坏聚合物间的相互作用和加工稳定性，从而限制了工业化应用，凸显了配方精细设计的必要性。

这些多功能配方的成功工业应用依赖于材料设计和加工技术两方面。在现有工艺中，挤出吹膜被广泛用于可降解薄膜的生产。该方法将熔体挤出与气泡吹胀相结合，并诱导双轴取向，根据聚合物组成和加工参数影响机械和热学性能（Montilla-Buitrago等，2024年）。维持气泡稳定性对于生产均匀的挤出吹膜至关重要。当聚合物熔体缺乏足够的弹性和延展强度时，可能发生内部堆叠、不均匀膨胀或气泡破裂等不稳定性，导致薄膜厚度不均、缺陷或机械/阻隔性能下降（Cheng等，2021年；Liu等，2025年；Ostrowska等，2024年；Zhai等，2023年）。图1D提供了食品包装用淀粉基薄膜挤出吹膜工艺的示意图概览。此外，图1E总结了主要挑战和设计目标，包括摩擦管理、气泡强度、抗穿刺性、阻隔性能和混合材料集成。气泡稳定性在很大程度上受聚合物熔体流变学性质的控制，特别是其强度、弹性和应变硬化行为。这些性质主要由配方决定。例如，将淀粉与柔性聚酯如PBAT共混可增加熔体弹性和应变硬化，从而增强聚合物在气泡吹胀过程中抵抗拉伸应力的能力，进而稳定气泡形成并生产更均匀的薄膜（Y. Song、Sun等，2024年）。在淀粉/PHA体系中观察到类似趋势，其中适量PHA的加入改善了加工连续性和薄膜完整性，而过高的PHA含量则促进相分离和结构异质性（Sun等，2017年）。这些发现凸显了优化聚酯含量以平衡熔体稳定性、界面相容性和机械性能的重要性。除聚合物共混外，疏水脂质和蜡质也被引入多糖基薄膜中以降低亲水性并提高延展性。例如，用甘油增塑并掺入蜂蜡的淀粉-明胶基体表现出增强的柔韧性和降低的湿度敏感性（Cheng等，2023年）。淀粉/PBAT和PLA基共混物中的相容化策略改善了相界面上的应力传递，提高了抗张强度（TS）和抗断裂性（Bouzidi等，2023年；Zhai等，2024年）。然而，一项性能的改善往往以牺牲另一项性能为代价，凸显了完整配方优化的必要性。挤出吹膜还可实现多层结构，这是溶液浇铸方法难以实现的。共挤聚酯/淀粉三层体系将疏水阻隔层与可降解芯层相结合。一种代表性的P40三层薄膜在受控条件下（23 ± 2°C和53% ± 2%相对湿度）实现了14.84 MPa的抗张强度（TS）和257.83%的断裂伸长率（EAB），大幅超过单层淀粉基薄膜的性能（Wu、Wang等，2021年），展示了通过结构设计有效整合各项性能的可行性。

尽管取得了上述进展，仍存在若干关键局限。TPS体系表现出较差的热稳定性和熔体弹性，导致加工过程中气泡不稳定（Fonseca-Florido等，2025年）。增塑剂和纳米填料虽然改善了柔韧性，但若分散不良则可能削弱结构或引发热降解（Cheng等，2021年；Zhu等，2021年）。亲水性生物聚合物与疏水聚酯之间的不相容性促进相分离和弱界面粘附。在淀粉/PHA共混物中，低PHA含量产生相对均匀形态，而较高PHA含量则产生具有孔洞和团聚体的不连续结构，降低了拉伸性能（Sun等，2017年）。交联剂（柠檬酸、己二酸、硼砂或硼酸）改善了相容性并使抗张强度相比未交联体系提高42.5–90.4%（Sun等，2018年），但增加了成本和配方复杂性。阻隔性能仍是一个主要局限。亲水基体表现出较高的水蒸气渗透性（WVP），而蜡质、脂质和PHA等疏水添加剂可改善耐水性（Cheng等，2023年；Cheng等，2024年；Sun等，2017年）。有机改性蒙脱土（OMMT）、纳米ZnO和沸石等纳米填料通过创建曲折扩散路径降低气体和水汽渗透率（S. Gao等，2023年；H. Wang等，2025年），但可能阻碍可降解性（Val-Félix等，2022年），这体现了实现耐久性和可降解性并存的挑战。功能添加剂（ε-PL、纳他霉素、百里香酚、TP）增强了抗菌和抗氧化活性，但可能降低基体均一性并引发相分离（Cheng等，2022年；S. Gao、Zhai、Cheng等，2022年；Lian等，2022年；Zhai等，2024年）。淀粉改性、反应挤出相容化和纳米填料-生物活性复合系统等策略已被开发以解决这些问题（Bouzidi等，2023年；Wadaugsorn等，2022年；Wongphan等，2024年），反映了从单一组分优化向集成多功能设计的转变。

