《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Biopolymer-based food packaging: performance, environmental impact, and pathways toward a sustainable future
摘要
为应对传统塑料食品包装带来的环境问题，人们对其替代材料的兴趣日益增加。在这些替代材料中，源自淀粉、纤维素、聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）和蛋白质等天然来源的生物聚合物受到了广泛关注。本综述重点介绍了这些生物聚合物基材料的应用与性能，特别是在机械强度、耐湿性和气体阻隔性能方面。然而，大多数市售生物聚合物在功能性和综合性能上仍落后于传统合成塑料。其高吸水性、较差的气体阻隔性能以及较高的生产成本限制了其在食品包装中的大规模应用。此前的研究已证明，与石油基塑料相比，生物聚合物通常更环保，温室气体排放更低，尽管其生产过程中可能涉及更高的农业投入和能源需求。此外，本综述还讨论了可持续包装策略和寿命终结管理方法，包括堆肥、回收和厌氧消化，以支持向循环经济和可持续未来的转型。总体而言，若采用可持续来源、高效制造工艺和适当处置方式，生物聚合物基包装可以做到环境友好。生物聚合物广泛应用的主要障碍包括其阻隔性能不足、成本高昂以及缺乏足够的回收和堆肥设施。
1 引言
食品包装在多个产品的部署、保藏和促销关键环节中对于延长货架期具有重要作用。这一方面之所以重要，是因为它有助于减少食物浪费，而食物浪费是当今世界面临的重大问题。包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）在内的传统食品包装材料通过产生填埋垃圾、海洋 litter 和微塑料而造成环境污染。这导致了严格的监管控制和替代方法需求的增加。生物塑料作为一种解决方案已获得广泛关注，其有潜力替代传统塑料。生物塑料是指由可持续生物资源生产的聚合物，这使得它们更加环境友好。值得注意的是，各种生物塑料形式，如玉米基聚乙烯，已在市场上广泛使用，其使用范围甚至已超过传统生物聚合物基材料。这表明人们正转向更环保的包装材料。这引发了一些有趣的问题：为什么在高效利用生物塑料的同时，人们仍将重点放在生物聚合物基包装方法而非长效生物塑料（如聚乙烯）上？先进技术和分析方法的不断发展是采用生物聚合物基包装产品的主要原因。这些材料因其低成本而具有优势，并可作为商业替代品，在广泛应用中提供可靠方法。现有材料和功能的持续进步也提供了助力。由于其灵活性和易得性，它们能够轻松融入现代制造工艺。生物聚合物基食品包装是传统塑料的环保且可生物降解替代品。生物聚合物使用可再生资源。完整的逐步管理和先进技术可促进环境可持续性、产品安全并支持循环经济。由于这些优点，生物聚合物包装成为消费者和企业在减少环境问题的同时遵循并维持食品安全和保藏标准协议的合理选择。企业可以通过采用生物聚合物产品来实现其可持续发展目标并满足日益增长的包装产品需求。生物聚合物基食品包装对企业和环境具有重要影响，这些材料将环境可持续性与实际应用相结合，减少塑料废物并节约自然资源。总之，生物聚合物包装是行业迈向可持续未来的重要一步。然而，包括机械性能问题、阻隔性能缺陷、经济限制、环境影响和废物管理问题在内的若干局限性，仍阻碍着生物聚合物包装的大规模应用，需要确定可持续包装的可行路径。常规合成聚合物的广泛使用和存在也可能是通过碎裂、磨损和降解导致微塑料积累的原因。微塑料可能进入食品和水中，对人类和其他生物构成严重的健康危害。
2 生物聚合物基包装概述
