在过去的50年中，石油塑料和各种聚合物在包装上的应用增长是惊人的，据估计目前每年全球塑料的消耗量约2亿t，并且每年以5%的速度递增。这些非降解塑料使用后的废弃塑料制品造成的生态污染以及对石油、天然气等资源的巨大消耗是世界各国在工业化之后遇到的最严重的环境和资源危机。为了解决环境与资源危机，寻找替代品的方向转向生物高分子。
生物高分子是自然界中生物生长周期中形成的聚合物，因此也被称为天然高分子聚合物。通常这种聚合物是资源可再生、环境可降解的材料。其中，淀粉被认为是最具发展前景的生物降解材料之一，原因是淀粉的来源广泛、价格低廉、可资源再生且再生周期短。淀粉在经过适当的改性以后，材料的性能有了较好的改良，在一些特定的应用领域，如食品包装等，用来替代传统的塑料是很有潜力的。
1、淀粉基材料存在问题分析
由于淀粉之间强烈的氢键作用形成的结晶使淀粉本身不具备热塑性，需要加入小分子塑化剂与淀粉之间形成强烈的氢键，降低淀粉分子的结晶度，从而降低淀粉的玻璃化转变温度，使淀粉表现出良好的热塑性。而增塑剂的加入对材料的力学性能、透湿率、吸湿性等有着显着的影响。塑化剂一般含有能与淀粉中羟基形成氢键的基团，如羟基、氨基或酰胺基。甘油、山梨醇和木糖等多元醇对淀粉的塑化改性效果是比较明显的，但文献资料中显示，它们作为单一增塑剂来使用时还是有一些弊端。
由于淀粉基材料中淀粉分子的重新结晶，使其在存放过程中出现老化变脆现象，使用性能降低。Famáa等人研究了室温贮存下贮存时间对甘油增塑木薯淀粉薄膜的理化特性的影响，在贮存第8周时薄膜含水量下降同时结晶度提高，材料的机械性能受贮存时间的影响显着。Krogars等人曾报道，利用单一增塑剂所制备的薄膜随着时间的延长，增塑剂(如木糖醇、山梨醇等)开始慢慢结晶导致薄膜的柔韧性与连续性下降。
Talja等研究发现，由于增塑剂的结晶使得增塑剂在材料中的含量逐渐减小，材料的断裂伸长率指标降低，材料的可塑性与加工操作性降低。目前，影响到淀粉基材料难以实现大规模生产的主要原因是热塑性淀粉的力学性能与耐水性能等指标与传统的塑料包装材料相比还有较大差距，这也限制了该类材料的应用。同时材料对加工以及贮存使用环境的湿度有着很强的敏感性，尤其是在高湿情况下表现出的吸湿特性也极大地限制了该类材料的应用。淀粉基材料如果要取代传统的塑料并实现工业化生产，就必须要改善材料的老化变脆问题，并降低其对湿度的敏感特性。
2、国内外研究现状
目前淀粉主要以化学改性为主，化学改性淀粉虽然在一定程度上可以改善热塑性淀粉的耐水性和力学性能，但淀粉的改性一般用到有机溶剂，造成分离上的困难，或者由于淀粉的反应而使热塑性淀粉材料的制备成本增加，因此，化学改性淀粉应用到包装材料尤其是食品包装材料时，存在着诸如包装材料的安全性问题等弊端；而淀粉的非化学改性由于不存在化学试剂的残留，具有“绿色”、“环保”、“安全”等优点，成为研究热点之一。为了改善淀粉基材料的物理性能，研究人员针对增塑剂的选择、疏水性添加剂的加入、淀粉的种类以及加工工艺等非化学改性做了大量的研究。
2.1、不同增塑体系的选择
由于增塑剂在制备淀粉基薄膜时存在相分离和增塑剂结晶等现象，最终引发淀粉直链淀粉和支链淀粉的分子发生重排，使淀粉分子再结晶从而产生老化变脆等问题。
尽管如此，国内外学者针对此项问题展开的研究并不多，从文献资料来看仅有为数不多的研究人员做过一些尝试。稳定的增塑体系有助于抑制淀粉分子的再结晶，从报道来看，尝试利用复合增塑剂进行增塑是一种可行的方法。Krogars认为由于不同分子大小的增塑剂复合以后可能诱导材料中各成分之间形成了更多的交互作用，使得增塑剂更为紧密地键合在一起，从而抑制了它们的结晶或从材料中析出，因此，淀粉经复合增塑后老化回生问题较单一增塑剂有不同程度的改善。国内的马骁飞等人用甲酰胺和尿素作为复合塑化剂制备了热塑性淀粉，材料具有一定的耐回生特性，同时热稳定性和耐水性也要优于常用的甘油塑化热塑性淀粉。Talja等人利用多元醇的二元混合物作为复合增塑剂，制备了淀粉基生物降解薄膜。研究发现复合增塑剂增塑后材料并未出现增塑剂结晶析出的情况。
Krogars等人利用甘油与山梨醇作为复合增塑剂，制备了高直链玉米淀粉薄膜，研究发现薄膜在存贮9个月后性质依然稳定，透湿率与断裂伸长率等指标并未改变，X-射线衍射表明并没有结晶现象发生。这些都为改善淀粉基材料的老化变脆提供了很好的理论依据。
2.2、疏水性添加剂的应用
