李德祥，葉蕾，支朝暉，金征宇，繆銘,*

（1.江南大學(xué)食品與技術(shù)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214122）

（2.江蘇龍駿環(huán)保實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，江蘇常州 213003）

近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)電商和餐飲外賣(mài)行業(yè)的快速發(fā)展給人們的生活帶來(lái)了極大的便利，但造成的污染問(wèn)題也逐漸凸顯，引起了社會(huì)廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)四大網(wǎng)絡(luò)訂餐平臺(tái)每天銷(xiāo)售 2000萬(wàn)份外賣(mài)，每單消耗 2個(gè)一次性餐盒共需超4000萬(wàn)個(gè)（1年146億個(gè)），每單消耗1個(gè)塑料袋（按0.06 m2計(jì)），每天所用塑料袋可覆蓋 1.20×106m2；每年茶飲塑料吸管約 4.60×1010根（3×104t）；每年產(chǎn)生一次性餐盒和塑料袋廢棄垃圾2.0×106t以上。大量一次性塑料餐盒垃圾不僅消耗不可再生資源且難降解，掩埋或焚燒的廢棄物處理方式將造成土地、水和空氣污染，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康[1,2]。塑料樹(shù)脂極易在接觸食品后發(fā)生組分遷移，通過(guò)飲食不斷在人體內(nèi)蓄積，進(jìn)而產(chǎn)生各種毒性效應(yīng)危害健康，如塑料微粒經(jīng)過(guò)食物鏈層層傳遞進(jìn)入人體。同時(shí)，為了提升加工適應(yīng)性，樹(shù)脂加工常添加雙酚類(lèi)、聚酯類(lèi)、環(huán)氧酯類(lèi)增塑劑，也容易引發(fā)食品安全問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)塑料白色污染，“限塑”刻不容緩，全球各國(guó)不斷推出“限塑”政策。歐盟2021年頒布“禁塑令”，禁止或限用棉簽棒、吸管等十種一次性塑料制品；法國(guó)禁止使用一次性餐盒，并要求碗、碟、杯、叉等一次性餐盒必須用基于生物的原料制作；2020年我國(guó)政府發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見(jiàn)》和“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，有力有序有效治理塑料污染，努力建設(shè)美麗中國(guó)。隨著綠色環(huán)保材料的不斷發(fā)展，聚乳酸、熱塑淀粉等材料不僅具有優(yōu)良生物可降解性能，而且擁有良好的物理機(jī)械加工性能，成為一次性塑料餐盒研發(fā)的主要替代產(chǎn)品[3-6]。本文采用生命周期評(píng)價(jià)（LCA）對(duì)生物降解材料聚乳酸、熱塑淀粉進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并將其碳排放當(dāng)量和能源消耗參數(shù)與聚丙烯（PP）進(jìn)行比較。基于該環(huán)境評(píng)估結(jié)果，對(duì)外賣(mài)餐飲行業(yè)的食品餐盒包裝的綠色加工、可持續(xù)設(shè)計(jì)提供參考，使產(chǎn)業(yè)鏈的行為更符合綠色發(fā)展的原則，最大程度地減少環(huán)境影響。

1 材料與方法

1.1 方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

LCA方法涉及對(duì)功能單元開(kāi)發(fā)中從搖籃到墳?zāi)顾辛鞒痰目紤]。一次性餐盒生命周期包含以下三個(gè)階段：原料的提以及塑料母粒生產(chǎn)、餐盒生產(chǎn)加工、餐盒的使用和廢棄。LCA的主要目的是確定產(chǎn)品整個(gè)生命周期的整體能源、材料、廢物和排放影響，以及確定間接環(huán)境影響的分析[7,8]。

1.2 功能單元和系統(tǒng)邊界

1.2.1 功能單元

以1000個(gè)容量為650 mL的一次性外賣(mài)餐盒為功能單元，適用于水餃類(lèi)、煎炸類(lèi)、簡(jiǎn)餐類(lèi)、粉面類(lèi)外賣(mài)包裝。該型號(hào)餐盒使用范圍最廣，最具代表性。