生物聚合物被认为是可持续食品包装产品的原材料。人们也越来越意识到过度塑料包装造成的环境问题。据称，很大一部分塑料废物来自包装材料。生物聚合物作为传统包装材料的替代品引起了极大关注，因为它可以减少温室气体排放、利用可再生自然资源并避免过度使用石油。生物聚合物可分为两类：生物基聚合物和可生物降解聚合物。生物基聚合物，如淀粉、纤维素、几丁质、蛋白质、聚乳酸（PLA）和聚羟基脂肪酸酯（PHA），部分或完全由生物来源构成。然而，可生物降解聚合物也可能包含合成材料，如聚己内酯（PCL）和聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）。这意味着生物基和可生物降解是两个不同的属性。天然生物聚合物包括多糖（淀粉、纤维素、琼脂）、蛋白质（乳清、大豆、酪蛋白、面筋）和脂质，而微生物生物聚合物包括聚羟基脂肪酸酯（PHA）。聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、淀粉、纤维素和其他生物基聚合物的发展推动了生物聚合物基食品包装的进步。2024年开展的研究集中于化学改性、共混、纳米复合、活性剂和其他先进技术，以增强材料的机械性能、阻隔性能和食品保藏性能。2025年全球生物塑料生产能力估计约为231万吨，其中41.3%（约95万吨）用于包装，预计2030年生产能力将达到469万吨。食品行业，包括食品生产商、分销商和包装制造商，对生物聚合物基包装材料表现出浓厚兴趣，这已成为近年来的热门研究领域。在分析塑料食品包装时，通常包含三个阶段：初级包装指与食品接触的材料，次级包装指与初级包装接触的材料，三级包装通常用于散装和运输包装。对初级包装的研究已取得显著进展，但迄今尚未得到广泛覆盖。值得注意的是，目前由生物聚合物制成的食品包装薄膜仅占生物聚合物市场的0.4%。由化石燃料制成的传统塑料仍然是食品包装中使用的主要材料，而生物塑料仅占塑料工业的一小部分。生物树脂与聚苯乙烯的提取成本差异巨大，这表明了生物聚合物应用可能面临的挑战和机遇。表1分析了用于食品包装的重要生物聚合物材料，包括材料的结构、用途和性能以及使用这些材料的限制，并简要说明了为使这些材料更适用于实际应用而采取的解决方案。
3 材料类别与性能
生物聚合物化合物分为四大类。第一，淀粉基生物聚合物，包括直链淀粉、氧化淀粉、热塑性淀粉和交联淀粉等形式，因其可生物降解性和低成本而被广泛使用。第二，纤维素基生物聚合物，由纤维素及其衍生物组成，以其强度和多功能性而著称。第三，聚乳酸及其衍生物，以其可生物降解的塑料制品而闻名。第四，共混物和复合生物聚合物，结合了如聚乳酸-淀粉、纤维素-聚乳酸和木质素基聚合物等材料，以增强其机械强度。
3.1 淀粉基聚合物
淀粉基聚合物属于主要可生物降解生物塑料类别，约占全球生物塑料总产能的21.3%，通常来源于玉米、马铃薯、木薯和小麦，并经过含水或非水处理。通过挤出或注塑的熔融加工可制备热塑性淀粉。淀粉基薄膜可通过含水糊化方法生产，但在某些情况下，加工某些改性淀粉可能会使用有机溶剂。淀粉是一种碳水化合物聚合物，由直链α-1,4-葡聚糖链（直链淀粉）和支链α-1,4-葡聚糖链（支链淀粉）组成，其中每十个葡萄糖单元中有一个转化为α-1,6-糖苷键。通常，淀粉含有20–30%的直链淀粉和70–80%的支链淀粉，这两种淀粉级分的比例极大地影响薄膜性能。由于环境压力巨大，食品行业参与者正致力于可生物降解包装。目前有各种适合工业使用的淀粉基聚合物材料，但淀粉基聚合物在这些方面的性能无法与传统塑料竞争，因此无法大规模销售。来自高直链淀粉来源的改性淀粉也有市场。淀粉可通过热、机械和化学方法转化为不同材料，每种方法都为各种应用提供了特定优势。尽管淀粉被认为是一种具有环境优势的可生物降解聚合物，但它仍有局限性，如热塑性淀粉具有亲水性，这会影响其性能，并且许多其他可生物降解材料需要进行增容处理以改善功能并拓宽其工业用途。这种方法保证了这些材料在保持环境属性的同时满足强度和功能要求。通过乙酰化、氧化和交联等工艺进行淀粉改性，有助于获得良好的薄膜弹性、机械强度和耐湿性。近期研究结果还表明，将淀粉改性与聚乙烯醇（PVA）和纤维素纳米纤丝结合使用，对机械和阻隔性能更为有利。
3.2 聚乳酸及其衍生物
