王艷麗，李玉坤，支朝暉，金征宇，繆 銘，*

（1 江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇無錫 214122 2 常州龍駿天純環(huán)保科技有限公司 江蘇常州 213003）

隨著新興行業(yè)，如外賣、快遞的蓬勃發(fā)展，人們越來越關(guān)注包裝行業(yè)對環(huán)境的影響，尤其是食品包裝。我國允許使用的食品包裝材料較多，其中塑料因可塑性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低、質(zhì)量輕等優(yōu)勢，在食品包裝領(lǐng)域被廣泛使用[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年塑料樹脂產(chǎn)量超過1 000 萬t，塑料制品更是超過1 100 萬t，已成為世界第三塑料大國[2]。巨量的不可降解塑料給環(huán)境造成了嚴(yán)重的“白色污染”，且由于塑料的生產(chǎn)原料主要為石油，也引發(fā)了能源危機(jī)，因此發(fā)展生物降解塑料（主要是淀粉基化合物或聚乳酸材料） 替代傳統(tǒng)石油基塑料已成為趨勢[3]。與石油基材料相比，生物基材料來源廣泛，可降解，既可緩解能源危機(jī)，同時廢棄包裝掩埋后也能被微生物分解為無機(jī)物，不會造成環(huán)境污染[4]。我國從2008年發(fā)布“限塑令”到2019年將生物基塑料列入鼓勵類產(chǎn)業(yè)目錄，這一系列政策均表明中國對生物基塑料需求保持較高的穩(wěn)定增長趨勢[5]。而國外方面，歐美、日、韓等國家注重環(huán)保，對于可降解材料的消耗加大，尤其是歐洲[6]。據(jù)統(tǒng)計，2020年生物降解材料的全球使用量將達(dá)到320萬t，其中歐美是生物降解材料的主要市場，而亞洲是未來生物降解材料的主要增長區(qū)[7]。然而，國內(nèi)外生物可降解塑料的價格通常比傳統(tǒng)塑料制品高出1 倍以上，其中完全可降解塑料的價格甚至高出4～8 倍[8]。高昂的價格限制了許多可降解塑料的應(yīng)用。降低價格、提高性能將是未來生物可降解塑料發(fā)展的主要趨勢。以淀粉、植物秸稈等為來源或原料的生物基高分子材料，不僅具有良好的力學(xué)性能，而且具有優(yōu)良的生物可降解性能，同時成本低廉，豐富易得，逐漸受到市場青睞[9-10]。然而，制備淀粉基材料過程涉及許多方面，包括對環(huán)境的影響。尋找一種系統(tǒng)科學(xué)的評估方法至關(guān)重要。

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是一種能夠客觀分析與評價資源和環(huán)境影響的環(huán)境管理技術(shù)，包括從原材料的采集、加工、生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸、消費(fèi)、回收以及最終處理等階段[11-14]。近年來，在與傳統(tǒng)石油基材料的對比研究中，LCA 被廣泛用于分析生物基材料的環(huán)境性能。Leceta 等[15]評估了殼聚糖基薄膜對環(huán)境的影響，結(jié)果表明，盡管殼聚糖薄膜在薄膜制造階段引起較高的環(huán)境負(fù)荷，而在原材料提取和最終處理階段，還表現(xiàn)出非常積極的環(huán)境影響，從而減少了食品包裝行業(yè)產(chǎn)生的環(huán)境污染。Chen 等[16]研究了100%生物基聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶與完全石油基和部分生物基PET 瓶的環(huán)境生命周期評價分析，結(jié)果表明，與石油基的同類產(chǎn)品相比，木質(zhì)生物基PET 瓶可減少21%的全球變暖潛能，并減少22%的石油燃料，而在其它類別（如生態(tài)毒性和臭氧消耗影響）方面表現(xiàn)較差。

本研究的目的是對不同配方的淀粉基材料進(jìn)行環(huán)境評價，并將其環(huán)境負(fù)荷與傳統(tǒng)的石油基材料聚丙烯（PP）進(jìn)行比較?；谠摥h(huán)境評估結(jié)果，本研究旨在為可持續(xù)發(fā)展決策提供理論參考，促使食品包裝行業(yè)甚至整個產(chǎn)業(yè)鏈的行為更符合綠色發(fā)展的要求，從而最大程度地減少環(huán)境影響。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究中淀粉基材料生產(chǎn)來自河北某公司，主要數(shù)據(jù)來源于代表企業(yè)及供應(yīng)鏈。生產(chǎn)的工藝為：原材料獲取→運(yùn)輸→高速混合→擠出造粒。本次LCA 評價對使用3 個配方的生物基材料，與作為參照系的純石油基聚丙烯（PP）生產(chǎn)的材料進(jìn)行對比分析，配方和參照系信息見表1。

