综述：淀粉基生物塑料与天然抗菌剂：活性包装的可持续替代方案

《Food Bioscience》：Starch-based bioplastics and natural antimicrobials: a sustainable alternative for active packaging

　　本综述系统阐述了淀粉基生物塑料（SBPs）作为合成塑料可持续替代品的潜力，重点探讨了通过热湿处理（HMT）等改性技术结合天然抗菌剂（如植物精油EOs、提取物、抗菌肽）增强其功能性，以开发活性包装（Active Packaging），从而应对食品保鲜、安全挑战及环境足迹（Environmental Footprint）问题。

　　

淀粉基生物塑料与天然抗菌剂：活性包装的可持续替代方案

摘要

淀粉基生物塑料已成为活性包装领域新兴的可持续替代品，为替代合成塑料提供了环境友好型选择。其生物降解性、可再生性及低成本特性使淀粉成为满足现代保鲜与可持续性需求的极具吸引力的原材料。然而，淀粉在生物塑料中的广泛应用受限于其较差的机械强度、较弱的阻隔性能以及较低的热稳定性。为克服这些缺点，多种改性策略已被开发，包括化学、酶法和物理处理，以及填料的添加、聚合物共混或疏水性化合物的使用。本综述讨论了天然及改性淀粉，单独或与其他化合物结合，在活性生物塑料开发中的应用。将天然制剂（如精油、植物提取物和肽）掺入淀粉基基质中，代表了替代合成添加剂的一条充满前景的路径。特别是，通过热湿处理（HMT）对淀粉进行改性，并结合天然抗菌剂，已被证明是一种创新且有效的方法，可在保持生物降解性的同时增强淀粉基生物塑料的性能。本综述总结的进展凸显了淀粉基基质作为传统塑料可持续替代品的潜力，能够应对食品保鲜和安全挑战。该领域的持续研究对于进一步改善生物塑料的功能和技术特性、扩大其工业应用以及减少塑料包装的环境足迹至关重要。

引言

塑料包装在食品保鲜和分销链效率方面扮演着关键角色。然而，化石来源且不可生物降解的合成聚合物的广泛使用已造成严重的环境影响。塑料废物在环境中的积累对生物多样性和人类健康构成重大风险，归因于其持久性及对自然降解过程的抵抗性。这些包装材料在食品行业被广泛使用，但在短暂使用后常常被不当处置，从而加剧土壤和水体污染，显著助长了全球污染危机。

为应对这一挑战，人们已投入大量努力开发源自可再生资源的可生物降解聚合物。采用这些材料为减少废物积累和减轻环境污染提供了宝贵机会，因其具备完全分解或堆肥的能力，代表了包装生产向更可持续实践的决定性转变。此外，将天然成分整合到生物复合材料的制造中，不仅增强了资源可持续性，还有助于减少温室气体排放，为传统的化石基塑料提供了可行替代方案。

在此背景下，多糖，尤其是淀粉，在现代经济中日益被视为合成塑料的可行替代品，为环境挑战提供了可持续且有效的解决方案。其生物降解性、可获得性、可再生性和低成本使其成为包装制造商极具价值的天然聚合物。

尽管消费者对可持续材料的需求不断升级，且旨在减缓塑料污染的监管压力加大，全球生物塑料市场仍增长缓慢，工业化仍处于早期阶段。2019年，全球生物塑料产量为211万吨（MT），仅占塑料总产量的0.6%。预测表明，到2025年将增至约289万吨。然而，淀粉基生物塑料要有效渗透市场，不仅需证明其生物降解性和环境相容性，还必须满足严格的热机械性能标准。机械强度、热稳定性、吸湿性和气体渗透性等关键属性对其效能至关重要，尤其是在食品包装应用中。尽管具有优势，但天然淀粉存在局限性，包括透明度差、易老化回生以及对热、剪切力和pH条件的敏感性。这些缺点可能导致淀粉基生物塑料出现机械强度低、对温度波动抵抗力不足以及不利的理化性质等问题。

然而，各种策略，如淀粉改性（通过化学、酶法或物理方法）、共混以及添加剂、纳米粒子、精油和其他化合物的掺入，可以显著改变其性质和功能，使淀粉更具多功能性，更适合食品工业及其他领域（尤其是包装生产）的应用。为确保淀粉基活性包装的可持续性，一个关键策略是优先使用不与人争粮的淀粉来源。非传统淀粉、农工业副产品和不可食用原材料是宝贵的替代品，可减少对传统作物的依赖，同时为残余物增加价值。这种方法符合第三代和第四代生物燃料的原则，即利用残余或木质纤维素生物质而非基于食物的原料。通过专注于这些替代淀粉来源，用于活性包装的改性淀粉的进步可以发展成为一个真正可持续的商业模式，减轻对粮食竞争的担忧并扩大工业适用性。

生物塑料的最新进展还包括生物活性添加剂，如抗菌、抗真菌和抗氧化剂，以增强淀粉基基质的功能性。整合到生物塑料中的抗菌剂使得活性包装的开发成为可能，通过抑制腐败微生物来延长产品货架期。植物精油（EOs）、植物提取物和抗菌肽作为生物活性剂已被广泛探索，因其在增强淀粉基生物塑料用于食品包装应用的抗菌和抗氧化（中和自由基能力）性能以及紫外线抵抗力方面具有有效性。

本综述聚焦于淀粉基生物塑料，特别是那些用天然抗菌剂增强的类型，重点介绍了其作为可持续活性包装替代品的特性、挑战和前景。它揭示了该领域的现状和进展、解决其在包装中局限性的策略，以及天然抗菌剂的使用和增强配方的机制。此外，它还评估了淀粉基生物塑料用于活性包装应用的可行性。然而，也必须考虑成本、可扩展性、加工基础设施、潜在迁移、毒性、感官影响和监管方面等挑战，以促进淀粉基材料的更广泛应用。全面了解这些方面对于指导未来研究、优化配方以及促进这些材料在可持续包装解决方案中的大规模应用至关重要。

章节摘要

方法论

本综述根据PRISMA（系统评价和荟萃分析的首选报告项目）指南进行，以确保严谨性、透明度和可重复性。在2024年11月至2025年5月期间，在Scopus、Web of Science、Elsevier、Google Scholar和ScienceDirect数据库中进行了全面的文献检索。通过手动交叉引用所选文章的参考文献确定了其他研究。检索策略...

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最终考量

开发掺入天然抗菌剂的淀粉基生物塑料代表了活性和可持续包装领域的重大进步。这些材料不仅为传统塑料提供了环境友好的替代品，还通过延长货架期和减少对合成防腐剂的依赖来提升食品质量和安全。

本综述强调了使用天然和改性形式淀粉作为包装基材的优势...