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淀粉基塑料开发与研究进展
周晓谦1
，殷伯良2
1
辽宁工程技术大学材料系，（阜新123000)
2
辽宁阜新海州露天矿 （阜新123002)
E-mail：zxq6558960@126.com
摘 要：简单介绍了淀粉基塑料在塑料行业的地位和降解机理，综述了淀粉基塑料的分类及
研制开发现状，针对不同类型的淀粉基降解塑料存在的问题提出自己的建议，对于淀粉基塑
料的发展进行了展望
关键词： 淀粉，改性，降解塑料，生物降解
1 引言
随着人们环境保护意识的不断提高，对于采用无毒无害的原料进行无害化材料生产、在
制品成型和使用中没有环境污染、废弃后易回收和再生利用、对生态环境不会产生负面深远
影响的绿色生态塑料的研究方兴未艾。淀粉基塑料作为绿色生态塑料中的一个代表，它的研
究取得了较大的发展，目前部分产品已经进入产业化阶段，如美国的Novon International
公司的热塑性淀粉的生产能力已经达到年产5万吨、意大利Novonmont公司的淀粉/PVA、淀
粉/PCL的产量达到3万吨等等。
淀粉基塑料是降解塑料中的一种重要类型，它泛指其组成中含有淀粉或其衍生物的塑
料，它是当前国际上研制开发最为热门的降解塑料之一 [1]
。淀粉基塑料主要是在微生物的作
用下由高聚物分解为低聚物，低聚物继续分解为各种有机中间体，最后分解为二氧化碳、水
和其它低分子化合物，达到减少环境污染的目的，属于生物降解塑料范畴。生物降解塑料在
环境中被微生物降解时首先进行生物物理作用，即微生物侵蚀降解塑料中易被降解的成分
后，其自身的繁殖增长导致聚合物发生机械性破坏；之后发生生物化学作用，即聚合物在微
生物的作用下转化为对环境无害的新物质；最后在酶的催化作用，微生物侵蚀速度加快，聚
合物在较短时间内分裂或氧化崩裂。
研究淀粉基塑料的重大意义不仅可以解决白色污染问题，而且由于淀粉的廉价易得，可
以为塑料工业开辟出取之不尽的原料资源，因为目前塑料主要是以日趋枯竭的石油资源为基
础的，所以淀粉基塑料会有广泛的发展空间。
2 淀粉基塑料分类和开发研制现状
就降解过程而言，淀粉基塑料可分为崩溃型塑料（也称生物破坏性塑料）和完全生物降
解塑料两大类。崩溃型塑料是以颗粒状淀粉与聚烯烃结合，除了添加的淀粉能够被微生物，
聚烯烃不能被降解，所以它属于不完全生物降解的塑料；完全生物降解塑料是以淀粉及可降
解树脂为主要原料制备的塑料，在微生物作用下能够完全降解，完全生物降解塑料是绿色生
态塑料的发展方向。淀粉基塑料按照其来源又可以分为淀粉填充型生物降解塑料、以淀粉为
基础原料的微生物合成型完全降解塑料、以淀粉为基础原料的化学合成型降解塑料等几种。
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2.1 淀粉填充型生物降解塑料
淀粉填充型生物降解塑料是指将淀粉与其它高分子物（主要是聚烯烃）共混而生产的塑
料。它主要可以分为淀粉直接填充型、改性淀粉填充型等两种生物降解塑料。
2.1.1 淀粉直接填充型
淀粉是廉价、组成简单、具有较均一大小的颗粒和结晶性的大分子，它可与许多合成树
脂如聚乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酯等共混，是最早被作为生物降解性塑料
的填料添加于聚烯烃中。英国Griffin和Otey等人[2]
首先开发出淀粉直接填充型塑料，它是
以颗粒状淀粉为原料，以非偶联方式与聚烯烃结合，淀粉的添加量在15%以下。该法是以颗
粒状淀粉为原料，存在淀粉与聚烯烃粘附不良、相溶性差、淀粉在配料中难以混合均匀、尺
寸稳定性和热稳定性差等缺点，属于崩溃型塑料。
2.1.2改性淀粉填充型
由于淀粉直接填充型的诸多缺点，后来人们开始进行淀粉的改性研究，发现淀粉分子链
中含有大量的羟基，很易吸水，在大气中平均含水率为12%左右[3]
，而且淀粉颗粒易发生附
聚形成微晶结构，对其进行表面处理可以提高淀粉与高聚物的相容性以及淀粉的疏水性，另
外由于淀粉不具有热塑性加工性能，无法在普通的塑料机械中进行加工，可以通过适当的方
法使其变为热塑性淀粉，于是开始研究改性淀粉填充型塑料。世界上从事改性淀粉填充型塑
料的研究单位很多，以改性淀粉为主体加入适量可降解添加剂生产完全生物降解塑料，从环
保方面看是最有发展前途的产品。改性处理的方法有物理改性和化学改性。
