综述：可持续的淀粉基阻隔材料：为无塑料食品包装的未来带来的功能性突破

《Food Chemistry》：Sustainable starch-based barrier materials: functional advancements for a plastic-free food packaging future

　　

常梦瑶|刘丽琴|刘晓峰|徐青良|程正白|陆斌|安兴业

国家生物基纤维材料重点实验室，天津造纸与纸浆重点实验室，中国轻工造纸与生物精炼重点实验室，中国纺织工业高性能纤维湿法非织造材料重点实验室，天津科技大学，泰达第13街29号，天津300457，中国

摘要

面对日益严重的全球塑料污染危机以及日益严格的石油基包装监管限制，开发可持续和可生物降解的替代品已成为食品包装行业的当务之急。由于淀粉具有独特的结构性能、可再生性和环境适应性，因此被视为一种领先的候选材料。通过化学改性或物理加工，基于淀粉的材料可以实现显著提高的对水蒸气、氧气和油脂的阻隔性能。本文系统地回顾了基于淀粉的阻隔材料在食品包装领域的应用潜力，重点介绍了其制备技术的最新研究进展、多维度阻隔性能和应用场景。大规模采用基于淀粉的材料作为石油基塑料的替代品取决于成本优化和工业化方面的突破。随着绿色化学和循环经济的深入整合，基于淀粉的阻隔材料有望成为主流解决方案，推动包装行业的可持续、高性能和功能多样化的转型。

引言

自20世纪问世以来，塑料在包装领域一直占据主导地位，尤其是在食品包装方面，这归功于其多功能性、成本效益和轻质特性（Gon?alves等人，2024年）。然而，全球塑料污染危机日益严重，食品包装中使用的石油基塑料导致了废物积累、微塑料扩散和生态系统破坏（Mujtaba等人，2022年）。全球包装食品市场的增长率约为5%，2020年的市场规模达到1.9万亿美元，预计到2030年将增长到3.4万亿美元（Kumar和Deshmukh，2021年）。在过去六十年中，全球每年塑料产量从1950年的200万吨增加到2015年的3.81亿吨（Kan和Miller，2022年）。包装行业成为塑料的主要应用领域，占总用量的近40%（Geyer等人，2017b）。传统塑料因其不可生物降解性和对有限化石资源的依赖而成为全球环境治理的核心关注点（Geyer等人，2017a）。食品包装技术必须在保持食品质量、成本效益和遵守严格法规（如欧盟的SUPD和中国“塑料禁令”政策）之间取得平衡（Costa等人，2014年）。

食品包装技术的核心在于在确保食品质量的同时，控制材料成本、降低能源消耗并符合环境法规（March和Bugusu，2007年）。像欧盟的SUPD和中国的“塑料禁令”这样的更严格政策要求减少石油基塑料的使用，并推广可持续替代品（Shanbhag等人，2023年）。这强调了开发和使用可生物降解、可再生包装材料的迫切需求，这是学术界和工业界的战略性优先事项，以减轻污染并遵守不断发展的废物管理标准（Leite等人，2020年）。

食品包装材料的主要关注点应该是确保食品安全。标准化的迁移测试是评估食品接触材料安全性的关键方法，主要依据欧盟法规第10/2011号、中国的GB 31604.1–2023和GB/T 23296.1–2009等标准。在测试过程中，必须根据接触的食品类型选择适当的食品模拟物，并根据实际使用条件设置时间和温度组合。天然生物聚合物（如淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、壳聚糖和天然纤维）因安全性、可生物降解性和环境适应性而在食品包装中越来越受到重视（Chen等人，2024年）。正如Dirpan等人（2023年）所指出的，包括淀粉、纤维素和壳聚糖在内的天然生物聚合物因其安全性、可生物降解性和环境适应性而在食品包装中的使用日益受到重视，这减少了対不可再生石油资源的依赖，并符合循环经济的原则（Dirpan等人，2023年）。特别是淀粉，因其出色的成膜性能和低成本而广受认可（Jiménez等人，2012年），全球年产量超过1亿吨（Xia等人，2024年）。淀粉基质的分子羟基使其具有可改性性，支持包装薄膜的功能设计（Jiang等人，2020年）。