而针对淀粉基材料耐水性差、透湿率高等问题，国内外学者有着较为广泛的研究。大量的文献资料显示，通过添加天然有机材料如纤维素以及天然无机材料如蒙脱石、二氧化硅或云母薄片等，可以使热塑性淀粉的耐水性和力学性能得到不同程度的改善。由于水蒸气的透过主要依靠淀粉基材料中的亲水部分实现，因此透湿率的高低依赖于材料中亲水部分与斥水部分的比例。
故将一些疏水性的添加剂如脂类等加入到亲水性材料中，通过涂层或分散到成膜溶液中，利用溶液浇铸法来制备材料，都是广泛研究的提高淀粉基材料阻湿性能的方法。文献中研究人员尝试的添加剂主要包括脂类、蜂蜡、明胶等疏水性物质，这些物质的加入都一定程度地改善了材料的透湿性高或耐水性差等缺点。
García等人研究了脂类物质加入到淀粉基材料对材料的阻湿性的影响。研究表明，当葵花油的加入量与材料中晶区与非晶区的比例以及亲水亲油平衡有密切关系。当葵花油加入量在2 g /L左右时淀粉基薄膜表现出很好的阻湿性，加入量高于2 g /L时，尽管材料中疏水比例加大，但由于油脂的迁移和晶区比例的下降，材料的阻湿性开始降低。Chen等利用具有不同亲水亲油平衡值(HLB)的蔗糖酯作为表面活性剂加入到木薯淀粉基薄膜中，很好地改善了材料的阻湿性，但拉伸强度与断裂伸长率出现降低的趋势。研究发现，随着亲水亲油平衡值的增加，材料的透湿率也越来越低。
作者认为主要是活性剂中的极性基团与亲水性凝胶形成氢键，从而减少了与水分子形成氢键的极性基团的数量。活性剂对材料透湿率的影响强烈地依赖于活性剂的类型与浓度，同时与成膜溶液的原料特性有着密切的关系。
Villalobos等人将乳化剂Span 60与蔗糖酯P-1570的混合物加入到成膜溶液中，显着地降低了羧甲基纤维素膜的平衡水分含量以及透湿率。alves等人研究了云母薄片对聚多糖类薄膜透湿性与透气性能的影响。研究发现当云母的加入量为10%(占干物质质量分数)时，材料的透湿性、氧气的透气性分别降低40%和27%。此外，10%的云母作为无机颗粒填料呈现出临界体积分数的特征，故材料的阻隔性都会得到提升[24]。Phan等人首次研究了琼脂与木薯淀粉制备的淀粉膜，研究发现琼脂能提供一个粘合性很强的基质，故琼脂能够提高木薯淀粉的拉伸强度和断裂伸长率，但在高湿情况下，琼脂的加入对阻湿性改善不大。
2.3、直链淀粉含量的影响
由于直链、支链含量和相对分子质量大小是影响不同种类淀粉膜性能的主要原因，因此除了增塑剂的选择、疏水性添加剂的加入外，针对不同直链淀粉含量的淀粉对材料力学与耐水性的影响也得到了很多研究人员的关注。根据已查阅文献，针对直链淀粉含量的高低对材料力学与阻隔特性的影响，目前还没有一个明确而又清晰的定论，关于高直链淀粉抑或是高支链淀粉用于制备淀粉基生物降解材料的可行性也存在异议。研究不同直链淀粉含量薄膜的性能差异，尤其是对薄膜力学与耐水性能的影响，对淀粉基生物降解材料的制备过程中淀粉种类的开发与选择具有指导作用。Mali等人研究发现，木薯淀粉由于直链含量较低，得到的膜透明度与柔韧性都要高于玉米和洋芋淀粉膜；然而直链含量较高的洋芋淀粉膜强度却并没有明显大于直链含量居中的玉米淀粉膜，这是因为玉米淀粉中的支链淀粉相对分子质量比洋芋淀粉的小，易于重新排序形成较为紧密的结构。García等人的研究也证实，高直链玉米淀粉膜的氧气、二氧化碳和水蒸气透过率均低于普通玉米淀粉膜。然而alves等人利用甘油作为增塑剂，制备了不同直链淀粉含量的木薯淀粉基薄膜，研究发现直链淀粉含量的提高有助于形成力学性能与渗透性更好的薄膜，且甘油与直链淀粉的含量对材料的机械性能和阻隔性能的影响是显着的。这与Mali和García等人的研究结果是不同甚至截然相反的。高直链淀粉一直以来都被视为制备淀粉基生物降解材料的理想原料，但Bader等人利用高直链淀粉为原料制备薄膜时，曾指出高直链淀粉并不适合于制备淀粉基薄膜。种种研究表明，关于直链淀粉含量对材料力学与阻隔特性的影响，目前还存在着一些分歧，急需研究人员分析解决。
3、展望
进入21世纪，环境保护与资源节约已成为人们的共识，以石油、天然气等矿物燃料为原料的塑料制品在破坏了自然生态的同时也消耗了大量的不可再生能源，违背了可持续发展的战略原则，研究开发可生物降解的淀粉类天然高分子绿色包装材料已成为包装材料领域的重点方向之一。尽管目前淀粉基材料与传统塑料包装材料相比仍有一些缺陷，但相信随着研究深入，淀粉基材料的性能的改善也必将越来越迎合大家的需求。近年来，淀粉基材料已开始逐渐应用于食品包装尤其是新鲜果蔬等包装领域，相信随着材料的物理性能越来越完善，淀粉等天然高分子材料的使用也会越来越普遍。
