生物塑料，澱粉基

簡介

以澱粉為基底的 生物塑膠 是一大類塑膠材料，全部或部分源自澱粉，這是一種從玉米、馬鈴薯、木薯、小麥、稻米及其他富含澱粉的生物質中獲得的可再生多醣。在塑膠工程中，澱粉可經塑化與熱加工後作為 熱塑性澱粉 (TPS) 使用，或作為與其他 生物可降解聚合物 複合的主要成分，以改善加工性、強度與最終使用性能。

其吸引力在於罕見的 可再生性、低原料成本、生物降解潛力，以及與傳統塑膠機械（如擠出、射出成型、熱成型與薄膜轉換）的相容性。同時，以澱粉為基底的系統在技術上仍受限於吸濕性、有限的耐熱性與性能變異性，因此大多數商用產品並非純澱粉，而是經工程化的摻混與填充配方。

隨著對一次性塑膠的法規壓力、對可堆肥包裝的需求，以及尋求低碳原料的趨勢，以澱粉為基底的 生物塑膠 興趣持續成長。其開發現已涵蓋包裝薄膜、袋子、農業地膜、鬆散填充泡棉、一次性餐具，以及特殊的生物醫學或活性包裝材料，並在交聯、反應性摻混、奈米填料與抗菌配方方面持續創新。

歷史與發展

澱粉是人類已知最古老的工業 生物聚合物 之一，但其轉變為現代塑膠材料，直到塑化概念與聚合物加工設備發展後才出現。早期的澱粉塑膠受限於脆性與吸水性，但後續研究顯示，澱粉顆粒可在 塑化劑（如甘油或山梨醇）存在下，經熱與水破壞，產生稱為 TPS 的可模塑材料。

當澱粉與其他可堆肥聚合物（特別是脂肪族聚酯）摻混時，商業相關的澱粉塑膠得以進展，以結合成本降低與改善的加工性及使用性能。這使澱粉從實驗室好奇轉變為包裝與農業應用中實用的「摻混成分」。

近期研究聚焦於：

• 反應性澱粉衍生物，如雙醛澱粉，用於更強的網絡形成與自癒行為。
• 活性包裝，其中澱粉薄膜攜帶天然抗菌劑或 抗氧化劑。
• 天然纖維與礦物複合材料，可改善剛性、尺寸穩定性與熱性能。
• 廢棄物衍生的澱粉流，包括食品加工殘渣，以減少原料競爭並改善循環性。

化學結構與關鍵特性

澱粉由兩種主要大分子組分組成：直鏈澱粉（多為線性）與支鏈澱粉（高度分支）。此架構對其加工行為至關重要。直鏈澱粉有助於薄膜形成與更強的分子間結合，而支鏈澱粉則強烈影響膨潤、糊化與流變。

當澱粉在水中加熱時，顆粒膨潤並失去結晶性。若存在 塑化劑，材料可成為 熱塑性澱粉，意即可在熱與剪切下像傳統熱塑性塑膠般流動並重塑。甘油是實驗室與中試規模的常見塑化劑，通常以適當比例使用，以透過間隔聚合物鏈與削弱氫鍵網絡來降低脆性。

關鍵特性

• 可再生原料基礎
• 良好的成膜能力
• 透明或半透明薄膜
• 在乾燥條件下有用的氧氣與二氧化碳阻隔性
• 低密度
• 在適當生物條件下的生物降解性

主要技術限制

• 高吸濕敏感性 → 澱粉鏈的強親水性 → 摻混、塗層、疏水 添加劑 或交聯。
• 差的水抵抗性 → 在潮濕條件下快速膨潤並失去機械性能 → 聚酯摻混、乙醯化、反應性相容劑 或多層結構。
• 有限的熱穩定性與耐熱性 → 澱粉在高溫最終使用需求前軟化或降解 → 用於低溫應用、強化或富含聚酯的摻混物。
• 在純或塑化不足配方中的脆性 → 強鏈間氫鍵 → 甘油/山梨醇塑化或共聚物摻混。
• 來自原料組成的性能變異性 → 直鏈澱粉/支鏈澱粉比例、濕度與殘留蛋白質/礦物質的差異 → 更嚴格的純化與配方控制。

