《Resources, Conservation & Recycling Advances》：Production of Disposable Cups from Post-Consumer Cooked Rice: Formability and Use-Phase Performance for Circular Packaging Systems
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摘要
食品废弃物与一次性饮品包装构成了相互关联的可持续性挑战，然而将食物残渣转化为功能性包装产品的可行路径仍然有限。本研究探讨了将消费后熟米饭（post-consumer cooked rice）升级再造为一次性杯体的可行性，并将其可成形性（formabili
摘要
食品废弃物与一次性饮品包装构成了相互关联的可持续性挑战，然而将食物残渣转化为功能性包装产品的可行路径仍然有限。本研究探讨了将消费后熟米饭（post-consumer cooked rice）升级再造为一次性杯体的可行性，并将其可成形性（formability）与使用阶段性能（use-phase performance）作为循环包装系统（circular packaging systems）的决策导向指标进行评估。杯壳在受控含水率、装料质量（charge mass）及介电固化时间（dielectric consolidation time）条件下成形，并对其制造稳健性、短期热灌装密封性（hot-fill containment）、吸水率（water uptake）及100°C下与抓握相关的热安全性进行了评估。中等含水率范围（46–55% w.b.）、装料质量16–19 g及介电停留时间（dielectric dwell）4–5 min可获得最高可成形性，产生连续杯缘（rim continuity ≈83–92%）、低壁厚不均匀度（wall non-uniformity, Δδ ≤ 0.30 mm）及洁净脱模（demolding）。优化后的杯体在1–5 min热灌装筛选中无泄漏，短粒配方吸水率有限（约为干质量的0.9–1.2%）。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，热成形后材料呈现异质多孔形态且结构连续性增强，而傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认了糊化米饭材料典型的多糖官能团特征。25°C下有效导热系数（effective thermal conductivity, keff）为0.046–0.052 W m?1 K?1，较单层纸杯低约28–36%，与纸板相当。在热灌装测试中，米饭基杯体外表面温度较纸质参照杯低约2–3°C，且在5–20 min内液体温度保持高出3–9°C。研究结果为定义功能替代情景（functional substitution scenarios）及后续比较性生命周期评估（comparative life-cycle assessment, LCA）所需的系统边界提供了LCA前期、与使用相关的性能证据。研究结果表明，废弃物来源的熟米饭可加工为功能性一次性杯体，其性能适用于短期热饮服务，支持循环包装系统内的资源回收策略。
论文解读
一、研究背景与问题
食品废弃物与一次性饮品包装是城市固体废弃物系统中相互关联的两大可持续性挑战。全球约三分之一的粮食产量被损失或浪费，其中熟食类废弃物因高含水率、快速变质及有限的回收途径而占比突出。生命周期评估（Life-Cycle Assessment, LCA）表明，包括熟米饭在内的富含碳水化合物的食品废弃物流，尽管具有显著的材料潜力，却通常通过低价值处置途径处理。与此同时，一次性饮品杯在生命周期末端仍存在严重问题：纸质杯虽主导热饮服务市场，但依赖薄聚合物衬层（polymer liner），阻碍了回收和纤维再生，其处置结果往往与传统塑料相当。尽管熟食残渣与一次性杯在咖啡馆和餐饮运营中频繁共存，可持续性策略通常将二者分开处理，缺乏将食品废弃物产生与包装替代相联系的跨流解决方案。