（1）物理改性
物理改性是通过添加偶联剂（如硅烷偶联剂等）和增塑剂（如多元醇类化合物）的方法
增加淀粉与聚烯烃的相容性和热塑性，以提高淀粉的填充量和加工性能。
如加拿大的产品Ecoster[4]
是将淀粉经硅烷偶联剂作疏水处理并加入不饱和酯起自动氧
化作用，含12%淀粉的聚烯烃薄膜在6个月内分解；意大利Novamont公司[5]
的Mater-Bi是以
70%玉米淀粉和30%无毒亲水性的低分子量石油制品混合物为原料制得的一种塑料合金,产
品的机械性能类似LDPE，可制造挤出成型用片、吹塑薄膜、流延薄膜、注塑制品、中空容器
等，但不宜用于食品包装，是一个有发展规模的产品。
尽管物理改性淀粉填充型塑料中淀粉含量增加，但由于采用不能降解的聚烯烃或聚酯材
料为原料，其降解部分主要是淀粉,剩余的大部分只是崩裂成粉末,残留在自然环境中,不能
彻底解决对环境的污染问题, 仍然属于非完全降解型塑料，其前景不是很好。如聚乙烯淀粉
膜被生物降解后，聚乙烯小碎块在土壤中影响土壤的透水和透气，对农业生产影响很大，因
此此类产品一问世就受到一定的限制。只有尽可能提高淀粉的含量才可以避免此难题。后来
又开发出淀粉基质型生物降解塑料，它是以淀粉为主体,加入适量可降解添加剂（如纤维素、
甲壳质、蛋白质等天然高分子材料）来生产完全生物降解塑料，由于产物安全无毒性,因而
日益受到重视 [6]
。美国Warner-Lambert公司开发的由70%支链淀粉和30%直链粉制成的新型
树脂,其生物降解性好,可以替代正在农业上使用的各种生物降解材料,被认为是材料科学重
大发展，另外该公司生产的含淀粉90%以上的Novon，有水溶和堆肥两个品级，它的主要原
料为玉米淀粉,添加可生物降解的聚乙烯醇。该产品用一般成型加工方法即可成型,可用作食
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品包装、缓冲材料、高尔夫球座等。这类材料虽具有完全生物降解性,但是它的热学、力学
性能差,不能满足工程材料的性能要求，因此目前的研究方向仍然是通过改性而得到有使用
价值的淀粉基降解塑料。
（2）化学改性
化学改性主要是使淀粉发生氧化、氨基化、酯化或醚化等变性反应，使反应产物具有疏
水性基团，明显降低淀粉的吸水率，另外化学改性后淀粉颗粒表面覆盖烷基，与聚乙烯等聚
合物的相容性可不同程度提高，如用热塑性单体与淀粉进行接枝，也可以采用不饱和脂肪酸
与淀粉进行混合接枝反应，用来生产淀粉接枝共聚降解塑料，它是淀粉型塑料的产业化的主
导产品，可以达到淀粉直接填充或物理改性后塑料所不能达到的指标。
淀粉接枝共聚降解塑料是指淀粉在某些化学试剂（如铈盐等）作用下或经过辐射处理，
使构成淀粉的葡萄糖单元的羟基活化，与含有双键的单体化学物质（如苯乙烯、乙烯、丙烯
腈、丙烯酸、不饱和脂肪酸等）发生链式反应得到的接枝共聚物。理论上淀粉接枝共聚物可
直接形成生物降解塑料，但实际上反应后的产物中含有一些单体聚合物，因此在没有其它处
理条件下，由淀粉接枝共聚物生产的塑料制品仍然属于不完全生物降解塑料。这种方法加工
工艺复杂，生产成本高，使其推广受到限制。
人们为了改进或提高此类产品的降解性能，最终达到完全降解的目的，在制品生产中添
加具有光敏性或具有氧化性的化学添加剂，制成光-生物双降解塑料。不仅克服了淀粉基塑
料在非生物环境中难降解的问题，而且利用光敏体系的复合配比、用量来实现降解时间人为
控制的目的[7]
。常用的添加剂有金属镍或钴和铁的络合物，镍具有光稳定作用，铁起光敏性
作用，调节二者比例可以控制材料的降解速度。此类技术已经趋于成熟，国内已有小批量产
品（如塑料袋、农用地膜、快餐盒等）面市。存在的问题是产品的降解性能受（阳光、温度、
湿度等）环境制约较多，在光源不足或无光的条件下降解时间较长甚至不降解；生产中添加
降解母料的比例会影响制品的生产效率和降解效果。
2.2 以淀粉为基础原料的生物合成型全降解塑料
这类塑料是微生物以有机物碳源为食物通过发酵合成或利用转基因植物生产,可被许多微生
物完全降解,随着微生物技术特别是基因工程的发展,具有广泛开发应用前景。
2.2.1 微生物合成
它是淀粉或淀粉糖化后经微生物发酵后制得的塑料，这种塑料可以被微生物完全降解。
它们不仅具有与化学合成塑料相似的性质，而且还具有化学合成塑料所没有的特殊性能，如
生物降解性、生物相容性、光学活性和可利用再生资源进行生物合成等。在各类包装材料、
