为回收利用而设计的柔性塑料食品包装的生命周期评估：从多材料结构向单材料多层结构转变

《Sustainable Materials and Technologies》：Life cycle assessment of flexible plastic food packaging designed for recycling: Shift from multi-material to mono-material multilayer structure

本研究通过全生命周期评估（C2G）比较多材料多层（MuMu）与单材料多层（MoMu）食品包装的环境效益，发现MoMu在气候变化、颗粒物排放、光化学臭氧形成和综合评分上分别降低46%、35%、25%和28%。化学回收可使降幅达53%、43%、41%和39%，但化石资源消耗取决于材料比例。研究指出多层结构设计、回收料替代率和市场供需平衡是关键影响因素，并强调现有方法论对循环潜力评估的不足。

　　

作者：Trang T. Nhu、Sophie Huysveld、Naomi Muindi、Tobias De Somer、Jo Dewulf

比利时根特大学生物科学工程学院绿色化学与技术系，Coupure Links 653，9000根特

摘要

柔性食品包装可以延长食品保质期并减少浪费，但其多层（MuMu）结构给回收带来了挑战。为了提高回收率，需要重新设计包装，例如从多层结构改为单层结构（MoMu）。然而，全面的环境评估仍然较少，尤其是采用从摇篮到坟墓（C2G）视角的评估。本研究通过进行C2G生命周期评估，比较了两种具有不同阻隔需求的食品包装在MuMu和MoMu结构下的环境影响，以及它们当前的和新兴的终结处理策略，使用了环境足迹和循环足迹公式方法。结果表明，用可回收的MoMu替代不可回收的MuMu可以带来显著的环境效益：通过机械回收，气候变化、颗粒物、光化学臭氧生成等指标分别减少了46%、35%、25%和28%；通过分层脱墨净化，这些指标分别减少了43%、31%、23%和25%；通过化学回收，这些指标分别减少了53%、43%、41%和39%。不过，化石资源的使用量取决于MoMu包装与MuMu包装中的塑料含量比例。此外，热点分析和敏感性分析强调了层压设计（材料类型、厚度、结构）、回收材料的替代性（回收材料替代原生材料的程度）以及回收材料的市场供需平衡的重要影响。行业应同时考虑提供机械稳定性的主要成分和虽质量占比小但对毒性、土地使用和臭氧消耗有显著影响的次要成分（如粘合剂和油墨）。本研究强调了需要改进方法论，以更好地评估回收材料的市场潜力和替代性。

引言

2022年，全球塑料产量达到4.003亿吨，其中欧洲占5880万吨[1]。塑料应用于各个行业，其中包装是最大的终端用途领域，占比39.6%，其中60%用于食品和饮料包装[2]。塑料包装具有多种优点，如延长食品保质期和防止食品浪费，这得益于其柔韧性、耐用性和轻量化[3]。在欧盟（EU），柔性包装占塑料包装的45%[4]，主要用于商业和工业应用（39%）、袋子和 sacks（24%）以及食品包装（23%）[5]。然而，由于其主要为一次性使用且使用寿命短，导致大量浪费，进而产生二次微塑料和纳米塑料[6],[7]，这些物质会随着时间渗透到人类和动物的食物链中，对环境造成影响[8]。

鉴于这些环境影响，欧盟议会和理事会通过2025/40号法规制定了到2030年、2035年和2040年人均包装废物减少5%、10%和15%的目标[9]。到2030年，所有包装都必须设计为可重复使用和可回收的，并对包装中的回收成分设定了新的目标，同时对一次性塑料包装实施限制。向循环经济转型是实现这些目标的关键。在这方面，为回收而设计（D4R）被视为一种有效方法，它考虑了设计阶段对产品生命周期终结（EOL）时回收率的影响，从而促进塑料产品的更高回收率[10]。

柔性塑料包装（FPP）包括单层和多层结构[11]，目前市场上多层柔性包装更为常见[12]。单层FPP由一层聚合物组成（厚度20–200微米），而多层FPP则由相同类型的聚合物多层（即单层结构MoMu）或不同类型的聚合物和非聚合物材料多层（即多层结构MuMu）组成，以获得特定性能[13]。本文后续将使用MuMu和MoMu这两个术语来指代多层FPP。聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）常用于提供机械稳定性、密封或粘合层，而阻隔氧气、水分和光线的层通常由乙烯-乙烯醇（EVOH）、乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）、聚偏二氯乙烯（PVDC）、聚酰胺（PA）、聚乙烯醇（PVOH）、氧化铝（AlOx）和二氧化硅（SiOx）制成[14]。

目前，由于MuMu复杂的结构与现有回收系统不兼容，通常被归类为不可回收废物（其他薄膜类别），而MoMu（主要是PE）废物则可回收（富含PE的薄膜类别）。然而，传统的分选技术无法准确识别MuMu[12],[15]。错误分类的MuMu会降低回收材料的品质并增加处理成本[15]。反之，MoMu也可能被错误地归类为不可回收废物而被焚烧。虽然一些先进技术（如分层脱墨）显示出回收MuMu的潜力，但在经济上仍不可行[10]或在工业规模上应用有限。例如，Saperatec GmbH启动了一个项目，建造并运营了世界上首座年处理能力为1.7万吨的MuMu回收工厂[16]。这表明从MuMu转向MoMu可以提高回收率，因为MoMu的结构更加均匀且可回收[17]。2021-2022年间，Amcor、Constantia Flexibles Group GmbH和Wipak Group等行业领导者推出了新的MuMu配方，使用PE或PP涂覆AlOx或SiOx[18]，但这些产品仍被归类为MuMu，因为其中聚烯烃（PE或PP）的含量至少占90%[14]。因此，全面了解MoMu在整个生命周期中的环境可持续性变得至关重要。

