БІОРОЗКЛАДНІ ПОЛІМЕРНІ МАТЕРІАЛИ НА ОСНОВІ КРОХМАЛЮ: СУЧАСНИЙ СТАН, ВЛАСТИВОСТІ, ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПЕРСПЕКТИВИ
DOI:
https://doi.org/10.30857/2786-5371.2026.4.5Ключові слова:
полімери, біополімери, крохмаль, термопластичний крохмаль, біорозкладання, технологіїАнотація
Мета. Систематизувати сучасні наукові уявлення про біополімери та біорозкладні полімерні матеріали, складові компоненти, технологічні підходи, властивості, приділивши основну увагу крохмалю як доступній відновлюваній сировині для одержання плівок і композитів на основі термопластичного крохмалю.
Методика. Для огляду проаналізовано іноземні наукові публікації, у яких розглядаються біорозкладні полімери, термопластичний крохмаль, пластифікація і плівкоутворення, введення наповнювачів, зшивання, а також механічні, бар’єрні властивості та біорозкладання матеріалів.
Результати. Аналіз літератури підтверджує, що поняття «біополімер», «біопластик» і «біорозкладний полімер» не є взаємозамінними. Крохмаль привертає увагу як відновлювана й доступна сировина, здатна формувати плівки, однак у нативному стані він крихкий, гігроскопічний і має обмежену термопластичність. Для одержання термопластичного матеріалу необхідно порушити гранулярну структуру крохмалю та послабити міжмолекулярні взаємодії за рахунок дії тепла, води і пластифікаторів. У більшості розглянутих робіт гліцерин підвищував гнучкість і видовження при розриві, тоді як його надлишок міг знижувати міцність при розтягуванні і погіршувати бар’єрні характеристики. Наповнювачі та нанонаповнювачі (CaCO3, целюлозні нановолокна, та ін.) за належного диспергування здатні посилювати міцність при розтягуванні матеріалу і поліпшувати його бар’єрні властивості; зшивання за допомогою органічних кислот, своєю чергою, може зменшувати водочутливість і сповільнювати ретроградацію.
Наукова новизна. В результаті проведеного комплексного аналізу сучасних досліджень, присвячених спільним технологічним проблемам крохмальних матеріалів систематизовано дані щодо взаємозв’язку між складом полімерних композицій на основі крохмалю, способом їх формування та кінцевими механічними, бар’єрними й водними властивостями. Показано, що результати модифікації крохмальних матеріалів доцільно оцінювати не за окремими показниками, а комплексно, з урахуванням ботанічного походження крохмалю, природи пластифікатора, виду й концентрації наповнювача, та технологічних умов одержання матеріалу.
Практична значимість. Узагальнені дані можуть бути використані під час вибору оптимального складу крохмальних плівок і способу одержання термопластичного крохмалю та композитів для пакувальних і сільськогосподарських застосувань. Окрему увагу приділено відмінності між фізичним руйнуванням матеріалу та його остаточним біологічним розкладанням.
Посилання
Vroman I., Tighzert L. Biodegradable Polymers. Materials. 2009. Vol. 2, No. 2. P. 307–344. DOI: https://doi.org/10.3390/ma2020307.
Bose A., Paul S., Mukherjee S., Majumdar S., Dey S., Chakraborty M. Bio-degradable polymers through green chemistry: advances, applications, and future perspectives. Discover Chemistry. 2026. Vol. 3. Art. 282. DOI: https://doi.org/10.1007/s44371-026-00727-0.
Dallaev R., Papež N., Allaham M. M., Holcman V. Biodegradable Polymers: Properties, Applications, and Environmental Impact. Polymers. 2025. Vol. 17, No. 14. Art. 1981. DOI: https://doi.org/10.3390/polym17141981.
Diyana Z. N., Jumaidin R., Selamat M. Z., Ghazali I., Julmohammad N., Huda N., Ilyas R. A. Physical Properties of Thermoplastic Starch Derived from Natural Resources and Its Blends: A Review. Polymers. 2021. Vol. 13, No. 9. Art. 1396. DOI: https://doi.org/10.3390/polym13091396.