聚乳酸是食品包装应用中使用最广泛的可生物降解聚合物之一，通过发酵玉米、甘蔗和小麦等可再生资源生产。聚乳酸是一种线性脂肪族热塑性塑料，兼具半结晶和无定形特征，具有高刚性、高强度和高透明度。聚(L-乳酸)（PLLA）、聚(D-乳酸)（PDLA）和外消旋形式的聚(DL-乳酸)（PDLLA）是聚乳酸根据其立体化学结构形成的三种形式。它符合美国食品药品监督管理局（FDA）法规规定的允许迁移到食品中的限量，未被报告具有毒性，因此是食品行业的安全替代品。利用现有回收技术对聚乳酸寿命终结产品进行再加工的简便性，是潜在客户选择这种聚合物作为标准石油基包装的直接替代品的主要原因之一。聚乳酸在其玻璃化转变温度（约60?°C）以下呈现玻璃态无定形行为。聚乳酸基材料的总体结晶度决定了相应产品的热学、光学性能、水蒸气阻隔性能和水解降解速率。已有研究探讨了蒙脱土（MMT）、锂皂石（LAP）和埃洛石（HA）等纳米粘土与聚乳酸的相互作用。纳米粘土、纤维素和其他各种类型的填料已被添加到聚乳酸中，以改善机械性能和阻隔性能。这些填料的效率取决于其性质、浓度、分散性和界面相互作用，这些因素影响所得聚乳酸复合材料的性能。纯材料和共混物产生热致变α-聚乳酸晶相，透光率增加，高达86%的光线可到达聚合物薄膜，而纯聚乳酸则呈现预期的透射光谱。工业粘土的加入使晶粒尺寸减小。令人惊讶的是，即使低至1%含量的粘土（如MMT和HA）作为纳米级填料也能降低渗透性，为面临环境可持续性政策的设施增加了价值。
3.3 纤维素基聚合物
纤维素是一种天然且广泛存在的生物聚合物，由通过β-1,4糖苷键连接的D-葡萄糖单元组成。其高机械强度、生物相容性和生物降解性为食品包装应用提供了许多优势，基于纤维素的柔性包装材料已商业化。在所有用于制造不同类型食品包装材料的聚合物中，纤维素及其化合物是使用最频繁的。聚合物纤维素对水具有高亲和力，并且该材料有大量化学改性的空间。纤维素衍生薄膜可以是透明的、抗紫外线的和耐油的，具体取决于所用纤维素衍生物、取代度、薄膜结构和所用添加剂。此外，这些薄膜可以含有抗氧化/抗菌剂，从而改善食品质量和稳定性。但高吸水量和低的非极性气体阻隔性能是纤维素薄膜/共混物的一些缺点。纤维素是自然界中最大的有机物，这使其成为生物圈的重要组成部分。这种天然存在的聚合物存在于许多植物基材料中，以其安全性和可持续性而闻名。纤维素聚合物形成具有强氧气阻隔性能的薄膜（片材）的能力使其在许多行业中具有实用性，但有时由于其较差的机械强度而阻碍了其应用。羧甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素等纤维素衍生物经常用于薄膜生产中以增强薄膜效果，然而，去除复杂溶剂是生产过程中的挑战性步骤之一。与纤维素酯和醚一起，特别是乙酸纤维素被认为是传统和现代应用中的潜在材料，其表现出高透明度、强氧气阻隔性能、高聚合度和良好的可加工性等突出特性。不同的纤维素衍生物可根据化学结构通过不同的溶剂体系加工；例如，羧甲基纤维素（CMC）通常在水溶液中加工，而纤维素酯可能需要丙酮、乙醇或乙酸乙酯等有机溶剂。有毒有机溶剂的使用会造成环境和安全风险。
3.4 共混物和复合材料
共混和复合方法利用天然材料并结合多种生物聚合物以改善其性能，如稳定性、强度和柔韧性。这类材料更便于设计食品包装并满足性能水平。增容方法通过促进界面粘附来帮助不相容共混物的更广泛应用，在塑料回收中具有重要应用。增容剂可以是第三种聚合物或反应性试剂。粘土和二氧化硅等无机填料能够增强生物聚合物复合材料的机械、热学和阻隔性能；然而，此类填料的环保性取决于来源、加工、分散和处置方面。基于热塑性淀粉和聚乙酸乙烯酯的纤维素负载复合材料可抑制水蒸气渗透性，同时保持食品保藏特性。用碳酸钙或滑石粉制备的多糖-淀粉复合材料的机械强度可与商业使用的材料（如聚乙烯和聚氯乙烯）相媲美。虽然水分子显著提高聚乳酸链的流动性，但添加粘土矿物蒙脱土可增加储能模量，同时延缓降解，延长产品寿命。此外，在基于tuaca和paralyte粘土的聚己内酯复合材料中加入蒙脱土或滑石粉也可提高储能模量，同时有助于增加水接触角值、水蒸气阻隔性并降低氧气渗透性。研究发现，淀粉/聚乙烯醇/木质素复合材料的机械性能为拉伸强度8.5?MPa，断裂伸长率139%，取决于温度、木质素含量和增塑剂浓度等加工参数。
4 与食品产品的性能表现
动态阻隔在延长各种食品的货架期方面起着关键作用。氧气（O
2）、二氧化碳（CO
2）和水（H
