近日，食品科學與工程學院侯漢學教授團隊在ACS Sustainable Chemistry & Engineering發表了題為“Regulation of Mechanical and Barrier Properties of Starch/PBAT Films from Extrusion Perspective: Structural Evolution, Correlation Insights and Predictive Model Development”的研究論文。

淀粉/聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT）復合材料是一種有前途的可生物降解材料，可用作食品、農業等多行業的可持續膜材。然而，雙相體系的成膜過程較為復雜，難以系統地解析淀粉與PBAT在混合加工過程中所經歷的分子結構、結晶結構及相結構轉變。此外，大多數研究受限于樣本數量較少，缺乏在加工參數與薄膜性能之間建立穩健的關聯、預測模型。

圖1 圍繞ANN模型解析、預測全降解包裝膜結構和性能的研究思路

為此，本研究構建了一個僅包含淀粉、甘油與PBAT的簡化體系，以系統研究淀粉/PBAT復合材料在擠出成膜過程中的結構演變。在此基礎上，通過擠出吹塑工藝共制備了60種不同配方的淀粉/PBAT薄膜，建立了包含18個變量的數據庫，涵蓋淀粉比例、加工步驟、螺桿轉速、機械及阻隔性能等指標。結果表明，成膜過程中淀粉發生了鍵斷裂、雙螺旋結構崩解與分子量降低；而在吹膜階段，淀粉與PBAT相內的分子重排及結晶狀態變化導致體系出現相分離現象。通過三因素方差分析、兩步聚類分析以及Pearson與Mantel相關性分析，揭示了成膜參數與薄膜理化性能之間的內在聯系。在此基礎上，構建了基于加工參數的人工神經網絡模型，實現了對薄膜機械與阻隔性能的精準預測，模型表現出較高的擬合度（R> 0.9）與良好的泛化能力。本研究有助于深入理解加工條件對淀粉/PBAT薄膜結構與性能的影響機制，并為其工業化制備與性能優化提供了重要的理論與數據支撐。

圖2 淀粉/PBAT共混成膜的兩種典型加工方式及吹塑過程中相分離示意圖

圖3 淀粉/PBAT共混體系在擠出成膜期間分子相互作用、短程/長程有序結構及微觀結構演變規律

圖4 成膜參數和薄膜性能之間的Mantel相關性熱圖

圖5 人工神經網絡模型的建模、拓撲結構、訓練信息及預測能力

食品科學與工程學院侯漢學教授、王文濤副教授為論文共同通訊作者。2023級博士研究生高山為第一作者。美國馬薩諸塞大學David Julian McClements教授、山東農業大學孫圣麟副教授、博士后Arif Rashid等共同參與了該研究。該研究獲得了泰山產業領軍人才、國家自然科學基金、山東省重大科技創新項目、山東省自然科學基金等項目的資助。

編      輯：萬    千 

審      核：賈    波