表1 配方和參照系清單數(shù)據(jù)表Table 1 Process data list of formula and reference

本研究中滑石粉來自廣西某公司，其過程數(shù)據(jù)來源同樣來自代表企業(yè)及供應(yīng)鏈，淀粉基材料生產(chǎn)過程清單數(shù)據(jù)見表2。

表2 滑石粉生產(chǎn)過程清單數(shù)據(jù)Table 2 Process data list of talc

本研究中的所有運(yùn)輸均使用18 t 重型載重貨車（柴油），淀粉原料為河北秦皇島城內(nèi)運(yùn)輸，運(yùn)輸距離為1.119×103km；聚丙烯原料由山東運(yùn)往河北，運(yùn)輸距離為544 km；滑石粉由廣西運(yùn)往河北，運(yùn)輸距離為2.114×103km。

1.2 研究方法

1.2.1 目標(biāo)定義 本研究的研究對象為BSRMRPLANT MASS 系列淀粉基材料，選用不同配比的淀粉基材料進(jìn)行生命周期評價，并與純石油基材料作對比，突出淀粉基材料的環(huán)境績效。

1.2.2 范圍定義 本研究生命周期評價涉及的主要流程有原材料獲取、原材料的運(yùn)輸、不同配料的共混改性、制造淀粉基母料的一系列過程。圖1為淀粉基一次性餐飲具的生產(chǎn)工藝，本研究的系統(tǒng)邊界為生命周期-生產(chǎn)階段（從搖籃到大門），即虛線框部分。

圖1 淀粉基母料的系統(tǒng)邊界Fig.1 System boundaries for starch-based materials

1.2.3 功能單位界定 LCA 中的功能單位是量化產(chǎn)品系統(tǒng)輸出功能時所采用的單位。只有系統(tǒng)的輸入輸出功能單位一致，不同產(chǎn)品系統(tǒng)的環(huán)境性能數(shù)據(jù)才有可比性。本研究的功能單位為1 kg 淀粉基材料。

1.2.4 環(huán)境影響類型 本研究選擇了9 種環(huán)境影響類型指標(biāo)進(jìn)行了計算，見表3。其中氣候變化，初級能源消耗和水資源消耗比較具有代表性。

表3 環(huán)境影響類型指標(biāo)Table 3 Environmental impact type indicators

1.2.5 LCA 計算與分析工具 本研究采用由億科開發(fā)的中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（CLCD）系統(tǒng)，建立了生物基材料LCA 模型。CLCD 數(shù)據(jù)庫包括國內(nèi)主要能源、交通運(yùn)輸和基礎(chǔ)原料的清單數(shù)據(jù)集。

2 生命周期影響結(jié)果與分析

2.1 LCA 結(jié)果

本研究的環(huán)境影響評價依據(jù)生命周期評價理論，在eFootprint 上建模計算得不同配方淀粉基材料與石油基材料的LCA 計算結(jié)果，計算指標(biāo)分別為GWP、PED、WU、ADP、AP、EP、ODP、RI、POFP。表4為兩種材料的LCA 結(jié)果。

表4 石油基及不同配方淀粉基材料的LCA 結(jié)果Table 4 LCA results of fossil-based materials and starch-based materials with different formulations

由上表LCA 分析結(jié)果可知，GWP、PED、ADP、WU、ODP 分析指標(biāo)與配方中聚丙烯（PP）含量呈正相關(guān)，含量越高，指標(biāo)數(shù)值越大。這5 個指標(biāo)比參照系分別降低了27.79%，27.55%，16.97%，21.29%，53.07%，表明淀粉基配方對環(huán)境的氣候變化，初級能源、非生物資源、水資源及臭氧層消耗等環(huán)境影響明顯優(yōu)于純PP 配方。此外，各配方EP 值與淀粉含量呈正相關(guān)，淀粉基配方比純PP增加了2.5%。AP 值不受PP 和淀粉含量影響，因?yàn)樵撝笜?biāo)主要與電力消耗相關(guān)。而從RI、POFP 值的大小來看，不能判斷PP 含量對結(jié)果的影響。

為了比較兩種材料的環(huán)境影響評價，本研究中同時計算了純石油基材料及3 種淀粉基材料的LCA。采用eFootprint 軟件計算，背景數(shù)據(jù)庫一致。不同包裝材料的主要環(huán)境指標(biāo)對比見圖2。LCA結(jié)果顯示，3 種淀粉基材料的氣體排放值（GWP）、初級能耗值（PED）、水耗（WU）等主要指標(biāo)均低于石油基材料，GWP 由4.109 減小至2.967，PED 由83.378 減小至60.411，WU 由15.993 減小至12.588。綜上結(jié)果表明，3 種淀粉基材料比該石油基材料對環(huán)境造成的負(fù)荷要小。