现有替代材料方案均存在未解决的局限性。纤维基和模塑纸浆杯（moulded pulp cups）虽为工业上最成熟的替代方案，但在无聚合物衬层或表面处理的情况下无法实现充分的短期热液密封性，重新引入多层结构复杂性并限制末端回收。可堆肥生物塑料（如聚乳酸PLA和聚羟基脂肪酸酯PHA）在使用阶段可满足功能要求，但其环境性能高度依赖工业化堆肥基础设施的可及性，实验降解研究显示在现实处置条件下降解不完整或不一致。淀粉基材料具有可再生性、低密度和良好热性能，但在热液暴露期间的湿敏性仍构成限制。总体而言，现有替代方案要么规模化良好、要么使用阶段性能合格、要么在受控条件下可降解，但很少能同时满足三者。
二、研究目的与意义
本研究旨在评估将消费后熟米饭直接升级再造为一次性热饮杯体的可行性，采用决策导向的LCA前期（pre-LCA）工程方法，将加工可行性与功能性能及后续可持续性评估联系起来。研究的意义在于：填补废弃物来源材料在真实使用条件下功能性能验证的空白，为后续比较性生命周期评估和技术经济评估提供工程输入，支持循环包装系统内的资源回收策略。
三、关键技术与方法
研究人员采用决策导向的LCA前期工程框架，包含四个连续阶段：加工窗口定义、制造性能筛选、使用阶段功能评估和功能替代评估。原料方面，熟米饭取自食品储备来源的剩余食物（如餐厅备餐残渣），在受控实验室条件下（25 ± 2°C）平衡，并分别测试短粒和长粒米，长粒米还测试完整形态和机械粉碎（<2 mm）两种颗粒状态。方法上采用卤素水分分析仪（105°C至恒重）测定湿基含水率（w.b.），通过加水或低温蒸发（60–70°C）进行水分调节。杯体成形使用定制轴对称阴阳模（微波兼容聚合物模具），在商用微波炉（2.45 GHz, 900 W）中进行介电固化，随后闭模保持60–90 s。可成形性采用四项属性评分标准（杯缘连续性、表面完整性、壁厚不均匀度Δδ、脱模质量）评估。有效导热系数（keff）采用稳态热流法（ASTM C518型程序）在切割圆盘试样上测量，瞬态热灌装温度（液体和外表面）记录20 min。对照基准为商用单层纸杯和纸板杯。
四、研究结果
4.1 加工窗口定义与可成形性评估
通过系统变化含水率（38–65% w.b.）、装料质量（13–23 g）和介电停留时间（2–7 min），研究人员确定了稳健加工窗口：46–55% w.b.含水率、16–19 g装料质量、4–5 min介电停留时间。在此窗口内，成形成功率超过80%，杯缘连续性达约83–92%，壁厚不均匀度Δδ ≤ 0.30 mm，脱模洁净。中等含水率提供了充分的淀粉迁移率和颗粒间粘结力；装料质量16–19 g实现了均匀壁厚；4–5 min介电停留时间实现了有效糊化、固化和结构稳定化。
4.2 短期热灌装密封性与吸水率
优化后的杯体在1–5 min热灌装筛选中无泄漏，短粒配方吸水率约为干质量的0.9–1.2%。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，热成形后材料呈现异质多孔形态且结构连续性增强，这有助于维持液体密封性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认了糊化米饭材料典型的多糖官能团特征，验证了淀粉网络的形成。
4.3 热性能与使用阶段热行为
25°C下有效导热系数为0.046–0.052 W m?1 K?1，较单层纸杯低约28–36%，与纸板相当。热灌装测试中，米饭基杯体外表面温度较纸质参照杯低约2–3°C，液体温度在5–20 min内保持高出3–9°C。米饭基杯壁厚为1.201 ± 0.011 mm，明显厚于单层纸杯（0.383 ± 0.003 mm）和纸板杯（0.640 ± 0.003 mm），这反映了无涂层淀粉基质维持几何完整性和短期液体密封性的结构需求。
五、讨论与结论
研究讨论指出，废弃物来源的熟米饭可直接成形为一次性杯体，无需纯化原料、涂层或理想化处置条件，在短期热饮服务中性能合格。米饭基杯体的较低有效导热系数和较厚壁结构共同贡献了更好的隔热性能，降低了抓握面温度并减缓了饮料冷却速率。研究结论表明，消费后熟米饭可加工为功能性一次性杯体，其性能适用于短期热饮服务，为定义功能替代情景和系统边界提供了LCA前期的决策导向性能数据，支持循环包装系统内的资源回收策略。研究范围限于成形可行性和使用阶段功能性能；耐久性、涂层和完整生命周期评估不在当前范围内。