2O）是导致食品腐败的一些主要因素。然而，源自天然来源的生物聚合物并非天然擅长阻隔这些因素。要达到与塑料相似的气体阻隔性能，生物聚合物薄膜需要根据包装应用采用阻隔涂层、多层系统或适当的复合层。使用多层薄膜片材可能是实现这一目标的一种方式，因为虽然薄膜片材本身的气体阻隔性能较差，但其各层允许更好的气体传递。此外，可以使用亲水性敏化剂和吸湿性稳定剂来提高阻隔效率。使用生物聚合物材料作为食品保护元素具有挑战性，因为它们缺乏足够的机械稳定性和强度，因此可能比聚乙烯和聚丙烯等传统材料更容易降解或分解。这些缺点可能在制造、运输、储存以及产品最终到达消费者手中时引发问题。某些生物聚合物成分也可能进入食品。这些化合物在某些情况下可能发生反应或分解，这可能加速包装材料的降解。此外，生物聚合物表面可能形成不需要的薄膜，这可能危及食品安全和质量。
4.1 阻隔性能与渗透性
食品包装对于保持食品质量至关重要，然而，仍有少量水分和气体可以穿过包装材料。通常，氧气透过率（OTR）和水蒸气透过率（WVTR）用于评估渗透性。普通聚乙烯薄膜在室温下每平方米每天可让超过4,000至6,000立方厘米的氧气通过，如此多的氧气会对新鲜水果、坚果和乳制品等食品造成严重破坏，因为它与脂肪反应导致酸败，并加速褐变和风味损失。某些塑料薄膜允许水蒸气以每平方米每天5至15克的速率通过，这足以使干燥食品变得柔软粘稠。对于未加工的食品，失去过多水分会导致萎蔫和重量减轻；即使仅减少2%至5%的水分，也会降低水果和蔬菜的市场价格。因此，不能有效控制空气和水分的包装会导致质量迅速恶化和过早腐败。包装材料的有效性受环境因素影响很大。温度从20?°C升至35?°C时，各种塑料薄膜中氧气和水分的移动速度几乎会翻倍。高相对湿度可能导致许多亲水性薄膜（包括可生物降解和淀粉基薄膜）的水分吸收和气体渗透性显著增加。食品中的高水分会增加容器内的湿度，从而促进水蒸气更快地通过材料。高氧水平也会使水果和蔬菜腐败。为了保持质地、风味和营养价值，使用具有低氧气和水蒸气渗透性的包装材料非常重要，同时也能最大限度地减少储存和运输过程中的食物浪费。
4.2 机械完整性与稳定性
如今，可持续包装必须坚固且能够承受载荷。研究人员目前正在将天然来源的生物聚合物与已使用多年的传统塑料进行比较。各种包装材料的性能受到冷却条件的极大影响。已有研究考察了聚乳酸（PLA）作为一种可生物降解材料，其性能与其在不同温度下的抵抗力有关。此类材料的性能正在被研究，包括可生物降解塑料的热力学性质。所有这些因素都可以用来评估材料在考虑各种外部影响下的应用效率。这种方法将确保在可持续性、功能性和耐久性之间取得折衷，确保包装材料在最大程度减少环境损害的同时保持产品完整性。还应指出的是，在选择包装材料时，不仅要考虑材料的耐久性和生态性，还要考虑其保护产品免受外部影响的能力。研究表明，当湿度升至75%以上时，某些可堆肥材料可能损失10–25%的强度。同样，在低温下，聚乳酸通常表现出更高的刚性和更低的延展性，因为聚乳酸的玻璃化转变温度约为55–65?°C。然而，机械变化的程度可能取决于聚乳酸的类型、结晶度和测试参数。阻隔性能也受环境条件的影响。例如，在20至35?°C的温度下，某些聚乳酸薄膜的氧气渗透性可能上升约500至超过2000?cc/m
2/天，这缩短了新鲜产品的货架期。研究人员并非仅依赖实验室测试，而是在实际的运输和储存条件下检验包装材料，这些研究用于确定适合商业使用的材料，并仍在进一步开发中。
4.3 活性与智能包装应用
活性包装与食品产品或环境协同作用以延长其货架期，而智能包装则使用传感器或指示器来监测和传达食品质量或储存条件。在生物聚合物包装系统中，这可以通过抗菌、抗氧化或新鲜度指示器来实现。这一新策略的目标是开发促进可持续性并应对日益增长的塑料废物的包装解决方案。除了解决环境问题和提高消费者意识外，可生物降解食品包装还促进了支持食品质量和安全的现代框架的发展。生物聚合物基包装通常包含与食品产品相互作用的各种液体或固体剂。除了延长货架期和防止食品降解外，这些剂还随时间推移提供有关食品产品的有用信息。食品防腐剂需要根据被保藏的食品来选择。壳聚糖、溶菌酶、丁香油和肉桂油等抗菌剂；硅胶等吸湿剂；高锰酸钾和活性炭等乙烯吸收剂；以及铁粉和抗坏血酸等氧气清除剂，通常用作系统中的活性剂。这些系统调节水分和氧气水平、吸收乙烯、中和酸，并产生抗菌和抗氧化剂，所有这些对于保持食品质量和安全都至关重要。总而言之，这些进步定义了向智能包装发展的日益增长的趋势，智能包装不仅能保护食品，还能通过更好的设计和功能改善消费者体验。
5 生命周期评估与环境影响
