综述：利用异质有机废物的战略价值化开发可持续食品包装：一种循环经济方法

本综述系统阐述了将农业残留、食品加工副产物及海洋废弃物等异质有机废物转化为可持续食品包装材料的创新策略。文章重点探讨了从废物中提取生物聚合物（如纤维素、壳聚糖、明胶）和生物活性化合物（如多酚、黄酮类）的技术路径，及其在改善包装材料的机械强度、屏障性能（O2/WVTR）、抗氧化/抗菌功能方面的应用。通过循环经济（CE）和延伸生产者责任（EPR）框架，综述强调了废物价值化在减少石油基塑料依赖、推动食品包装行业向可持续发展转型方面的巨大潜力，同时指出了当前在规模化生产（如3D打印技术应用）和标准化评估方面存在的挑战与未来方向。

　　

1. 引言

全球塑料年产量已超过4.5亿吨，其中约46%的塑料垃圾来自包装行业，而高达95%的现代包装未被回收，导致每年800-1200亿美元的经济损失。传统石油基聚合物在生产过程中会排放CO₂，且添加的化学物质可能迁移至食品中，对环境和人类健康构成威胁。这些严峻现实促使人们通过回收倡议或开发环保包装材料来减少塑料废物。欧洲委员会已采纳循环经济规定，旨在最大限度利用塑料材料，并在其使用寿命结束后进行回收和再生。然而，全球近80%的塑料仍未得到回收和再利用。另一种策略是使用生物基包装材料作为传统石油基一次性塑料包装的绿色替代品。可生物降解聚合物的进步提供了显著优势，因为它们能在六个月内分解为CO₂、水和有机物，而不像传统塑料那样可能在垃圾填埋场存留数百年。

1.1. 可持续包装解决方案

生物基聚合物源自各种自然资源，其功能和化学性质与石油基材料相似，为塑料包装带来的挑战提供了有前景的解决方案。然而，它们的使用可能通过将宝贵的农业资源从粮食生产转移而无意中破坏食品供应链。一个更可持续且能缓解此问题的方法是价值化加工工业和海洋资源产生的废物。将这些异质废物转化为环保替代品，既不会影响食品供应链，又有助于减少废物，支持循环经济原则，并促进材料科学的创新。由此产生的包装解决方案具有经济可行性，且环境足迹更小。

1.2. 异质有机废物的优势：可持续性与功能性

全球每年由各行业产生的有机废物约为13亿吨（占全球粮食产量的三分之一），造成估计1万亿美元的经济损失。这些废物分布在不同类别：水果和蔬菜约占40%，鱼和海鲜占35%，谷物占30%，肉类和家禽以及乳制品各占约20%。这些统计数据凸显了废物价值化策略对于减少有机废物和促进资源高效利用的重要性。异质生物废物价值化策略具有诸多优势，特别是在可持续包装方面。对农业残留物、食品加工副产物和其他生物废物的价值化处理为包装开发开辟了新视野，从而减少了最终进入垃圾填埋场或焚烧的废物量。这减轻了废物管理系统的压力，降低了温室气体排放，并有助于减缓气候变化。此外，通过用回收或升级再造的材料替代原始材料，有助于保护自然资源，进一步支持环境可持续性。废物价值化与循环经济原则紧密契合，它将低价值的废物转化为高价值的包装材料，从而闭合材料使用循环，促进资源效率。

这些包装材料为增强包装材料性能提供了创新机会。通过将从有机废物中提取的活性生物分子（如抗氧化剂、抗菌剂）融入包装材料，可以显著改善功能性，如屏障阻力、抗菌活性和机械强度。当整合到包装材料中时，这些活性化合物可以延长食品的保质期，防止腐败，并提高整体食品安全性。此外，利用从某些生物废物中获得的绿色提取物合成纳米颗粒有助于进一步增强包装功能性。这些纳米颗粒赋予额外的特性，如增强的机械强度、紫外线防护和改进的屏障性能等，使包装材料更加多功能和有效。

