《Applied Food Research》：Biodegradable trays based on cassava starch (
Manihot esculenta Crantz) and orange-fleshed sweet potato (
Ipomoea batatas L.) reinforced with sugarcane bagasse fiber
编辑推荐：
摘要
将淀粉来源与农工业残余物相结合，为开发可持续包装材料提供了一种有前景的替代方案。研究人员通过热压成型技术，利用木薯（Manihot esculenta Crantz）与橙肉甘薯（Ipomoea batatas L.）淀粉的共混物，并以甘蔗渣纤维增强，制备
摘要
将淀粉来源与农工业残余物相结合，为开发可持续包装材料提供了一种有前景的替代方案。研究人员通过热压成型技术，利用木薯（Manihot esculenta Crantz）与橙肉甘薯（Ipomoea batatas L.）淀粉的共混物，并以甘蔗渣纤维增强，制备了可降解托盘。研究人员评估了不同淀粉比例对托盘结构、力学及功能性能的影响。50/50木薯–橙肉甘薯共混物表现出最高的硬度（51.4 ± 1.8 N）和抗拉强度（15.15 ± 0.3 MPa），同时所开发的配方相较于对照托盘（35.94–67.05%）显示出较低的溶解度（8.33–11.24%）。研究还评估了溶胀指数、厚度、光学性质和吸油能力，突显了基质组成和纤维掺入的影响。生物降解测试显示，在土壤中质量损失迅速，32天后达到92.95–99.71%，并在盐水中发生崩解。利用莴苣（Lactuca sativa）种子进行的生态毒性试验显示，所有处理组的发芽率均为100%，表明无严重的植物毒性效应。这些结果凸显了以甘蔗渣纤维增强的木薯与橙肉甘薯淀粉共混物在生产用于鲜果包装的可降解托盘方面的潜力。
论文解读
**1. 研究背景与问题**
传统石油基塑料包装材料（如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和发泡聚苯乙烯（EPS））的大量使用引发了严重的环境问题。在此背景下，开发源自天然生物质且具备与传统塑料类似性能（如抗拉强度、热性能、断裂伸长率、水蒸气和氧气透过率）的生物基材料成为研究热点。淀粉因具有成本低、来源丰富、可再生、可生物降解以及可适配挤出、注塑和模压等传统工业加工技术的优势，被广泛用于食品包装用可降解材料的开发。然而，淀粉基材料固有的亲水性和相对有限的力学性能限制了其应用。为改善聚合物基体的物理性能，添加富含木质纤维素纤维的农工业残余物（如甘蔗渣纤维）是一种有效策略。此外，淀粉的来源（其理化性质）显著影响可降解托盘的密度、柔韧性和吸水性。
在秘鲁，木薯（Manihot esculenta Crantz）和橙肉甘薯（Ipomoea batatas L.）是极具农工业潜力的淀粉来源，但尚未被充分开发用于可降解包装制造。尽管已有针对单一淀粉（木薯淀粉或橙肉甘薯淀粉）的研究，但将这两种淀粉共混并通过热成型制造托盘的研究尚属空白。利用区域丰富且未被充分利用的秘鲁作物进行双淀粉特定组合，可通过调节直链淀粉–支链淀粉比例来改善材料的力学和阻隔性能，但此效应尚未被探索。因此，本研究旨在填补这一文献空白。
**2. 研究目标与技术路线**
本研究的核心目标是：开发基于木薯和橙肉甘薯淀粉共混物、并以甘蔗渣纤维增强的可降解托盘，系统评估淀粉组成对其理化、力学、微观结构、功能性能以及降解行为（包括生态毒性）的影响。具体研究内容包括：淀粉提取与表征、托盘制备、性能测试、降解动力学分析及植物生态毒性评估。通过热压成型工艺制备了五种配方托盘，包括纯木薯淀粉对照（Control AY）、纯橙肉甘薯淀粉对照（Control AC）、木薯淀粉+纤维（AYP）、橙肉甘薯淀粉+纤维（ACP）以及木薯/橙肉甘薯淀粉（50/50）共混+纤维（ACM）托盘。
**3. 研究结果与讨论**
**3.1 淀粉结构组成与分子表征**
木薯淀粉的直链淀粉含量为18.55±0.23%，支链淀粉为81.45±0.23%；橙肉甘薯淀粉的直链淀粉含量为21.0±0.17%，支链淀粉为79±0.17%。橙肉甘薯淀粉较高的直链淀粉含量限制了其溶胀能力，使其对照托盘（Control AC）的溶胀率（492.63%）低于木薯淀粉对照托盘（Control AY，539.23%）。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析显示两种淀粉在3292 cm?1（-OH）、2930 cm?1（C-H）及1632 cm?1（COO）等特征峰处结构相似。1047/1022 cm?1吸光度比值分别为0.70（橙肉甘薯淀粉）和0.72（木薯淀粉），表明木薯淀粉具有略高的结晶有序性。扫描电子显微镜（SEM）观察到木薯淀粉呈椭圆形颗粒（1.73±0.62 μm），橙肉甘薯淀粉颗粒较小（1.06±0.61 μm至1.87±1.23 μm），甘蔗渣纤维呈层状、角状碎片的木质纤维素典型结构。