Rivadeneira-Velasco K. E., Utreras-Silva C. A., Díaz-Barrios A., Sommer-Márquez A. E., Tafur J. P., Michell R. M. Green Nanocomposites Based on Thermoplastic Starch: A Review. Polymers. 2021. Vol. 13, No. 19. Art. 3227. DOI: https://doi.org/10.3390/polym13193227.
Bangar S. P., Whiteside W. S., Ashogbon A. O., Kumar M. Recent advances in thermoplastic starches for food packaging: A review. Food Packaging and Shelf Life. 2021. Vol. 30. Art. 100743. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fpsl.2021.100743.
Basiak E., Lenart A., Debeaufort F. How Glycerol and Water Contents Affect the Structural and Functional Properties of Starch-Based Edible Films. Polymers. 2018. Vol. 10, No. 4. Art. 412. DOI: https://doi.org/10.3390/polym10040412.
Tarique J., Sapuan S. M., Khalina A. Effect of glycerol plasticizer loading on the physical, mechanical, thermal, and barrier properties of arrowroot (Maranta arundinacea) starch biopolymers. Scientific Reports. 2021. Vol. 11. Art. 13900. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-93094-y.
Sun Q., Xi T., Li Y., Xiong L. Characterization of Corn Starch Films Reinforced with CaCO3 Nanoparticles. PLOS ONE. 2014. Vol. 9, No. 9. Art. e106727. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0106727.
Żołek-Tryznowska Z., Kałuża A. The Influence of Starch Origin on the Properties of Starch Films: Packaging Performance. Materials. 2021. Vol. 14, No. 5. Art. 1146. DOI: https://doi.org/10.3390/ma14051146.
Abe M. M., Branciforti M. C., Brienzo M. Biodegradation of Hemicellulose-Cellulose-Starch-Based Bioplastics and Microbial Polyesters. Recycling. 2021. Vol. 6, No. 1. Art. 22. DOI: https://doi.org/10.3390/recycling6010022.
Chua S. T., Hsu Y.-I., Soni R., Uyama H. Starch-Based Bioplastic with Controlled Physical Properties and Marine Decomposition. Polymer Degradation and Stability. 2026. Vol. 249. Art. 112130. DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2026.112130.
Marichelvam M. K., Jawaid M., Asim M. Corn and Rice Starch-Based Bio-Plastics as Alternative Packaging Materials. Fibers. 2019. Vol. 7, No. 4. Art. 32. DOI: https://doi.org/10.3390/fib7040032.
Zarski A., Bajer K., Kapuśniak J. Review of the Most Important Methods of Improving the Processing Properties of Starch toward Non-Food Applications. Polymers. 2021. Vol. 13, No. 5. Art. 832. DOI: https://doi.org/10.3390/polym13050832.
Bangar S. P., Purewal S. S., Trif M., Maqsood S., Kumar M., Manjunatha V., Rusu A. V. Functionality and Applicability of Starch-Based Films: An Eco-Friendly Approach. Foods. 2021. Vol. 10, No. 9. Art. 2181. DOI: https://doi.org/10.3390/foods10092181.
Tosif M. M., Najda A., Bains A., Zawiślak G., Maj G., Chawla P. Starch–Mucilage Composite Films: An Inclusive on Physicochemical and Biological Perspective. Polymers. 2021. Vol. 13, No. 16. Art. 2588. DOI: https://doi.org/10.3390/polym13162588.
Muñoz-Gimena P. F., Oliver-Cuenca V., Peponi L., López D. A Review on Reinforcements and Additives in Starch-Based Composites for Food Packaging. Polymers. 2023. Vol. 15, No. 13. Art. 2972. DOI: https://doi.org/10.3390/polym15132972.
Falua K. J., Pokharel A., Babaei-Ghazvini A., Ai Y., Acharya B. Valorization of Starch to Biobased Materials: A Review. Polymers. 2022. Vol. 14, No. 11. Art. 2215. DOI: https://doi.org/10.3390/polym14112215.