1.2.2 系統(tǒng)邊界

如圖1所示，一次性餐盒生命周期可分為三個(gè)階段，“搖籃到門(mén)”、“門(mén)到門(mén)”、“門(mén)到墳?zāi)埂?。從“搖籃到門(mén)”包括原材料的采集，塑料母粒的合成，產(chǎn)品加工合成直至出廠?！皳u籃到門(mén)”階段，PP的生命周期流程始于原油的萃取和裂解，原油經(jīng)萃取后首先要經(jīng)過(guò)蒸餾，輕油采用常壓蒸餾、重油使用減壓蒸餾。蒸餾后的產(chǎn)物經(jīng)過(guò)蒸汽裂解得到丙烯，產(chǎn)物丙烯經(jīng)過(guò)純化后聚合得到最終產(chǎn)物PP[9,10]。PLA的生命周期始于玉米的栽培、收獲，收獲后的玉米經(jīng)過(guò)干燥、研磨后經(jīng)過(guò)淀粉分離并轉(zhuǎn)化為葡萄糖，并所得葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸并通過(guò)丙交酯生產(chǎn)，聚合成PLA[10,11]。原淀粉通過(guò)增塑劑和裂解劑的協(xié)同作用，在含有一定水分的條件下經(jīng)高溫塑化，得到TPS，該過(guò)程發(fā)生顆粒破碎、氫鍵削弱、淀粉部分降解[12]。為提升TPS機(jī)械性能，常將其與別的可降解聚合物共混，于高溫?cái)D出形成樹(shù)脂[13]。“門(mén)到門(mén)”階段一次性餐盒生產(chǎn)包含原料預(yù)處理和二次加工成型。母粒在筒體和螺桿的作用下熔融擠出，經(jīng)輥壓作用壓延形成片材，片材經(jīng)過(guò)適當(dāng)模具二次沖壓成型得到不同大小和形狀的餐盒?！伴T(mén)到墳?zāi)埂彪A段包括一次性外賣(mài)餐盒的使用和廢棄兩個(gè)過(guò)程。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

1.3.1 原料獲取階段（搖籃到門(mén)）

塑料餐盒從搖籃到門(mén)的過(guò)程包含原材料采集、加工和樹(shù)脂擠出過(guò)程。生命周期清單的數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)，其中PP[14-16]、PLA[10,17]、TPS[18]。三種樹(shù)脂擠出所需設(shè)備消耗的電力的能耗源于文獻(xiàn)[10,14,19]。

1.3.2 制品生產(chǎn)階段（門(mén)到門(mén)）

以上三種樹(shù)脂的加工和二次成型包括塑料片材的擠出和餐盒熱成型排放和能耗數(shù)據(jù)。本研究采用比熱、溫差和熔化熱值計(jì)算，參考公式：

式中：

L、W、T——聚合物片長(zhǎng)、寬、厚；

ρ——PLA、PP、TPS的密度；

cp——聚合物的比熱；

ΔT——聚合物片材與熱成型設(shè)定溫度之間的溫差；

ΔHf——材料的熔化熱。

樹(shù)脂二次成型的數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[10,14,18,21]。

1.3.3 廢棄物處理階段（門(mén)到墳?zāi)梗?/p>

本文考慮了以下運(yùn)輸方式和距離：對(duì)于原材料和包裝，使用 Ecoinvent數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)[22]；假設(shè)使用32 t的卡車(chē)運(yùn)送150 km；對(duì)于廢物處理過(guò)程所涉及的運(yùn)輸，假設(shè)使用一輛32 t卡車(chē)運(yùn)送50 km。垃圾焚燒的溫室氣體排放估算方法參考IPCC。一次性餐盒垃圾焚燒的溫室氣體排放總量包括兩個(gè)部分，即礦物碳焚燒造成的直接碳排放和企業(yè)在垃圾裝運(yùn)過(guò)程電、熱引起的碳排放。

一次性餐盒焚燒溫室氣體排放和火力發(fā)電產(chǎn)能數(shù)據(jù)通過(guò)公式1至3[23]計(jì)算獲得。如公式1所示，焚燒凈排放量EI由兩部分構(gòu)成，一是垃圾焚燒直接造成的排放Ei，另一部分則是發(fā)電減排量Ee，三者單位均為噸。其中，Ei和Ee則分別根據(jù)公式2和3進(jìn)行估算。垃圾焚燒再生電能計(jì)算方法見(jiàn)公式4。

式中：

EI——焚燒凈排放量，t；

Ei——垃圾焚燒直接造成的排放，t；

Ee——發(fā)電減排量，t；

ADe——生活垃圾焚燒發(fā)電上網(wǎng)電量，MWh；

ξ——熱效率，本文假設(shè)為20%，

ζ——廠用電率，本文假設(shè)為20%。

1.3.4 生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)

如表1所示，環(huán)境屬性統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括全球氣候變化（GWP）、初級(jí)能源消耗（PED）、臭氧層消耗（ODP）、富營(yíng)養(yǎng)化-淡水（EP）、酸化（AP）、可吸入無(wú)機(jī)物（RI）在內(nèi)的六種環(huán)境影響類(lèi)型。生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)源于文獻(xiàn)，其中PP[12,18]、PLA和TPS[8,15]。

表1 生命周期評(píng)價(jià)環(huán)境影響類(lèi)型Table 1 Life cycle assessment of environmental impact types

2 結(jié)果與討論

表2 三種一次性餐盒生命周期清單一覽Table 2 Life cycle list of three types of disposable lunch box

2.1 生命周期清單

如表2所示，根據(jù)PP、PLA、TPS三種一次性餐盒的生命周期清單數(shù)據(jù)，可從資源、能源、污染物排放三個(gè)層面進(jìn)行對(duì)比論述，得出結(jié)論如下：資源使用方面，作為生物基塑料的PLA和TPS原料來(lái)源可再生，其應(yīng)用可顯著減少不可再生石化資源消耗，與使用PP相比分別節(jié)省23.99、19.52 MJ原油，24.15 kg丙烯和 4.58 kg精煉石油氣的消耗。能源方面，TPS較PP和PLA節(jié)省了1922.40、529.40 MJ的不可再生能源。污染物排放方面，TPS較PP減少了103.87 g SO2、35.56 g NO2。