1.3. 可持续包装的监管环境

环保包装材料的开发和使用是应对全球环境挑战的关键组成部分。然而，确保这些材料成功实施的责任在于生产者和消费者共同承担，由延伸生产者责任（EPR）和循环经济（CE）框架驱动。EPR是一种政策方法，要求生产者对其产品的整个生命周期负责，包括消费后阶段的管理。它在可持续包装战略中发挥着关键作用，因为它将废物管理的负担从消费者和市政当局转移到制造商，并使实践符合欧洲废物等级制度。在EPR下，生产者负责使用过的产品的收集和回收，对其进行分类和处理以最终回收。这种方法鼓励制造商考虑其包装材料产生的废物相关的处置成本，从而激励环保设计、减少不可回收材料以及环保可持续包装解决方案的创新。

生产者有义务通过集体合规计划（公司合作进行高效废物管理）为包装废物的收集、回收和安全处置提供资金。大多数EPR框架强调在包装中使用可堆肥、可生物降解或可回收材料，这与联合国可持续发展目标（SDGs）保持一致。此外，EPR促进供应链上各利益相关者（包括制造商、零售商、消费者和废物管理公司）之间的合作，以实现废物减少的共同目标。它还有助于在欠发达地区建立回收单位。将EPR框架整合到商业模式中不仅有助于公司遵守法规，还通过展示对环境可持续性的承诺来提升品牌形象。

欧盟（EU）在应对日益严重的塑料污染及其不利环境影响方面引入了包装中的循环经济（CE）框架。这一概念强调整合生物和技术方法以最小化废物，并促进闭环产品循环。CE在工业家、消费者和政策制定者中日益增长的重要性凸显了其革新传统经济实践的潜力。然而，其成功实施需要供应链上的协作努力，包括供应商、分销商、零售商、制造商、回收处理器、消费者和废物收集者。

在食品包装行业，CE原则可以通过材料减少、再利用和回收等策略来实施。虽然减少材料投入可以节约资源并降低生产成本，但包装材料的再利用仅对可再填充、耐用和可清洁的容器保持经济可行性。回收尽管被广泛使用和推广，但仍面临挑战，例如多层包装的结构复杂性限制了资源回收。

CE战略可以进一步与可持续目标保持一致，并且“减少、再利用、回收”的原则可以通过废物价值化的视角重新概念化。这种方法强调了从废弃资源中提取增值产品的重要性，使其能够转化为创新和先进的包装材料。总之，CE和废物价值化的概念有潜力为包装行业铺平更具韧性和资源意识实践的道路。

不同的国家和地区遵循不同的EPR指南和循环经济战略，反映了不同的监管重点和执行能力。在欧盟，2025年2月通过的《包装和包装废物条例》（PPWR）要求所有包装到2030年可回收，并强制执行渐进的废物减少目标（到2030年减少5%，到2040年减少15%），并要求建立押金返还制度，到2029年实现饮料容器90%的收集目标。

相比之下，北美对EPR的实施仍然零散。加拿大实行省主导的系统，由生产者责任组织管理（例如，不列颠哥伦比亚省的饮料容器回收）。而美国缺乏联邦框架，而是依赖针对特定产品（如电子废物和包装废物）的州级法律。

在亚洲，监管策略多种多样。日本根据《容器和包装回收法》（1997年通过，2000年全面实施）采用了物理EPR模式，生产者支付回收费用，市政当局通过许可的回收商协调收集和处理。中国于2008年颁布了《循环经济促进法》（2009年生效），将资源效率和回收纳入国家产业政策，并通过设定定量再利用和回收目标的五年计划加以强化。另一方面，印度根据《塑料废物管理修正规则（2022）》引入了分阶段回收目标（到2024-25年刚性塑料回收50%，到2027-28年提高到80%），通过中央污染控制委员会（CPCB）门户进行集中注册，以及基于市场的EPR证书。一份2024年的草案通知进一步将义务扩展到卫生和包装废物，设定了到2028-2029年100%回收的目标。尽管取得了这些进展，印度和中国都面临着诸如非正规回收实践、不足的回收物流和有限监控等挑战。

1.4. 本综述的目的与范围

本综述的主要目的是分析和探索利用异质生物废物流（如农业废物、工业副产物、海洋加工废物和海洋天然生物质）进行可持续包装材料开发的战略价值化。本综述详细介绍了可从这些废物流中提取的有价值产品，并考察了利用这些多样化废物来源制造创新包装解决方案的最新进展。此外，综述还强调了废物减少、资源效率和循环经济原则的创新方法。它讨论了在包装行业采用这些环保替代材料相关的挑战和机遇，为该领域的未来研究和开发奠定了基础。