生產製程與原料

以澱粉為基底的 生物塑膠 始於從玉米、馬鈴薯、木薯、香蕉皮、波羅蜜種子、稻米及其他農業殘渣等生物質來源萃取澱粉。原料選擇取決於當地可用性、澱粉產率、直鏈澱粉含量與經濟性。

典型生產路線

1. 萃取與純化
   • 使用研磨、切碎、混合、清洗、過濾、沉降與乾燥，從生物質中分離澱粉顆粒。
2. 糊化
   • 澱粉與水加熱，使顆粒膨潤並破壞結晶秩序，形成黏稠糊狀物。
3. 塑化
   • 添加 甘油 或 山梨醇 等 塑化劑 以改善柔韌性與加工性；某些配方中可能使用酸性 添加劑 來修飾結構並穩定加工行為。
4. 混煉或摻混
   • 澱粉常與 PLA、PBAT、PBS、PCL 或 PHA 等可堆肥聚酯熔融摻混，以改善韌性、加工性與耐濕性。
5. 轉換
   • 混煉材料經擠出、吹膜擠出、射出成型、壓縮成型或熱成型加工。

常見配方策略

• 單獨塑化澱粉 用於簡單、低成本、短壽命物品。
• 澱粉-聚酯摻混物 用於包裝薄膜與袋子。
• 澱粉複合材料 與 碳酸鈣、天然纖維、黏土或纖維素搭配，以提高剛性並降低成本。
• 功能化澱粉 如雙醛澱粉，用於更強的網絡與可降解反應性材料。

典型原料與添加劑範例

• 甘油 在低至中等配方比例下作為鏈間隔劑與流動性增強劑，降低脆性。
• 碳酸鈣 常作為填料以降低成本並修飾剛性，但若界面弱，過量添加可能降低韌性。

應用與最終使用市場

以澱粉為基底的 生物塑膠 主要用於短期使用壽命、可堆肥性或可再生含量主張比長期耐久性更重要的場合。

主要應用領域

• 軟性包裝：購物袋、蔬果袋、垃圾袋與包裝薄膜。
• 食品包裝：麵包袋、水果與蔬菜包裝、直立袋與部分活性包裝概念。
• 農業：地膜與園藝物品，其最終壽命可堆肥性有價值。
• 消費品：餐具、托盤、一次性容器與短期物品。
• 特殊用途：含天然抗菌劑的活性包裝，以及具自癒或抗菌性能的先進配方。

一個不適合的用途

• 熱灌裝或高溫剛性包裝 通常不適合標準以澱粉為基底的材料，因為吸濕與有限的熱阻可能導致變形或性能損失；此類用途通常需要大量摻混或強化。

環境與永續性面向

以澱粉為基底的 生物塑膠 的永續性論據建立在三個主要主張上：可再生來源、潛在生物降解性，以及減少對化石原料的依賴。當材料用於真正短期使用壽命的應用，且最終壽命條件支持降解或堆肥時，這些主張最為有力。

可回收性與最終壽命

• 機械回收 對許多受污染、摻混或設計為堆肥而非回收的以澱粉為基底產品而言困難。
• 工業堆肥 是許多澱粉摻混產品最相關的最終壽命途徑，但性能取決於配方、厚度與堆肥條件。
• 家庭堆肥 較不可預測，除非特定產品經認證或證明適用，否則不應假設。

生物基原料辯論

澱粉是可再生的，但其環境概況取決於農業實踐、土地使用、灌溉、肥料需求與副產品分配。來自食用作物的原料可能引發土地競爭疑慮，而廢棄物衍生的澱粉流可能改善永續性論據。

碳足跡考量

以澱粉為基底的材料可減少化石碳需求，但總氣候影響取決於配方與系統。與聚酯摻混、密集作物栽培或不良收集與堆肥系統可能削弱效益。

永續性權衡

• 效益
  • 可再生碳輸入
  • 潛在可堆肥性
  • 降低化石原料依賴
  • 在適當系統中與有機廢棄物收集相容
• 權衡
  • 作物投入與土地使用負擔
  • 吸濕敏感性常需摻混
  • 依賴最終壽命基礎設施
  • 若處置途徑不明確，則有綠色洗白風險