生命周期评估（LCA）提供了对产品过程在其整个生命周期中环境影响的全面评估，从原材料提取到最终资源回收。大多数生命周期评估采用全生命周期方法，代表了当前线性经济，而其他评估则采用循环生命周期方法，代表了循环经济的愿景。包装中生物聚合物的生命周期评估需要考虑系统边界，包括原材料生产、聚合物制造、包装生产、使用和处置。需要使用功能单元进行比较。据观察，生物聚合物包装的环境性能取决于原料类型、加工能源、系统边界和寿命终结处置系统。例如，2025年对淀粉基生物聚合物进行的生命周期分析发现，与石油基聚合物相比，碳排放减少1.63至2.10千克二氧化碳当量/千克生物聚合物，而能源减少量在29.6至76.1?MJ/千克之间。对于生物聚合物基食品包装，从摇篮到坟墓的分析已将其环境足迹与传统化石燃料基塑料进行比较，表明在一系列影响类别中通常影响较小，但也凸显了权衡取舍。一项专门的从摇篮到摇篮研究评估了生物聚合物原料选项、寿命终结情景（填埋、塑料回收、厌氧消化和堆肥）以及相关的土地利用和生物多样性影响；土地利用需求可能很高，特别是在本已面临压力的地区。在食品包装领域，生物聚合物与聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）和聚偏二氯乙烯（PVDC）共聚物等通用石油基塑料竞争，而聚乳酸、淀粉基和聚羟基脂肪酸酯（PHA）等生物塑料则应用于多层结构中。在结合不同材料的复杂层压结构中，回收受到阻碍，使得多层纸张、涂层和塑料，尤其是多层聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰胺（PA）、纸和薄膜、铝箔和聚乙烯（PE）、以及聚乙烯醇（PVA）成为不可回收的问题废物。废弃食品通常在收集后进入焚烧、厌氧消化或填埋。对玻璃、塑料和铝三种多层材料进行的从摇篮到坟墓的生命周期比较认为，玻璃在所排除的影响类别以及建筑与基础设施、家居与个人护理、食品与饮料以及医疗保健方面的总体得分最为有利。一项专门的从摇篮到摇篮研究涵盖了生物聚合物包装材料、食品接触法规和食品生产完成情况，将现有的生物聚合物包装商业选项与循环性概念联系起来。表2对当今企业使用的一些常见包装材料的环境属性进行了分析性比较，不仅考察了这些材料的来源，还考察了它们提供的优势和分解速率。
5.1 从摇篮到坟墓与从摇篮到摇篮的方法
可持续包装解决方案的评估常常被生物材料合成和消费后使用的过程所掩盖，这突显了对所有相关过程进行全面理解的必要性。生命周期评估帮助研究人员发现这些包装解决方案的环境足迹中产生显著影响的令人惊讶的益处或缺陷。当前研究主要采用两种方法：从摇篮到坟墓（C2G）和从摇篮到摇篮（C2C）。从摇篮到坟墓（C2G）方法考察包装材料从原材料提取和生产到其使用和处置的全过程，而从摇篮到摇篮（C2C）方法则考虑材料在此过程中被回收、再利用、再循环甚至生物降解的闭环过程。从摇篮到坟墓的分析涉及评估产品从诞生到消亡期间产生的影响，从资源提取阶段开始，直至其降解。然而，从摇篮到摇篮的方法则强调产品“消亡”后资源的利用，旨在回收它们以便在工业过程中再次使用。在这种意义上，这两种方法都为材料的利用提供了前瞻性的视角。从摇篮到坟墓的方法考察包装从生产到使用再到处置阶段的整个生命周期，而从摇篮到摇篮则侧重于材料的回收和再循环以供其他生命周期中再利用。最新的聚乳酸和PHB包装生命周期评估表明，寿命终结阶段可用的选项有能力显著影响其环境性能。用于评估C2C和C2G策略的常见评估方法包括基于生命周期评估框架（ISO 14040/14044）的方法和相应的C2C认证标准。在这一组策略中，使用C2C评估作为评估生物基包装产品影响的最常见技术。在进行生物聚合物和传统包装产品之间的生命周期评估分析时，需要考虑整个生命周期和系统边界定义，因为不同的来源和制造方法以及寿命终结选项可能对环境性能产生显著影响。对此类指标进行全面评估对于促进包装行业的可持续方法至关重要。这些评估者对于识别对人类和生态系统的潜在健康风险和生态毒理学影响（包括土壤环境中的致癌性）做出了重要贡献。
5.2 可再生原料、土地利用和可持续性影响