2. 用于食品包装的异质有机废物价值化

异质有机废物流包括从农田、食品加工工业和海洋来源（例如，海洋加工废物和海洋天然生物质）产生的各种有机废物。每个类别包含特定的部分，包括果皮、蔬菜修剪物、作物残留、食物残渣、鱼体、鱼粉、海藻和其他有机材料，所有这些都具有独特的生化成分。这些差异建立了一个指导其价值化路径的分类系统。例如，多糖（如淀粉、藻酸盐、纤维素、果胶、壳聚糖）增强成膜能力和屏障性能；蛋白质（如明胶、胶原蛋白、玉米蛋白和大豆蛋白）增强机械强度，而脂质和生物活性化合物则赋予疏水性、抗氧化和抗菌功能。这些特性与食品包装的关键性能特征（包括机械稳定性、气体和水分屏障、透明度和环境可持续性）密切相关。尽管这些废物流的异质性对收集、分类和加工提出了挑战，但也为针对精确应用定制材料特性的创新提供了机会。将这些废物流的分类与其功能性生物分子对齐，并将其与包装性能联系起来，建立了一个清晰的问题-技术-效益链。这强调了有机废物价值化对于应对环境挑战同时满足环保薄膜、涂层、容器和餐具工业需求的重要意义。

异质有机废物的价值化遵循提取-改性-成型路径。它们受到技术参数的强烈影响，包括溶剂组成、反应温度、pH值和固化时间。例如，从海鲜废物中提取的壳聚糖的脱乙酰度控制其溶解度和成膜能力，而从水果或谷物废物中提取的多糖的混合比例决定了拉伸强度和屏障性能。这些参数见解对于为可持续包装应用定制废物衍生的生物聚合物至关重要。绿色化学的进步，包括绿色溶剂和节能技术的使用，已经解决了从复杂废物流中选择性回收高价值生物分子的挑战。通过利用异质生物废物流的潜力，食品包装行业可以转向更可持续的实践，从而减少对化石基塑料的依赖并最小化废物。这种方法不仅支持环境保护，还将为农业和食品加工副产物增加价值，从而推进循环经济原则。

2.1. 有机废物的预处理方法

预处理是将异质有机废物转化为食品包装应用功能材料的重要步骤。这一步有助于控制纯度、产率以及最终决定薄膜性能的结构特征。对于食品加工残留物，如果渣和蔬菜皮，预处理通常涉及干燥、研磨和溶剂辅助提取生物活性化合物和生物分子。这些分子要么直接转化为聚合物基质，要么被掺入以赋予功能性，包括紫外线防护以及抗氧化/抗菌活性。

农业残留物，如玉米壳、麦秆和甘蔗渣，通常由于其高木质素和半纤维素含量而需要强力预处理。碱法制浆、漂白和酸水解通常用于分离纤维素纳米晶体和纳米纤维。当这些纳米结构嵌入淀粉或其他基质时，它们显著提高了拉伸强度、热稳定性和透明度，同时降低了氧气透过率（OTR）和水蒸气透过率（WVTR）。

海洋生物质，包括天然生物质和加工废物，为提取多糖和蛋白质提供了另一个合适的来源。甲壳类动物壳通过顺序脱蛋白（碱处理，通常用NaOH去除蛋白质）和脱矿质（酸处理，通常用HCl去除碳酸钙）进行预处理以获得甲壳素，然后进行脱乙酰（在浓碱下）以产生壳聚糖。脱乙酰度强烈影响由这些生物聚合物生产的包装材料的最终屏障和抗菌性能。鱼类加工副产物，如皮、骨、鱼鳔和鱼鳞，是明胶和胶原蛋白的主要来源。它们的预处理通常涉及清洗、干燥、脱脂和酸性或碱性调节，然后进行热水提取以回收明胶。诸如pH值、温度和预处理剂等条件决定了分子量分布和冻力（对于明胶），这直接影响所得薄膜的柔韧性、透明度和机械性能。海洋大型藻类提供硫酸化多糖，特别是琼脂、卡拉胶和藻酸盐。它们的提取通常需要热水提取，有时结合碱性预处理或氯化钙处理以促进纯化和溶解。

