《Bioresource Technology Reports》：Sustainable and ecofriendly biopolymers for plastic waste reduction: A review
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石油基塑料引发环境问题，生物塑料因可降解性和可再生性成为替代品，但面临高成本、低纯度等挑战。利用农业废弃物和真菌生物质，结合溶剂提取和发酵工艺优化，可降低成本并提升性能，推动其在包装、医疗等领域的应用。
C. Trilokesh
生物技术系，139-140 Kamarajar Salai, Teppakulam, Madurai, 625009, 印度泰米尔纳德邦
摘要
基于石油的塑料在全球范围内造成了大量的环境污染。尽管它们对环境有负面影响，但在没有合适替代品的情况下，无法禁止其生产。由可生物降解聚合物制成的生物塑料因其环保特性而受到了广泛关注。这些生物塑料正在逐渐取代纺织、农业、食品工业、粘合剂、餐具、生物医学等多个领域的传统塑料。正在进行的研究正在逐步缩小合成塑料与生物塑料之间的应用差距，使后者能够在更多工业和消费领域发挥作用。然而，生物塑料的生产面临一些重大挑战，包括高昂的生产成本、有限的纯度和产量。通过利用低成本的废弃物（如水果种子、农业残余物和蘑菇生物质），可以缓解这些挑战，从而降低原料成本。此外，通过采用选择性溶剂提取方法或发酵策略（如分批进料和连续处理），可以提高纯度和产量。淀粉、纤维素、木质素、壳聚糖和普鲁兰等环保型生物聚合物已经展现出替代传统塑料的显著潜力。本综述涵盖了2010年至2025年间发表的相关文献，涵盖了生物聚合物生产和应用方面的基础研究和最新进展。尽管已有许多关于生物聚合物的综述，但将结构特征、生物聚合物性能、生产过程、经济因素和当前市场应用相结合的综合分析仍然较少。本文通过整合这些视角，为促进可持续的生物聚合物生产和应用提供了独特的视角。
引言
塑料在我们的日常生活中已变得不可或缺。从牙刷、手机壳、家具、尿布、手提包、手表、水瓶、医用手套、手术服到包装材料，几乎所有物品都使用了塑料（Thew等人，2023年）。2022年的全球塑料产量为4.003亿吨，预计到2050年将增至1601.2亿吨（Cafiero等人，2025年）。常用的塑料包括高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯等（Nanda等人，2022年）。传统塑料价格低廉、重量轻、柔韧性好、具有良好的防潮和阻氧性能，并且坚固耐用（Nandakumar等人，2021年）。尽管塑料具有多种优势，但其不可生物降解的特性对环境造成了严重威胁（Payne等人，2019年）。此外，塑料是由不可再生的原油制成的。持续从原油中提取塑料会导致化石燃料枯竭、环境污染和气候变化（Payne等人，2019年）。海洋生态系统也受到了塑料污染的影响。据估计，如果不采取预防措施，到2050年将有3200万吨塑料被倾倒（Rahman和Bhoi，2021年）。从长远来看，塑料会分解成微塑料和纳米塑料，对生态系统构成更大的威胁。由于体积小，微塑料和纳米塑料能够远距离传播，并进入人类和动物的食物链（Peng等人，2020年）。
通过使用可生物降解的生物聚合物来替代不可生物降解的合成聚合物，可以克服塑料带来的负面影响。生物聚合物是从生物物质中提取或通过微生物发酵制成的（Udayakumar等人，2021年）。这些环保型聚合物在性能上可与合成聚合物相媲美，可用于生物医学、食品包装、制药、汽车制造和环境修复等领域（Jha和Kumar，2019年）。淀粉、纤维素、琼脂、果胶、壳聚糖和透明质酸等生物聚合物可以作为传统合成聚合物的替代品，具有广泛的应用前景（Jha和Kumar，2019年）。
生物聚合物可分为可降解和不可降解两类。可降解聚合物的例子包括聚乳酸、聚羟基烷酸酯、淀粉、纤维素和壳聚糖。不可降解生物聚合物的例子包括生物聚酰胺、生物聚乙烯、生物聚丙烯和生物聚对苯二甲酸乙二醇酯（Di Bartolo等人，2021年）。在塑料应用中使用可降解生物聚合物有助于实现循环经济。由生物聚合物制成的塑料被称为生物塑料。2025年生物塑料市场的规模预计为289万吨，仅占全球塑料总产量的1%（Negrete-Bolagay和Guerrero，2024年）。生物聚合物生产的主要障碍包括高昂的成本、大规模生产所需的基础设施不足、缺乏政府监管政策以及生产与回收方面的技术难题（Negrete-Bolagay和Guerrero，2024年）。淀粉和木质纤维素生物质丰富、可再生且成本低廉，可以有效降低生物塑料的生产成本（Negrete-Bolagay和Guerrero，2024年）。蘑菇也是合成生物聚合物的可行原料，尤其是在可持续包装领域，因为它们具有生物降解性、抗菌性和结构多样性（Shao等人，2024年）。
了解聚合物的结构-性能关系对于确定其在特定应用中的适用性至关重要，因为其内在特性直接影响性能和最终用途（Vamadevan和Bertoft，2015年）。对于纤维素而言，聚合度、结晶度和分子尺寸等参数决定了其纤维强度、耐久性和化学稳定性，使其在造纸和生物复合材料等应用中至关重要（Marinho，2025年）。对于木质素而言，分子量分布、玻璃化转变温度和水溶性等特性决定了其在聚合物混合物、粘合剂、涂层或碳纤维前体等高级材料中的作用（Alam等人，2024年）。在考虑用于食品包装等相关应用的聚合物时，还需评估其他功能特性，如水蒸气透过率（屏障性能）、拉伸强度（机械稳定性）、生物降解性和土壤降解行为（可持续性），以及毒性或迁移特性（Vamadevan和Bertoft，2015年）。通过系统地关联结构特征和功能属性，可以合理选择或设计聚合物，以满足不同行业的特定需求。