由生物质制成的原料，特别是农业残留物和其他非食品材料，为减少对化石燃料的依赖和生产生物聚合物提供了可能。然而，生物质作物的种植可能导致更高的土地和水资源需求以及关于生物多样性和土地利用的冲突。因此，原料的可持续选择涉及适当的政策、合理的土地利用、高效的生产和循环经济标准。与将可再生资源作为工业过程对象相关的问题中，有一个涉及这种资源的可持续性问题，不仅是在包装生产的背景下，而且还考虑到食品工业以外的其他高需求行业。人们越来越担心对可再生资源的依赖将无意中导致土地可用性、生物多样性和水资源问题。所有这些担忧都与立法和法规直接相关，特别是欧盟成员国为促进生物基和生物塑料行业的可持续发展而制定的法规。淀粉、纤维素、糖和蛋白质等生物基原料的快速增长引起了人们对其与食品资源竞争的担忧，特别是在粮食不安全的背景下。不同行业普遍使用生物聚合物，因为它们有助于减少碳足迹和保护环境。需要回答的最重要问题是，生物聚合物是否能够在不牺牲可靠性和功能性的情况下实现循环经济。粮食安全、环境保护和材料科学创新是应该解决的一些主要问题。
5.3 生物塑料与传统塑料的环境影响比较
根据生命周期分析研究的结果，用于食品包装的生物聚合物的制造和降解可能比传统石油基聚合物具有更大的生态足迹。聚乳酸可能比一些化石燃料衍生的塑料具有更低的温室气体排放，但聚乳酸的环境性能取决于所用原料的类型、能源、制造工艺和处置过程。其他生命周期评估表明，在土地利用和富营养化效应方面存在负面影响，这表明需要进行完整的生命周期评估。整合运营的生物精炼厂可能有助于克服环境困难，因为它们将农业废物和木质纤维素废物转化为生物聚合物和其他有用的产品。在润滑工艺下共挤出聚乳酸和原生/再生/废弃PET可产生生物含量调整的聚乳酸。这种材料在性能上与传统不可生物降解/不可回收材料（如PS或CPP）相似，但减少了对化石来源的依赖。涉及再生含量和生物含量的策略将通过降低原生聚合物的消耗以及掺入可再生或废弃材料，使生物聚合物包装具有更大的可持续性。当前研究已调查了再生聚乳酸、生物基填料和农业工业废物，以在不影响机械性能的情况下制造具有更高材料效率的包装。向可生物降解成分的转变也使得通过堆肥系统进行有机废物处理成为可能，该系统易于接受生物塑料。这种类型的食品包装表明，即使大量生物聚合物仍主要被用于那些同时进行功能增强仍然是一个主要困难的应用程序，生物塑料的机会仍然存在。
6 循环经济路径
旨在实现循环性的食品包装设计需要仔细考虑材料来源、模块化和可拆卸性以及寿命终结过程。鉴于食品聚合物主要来源于淀粉、纤维素、蛋白质和脂质，存在各种化学结构高度可变的生物聚合物替代品，这些替代品可能满足可持续性标准，同时促进进一步的创新。与必须为封闭食品产品执行多种功能的食品包装相比，技术应用优先考虑包装功能和分离以防止污染，从而促进改善循环性。可以通过单材料结构、相容涂层和易分离多层等设计解决方案来增强循环性。在食品包装的情况下，此类解决方案将能够在提供所需阻隔和机械性能的同时实现回收或堆肥。在这种基于生物聚合物的食品包装循环经济方法中，作物被加工成食品，产生的废物不被丢弃，而是通过生物转化过程转化为增值生物聚合物。
6.1 面向循环性的设计
一些重要的设计原则是材料选择、单材料结构、可拆卸性以及与回收、堆肥或厌氧消化工艺选项的兼容性。这些可以增加材料回收率，同时满足生物聚合物包装的功能要求。然而，在努力实现这一目标时，应考虑各个方面。这些问题包括材料选择、基于材料的可拆卸性和模块化等。适当的材料选择需要识别性能组合（机械、阻隔、光学、表面等），这些组合将以最低影响的途径实现包装功能。至于可分离性，在寿命终结时按类型对包装材料进行广泛实践分离，是改善循环经济结果的一条简单但通常表现不佳的途径。对于生物聚合物基包装，增加材料的可分离性支持回收和厌氧消化途径，这些途径可以利用生物聚合物固有的生化相容性，并可能还对适当分离的材料的堆肥途径有利。允许仅对产品部分进行维修、升级或更换的模块化设计，可以使产品在更长时间内满足其功能要求，同时在现有途径中表现良好。寿命终结相容性促进了在使用后符合前文讨论的要求的回收、堆肥或厌氧消化，避免了造成环境负担。例如，由单一材料制成的PE包装与现有的机械回收工艺的相容性远高于由不相容聚合物制成的多层包装。同样，生物聚合物包装要作为可堆肥包装材料高效运作，它必须存在于支持其堆肥过程的环境中。
6.2 材料创新与供应链韧性