Garavito J., Peña-Venegas C. P., Castellanos D. A. Production of Starch-Based Flexible Food Packaging in Developing Countries: Analysis of the Processes, Challenges, and Requirements. Foods. 2024. Vol. 13, No. 24. Art. 4096. DOI: https://doi.org/10.3390/foods13244096.
Abbès B., Lacoste C., Bliard C., Maalouf C., Simescu-Lazar F., Bogard F., Polidori G. Novel Extruded Starch-Beet Pulp Composites for Packaging Foams. Materials. 2020. Vol. 13, No. 7. Art. 1571. DOI: https://doi.org/10.3390/ma13071571.
Teil M., Regazzi A., Harthong B., Dumont P. J. J., Imbault D., Putaux J. L., Peyroux R. Manufacturing of starch-based materials using ultrasonic compression moulding (UCM): toward a structural application. Heliyon. 2021. Vol. 7, No. 3. Art. e06482. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e06482.
Alonso-González M., Felix M., Guerrero A., Romero A. Effects of Mould Temperature on Rice Bran-Based Bioplastics Obtained by Injection Moulding. Polymers. 2021. Vol. 13, No. 3. Art. 398. DOI: https://doi.org/10.3390/polym13030398.
Temesgen S., Rennert M., Tesfaye T., Nase M. Review on Spinning of Biopolymer Fibers from Starch. Polymers. 2021. Vol. 13, No. 7. Art. 1121. DOI: https://doi.org/10.3390/polym13071121.
Wilpiszewska K., Antosik A. K., Zdanowicz M. The Effect of Citric Acid on Physicochemical Properties of Hydrophilic Carboxymethyl Starch-Based Films. Journal of Polymers and the Environment. 2019. Vol. 27. P. 1379–1387. DOI: https://doi.org/10.1007/s10924-019-01436-9.
Seligra P. G., Medina Jaramillo C., Famá L., Goyanes S. Biodegradable and non-retrogradable eco-films based on starch–glycerol with citric acid as crosslinking agent. Carbohydrate Polymers. 2016. Vol. 138. P. 66–74. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015.11.041.
Żołek-Tryznowska Z., Piłczyńska K., Murawski T., Jeznach A., Niczyporuk K. Study on the Printability of Starch-Based Films Using Ink-Jet Printing. Materials. 2024. Vol. 17, No. 2. Art. 455. DOI: https://doi.org/10.3390/ma17020455.
Shafqat A., Al-Zaqri N., Tahir A., Alsalme A. Synthesis and characterization of starch based bioplatics using varying plant-based ingredients, plasticizers and natural fillers. Saudi Journal of Biological Sciences. 2021. Vol. 28, No. 3. P. 1739–1749. DOI: https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2020.12.015.
Gurunathan M. K., Navasingh R. J. H., Selvam J. D. R., Čep R. Development and characterization of starch bioplastics as a sustainable alternative for packaging. Scientific Reports. 2025. Vol. 15. Art. 15264. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-00221-0.
Lepak-Kuc S., Kądziela A., Staniszewska M., Janczak D., Jakubowska M., Bednarczyk E., Murawski T., Piłczyńska K., Żołek-Tryznowska Z. Sustainable, cytocompatible and flexible electronics on potato starch-based films. Scientific Reports. 2024. Vol. 14. Art. 18838. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-69478-1.
Chowdhury M. A., Hossain N., Badrudduza M. D., Rana M. M. Development and characterization of natural sourced bioplastic for food packaging applications. Heliyon. 2023. Vol. 9, No. 2. Art. e13538. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e13538.
Lawal N., Adeleke A., Nzerem P., Adewumi C., Ogundolie F., Anosike-Francis E., Adeleke W., Jesuloluwa S. Recent Advances, Challenges, and Analytical Perspectives in Starch-Based Bioplastics. Journal of Renewable Materials. 2026. Vol. 14, No. 7. Art. 5. DOI: https://doi.org/10.32604/jrm.2026.02025-0203.
