近日，食品科学与工程学院侯汉学教授团队在ACS Sustainable Chemistry & Engineering发表了题为“Regulation of Mechanical and Barrier Properties of Starch/PBAT Films from Extrusion Perspective: Structural Evolution, Correlation Insights and Predictive Model Development”的研究论文。
淀粉/聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT）复合材料是一种有前途的可生物降解材料，可用作食品、农业等多行业的可持续膜材。然而，双相体系的成膜过程较为复杂，难以系统地解析淀粉与PBAT在混合加工过程中所经历的分子结构、结晶结构及相结构转变。此外，大多数研究受限于样本数量较少，缺乏在加工参数与薄膜性能之间建立稳健的关联、预测模型。
图1 围绕ANN模型解析、预测全降解包装膜结构和性能的研究思路
为此，本研究构建了一个仅包含淀粉、甘油与PBAT的简化体系，以系统研究淀粉/PBAT复合材料在挤出成膜过程中的结构演变。在此基础上，通过挤出吹塑工艺共制备了60种不同配方的淀粉/PBAT薄膜，建立了包含18个变量的数据库，涵盖淀粉比例、加工步骤、螺杆转速、机械及阻隔性能等指标。结果表明，成膜过程中淀粉发生了键断裂、双螺旋结构崩解与分子量降低；而在吹膜阶段，淀粉与PBAT相内的分子重排及结晶状态变化导致体系出现相分离现象。通过三因素方差分析、两步聚类分析以及Pearson与Mantel相关性分析，揭示了成膜参数与薄膜理化性能之间的内在联系。在此基础上，构建了基于加工参数的人工神经网络模型，实现了对薄膜机械与阻隔性能的精准预测，模型表现出较高的拟合度（R> 0.9）与良好的泛化能力。本研究有助于深入理解加工条件对淀粉/PBAT薄膜结构与性能的影响机制，并为其工业化制备与性能优化提供了重要的理论与数据支撑。
图2 淀粉/PBAT共混成膜的两种典型加工方式及吹塑过程中相分离示意图
图3 淀粉/PBAT共混体系在挤出成膜期间分子相互作用、短程/长程有序结构及微观结构演变规律
图4 成膜参数和薄膜性能之间的Mantel相关性热图
图5 人工神经网络模型的建模、拓扑结构、训练信息及预测能力
食品科学与工程学院侯汉学教授、王文涛副教授为论文共同通讯作者。2023级博士研究生高山为第一作者。美国马萨诸塞大学David Julian McClements教授、山东农业大学孙圣麟副教授、博士后Arif Rashid等共同参与了该研究。该研究获得了泰山产业领军人才、国家自然科学基金、山东省重大科技创新项目、山东省自然科学基金等项目的资助。
编 辑：万 千
审 核：贾 波