本综述综合了当前对挤出吹膜在可规模化生产具有定制机械、阻隔和功能特性的可降解薄膜方面的理解（图1F）。在相容化、多层设计和添加剂方面的进展凸显了替代石油基塑料的潜力。然而，流变学、相不混溶性、成本和环境稳定性方面的挑战仍然存在。将结构、加工和性能与应用相关联可以促进开发符合循环经济原则的挤出吹膜可降解薄膜。如图1G概念所示，最终目标是开发在循环经济框架下的环保包装，使可降解材料能够重新整合到生物循环中而不作为污染物积累，从而有效应对塑料污染造成的环境负担。

# 各节摘要

## 基础基质组分

可降解包装的性能由聚合物基质决定，基质定义了结构完整性、挤出吹膜行为、机械强度和阻隔效率。基质体系包括生物基聚合物（如淀粉和明胶）和具有热塑加工性的可降解合成聚酯。单一聚合物很少能满足所有功能需求，因此共混被广泛使用以集成强度、柔韧性和耐湿性。已报道的研究……

## 关键添加剂及其功能作用

生物聚合物基质的固有局限，如多糖和蛋白质的亲水性、TPS的机械薄弱以及某些聚酯的高成本或脆性，要求有意引入添加剂以实现适合包装的性能平衡。在挤出吹膜体系中，添加剂不是次要组分，而是决定熔体流变学、气泡稳定性、机械完整性、阻隔效率和表面特性的基本要素。

## 先进材料设计与加工策略

如表3所述，高性能可降解薄膜的开发日益依赖于化学改性、多层/复合设计和优化配方的协同集成，以克服生物聚合物的固有局限性。这些互补的设计和制造方法及其对性能提升的贡献在图4中展示。

## 薄膜性能表征

如表4所示，一种将分子和微观结构见解与功能性能相联系的集成表征方法对于设计和验证符合工业要求的可降解挤出吹膜至关重要。

## 应用与性能验证

挤出吹膜可降解薄膜得到最充分记录和最为关键的应用领域是食品包装，如表5所总结。其性能根据严格要求进行评估，包括抑制微生物生长、延缓氧化酸败、控制水分迁移以及保持易腐食品产品如颜色、质地和香气的质量。图7总结了这些关键保存目标，突出了微生物控制、延缓……

## 限制挤出吹膜可降解薄膜商业化的挑战

挤出吹膜可降解薄膜的科学进步体现了非凡的创新，从具有优越机械完整性的微交联淀粉/PBAT体系（S. Gao、Song等，2024年；Liu等，2025年）到多功能抗菌和智能包装设计（S. Gao、Sun等，2024年；S. Gao、Zhai、Cheng等，2022年）。尽管取得了显著进展，实验室可行性与工业实施之间仍存在巨大差距，这由材料……

## 结论

基于淀粉、明胶和聚酯共混物的挤出吹膜可降解薄膜代表了可持续食品包装的有前景的解决方案。单一生物聚合物无法满足复杂的工业要求，功能性来源于集成多组分体系。TPS提供可降解性和成膜能力，明胶贡献粘合力和氧气阻隔功能，PBAT、PLA或PHA等合成聚酯则提供柔韧性、疏水性或……

# 资助

本工作由泰山产业专家计划和山东省农业应用技术重大创新项目资助。

# CRediT作者贡献声明

Arif Rashid：写作——审阅与编辑、写作——初稿、软件、调研、概念化。
Mingyue Li：写作——审阅与编辑、验证、软件、调研。
Hanxue Hou：写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、验证、监督、调研、资金获取、概念化。
Mokhtar Dabbour：写作——审阅与编辑、写作——初稿、概念化。

# 利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

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山东农业大学食品科学与工程学院，山东泰安 271018，中国