**3.2 托盘理化性质**
含纤维托盘（AYP、ACP、ACM）的亮度值（L*）显著低于对照（60.44±2.93至62.41±1.49对比88.08±0.23至90.17±0.3），呈更暗、更偏黄红的色调，这与纤维的化学组成和高温热压过程中的美拉德反应及酚类化合物氧化有关。ACP的总色差（ΔE=43.35±2.54）最高。含纤维托盘的浊度（0.96±1.02）普遍高于对照，但ACP与对照AC无显著差异，表明纤维添加的效果依赖于具体配方。含纤维托盘的水分含量（3.18%至6.31%）显著低于对照（约9.7%）。在溶胀性方面，添加甘蔗渣纤维显著降低了托盘的溶胀指数。ACP（348.71±8.22%）和ACM（340.52±4.36%）的溶胀率最低，两者无显著差异。纤维的掺入也降低了托盘厚度，AYP最薄（2.50±0.12 mm），这可能归因于纤维对基体结构的改性作用。溶解度测试表明，含纤维托盘（8.33%至11.24%）相比对照（35.94%至67.05%）表现出显著更低的水溶性，这归因于甘蔗渣纤维素与淀粉链之间的氢键相互作用形成致密网络，以及硬脂酸镁的疏水效应。吸油能力（OAC）方面，AYP（9.67±0.31 g/g）显著低于其他配方（10.20至11.69 g/g），这可能与基体颗粒尺寸较大导致界面面积减小有关。
**3.3 力学性能**
ACM（木薯/甘薯50/50共混+纤维）托盘表现出最高的硬度（51.40±1.80 N）和抗拉强度（15.15±0.30 MPa），而ACP的硬度最低（28.40±2.31 N）。所有含纤维托盘的抗拉强度（12.85至15.15 MPa）均远高于无纤维对照托盘（4.45至5.60 MPa）。这证明甘蔗渣纤维的掺入有效增强了淀粉基聚合物基体。
**3.4 微观结构（SEM）**
对照托盘横截面呈高度多孔结构，含大量异质分布的大空腔。AYP由于纤维提供支撑，横截面更致密、孔径更小，表面更均匀。相比之下，ACP横截面呈非均质结构，表面粗糙且存在较多拓扑不连续，表明纤维在橙肉甘薯淀粉基质中分散不良且界面粘附性低，这与该配方较低的硬度值相印证。
**3.5 降解动力学**
土壤掩埋试验中，32天后所有托盘的质量损失为92.95±3.60%至99.71±2.63%，Control AY的降解速率常数最高（K=0.291 day?1，TM=14.62天，R2=0.96）。盐水浸泡试验的降解速率略低于土壤，ACM表现出最大的质量损失（91.63±2.36%）和最快的降解动力学（K=0.132 day?1，TM=15.35天，R2=0.96）。拟合的Logistic动力学模型R2在0.90–0.98之间，表明模型拟合良好。
**3.6 植物生态毒性**
利用莴苣（L. sativa）种子对托盘降解滤液进行的生态毒性试验表明，所有处理组的发芽率均为100%。根系生长方面，去离子水对照组（3.53±0.12 cm）和纯淀粉对照托盘（约3.15 cm）的根长最长，而含纤维处理组根长显著降低，其中ACP（1.83 cm）和ACM（1.73 cm）降幅最大（约48–51%），可能归因于渗透胁迫。茎长生长呈现相反趋势，除AYP外，各处理组的茎长普遍高于对照组。
**4. 讨论与结论总结**
讨论部分指出，托盘在土壤中的降解主要经历水渗透和酶促水解阶段，随后被微生物进一步分解。降解速率受聚合物化学结构、结晶度、分子量、颗粒形状与尺寸以及环境条件（如土壤质地、pH、电导率及微生物多样性）等多重因素影响。基于溶解度结果，研究将托盘的应用场景进行了分类：AYP与ACP（溶解度8.33–9.07%）适用于包装苹果、香蕉、橙子等低表面渗出、冷藏条件下易凝露的水果；ACM（溶解度11.24%）适用于低水分活度和低湿度暴露的产品（如面包、坚果）。
研究结论如下：木薯和橙肉甘薯淀粉共混物辅以甘蔗渣纤维增强，是生产具有良好结构和功能性能的可降解托盘的可行方案。所得托盘的溶解度较低（8.33–11.24%），其中ACM配方在力学性能上表现优异，且具有突出的土壤和盐水降解性。该研究为利用秘鲁本地丰富的淀粉资源和农工业残余物开发可持续食品包装材料提供了科学依据和技术支持，有助于推动可降解包装的工业化应用。