医用高分子领域、合成药物、农业、电子等领域具有独特而广泛的应用前景,目前研究较多
的是聚烃基脂肪酸[8]
（PHA）。
聚烃基脂肪酸（PHA）是微生物在营养不平衡条件下生长储存于细胞内的一类高分子聚
合物。这类塑料是微生物以有机物碳源为食物通过发酵合成或利用转基因植物生产，可被许
多微生物完全降解，随着微生物技术特别是基因工程的发展，具有广泛开发应用前景。目前
PHA的合成手段主要有以下两种：微生物发酵合成和转基因植物合成。目前微生物发酵仍是
合成PHA的主要手段，但高昂的生产成本限制了它的大规模推广应用。由于PHA只能在细胞
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内积累，因此通过提高反应器内微生物密度、缩短发酵周期、增加胞内PHA积累量等方法可
以提高产出量。
在PHA中研究最多、最具工业前景的是聚羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)以及它
们的共聚物PHBV。1925年Lemoigne[9]
首先从巨大芽孢杆菌中分离并鉴定了PHB，并阐明了该
菌在形成孢子时产生PHB。1930年以来，美、德等国开始进行这方面的研究，但由于价格的
原因，还未实现大规模的生产。英国ICI公司于1989年利用Dennis组建的工程菌生产的PHB
占菌体干重的80%以上[10]
，1990年小批量生产出商品名为Biopul的产品，该工艺首先将淀粉
转化为葡萄糖，再以丙酸和葡萄糖为底物,发酵合成该物质,并已在1992年实现商业化。我
国在聚烃基脂肪酸方面也取得很大的成绩，如育选高产菌株、优化发酵工艺、产物分离、产
品改性上取得了实质性进展。中国科学院微生物研究所[11]
先后完成了利用淀粉水解糖发酵生
产聚羟基丁酸(ＰＨＢ)和以淀粉加丙酸生产ＰＨＢＶ的研究及中试,这类产品有较高的生物
分解性,且热塑性好,易成型加工,但在耐热和机械强度等性能上还存在问题,而且其成本太
高,还未获得良好的应用。近年来,科研人员试图寻找新的天然菌或构建基因工程菌，改变细
菌遗传结构，选择合适底物，采用先进的发酵纯化技术，提高产量，降低生产成本，希望将
PHB的价格达到聚乙烯的水平。
2.2.2转基因植物合成[12]
现代植物转基因技术飞速发展,为农业生产带来巨大的经济效益,同时也为生产合成特
定物质提供了捷径,现在已经可以利用植物作为生物反应器合成次生代谢产物、激素、抗体
和多肽活性物质。1992年美国研究人员首先进行了转基因植物生产PHB的尝试,并利用植物
本身的酮硫裂解酶合成了少量PHB,其性状与微生物发酵合成的相似,但转基因植物的生长
严重受阻。转基因植物生产PHB的成功,特别是从已获得的转基因植株中PHB含量的大幅度
提高来看,利用植物资源生产PHAS前景乐观,但是这必须首先解决植株正常生长和最大比例
提高PHB储存量之间的矛盾。
2.3 以淀粉为基础原料的化学合成型降解塑料
化学合成型材料大多是在分子结构中引入酯基结构的脂肪族聚酯,在自然界中其酯基易
被微生物或酶分解。目前已开发的主要产品有聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚丁二醇丁二
酸酯(PBS)等。PLA是以乳酸为单体聚合而成,但由于乳酸提取、精制困难,大大提高了生产
成本。聚乳酸具有良好的生物相容性、机械强度高,它不仅能满足医用要求，且能使人体逐
步分解吸收，有助于肌体的康复，目前的产品包括药品缓释材料、眼科材料、骨科材料、人
造皮肤、人造血管等，也可用于制造一次性食品袋或农业薄膜等。其降解速度可控制，从数
周到18个月不等。PCL的热塑性好,易成型加工。由于PCL和其它广泛使用的合成树脂具有
良好的相容性,所以可赋予共混物生物分解性,从而提高PCL应用价值。它可用作手术缝合
线、医疗器材和食品包装材料。PBS的应用开发的产品有发泡材料,可用作家用电器和电子
仪器等包装材料。对这一类降解塑料而言，目前仍需研究如何通过控制其化学结构,使其完
全分解，另外成本也是不容忽视的问题。下面主要介绍应用较广的聚乳酸。
聚乳酸（PLA）是通过淀粉糖发酵产生的乳酸，之后加催化剂在一定条件下聚合而成的。
目前淀粉发酵技术已经相当成熟。研究的重点是乳酸聚合，由乳酸合成聚乳酸可以通过开环
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