比较表突出了多样化的预处理策略，从水果废物中的温和水相提取到农业残留物和海洋废物中的强碱提取，直接塑造了回收生物聚合物的物理化学特性。温和提取倾向于最大化生物活性保留以实现抗氧化和抗菌功能，而更剧烈的化学-机械处理对于生产有助于增强拉伸强度和屏障性能的纳米结构纤维素或纯化甲壳素至关重要。总之，这些例子强调，根据原料类型修改预处理策略可以最大化回收效率并有助于定制包装性能。

2.2. 食品加工废物（FPW）

水果和蔬菜因其营养和健康益处而在全球范围内以原料和加工形式被消费。这些水果和蔬菜加工后的不可食用部分约占其总重量的10-50%。这些废物包括果皮、果渣、种子、果核和其他植物物质。全球食品加工工业每年产生近5亿吨废物（占食品废物总量的25-30%）。联合国粮食及农业组织（FAO）估计，这些损失每年高达近9400亿美元。

食品加工厂在生产果汁、果冻、果酱和果脯以及饮料制造过程中产生大量废物。例如，果汁生产中的果渣废物比果汁本身含有更高浓度的生物活性化合物。全球年产量超过8000万吨的柑橘类水果，在果汁提取或果酱制备过程中产生50-60%的废物。同样，香蕉作为消费最广泛的水果之一，产生大量剩余生物质。马铃薯、番茄和胡萝卜等蔬菜在工业加工过程中也产生大量废物。当番茄被加工成番茄汁、番茄酱、番茄沙司或番茄泥时，会产生番茄 pulp。这种作为副产物产生的番茄 pulp 是淀粉（10-18%）、果胶（7.5-6%）、纤维素（27-32%）、简单糖（11-26%）、木质素（31%）、蛋白质（12-23%）、油（5-20%）和灰分（4-6%）的丰富来源。

2.2.1. 源自FPW的包装材料

从FPW中提取的主要多糖是纤维素、淀粉和果胶。这些多糖可以转化为两种类型的包装材料，即可堆肥包装和可食用包装。可堆肥包装通过生物过程降解，产生水、CO₂和其他无机化合物。各种研究人员已经利用FPW为食品产品制造了可堆肥包装。一项研究强调了利用榴莲果皮基纤维素，通过绿色溶剂工艺开发透明、光滑、机械耐用且可堆肥的包装潜力。羧甲基纤维素（CMC）是一种商业可得的衍生物，可改善淀粉基薄膜的机械强度和屏障性能。各种水果和蔬菜废物材料，包括含羞草皮、西米废物、桑葚纸废物、甜菜浆、木瓜皮和其他不良植被，已被用于生产CMC。最近，榴莲果皮纤维素被转化为CMC，以增强大米淀粉基薄膜的性能。将CMC掺入包装材料导致改善的机械性能，如增加的拉伸强度和增强的热稳定性。研究人员制备了丁香酚/丝素蛋白纳米颗粒/枸杞多糖（EO/SFNPs/LBP）纳米纤维作为猪肉活性食品包装的复合薄膜材料，其中纳米纤维显示出强大的抗菌活性且不影响猪肉的感官品质。另一项研究侧重于开发木薯和马铃薯基淀粉薄膜，具有强大的结构完整性、高拉伸强度和半结晶形态。其水蒸气渗透性和溶解度与用于包装应用的低密度聚乙烯相当。许多研究人员专注于淀粉的结构改变，以改善其水溶性，从而获得更好的成膜性。为此，水热处理（HTT）和酸-醇处理（AAT）被广泛使用。有研究探索从马铃薯废物和皮中提取淀粉，使用甘油和山梨醇开发薄膜。这些薄膜通过HTT和AAT进行改性，并分析了机械和可生物降解性能。HTT处理的薄膜表现出优异的拉伸强度和伸长率，而AAT处理的薄膜具有更好的溶解性。某些水果废物，如芒果籽核，由于其富含生物活性化合物而用途广泛，为包装开发提供了潜力。例如，有研究从芒果籽核中顺序提取淀粉、脂肪和酚类提取物，产率分别为39%、11%和17%。使用不同比例的这些提取物制备了甘油增塑薄膜，其中酚类提取物降低了水蒸气渗透性（WVP），同时增强了抗氧化和紫外线吸收性能。而脂肪和酚类提取物都充当了内增塑剂，尽管较高的脂肪含量降低了薄膜的伸长率。

可食用包装膜可以与食品产品一起食用，消除了移除额外层的需要并减少了包装废物。天然生物分子通常用于获得这种包装。例如，果胶是一种天然、无毒的