全球供应链在COVID-19大流行早期暴露了脆弱性，导致关键资源、加工和物流中断。许多政府随后认识到供应链韧性和国内采购能力的重要性。相同的供应链经验帮助塑造了旨在增强资源安全以及加速向有韧性和可持续材料系统转变的举措。在欧盟内部，欧洲绿色协议优先制定了结构性政策和激励措施，以尽量减少对非欧盟供应链的依赖，并通过例如促进建立生物聚合物基食品包装系统来支持更绿色、更有韧性的全经济材料创新，该系统可降低材料不可用的风险并减少环境影响。一种广泛可用的、能加强供应链可靠性并减少环境影响的方法仍然缺乏。在这种使用农业废物材料的生物聚合物基食品包装的情况下，这种方法应确保包装在储存和使用期间满足功能需求，同时为常用的生物聚合物包装系统寻找替代原材料和配方。
7 技术与工业挑战
向使用生物聚合物材料的食品包装的成功工业转型，如果持续且方向正确，将面临大量需要深入审查的技术和经济障碍。挑战包括规模化问题，这突出了达到商业可持续的生产规模并随后能够满足相当程度市场需求的重要性。此外，还有成本因素，在确保生物聚合物在价格上与目前主导市场的更传统石化产品竞争时，需要考虑成本。同样重要的是性能差异，需要确保生物聚合物在各种条件下在阻隔、机械和迁移性能方面保持一致性。解决这些挑战对于确保生物聚合物材料在食品包装中的成功部署至关重要。可再生原料的可用性和生物聚合物的生产、效率考虑以及相关成本的了解表明，生物聚合物行业的未来是光明的。所有这些考虑都表明，正在转向采用可再生原料形式的可持续能源。然而，尽管有这些积极指标，仍然存在需要重视的重大技术挑战。必须达到与目前占主导地位的塑料系统相当的产品性能标准。这些占主导地位的系统主要来源于不可再生资源，因此对生物聚合物行业在寻求市场占有率和消费者及行业接受度方面构成了相当大的障碍。
7.1 规模化与成本考虑
生物塑料代表了一次性食品接触材料的有前景替代品，但其大规模采用受到生产瓶颈的限制。对粮食作物原料的依赖，加上资本密集的生产过程，限制了具有与传统石油基选项相当的功能性和可持续性的替代品的供应。与大多数生物塑料相关的生产、加工和设备成本仍然显着高于同等树脂质量的聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）。例如，聚乳酸（PLA）的生产过程成本可能超过树脂价格的3倍，而技术上可接受的替代树脂的成本可能低10–15%。聚乳酸和淀粉共混生物塑料已在有限规模上商业化；许多替代生物塑料面临监管障碍，特别是在食品接触方面。规模化被定义为在不影响质量、有效性和经济性的情况下，将生物聚合物的产量从实验室规模增加到工业规模的过程。生物聚合物基食品包装的有效扩展需要材料性能与制造吞吐量、成本效率和供应链弹性等关键因素仔细同步。在实现这种同步的同时，还必须确保严格遵守监管标准，并为子孙后代保持重要的环境优势。这种复杂且多维度的方法在开发可持续解决方案方面发挥着重要作用，该解决方案充分满足了快速发展和高度竞争的食品行业中对环保和可生物降解包装替代品日益增长的需求。这种包罗万象的策略不仅满足眼前的消费者需求，而且对地球的健康做出积极贡献，从而满足市场需求和重要的生态义务。随着消费者意识和偏好越来越倾向于可持续性，创新包装解决方案的重要性不断增强，促使制造商调整和增强其流程以适应这些不断升级的期望。
7.2 真实条件下的货架期与性能
食品安全有时会因包装中不同物质迁移到食品中而受到损害，因此这构成了不同的风险，并使消费者担心他们吃的东西。生物聚合物在这里具有优势，因为生物聚合物中的物质比包装中常用的常规聚合物迁移得更慢。这不仅提高了食品安全性，而且提供了完全消除其他材料中许多有毒成分的可能性。生物聚合物基包装的食品接触测试的复杂性源于不同监管体系的要求不同，例如欧盟框架法规（EC）No 1935/2004和美国FDA 21 CFR。这是由所用聚合物的性质及其可能的降解产物决定的。由生物聚合物制成的包装材料可有效屏蔽微生物和化学损伤。特别值得注意的是，当某种商品的货架期需要从几天延长到几周时，此类包装材料被证明非常有效，这进一步使其在商业上具有吸引力。在这方面，值得一提的是，生物聚合物，尤其是聚乳酸（PLA），在微生物含量超过通常可接受水平的火腿产品保藏中已成功应用。
8 案例研究与市场应用