圖2 不同材料的主要環(huán)境指標(biāo)對比Fig.2 Comparison of life cycle environmental load of different materials

2.2 過程累積貢獻(xiàn)分析

過程累積貢獻(xiàn)是指該過程直接貢獻(xiàn)及其所有上游過程的貢獻(xiàn)（即原料消耗所貢獻(xiàn)）的累加值。由于過程通常是包含多條清單數(shù)據(jù)，所以過程貢獻(xiàn)分析其實(shí)是多項(xiàng)清單數(shù)據(jù)靈敏度的累積。

由圖3可知，純石油基材料生命周期的主要環(huán)境指標(biāo)中，聚丙烯對GWP、PED 和WU 的貢獻(xiàn)最大，分別是70.3%，81.72%和77.57%，其次是電力，分別為28.09%，17.51%，21.92%。而不同配方的淀粉基材料生命周期的主要環(huán)境指標(biāo)中，聚丙烯、淀粉和電力對GWP、PED 和WU 的貢獻(xiàn)均較大，且隨著淀粉含量的增加，聚丙烯對環(huán)境的不利影響各減少了14.4%，16.85%，16.13%。從以上各環(huán)境指標(biāo)構(gòu)成情況來看，要提升這兩種材料的環(huán)境績效，最重要的是減少聚丙烯的添加量，以淀粉取代聚丙烯，從而提高環(huán)境績效；其次是電力和淀粉原料，由于生物基配方以淀粉為主，因此其對環(huán)境累積貢獻(xiàn)逐漸增大。

圖3 石油基材料和不同配方的淀粉基材料LCA 累積貢獻(xiàn)結(jié)果Fig.3 The LCA cumulative contribution of fossil-based materials and starch-based materials with different formulations

2.3 不同配方淀粉基材料與石油基材料的碳排放比較

通過對不同配方淀粉基材料與石油基材料的原材料獲取、產(chǎn)品生產(chǎn)兩個階段進(jìn)行碳排放分析，在每個階段中均以1 kg 產(chǎn)品為標(biāo)準(zhǔn)建立了它們的環(huán)境績效評估模型，得到了兩種材料在這兩個階段的碳排放當(dāng)量。由圖4可知，這兩種材料在原材料獲取、產(chǎn)品生產(chǎn)兩個過程中，其碳排放當(dāng)量環(huán)境影響主要在原材料獲取階段，其次分別是產(chǎn)品生產(chǎn)階段。因此必須改善原材料獲取階段的碳排放，才能減少環(huán)境負(fù)荷。由于原材料獲取階段主要消耗的是聚丙烯和淀粉，隨著淀粉基配方中淀粉含量的增加，原材料獲取階段碳排放比例明顯下降，說明淀粉基配方可有效減少環(huán)境負(fù)擔(dān)，比聚丙烯更有優(yōu)勢。

圖4 不同配方淀粉基材料與石油基材料的碳排放Fig.4 Carbon emission equivalent of fossil-based materials and starch-based materials with different formulations

3 結(jié)論

使用環(huán)境影響評估軟件對純石油基材料和不同配方的淀粉基材料進(jìn)行了生命周期評價，結(jié)果表明，淀粉基配方對環(huán)境氣候變化、初級能源、非生物資源、水資源及臭氧層消耗等環(huán)境影響指標(biāo)明顯優(yōu)于純PP 配方，分別降低了27.79%，27.55%，16.97%，21.29%，53.07%。在過程累積貢獻(xiàn)分析中，以淀粉取代聚丙烯后，對環(huán)境主要指標(biāo)的不利影響各減少了14.4%，16.85%，16.13%。此外，對兩種材料的兩個階段進(jìn)行了碳排放分析，原材料獲取階段碳排放當(dāng)量最多，聚丙烯達(dá)到81.76%，因此可選用更環(huán)保的材料替換。采用淀粉替代部分聚丙烯后，不同淀粉基配方的碳排放當(dāng)量最大可降低20.66%。綜上，3 種淀粉基材料的主要環(huán)境績效表現(xiàn)均要優(yōu)于石油基材料，展現(xiàn)了淀粉基材料的優(yōu)勢。當(dāng)前針對國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)和“白色污染”環(huán)境問題，國內(nèi)外已經(jīng)出臺了各項(xiàng)政策限制甚至禁止傳統(tǒng)塑料，以支持生物降解塑料的發(fā)展。因此，開發(fā)淀粉基替代材料將對發(fā)展國內(nèi)生物基材料產(chǎn)業(yè)具有重要的引領(lǐng)作用。