經濟與全球市場影響

根據近期產業分析，以澱粉為基底的 生物塑膠 因澱粉豐富、相對低廉且易於加工，在更廣泛的 生物塑膠 市場中佔有重要地位。其經濟性受澱粉原料、塑化劑、相容劑 成本影響，尤其是摻混系統中可堆肥或特殊聚酯的成本溢價。

市場驅動因素

• 限制傳統一次性塑膠的法規
• 零售與餐飲業對可堆肥包裝的需求
• 農業對無需回收的地膜的需求
• 品牌擁有者對可再生含量材料的興趣

市場限制

• 商品塑膠在大規模下仍較便宜
• 性能限制限制在高要求應用中的替代
• 堆肥與標示規則因地區而異
• 原料價格波動可能影響利潤

產業領導

以澱粉為基底的 生物塑膠 的公開領導通常不在純澱粉本身，而在 可堆肥摻混系統 與整合生物聚合物平台。主要全球聚合物與材料公司透過專有可堆肥樹脂系列做出貢獻，而澱粉原料供應商與農業加工商提供上游原料基礎。學術與產業文獻也強調對區域澱粉來源（如木薯、馬鈴薯與殘渣衍生的澱粉）的興趣日益增加，特別是在亞洲與拉丁美洲。

當前挑戰與創新

關鍵挑戰

• 水敏感性
• 未塑化時的機械脆性
• 狹窄的加工窗口
• 原料品質變異
• 生物降解、可堆肥與可回收主張之間的最終壽命混淆

活躍創新主題

• 動態共價化學
  • 雙醛澱粉與二胺交聯已用於創造可再加熱與可降解系統，顯示澱粉可超越簡單的一次性包裝，進入先進功能材料。
• 天然抗菌包裝
  • 澱粉薄膜與天然抗菌劑結合，正被探索用於可延長保存期限且仍為生物基的活性包裝。
• 混合複合材料
  • 礦物填料、纖維與奈米填料用於調整剛性、阻隔性與尺寸穩定性。
• 摻混工程
  • 澱粉與 PLA、PBAT、PBS、PCL 與 PHA 的搭配仍是商業性能最實用的途徑之一。
• 廢棄物價值化
  • 從食品加工廢棄物流中萃取的澱粉可改善循環性並減少對專用食用作物的依賴。

未來展望

以澱粉為基底的 生物塑膠 很可能繼續在 短期、低至中等性能應用（尤其是包裝、袋子、農業薄膜與一次性物品）中最具競爭力。其未來成長將取決於產業是否能在不犧牲可堆肥性或可負擔性的情況下改善耐水性、熱穩定性與一致性。

最有前景的方向可能是：

• 更複雜的摻混物 具針對性性能輪廓
• 廢棄物衍生與非食品澱粉原料
• 反應性與自癒網絡
• 具抗菌或抗氧化功能的活性包裝
• 與工業堆肥及認證收集系統更好的最終壽命整合

若這些進展持續，以澱粉為基底的 生物塑膠 雖不會取代所有傳統塑膠，但很可能會在更廣泛的循環材料經濟中，強化其作為策略性重要 可再生塑膠 輔助材料與包裝材料的角色。

摘要

以澱粉為基底的 生物塑膠 是由世界上最豐富的 生物聚合物 之一建構而成的可再生、可加工材料，但最好理解為一系列工程化系統，而非單一材料。其價值在於低成本可再生原料、可堆肥潛力，以及對包裝與農業用途的適應性，而其主要弱點仍為吸濕敏感性、有限耐熱性，以及對精心設計配方與處置系統的依賴。

參考文獻

• •

  Starch-derived bioplastics: Pioneering sustainable solutions for ... (2025, April 11). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12028573/Link

• •

  Recent advances in starch-based blends and composites for ... (2022, October 27). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9657003/Link

• •

  Starch-based bioplastics and natural antimicrobials: A sustainable alternative for active packaging (2025, October 17). https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2212429225019637Link

• •

  Synthesis and characterization of starch based bioplatics ... (2020, December 17). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7938205/Link

• •

  Sustainable plastics from renewable resources: A review on ... (n.d.). https://aet.irost.ir/article_1598_1512f87eac6736b849b51504addfd4f3.pdfLink