生命周期评估（LCA）是一种成熟的方法，用于量化产品整个生命周期的环境影响[19]，已广泛应用于多层包装，尤其是刚性塑料格式[20],[21]。然而，关于FPP的LCA研究仍然有限，尤其是针对D4R创新（如从MuMu转向MoMu）的研究。只有少数研究探讨了MuMu结构。例如，Tun?ok-?e?me等人（2024年）[22]表明，增加回收成分可以减少FPP的环境影响，无论是MuMu（PET/金属化PET/PE）还是MoMu（PP/金属化PP/PP）配置。不过，作者没有详细说明包装的功能性，也没有直接比较MuMu和MoMu。Carullo等人（2023年）[18]和Nhu等人（2025年）[23]报告称，具有同等功能的PE基MoMu在环境方面优于MuMu；前者关注原生材料，后者使用了回收的PE。然而，所有这些研究都局限于从原材料提取到薄膜密封的“从摇篮到大门”（cradle-to-gate）范围，未包括生命周期终结（EOL）阶段。Mousania和Atkinson（2025年）[24]以及Tacker等人（2025年）[25]进行了“从摇篮到坟墓”的评估，但这些仅考虑了填埋、焚烧和传统回收等当前的处理方法。其中，后者仅针对欧洲地区的MoMu进行了研究。关于FPP废物的先进回收技术的研究也很少。例如，已有研究评估了基于溶剂的聚合物回收[26]和脱墨[27]方法在工业后FPP废物中的应用。对于消费后FPP废物，ügdüler等人（2022年）[28]仅评估了基于酸的分层方法对碳足迹的影响，而Nhu等人（2025年）[23]则研究了基于示踪剂的分选、基于水的分层、脱墨以及将回收的PE材料应用于新的柔性食品包装中的效果，涵盖了多个影响类别。

总之，以往的多层FPP LCA研究提供了宝贵的见解，但仍存在两个关键问题：（i）研究范围仅限于层压材料/包装生产或特定的先进回收工艺；（ii）缺乏将D4R包装创新与当前和新兴的生命周期终结情景相结合的系统性LCA。最近一项关于循环经济背景下多层包装的综述[13]也指出了这种碎片化问题。

为了解决这些问题，本研究评估了在整个生命周期中用PE基MoMu包装替代MuMu包装的环境影响，包括三个子目标。首先，研究了四种专为两种具有不同阻隔需求的干食品包装设计的MuMu和MoMu结构及其当前的和新兴的终结处理方案。当前的处理方案包括MuMu的焚烧并回收能源（ER）和MoMu的传统机械回收（MR），而新兴方案包括采用分层脱墨（AMR）的先进机械回收和MoMu的化学回收（CR）。其次，确定了影响MuMu和MoMu环境影响的重点因素（环境热点），重点关注数据收集的阶段：原材料生产、机械回收和分层脱墨。最后，进行了敏感性分析，以确定参数变化对结果的影响程度。

材料与方法

为了实现研究目标，采用了ISO 14040[29]中规定的标准化生命周期评估（LCA）方法。该方法得到了联合国和欧盟委员会的认可，被认为是公共和私营部门决策的重要框架[30],[31]，为本研究提供了概念基础，包括四个步骤：目标和范围定义（步骤1）、生命周期数据清单（步骤2）和影响分析（步骤3）等。

生命周期环境影响

分析显示，气候变化影响、化石资源使用、颗粒物生成和光化学臭氧生成这四个类别共同占总影响的80%以上。根据欧盟委员会的建议[19]，这些关键类别值得深入讨论，同时整体影响得分也有助于工业利益相关者理解LCA结果，而无需专门的LCA知识。

进一步讨论与研究局限性

Co-product多功能性在影响LCA结果方面起着关键作用[55]。Marson等人（2023年）[40]对146项塑料LCA研究的回顾揭示了两个关键发现：首先，超过一半的研究没有明确说明处理多功能性的方法；其次，为了保持研究系统的一致性，通常更倾向于使用替代方法而非产品组合方法。

结论

本研究评估了从MuMu转向MoMu柔性塑料包装的生命周期环境影响，这种包装适用于需要低（可可脂）或高（烘焙粉）阻隔要求的干食品。原材料生产是环境影响的最大来源，超过了层压转换、包装、分销和生命周期管理的影响。因此，对这一阶段的影响进行热点分析至关重要。

作者贡献声明

Trang T. Nhu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件使用、方法论设计、数据整理、概念构建。 Sophie Huysveld：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论设计、概念构建。 Naomi Muindi：初稿撰写、数据整理。 Tobias De Somer：撰写 – 审稿与编辑、数据整理。 Jo Dewulf：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论设计、资金获取、概念构建。

资助

本研究是TRUCE项目（塑料循环经济中柔性包装的真正回收升级）的一部分，该项目由Catalisti-COOCK（HBC.2020.2946）资助，得到了Vlaams Agentschap Innoveren & Ondernemen（VLAIO）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢TRUCE联盟的成员，特别是Nicolas Mys博士和Amcor Flexibles（根特）团队，他们提供了原始数据和在模型构建及结果解释方面的专业意见。

AlOx

氧化铝

AMR

先进机械回收

BOPA

双向取向聚酰胺

C2G

从摇篮到坟墓

CFF

循环足迹公式

CR

化学回收

D4R为回收而设计

EOL生命周期终结

ER带有能源回收的焚烧

EU欧盟

EVA乙烯-醋酸乙烯酯

EVOH乙烯-乙烯醇

FU功能单元

LCA生命周期评估

MDOPE机器定向聚乙烯

MoMu单层材料多层结构

MR机械回收

MoMu多层材料多层结构

PA聚酰胺

PE聚乙烯

PET聚对苯二甲酸乙二醇酯