淀粉基食品包装材料的生命周期评价

王艳丽，李玉坤，支朝晖，金征宇，缪 铭，*

（1 江南大学食品科学与技术国家重点实验室 江苏无锡 214122 2 常州龙骏天纯环保科技有限公司 江苏常州 213003）

随着新兴行业，如外卖、快递的蓬勃发展，人们越来越关注包装行业对环境的影响，尤其是食品包装。我国允许使用的食品包装材料较多，其中塑料因可塑性强、生产成本低、质量轻等优势，在食品包装领域被广泛使用[1]。据统计，我国每年塑料树脂产量超过1 000 万t，塑料制品更是超过1 100 万t，已成为世界第三塑料大国[2]。巨量的不可降解塑料给环境造成了严重的“白色污染”，且由于塑料的生产原料主要为石油，也引发了能源危机，因此发展生物降解塑料（主要是淀粉基化合物或聚乳酸材料） 替代传统石油基塑料已成为趋势[3]。与石油基材料相比，生物基材料来源广泛，可降解，既可缓解能源危机，同时废弃包装掩埋后也能被微生物分解为无机物，不会造成环境污染[4]。我国从2008年发布“限塑令”到2019年将生物基塑料列入鼓励类产业目录，这一系列政策均表明中国对生物基塑料需求保持较高的稳定增长趋势[5]。而国外方面，欧美、日、韩等国家注重环保，对于可降解材料的消耗加大，尤其是欧洲[6]。据统计，2020年生物降解材料的全球使用量将达到320万t，其中欧美是生物降解材料的主要市场，而亚洲是未来生物降解材料的主要增长区[7]。然而，国内外生物可降解塑料的价格通常比传统塑料制品高出1 倍以上，其中完全可降解塑料的价格甚至高出4～8 倍[8]。高昂的价格限制了许多可降解塑料的应用。降低价格、提高性能将是未来生物可降解塑料发展的主要趋势。以淀粉、植物秸秆等为来源或原料的生物基高分子材料，不仅具有良好的力学性能，而且具有优良的生物可降解性能，同时成本低廉，丰富易得，逐渐受到市场青睐[9-10]。然而，制备淀粉基材料过程涉及许多方面，包括对环境的影响。寻找一种系统科学的评估方法至关重要。

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是一种能够客观分析与评价资源和环境影响的环境管理技术，包括从原材料的采集、加工、生产、包装、运输、消费、回收以及最终处理等阶段[11-14]。近年来，在与传统石油基材料的对比研究中，LCA 被广泛用于分析生物基材料的环境性能。Leceta 等[15]评估了壳聚糖基薄膜对环境的影响，结果表明，尽管壳聚糖薄膜在薄膜制造阶段引起较高的环境负荷，而在原材料提取和最终处理阶段，还表现出非常积极的环境影响，从而减少了食品包装行业产生的环境污染。Chen 等[16]研究了100%生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶与完全石油基和部分生物基PET 瓶的环境生命周期评价分析，结果表明，与石油基的同类产品相比，木质生物基PET 瓶可减少21%的全球变暖潜能，并减少22%的石油燃料，而在其它类别（如生态毒性和臭氧消耗影响）方面表现较差。

本研究的目的是对不同配方的淀粉基材料进行环境评价，并将其环境负荷与传统的石油基材料聚丙烯（PP）进行比较。基于该环境评估结果，本研究旨在为可持续发展决策提供理论参考，促使食品包装行业甚至整个产业链的行为更符合绿色发展的要求，从而最大程度地减少环境影响。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究中淀粉基材料生产来自河北某公司，主要数据来源于代表企业及供应链。生产的工艺为：原材料获取→运输→高速混合→挤出造粒。本次LCA 评价对使用3 个配方的生物基材料，与作为参照系的纯石油基聚丙烯（PP）生产的材料进行对比分析，配方和参照系信息见表1。

表1 配方和参照系清单数据表Table 1 Process data list of formula and reference

本研究中滑石粉来自广西某公司，其过程数据来源同样来自代表企业及供应链，淀粉基材料生产过程清单数据见表2。

表2 滑石粉生产过程清单数据Table 2 Process data list of talc

本研究中的所有运输均使用18 t 重型载重货车（柴油），淀粉原料为河北秦皇岛城内运输，运输距离为1.119×103km；聚丙烯原料由山东运往河北，运输距离为544 km；滑石粉由广西运往河北，运输距离为2.114×103km。

1.2 研究方法

1.2.1 目标定义 本研究的研究对象为BSRMRPLANT MASS 系列淀粉基材料，选用不同配比的淀粉基材料进行生命周期评价，并与纯石油基材料作对比，突出淀粉基材料的环境绩效。

1.2.2 范围定义 本研究生命周期评价涉及的主要流程有原材料获取、原材料的运输、不同配料的共混改性、制造淀粉基母料的一系列过程。图1为淀粉基一次性餐饮具的生产工艺，本研究的系统边界为生命周期-生产阶段（从摇篮到大门），即虚线框部分。

图1 淀粉基母料的系统边界Fig.1 System boundaries for starch-based materials

1.2.3 功能单位界定 LCA 中的功能单位是量化产品系统输出功能时所采用的单位。只有系统的输入输出功能单位一致，不同产品系统的环境性能数据才有可比性。本研究的功能单位为1 kg 淀粉基材料。

