两种菜单——动物蛋白与植物蛋白——的生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)

《Environments》：Life Cycle Analysis of Two Menus: Animal Protein and Plant Protein

　　

食品生产对环境具有显著影响，尤以动物源产品最为突出。常被忽视的一个方面是食物制备与处理过程中所产生的废弃物之贡献。本研究旨在评估并比较两种菜单——一种以动物蛋白为主，另一种以植物蛋白为主——的环境表现。评估涵盖原料生产、运输、食物制备及废弃物管理。功能单位定义为"向一名学生提供一顿含三道菜之套餐"。各系统输入输出数据集取自Ecoinvent数据库(版本3.10)，并于SimaPro v10.3.0.4中建模。影响类别采用ReCiPe Midpoint方法进行评估，共评价18个影响类别，其中4个类别作详细分析。结果表明，动物蛋白菜单之生态毒性集中于单一主导过程——集约化生猪养殖(swine for slaughtering)；植物蛋白菜单之生态毒性则分散于多个次要过程，主要为城市固体废物(municipal solid waste, MSW)处理与工业加工。全球变暖(Global Warming Potential, GWP)亦呈相似分布。在此评估条件下，植物蛋白菜单显示出高于动物蛋白菜单之环境影响，原因在于本研究将废弃物管理及包装材料纳入系统边界，致使植物蛋白菜单之环境影响显著升高。

两种动物蛋白与植物蛋白菜单的生命周期评价(LCA)研究解读

该文发表于《Environments》期刊，题为"Life Cycle Analysis of Two Menus: Animal Protein and Plant Protein"。

一、研究背景与意义

农业食品系统(Agri-food systems)涵盖从生产、加工、保藏、储存到分销与销售之全过程，占全球环境负荷之相当比重。农业、林业与其他土地利用(Agriculture, Forestry and Other Land Use, AFOLU)部门约占全球净温室气体(Greenhouse Gas, GHG)排放之22%，其来源包括毁林、水资源与土地及能源消耗所伴生之CO₂、反刍动物消化产生之CH₄、化肥与畜禽废弃物产生之N₂O等。畜牧业因反刍动物甲烷排放及水、土、能资源高需求而具显著碳足迹；猪、禽、水产养殖废水含重金属与病原体，威胁环境与人体健康；合成氮磷肥之生产与使用致淡水与海洋富营养化(eutrophication)；农药沿食物链富集引发生态与健康风险；林地草地转为农田或牧场加速土壤退化与生物多样性丧失。此外，食品包装材料之生产及废弃后之城市固体废物(Municipal Solid Waste, MSW)管理不当亦造成多重污染。食物烹饪所用燃料尤其固体生物质燃烧会释放细颗粒物(PM)、挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)、黑碳(black carbon)、CO、NO_x、SO₂及多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)，构成室内空气污染与健康危害。生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)系依据ISO 14040与ISO 14044标准，以"从摇篮到坟墓(cradle-to-grave)"方式量化产品或服务之潜在环境影响，可识别热点并提出改进策略。既往LCA研究多显示植物蛋白与禽肉之环境表现优于牛肉与猪肉，且素食餐通常在全球变暖、富营养化及酸化等类别具更低影响，但多数前人研究未将餐后废弃物管理与包装纳入系统边界。墨西哥城大都会自治大学阿兹卡波察尔科校区(UAM-A)食堂每日供应动物蛋白与植物蛋白两种三道菜套餐，本研究据此真实菜单开展LCA，纳入原料生产、运输、制备及固体废弃物处理，以探明全链条环境影响并唤起校园环保意识。

二、主要技术方法概述

研究人员依ISO 14040/14044标准开展四阶段LCA：目标与范围界定——功能单位为"向一名大学生提供一顿三道菜套餐"，系统边界含原料生产、供应商至食堂之运输、接收储存、制备烹饪耗能、固体废弃物(有机厨余+包装)送至卫生填埋场(sanitary landfill)且无预分类(反映墨西哥常见做法)，排除建筑基础设施与餐具洗涤；生命周期清单(Life Cycle Inventory, LCI)——食材配方用量取自食堂工作人员(日供约1800份)，设备耗能按技术规格与操作时长估算，运输距离与排放因子依供应商访谈确定，包装量与厨余称重记录，上游农产品数据来自Ecoinvent v3.10数据库，于SimaPro v10.3.0.4建模仿真；生命周期影响评价(Life Cycle Impact Assessment, LCIA)——选用ReCiPe Midpoint(hierarchical perspective)方法计算18项中点影响类别，重点分析全球变暖(Global Warming Potential, GWP, kg CO₂eq)、人体非致癌毒性(Human non-carcinogenic toxicity, kg 1,4-DCB eq)、淡水生态毒性(Freshwater ecotoxicity, kg 1,4-DCB eq)与海洋生态毒性(Marine ecotoxicity, kg 1,4-DCB eq)；结果解释——依研究目标解析各阶段贡献。

三、研究结果

3.1. Phase 1-Goal and Scope Definition（目标与范围定义）

研究人员确立功能单位为"向一名大学生提供一顿三道菜套餐"，系统边界涵盖原料生产、运输、接收储存、制备烹饪及固体废弃物管理，绘制过程流程图。动物蛋白菜单含糖醋猪肉(sweet and sour pork)、面汤(pasta soup)与土豆泥(mashed potatoes)；植物蛋白菜单(虽含少许奶酪与培根但主要成分为植物蛋白)含墨西哥式西葫芦(Mexican-style zucchini)、扁豆(lentils)与米饭(rice)，各菜品按单人份折算参考流(reference flow)。