2.2 環(huán)境影響評(píng)價(jià)

表3 三種一次性餐盒生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)Table 3 Environmental impact assessment for the life cycle of three disposable lunch boxes

如表3所示，TPS餐盒的氣體排放值（GWP），初級(jí)能耗值（PED）、酸化（AP）等主要指標(biāo)均低于PP和PLA，在三種材料中環(huán)境影響最小。GWP分別降低 45.07、10.56，PED 分別降低 913.88、15.19，（AP）較PP由0.24減少至0.13。（GWP）和（PED）兩項(xiàng)指標(biāo)可反映材料全球變暖潛力和能源消耗情況。由表中數(shù)據(jù)可知，生物質(zhì)降解材料PLA、TPS能耗低，環(huán)境影響??；PP一次性餐盒能耗高，過(guò)程累積環(huán)境影響大，一次性餐盒領(lǐng)域的使用應(yīng)制止。TPS在環(huán)境影響上顯著優(yōu)于PP，在不考慮回收和堆肥情況環(huán)境影響略?xún)?yōu)于PLA，總的來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)降解材料PLA、TPS具有能耗低、對(duì)環(huán)境影響小的優(yōu)勢(shì)，是一次性餐盒的優(yōu)良替代材料。PLA受高成本、廢棄物難以滿(mǎn)足堆肥條件等因素限制，可降解優(yōu)勢(shì)難以體現(xiàn)。

2.3 碳足跡和能耗累積評(píng)價(jià)

三種一次性餐盒“搖籃到門(mén)”、“門(mén)到門(mén)”、“門(mén)到墳?zāi)埂碧甲阚E和能耗數(shù)據(jù)如圖3所示，可得如下結(jié)論：“搖籃到門(mén)”階段，TPS餐盒的碳排放較PP和PLA分別降低47.70%、40.60%；“門(mén)到門(mén)”階段，TPS產(chǎn)生了11.00 kg碳排放，低于PP和PLA；“門(mén)到墳?zāi)埂彪A段，1000個(gè)PP、PLA、TPS餐盒焚燒分別排放73.67、29.70、38.40 kg CO2。綜合三個(gè)階段，TPS餐盒的累計(jì)碳排放僅為 98.84 kg，與 PP和 PLA餐盒相比，分別減少46.90%和28.30%。PP、PLA、TPS三個(gè)階段的累積能耗分別為4949.96、1294.22、679.02 MJ?！皳u籃到門(mén)”階段，TPS能源消耗最少，僅為485.60 MJ?！伴T(mén)到門(mén)”階段，TPS消耗679.02 MJ能源，較PP和PLA低2395.85、83.21 MJ?！伴T(mén)到墳?zāi)埂彪A段，1000個(gè) PP、PLA、TPS一次性餐盒垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)能分別為60.77、7.85、10.44 MJ。三種餐盒能耗主要發(fā)生于“搖籃到門(mén)”階段，占總能耗50%～80%。

3 結(jié)論

本文評(píng)價(jià)了PP、PLA、TPS三類(lèi)典型一次性外賣(mài)餐盒的環(huán)境影響，通過(guò)構(gòu)建一次性塑料餐盒從搖籃到墳?zāi)谷芷谠u(píng)估模型，比較原料獲取階段、制品生產(chǎn)階段、廢棄物處理階段的碳排放當(dāng)量和能源消耗參數(shù)。三類(lèi)典型塑料餐盒的碳排放當(dāng)量在原材料獲取和廢棄物處理階段最大，而資源和能源消耗則主要發(fā)生在原材料獲取和產(chǎn)品生產(chǎn)階段。其中 PP餐盒在幾乎所有的影響類(lèi)別中貢獻(xiàn)最高，累計(jì)排放 186.18 kg CO2，消耗能源4949.96 MJ；而TPS餐盒累計(jì)釋放98.84 kg CO2，消耗679.02 MJ能源，與PP和PLA餐盒相比碳排放低46.90%、28.30%，節(jié)省能源4270.94 MJ、615.20 MJ。TPS作為一種新型的生物基替代材料成本低、環(huán)境影響小，故在減少塑料環(huán)境污染、助推國(guó)家雙碳目標(biāo)潛力巨大，但其機(jī)械強(qiáng)度的不足、阻水性差、綠色增塑劑的選用等問(wèn)題仍有待進(jìn)一步解決，尤其需要加強(qiáng)可循環(huán)、易回可降解產(chǎn)品研發(fā)，降低應(yīng)用成本，有效增加綠色產(chǎn)品供給，例如在滿(mǎn)足食品安全性、成本經(jīng)濟(jì)性、綠色環(huán)保性的同時(shí)也需對(duì)包裝材料本身進(jìn)行功能化設(shè)計(jì)，包括阻氧阻濕、耐油耐溫、熱密封、抗菌、耐冷凍保藏等多樣化、個(gè)性化的消費(fèi)需求。