1.2.4 环境影响类型 本研究选择了9 种环境影响类型指标进行了计算，见表3。其中气候变化，初级能源消耗和水资源消耗比较具有代表性。

表3 环境影响类型指标Table 3 Environmental impact type indicators

1.2.5 LCA 计算与分析工具 本研究采用由亿科开发的中国生命周期基础数据库（CLCD）系统，建立了生物基材料LCA 模型。CLCD 数据库包括国内主要能源、交通运输和基础原料的清单数据集。

2 生命周期影响结果与分析

2.1 LCA 结果

本研究的环境影响评价依据生命周期评价理论，在eFootprint 上建模计算得不同配方淀粉基材料与石油基材料的LCA 计算结果，计算指标分别为GWP、PED、WU、ADP、AP、EP、ODP、RI、POFP。表4为两种材料的LCA 结果。

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

由上表LCA 分析结果可知，GWP、PED、ADP、WU、ODP 分析指标与配方中聚丙烯（PP）含量呈正相关，含量越高，指标数值越大。这5 个指标比参照系分别降低了27.79%，27.55%，16.97%，21.29%，53.07%，表明淀粉基配方对环境的气候变化，初级能源、非生物资源、水资源及臭氧层消耗等环境影响明显优于纯PP 配方。此外，各配方EP 值与淀粉含量呈正相关，淀粉基配方比纯PP增加了2.5%。AP 值不受PP 和淀粉含量影响，因为该指标主要与电力消耗相关。而从RI、POFP 值的大小来看，不能判断PP 含量对结果的影响。

为了比较两种材料的环境影响评价，本研究中同时计算了纯石油基材料及3 种淀粉基材料的LCA。采用eFootprint 软件计算，背景数据库一致。不同包装材料的主要环境指标对比见图2。LCA结果显示，3 种淀粉基材料的气体排放值（GWP）、初级能耗值（PED）、水耗（WU）等主要指标均低于石油基材料，GWP 由4.109 减小至2.967，PED 由83.378 减小至60.411，WU 由15.993 减小至12.588。综上结果表明，3 种淀粉基材料比该石油基材料对环境造成的负荷要小。

图2 不同材料的主要环境指标对比Fig.2 Comparison of life cycle environmental load of different materials

2.2 过程累积贡献分析

过程累积贡献是指该过程直接贡献及其所有上游过程的贡献（即原料消耗所贡献）的累加值。由于过程通常是包含多条清单数据，所以过程贡献分析其实是多项清单数据灵敏度的累积。

由图3可知，纯石油基材料生命周期的主要环境指标中，聚丙烯对GWP、PED 和WU 的贡献最大，分别是70.3%，81.72%和77.57%，其次是电力，分别为28.09%，17.51%，21.92%。而不同配方的淀粉基材料生命周期的主要环境指标中，聚丙烯、淀粉和电力对GWP、PED 和WU 的贡献均较大，且随着淀粉含量的增加，聚丙烯对环境的不利影响各减少了14.4%，16.85%，16.13%。从以上各环境指标构成情况来看，要提升这两种材料的环境绩效，最重要的是减少聚丙烯的添加量，以淀粉取代聚丙烯，从而提高环境绩效；其次是电力和淀粉原料，由于生物基配方以淀粉为主，因此其对环境累积贡献逐渐增大。

图3 石油基材料和不同配方的淀粉基材料LCA 累积贡献结果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与石油基材料的碳排放比较

通过对不同配方淀粉基材料与石油基材料的原材料获取、产品生产两个阶段进行碳排放分析，在每个阶段中均以1 kg 产品为标准建立了它们的环境绩效评估模型，得到了两种材料在这两个阶段的碳排放当量。由图4可知，这两种材料在原材料获取、产品生产两个过程中，其碳排放当量环境影响主要在原材料获取阶段，其次分别是产品生产阶段。因此必须改善原材料获取阶段的碳排放，才能减少环境负荷。由于原材料获取阶段主要消耗的是聚丙烯和淀粉，随着淀粉基配方中淀粉含量的增加，原材料获取阶段碳排放比例明显下降，说明淀粉基配方可有效减少环境负担，比聚丙烯更有优势。

图4 不同配方淀粉基材料与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 结论

使用环境影响评估软件对纯石油基材料和不同配方的淀粉基材料进行了生命周期评价，结果表明，淀粉基配方对环境气候变化、初级能源、非生物资源、水资源及臭氧层消耗等环境影响指标明显优于纯PP 配方，分别降低了27.79%，27.55%，16.97%，21.29%，53.07%。在过程累积贡献分析中，以淀粉取代聚丙烯后，对环境主要指标的不利影响各减少了14.4%，16.85%，16.13%。此外，对两种材料的两个阶段进行了碳排放分析，原材料获取阶段碳排放当量最多，聚丙烯达到81.76%，因此可选用更环保的材料替换。采用淀粉替代部分聚丙烯后，不同淀粉基配方的碳排放当量最大可降低20.66%。综上，3 种淀粉基材料的主要环境绩效表现均要优于石油基材料，展现了淀粉基材料的优势。当前针对国家“双碳”战略目标和“白色污染”环境问题，国内外已经出台了各项政策限制甚至禁止传统塑料，以支持生物降解塑料的发展。因此，开发淀粉基替代材料将对发展国内生物基材料产业具有重要的引领作用。