3.2. Phase 2. Life Cycle Inventory (LCI) Analysis（生命周期清单分析）

研究人员量化两种菜单每功能单位之物料与能量需求并记录质量与能量平衡。植物蛋白菜单中扁豆、西葫芦与米饭为主要质量占比，包装材料(尤PET聚乙烯对苯二甲酸酯polyethylene terephthalate)及厨余质量亦被计入。动物菜单之猪肉用量及配套配菜之能耗、燃气(LP gas)与电力消耗均被记录。

3.3. Phase 3. Life Cycle Impact Assessment (LCIA)（生命周期影响评价）

动物蛋白菜单之18项ReCiPe中点影响类别中，糖醋猪肉菜品在多数类别贡献最大(图2)，其中生猪屠宰用猪(swine for slaughtering)过程为主要贡献者。植物蛋白菜单中墨西哥式西葫芦与扁豆菜品在多数类别贡献最大(图3)，影响分散于多过程。

3.3.1. Ecotoxicity（生态毒性）

动物蛋白菜单之人非致癌毒性(0.93 kg 1,4-DCB eq)、淡水生态毒性(0.0496 kg 1,4-DCB eq)与海洋生态毒性(0.0616 kg 1,4-DCB eq)主要源自糖醋猪肉中之生猪屠宰过程(占该菜品此三项影响>90%，占全菜单人非致癌毒性76.3%、淡水生态毒性82.9%、海洋生态毒性84.4%)。植物蛋白菜单之人非致癌毒性达7.97 kg 1,4-DCB eq(较动物菜单高约755%)、海洋生态毒性0.4745 kg 1,4-DCB eq(高约670%)、淡水生态毒性0.3615 kg 1,4-DCB eq(高约628%)；其主导过程为城市固体废物卫生填埋处置(占全菜单此三项影响约70%–71%)，其次为PET包装材料生产(释放甲醛、镉及锑催化剂残留)。生态毒性在植物蛋白菜单中分布于MSW处理、PET包装及工业加工数过程，而非集中于单一农产品。

3.3.2. Global Warming（全球变暖潜能值）

动物蛋白菜单之GWP为1.686 kg CO₂eq，68.6%来自糖醋猪肉中之生猪屠宰过程(1.156 kg CO₂eq，占该菜品90%)。植物蛋白菜单之GWP为3.896 kg CO₂eq(较动物菜单高131.1%)，其中扁豆(1.727 kg CO₂eq)与西葫芦(1.409 kg CO₂eq)贡献显著，加上PET包装、运输、工业加工及MSW填埋处理(含有机废弃物与消费后包装)之累积温室气体排放，使其气候影响超过动物蛋白菜单。植物蛋白菜单之变暖影响分散于多道植物食材及包装—废弃物处理环节。

四、讨论与结论总结(Conclusions)

讨论部分指出：动物蛋白菜单之生态毒性热点为集约化生猪生产链——猪饲料(大豆玉米)之农药使用、粪污中重金属与兽药残留经渗滤液进入环境，Dorca-Preda等曾报道毒死蜱(chlorpyrifos)、氟乐灵(trifluralin)与草甘膦(glyphosate)对猪生产系统之人毒与水体生态毒性贡献显著。植物蛋白菜单之生态毒性与全球变暖增量主要归因于(1)城市固体废物(含大量植物性厨余与塑料包装)送卫生填埋产生渗滤液与CH₄/N₂O；(2)PET瓶/膜生产过程释放甲醛、镉及含锑(Sb, 100–300 mg/kg)催化剂；(3)扁豆与西葫芦等作物本身之农业投入与加工能耗，加之多菜品累积效应。此结果与前人常报道"植物基饮食环境更优"相悖，差异主因系多数前人LCA未将消费后包装与废弃物管理纳入系统边界；本研究显式纳入MSW处理与包装显著拉高植物蛋白菜单影响值。表明餐食环境可持续性不只取决于动/植物来源，亦受全价值链——初级生产、加工深度、包装形式、物流及废弃物管理模式——交互作用影响。若推广植物基菜单，应优先选低包装、高回收潜力食材并推行废弃物分类分流(有机堆肥/厌氧消化、塑料回收)，以降低其全生命周期负担。

研究人员于结论中写道：本研究评估并比较大学食堂两种真实供应菜单(动物蛋白与以植物蛋白为主)之环境表现，LCA系统边界明确纳入原料生产、运输、制备及固体废弃物管理。ReCiPe方法18项影响类别显示植物蛋白菜单在所有类别具更高环境影响。动物蛋白菜单之生态毒性与全球变暖影响集中于生猪屠宰过程；植物蛋白菜单之生态毒性主因是城市固体废物卫生填埋处置，全球变暖影响源于PET包装、餐厨废弃物最终处置、农业生产及辅助过程之叠加。虽然既有文献常报告植物性饮食具环境优势，本研究中因累积多作物、包装材料、运输、工业加工及最终废弃物处置，植物蛋白菜单在生态毒性与全球变暖类别显示更高影响。证明膳食之环境可持续性取决于完整生命周期各过程，设计可持续膳食需整合营养质量、生产效率、减排及优化废弃物管理之多准则方法。仍建议扩大植物基菜单供应，但应优先选用低包装/高回收潜力食材，并为员工与就餐者建立废弃物分类项目以实现更可持续之食堂废物管理。