• •

  PRODUCTION OF STARCH BASED BIOPLASTICS AND THEIR (n.d.). https://jusst.org/wp-content/uploads/2022/12/Production-of-Starch-Based-Bioplastics-and-Their-Applications-in-Food-Packaging.pdfLink

• •

  Development of carrageenan and starch-based bioplastics ... (2025, October 22). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12571531/Link

• •

  Starch-based rehealable and degradable bioplastic enabled by dynamic imine chemistry (2022, June 17). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c02537Link

• •

  Starch bioplastic (n.d.). https://materialmemorystudio.com/research/starch-bioplasticLink

• •

  [PDF] Sustainability and performance of starch-based ... (n.d.). https://bioresources.cnr.ncsu.edu/wp-content/uploads/2026/07/BioRes_21_3_9221_Phuah_ASA_Sustainabl_Perform_Starch_based_Bioplastics_Review_25866.pdfLink

• •

  S t a r c h - b a s e d (n.d.). https://irp.cdn-website.com/300acafa/files/uploaded/4_-_Starch-based_bioplastic-99f5c06a.pdfLink

• •

  Development and characterization of starch bioplastics as a ... (2025, May 1). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12046032/Link

• •

  Development and characterization of starch bioplastics as a sustainable alternative for packaging (2025, May 1). https://www.nature.com/articles/s41598-025-00221-0Link

• •

  Starch based bio-plastics: The future of sustainable packaging (2018, May 30). https://www.scirp.org/journal/paperinformation?paperid=84926Link

• •

  Applications of starch biopolymers for a sustainable modern agriculture (2022, May 17). https://www.mdpi.com/2071-1050/14/10/6085Link

• •

  Types of bioplastic from starch: How starch based bioplastic works? (2025, September 25). https://eupegypt.com/all-types-of-bioplastic-from-starch/Link

• •

  Characterization and parametric study on mechanical ... (2022, January 11). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8778006/Link

• •

  Homemade starch-based bioplastic guide (2026, March 8). https://www.scribd.com/document/736165841/SIP-bioplasticsLink

• •

  Development of starch‐based bioplastic from jackfruit seed (n.d.). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1155/2022/6547461Link

• •

  Starch‐based polymer composites for sustainable food ... (2025, September 1). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/star.70092Link

• •

  Starch-based biodegradable plastics: Methods of ... (n.d.). https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214799320301107Link

• •

  Cassava waste starch as a source of bioplastics (2025, January 3). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11719490/Link

• •

  Bioplastic (2005, August 29). https://en.wikipedia.org/wiki/BioplasticLink

• •

  Starch based bioplastic (2023, September 18). https://ecoclicky.com/en/starch-based-bioplastic/Link

• •

  Produce starch-based bioplastic from different renewable ... (2022, December 28). https://www.clinhypertensionjournal.com/journals/ach/ach-aid1032.phpLink

• •

  Properties and applications of compostable starch-based plastic material (n.d.). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141391097001687Link

• •

  Sustainable bioplastics for food packaging produced ... (2023, September 14). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10534797/Link

• •

  Valorization of starch to biobased materials: A review (2022, May 30). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9183024/Link

• •

  Fabrication and characterization of corn starch based ... (n.d.). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590048X2500007XLink

• •

  A review of biodegradable thermoplastic starches, their blends ... (2022, November 14). https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2022/gc/d2gc02169bLink

• •

  Synthesis and characterization of starch based bioplatics using ... (n.d.). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1319562X20306707Link

• •

  The utility of starch-based plastics (2023, March 8). https://www.greendotbioplastics.com/starch-based-plastics/Link

• •

  Starch based biodegradable plastics: Expert guide (2026, January 29). https://salesplastics.com/starch-based-biodegradable-plastics/Link

• •

  Bioplastic made from starch as a better alternative to commercially ... (2021, November 28). https://www.academia.edu/89948707/Bioplastic_made_from_starch_as_a_better_alternative_to_commercially_available_plasticLink

• •

  Starch-based bioplastic may be as toxic as petroleum ... (2025, May 13). https://www.reddit.com/r/science/comments/1kln8wt/starchbased_bioplastic_may_be_as_toxic_as/Link