现实生活中的案例研究可以展示环保包装在食品保藏和加工条件下的表现。在欧洲，使用聚乳酸和淀粉基薄膜进行新鲜水果包装的测试揭示了一些有趣的结果，比如装在带有薄阻隔层的可生物降解聚乳酸托盘中的草莓可保持新鲜5至6天，而传统开口塑料包装中的草莓仅能保鲜3至4天。这种改善的新鲜度主要归功于水分损失减少20%至25%，这保持了食品的硬度和光泽；在樱桃番茄和蓝莓上也观察到了相同的结果。在烘焙行业，纤维素基薄膜被用于在室温下储存面包和卷饼。这些薄膜的水蒸气传递值在8至10?g/m
2/天之间，有效减缓了面包屑脱水。结果，面包的柔软度比未包装样品多保持约48小时，但在潮湿条件下遇到了困难；一旦相对湿度超过75%，一些托盘的堆叠能力降低了15%至20%，导致运输过程中变形。关于乳制品和预制食品包装的另一个引人注目的例子值得讨论。研究人员测试了由聚乳酸和聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）共混物制成的多层生物聚合物薄膜，主要用于奶酪片和熟食。他们发现这些薄膜将氧气透过率降低到约30至50?cc/m
2/天。这种降低有助于减缓脂肪氧化并最大限度地减少不愉快的气味，最终与传统单层塑料薄膜相比，将货架期延长30%至40%。然而，该材料的耐热性有些受限；当温度升至60?°C以上时，密封强度减弱约18%。这意味着某些生物聚合物在未添加额外涂层增强的情况下，不太适合热灌装或微波加热等工艺。这些见解强调，可持续包装可以有效，但必须与特定的食品类型、温度条件和处理要求相匹配。可持续食品包装市场正在增长，但并非所有地区都如此。生物基和生态可降解包装目前占全球食品包装市场总量的7%至9%。2023年聚乳酸的年产量已超过40万吨，欧洲和亚洲处于领先地位。由于塑料袋的原因，外卖包装的增长速度快于零售包装，但成本仍然是一个障碍。生物聚合物包装仍然比传统塑料包装贵20%至50%，但生命周期分析表明碳排放量减少30%至60%。
9 未来方向与研究差距
过去几十年来，可持续包装材料和技术的开发已取得重大进展。作为标准化石基塑料的替代品，由可再生资源或生物衍生组分制成的生物基和可生物降解聚合物正在被广泛探索。这些包括纤维素、淀粉和蛋白质基聚合物，以及它们的共混物和复合材料。聚乳酸（PLA）因其大规模生产、有用的应用和大量的研究支持而受到广泛关注。正在进行的研究旨在更好地理解和改进这些生物聚合物基材料在食品包装中的性能和实际应用。近年来，已严格进行了广泛的文献计量分析和批判性评估，以评估生物聚合物领域内充满活力的全球研究格局和显著进展。本讨论特别关注其在食品包装解决方案及其各种相关性能方面的特殊潜力。这些分析强调了尽管近年来产生了大量文献，但仍然存在的重大研究差距。生物聚合物及其新颖的复合材料，智能地集成了各种生物基材料和可再生资源，为食品包装行业迈向更可持续的循环经济提供了一条有吸引力且可能有效的途径。该领域持续存在的挑战强调了持续深入调查和彻底研究的必要性，以显著提高生物聚合物在现实环境中的适用性和整体性能。这对于确保创新能够充分满足食品包装应用中不断变化的可持续性、安全性和效率要求至关重要。近期研究表明，聚乳酸、淀粉、纤维素和PHA材料是研究最广泛的生物聚合物，而可扩展的废物原料、循环多层包装和实用的食品包装应用仍然受到的关注较少。还需要进行额外的研究来调查不同地理位置和现实条件下的主题。
10 结论
承认生物基聚合物在食品包装中的重要性是必要的。淀粉、纤维素、聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯和蛋白质可以形成薄膜，作为合成塑料薄膜的替代品。这些薄膜环保、易降解且碳排放更少。然而，生物聚合物薄膜仍然面临挑战，包括对水分敏感、阻隔性能差和价格高昂。尽管一些研究表明生物聚合物比其他形式的塑料具有更优越的生命周期性能，但生产过程中的土地利用和高能耗仍然是重要问题。然而，循环经济概念为围绕生物塑料的问题提供了潜在的解决方案，尽管这一概念的实现需要材料创新、废物管理系统和支持性政策的重大进步。首先，材料应可通过堆肥、厌氧消化或简单回收等方法进行回收。其次，当今世界上还没有任何技术可以处理这个问题。最后，智能包装将在减少食物浪费方面发挥关键作用。