高昂的生产成本仍然是生物聚合物实现可持续商业化的主要障碍之一（Tesfaye等人，2021年）。应对这一挑战需要创新策略，减少对昂贵原料和能源密集型过程的依赖。一种有前景的方法是利用低价值或废弃物资源，如农业残余物和入侵性生物质，这不仅提供了丰富的可再生原材料，还能大幅降低总体生产成本（Akinsemolu等人，2024年）。研究表明，将这些生物质纳入生物聚合物生产可以降低成本，同时有助于废物资源化、环境修复和循环经济目标的实现（Akinsemolu等人，2024年）。
本文回顾了淀粉、纤维素、木质素、聚羟基丁酸酯、聚乳酸、普鲁兰和基于蘑菇的生物聚合物。综述强调了在将生物聚合物应用于实际生产之前，了解其生产方法、结构特性、物理化学性质、衍生化策略和制造技术的重要性。此外，专门章节探讨了抗菌生物聚合物的作用，强调了它们在增强材料功能的同时控制感染的潜力。通过系统地阐述这些方面，本文为可持续生物聚合物的发展提供了全面的框架，并促进了其在减少塑料废物方面的有效应用。
节选
淀粉
淀粉是一种多糖，由两种同聚物组成：直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）（Lu等人，2009年）。直链淀粉具有α(1 → 4)键合，而支链淀粉在α(1 → 4)键合的基础上还有α(1 → 6)分支（Nakthong等人，2017年）。这两种成分的比例、支链淀粉的链长分布和分支模式对热转变、吸水性和机械稳定性有显著影响（Vamadevan和Bertoft，
用于生物塑料生产的蘑菇
来自蘑菇的生物聚合物（如壳聚糖、β-葡聚糖、甘露蛋白和黑色素）是天然存在的物质，作为传统塑料和材料的环保替代品而受到关注（Abo Elsoud和El Kady，2019年）。这些生物聚合物具有多种特性，包括出色的机械强度、化学抗性以及可生物降解性，使其适用于多种应用（Manan等人，
生物聚合物的性能
表11总结了生物聚合物薄膜在生物塑料应用中的重要性能，并与合成聚合物进行了比较。生物聚合物的一个显著优势是它们能在土壤中快速降解，从而支持环境的可持续性。然而，它们的高水溶性虽然有利于生物降解，但也可能对潮湿环境造成挑战（
抗菌生物聚合物
常用于生物塑料应用的聚合物也具有抗菌性能。纤维素、壳聚糖、海藻酸钠和木质素等材料因其抗菌特性而受到广泛研究（Bustamante-Torres等人，2022年）。作为塑料减量的先锋生物聚合物，纤维素具有紫外线防护功能、无毒性和低成本，并可作为抗菌剂的良好载体（Bustamante-Torres等人，2022年）。在纳米尺度下，纤维素
生物聚合物的技术经济分析
虽然生物聚合物被认为是石化聚合物的可持续替代品，但其技术经济可行性仍有差异。2023年聚乳酸（PHA）的全球市场规模为9300万美元，预计到2028年将达到1.95亿美元，但其生产成本仍较高，为每公斤7.6-11.9美元，而聚丙烯/聚乙烯的成本为每公斤1.25-2.53美元。聚乳酸的成本较为接近，约为每公斤2.2-2.6美元，而基于淀粉的聚合物最为便宜（每公斤2-3美元），但其应用范围有限（
生物聚合物生产和应用的挑战与解决方案
由于生物聚合物的可生物降解性、可再生性和生物相容性，它们作为合成塑料的可持续替代品受到了重视。然而，其广泛应用仍面临诸多挑战（Perera等人，2023年）。许多生物聚合物的机械强度较低、易碎且对湿度敏感，这限制了其在包装应用中的性能（Perera等人，2023年）。此外，它们的水蒸气和气体阻隔性能较差，热稳定性也不高（
结论
减少塑料废物的紧迫性推动了可持续聚合物生产的探索。本文详细讨论了生物聚合物的生产路线、制造技术、应用领域及其性能。这些替代品包括植物/木质纤维素衍生的纤维素、淀粉、木质素、PHB、聚乳酸（PLA）以及新兴的微生物平台（如真菌）聚合物。基于生物的材料展示了广泛的应用潜力（
CRediT作者贡献声明
C. Trilokesh：撰写与编辑、初稿撰写、内容验证、监督、概念构思。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本文时，作者使用了Copilot工具来提高语言清晰度、结构连贯性以及表达与生物聚合物生产、应用和性能相关的复杂概念。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。
资金来源
本综述工作未获得任何公共、商业或非营利机构的资助。
未引用的参考文献
https://bharatcompostables.com/, n.d
https://chemicalresearchinsight.com/2025/06/11/global-polylactic-acid-pla-market-research-report-2024status-and-outlook/Accesses, n.d
https://ecolastic.in/, n.d
https://www.huaweinm.com/, n.d
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢Thiagarajar学院的管理层为研究活动提供的必要基础设施和支持。