基于淀粉的复合材料的阻隔性能的最新突破扩大了其应用范围，尤其是在食品保鲜方面（Pei等人，2024年）。然而，诸如机械强度差、防水性不足、生产成本高以及大规模制造/回收系统不完善等问题仍然是关键的障碍（Pei等人，2024年）。通过物理改性、化学交联或纳米复合技术优化性能对于解决这些限制至关重要（Shamekh等人，2002年；Yu等人，2004年）。本文系统回顾了基于淀粉的阻隔材料的制备、阻隔性能和应用方面的最新研究进展，填补了该领域综合评述的空白。旨在阐明基于淀粉的材料的应用潜力，并为可持续包装的开发提供指导。与以往关于基于淀粉的包装的研究相比，本研究的独特贡献在于首次系统整合了控制多维度阻隔性能（包括水蒸气、氧气、脂质和紫外线）的协同调节机制。在此基础上，进一步评估了制备过程的可扩展性和生命周期评估（LCA）。这为基于淀粉的材料从实验室性能优化向工业应用的转变提供了系统性的指导。

本文首先系统分析了淀粉的结构和性能及其在包装应用中的功能优势。本节概述了基于淀粉的阻隔材料的常用制备方法，包括挤出、压延、溶液浇铸（刮刀流延）和静电纺丝，并强调了它们与传统塑料加工技术的兼容性。随后，将介绍基于淀粉的薄膜在阻隔水蒸气（基于淀粉的薄膜的一个关键弱点）、氧气/气体和脂质方面的最新进展和制备方法。接着，提供了在食品包装中的具体应用示例，展示了它们在新鲜农产品保鲜和干食品包装等场景下的可生物降解优势。最后，还总结了基于淀粉的材料在食品包装制备方面的当前局限性，如机械性能不佳和大规模生产系统的不成熟，并提出了未来的研究和发展方向。

部分摘录

淀粉的结构和性能及其在包装应用中的功能优势

淀粉是一种丰富、可再生、低成本且完全可生物降解的天然多糖聚合物，是植物光合作用的能量储存形式（Chen等人，2020年；Déborah等人，2010年）。它广泛存在于谷物（如玉米、小麦、大米）、块茎（如土豆、木薯）和豆类中（Karim等人，2000年；Kolybaba等人，2006年）（图1a）。其天然含量仅次于纤维素（Zong等人，2020年）。淀粉出色的成膜性能

基于淀粉的阻隔材料的制备方法

基于淀粉的阻隔材料的性能不仅取决于淀粉本身的分子结构和改性策略，还很大程度上取决于制备方法（Pei等人，2024年）。制备方法的选择是决定最终材料微观结构的关键因素，包括结晶度、分子取向、孔隙率和界面结合，这些因素又决定了其宏观性能，如阻隔性能和机械强度

基于淀粉的材料的阻隔性能

在储存、加工和运输过程中，食品容易受到水分、氧气和微生物等外部环境因素的降解（Guo等人，2025年）。因此，阻隔性能在食品包装中至关重要，直接决定了产品的保质期和品质保持（Cristina等人，2020年）。因此，深入研究基于淀粉的材料对水蒸气、氧气和其他气体的阻隔性能

在食品包装中的应用

利用其内在的多功能阻隔性能，基于淀粉的材料已广泛应用于各种食品包装领域。然而，现有文献关于其实际应用的报道往往较为零散，因为实际性能通常依赖于多种阻隔功能的协同作用，而不仅仅是单一属性。因此，本节旨在系统地阐述

挑战

尽管基于淀粉的材料在食品包装中显示出作为石油基塑料替代品的潜力，但由于其固有特性，在实际应用中仍面临一系列限制（Pei等人，2024年）。首先，淀粉分子链上的羟基使其具有很强的亲水性（Wang等人，2020年），导致纯淀粉薄膜的阻隔性能通常较差。这些薄膜在高湿度环境下容易膨胀和软化

结论与展望

由于其丰富的可用性、可再生性、低成本、完全可生物降解性、良好的生物相容性和出色的成膜能力，淀粉已成为研究人员关注的关键材料，作为石油基塑料的替代品（Daniele等人，2023年）。目前的研究致力于提高基于淀粉的材料的阻隔性能——特别是耐水蒸气性、气体阻隔性能和抗菌活性，力求达到或超过

CRediT作者贡献声明

常梦瑶：撰写——原始草稿，可视化，软件，资源，方法论，调查，形式分析。刘丽琴：撰写——审阅与编辑，监督，调查，资金获取，形式分析，概念化。刘晓峰：撰写——审阅与编辑，验证，软件，资源，调查，形式分析。徐青良：撰写——审阅与编辑，验证，软件，方法论，形式分析。程正白：撰写——审阅与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

常梦瑶和刘丽琴对这项工作贡献相同。作者感谢国家自然科学基金（资助编号：22508306）、天津市科技项目（编号：25ZXZSSS00730，编号：25ZXZSSS00800）、中国博士后科学基金会（资助编号：2025M772522）以及浙江金星造纸有限公司的支持。