“限塑令”背景下環(huán)保吸管的研究綜述和展望

＊許嘉垅 吳銘洋 汪友路 張學(xué)斌

（合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 安徽 230009）

引言

塑料因其性質(zhì)穩(wěn)定、易于包裝和便于攜帶的特點被廣泛運用于工業(yè)生產(chǎn)和日常使用中，成為人類生產(chǎn)生活不可或缺的一部分。同時，塑料制品的大量使用導(dǎo)致全球性的“塑料污染”，其影響范圍已經(jīng)幾乎覆蓋全球所有海洋和淡水生態(tài)系統(tǒng)。據(jù)估計，2016年全球產(chǎn)生的塑料廢品將有1900萬噸至2300萬噸（折合總量11%）進入水生生態(tài)系統(tǒng)[1]。

全球范圍內(nèi)白色污染問題嚴重。堆積的廢棄塑料在自然環(huán)境中被風(fēng)化、侵蝕將結(jié)成為微塑料和納米塑料等塑料顆粒，對環(huán)境及人類造成巨大危害[2]。塑料制造生產(chǎn)、運輸過程中存在的原料污染、塑料顆粒泄露等問題也是導(dǎo)致白色污染的重要原因[3]。

面對日趨嚴重的塑料污染問題，各大國際組織、世界各國以及大型企業(yè)紛紛出臺相關(guān)政策、措施，“限塑”乃至“禁塑”，以減少塑料制品的使用[4]。

2020年初，國家發(fā)改委和生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于進一步加強塑料污染治理的意見》，意見中明確提出2020年底的塑料污染治理工作目標，其中包括2021年1月1日起，在全國餐飲行業(yè)中禁止使用不可降解一次性塑料吸管。

據(jù)央視報道，2019年我國塑料制品產(chǎn)量累計8184萬噸，其中塑料吸管產(chǎn)量為近3萬噸，折合約460億根，人均使用量超30根。作為快消品，塑料吸管的使用時間往往只有幾分鐘，但作為塑料制品而言，降解一根吸管的時間可達百年[5]。在“限塑令”背景下，我國塑料吸管產(chǎn)業(yè)迎來轉(zhuǎn)型契機，各類可降解吸管、可食用吸管等環(huán)保型吸管的相關(guān)研究日益增多[6]。

綜上所述，本文旨在以文獻綜述的形式對已有環(huán)保吸管制作工藝及研究進行分類歸納，并從產(chǎn)品生產(chǎn)工藝、優(yōu)缺點和發(fā)展預(yù)估三方面進行簡略分析。

1.環(huán)保吸管

(1)紙吸管

①紙吸管生產(chǎn)工藝

在生產(chǎn)工藝上，生產(chǎn)車間一般采用紙吸管機進行大規(guī)模的紙吸管制造。制造過程包含接紙、上膠、卷紙、切割、包裝等步驟。

在生產(chǎn)原料的選擇上原料，由于紙吸管大多應(yīng)用于和食品相關(guān)行業(yè)，因此，生產(chǎn)過程中應(yīng)保證采用原料為食品級。在材料選擇上，一般選用耐破損程度高，韌性好，高強度，勻度厚度色相穩(wěn)定的食用級羊皮紙和純木原漿；紙質(zhì)采用的是安全紙質(zhì)（Forest Stewardship Council認證）；在粘合劑的選擇上，也應(yīng)該遵循無毒害和天然的原則。同時兼顧紙吸管的環(huán)保原則，采用可再生、不含塑料顆粒、易被生物降解的紙張。為了保證產(chǎn)品的食品級安全，產(chǎn)品通過Food and Drug Administration，Lebensmittel-und Futtermittelgesetzbuches（德國新食品和飲食用品法）和歐盟標準的檢測[7]。

②紙吸管優(yōu)缺點

紙吸管作為“限塑令”頒布以來第一個取代傳統(tǒng)塑料吸管的產(chǎn)品，自然有它的優(yōu)勢。首先，該產(chǎn)品符合環(huán)境友好型理念，相較于塑料吸管動輒數(shù)十年的降解時間，大多紙吸管降解所需的時間僅為3～4個月。由于紙吸管生產(chǎn)過程中的各項嚴格指標，通過質(zhì)量檢測的產(chǎn)品理論上不會析出任何有害化學(xué)成分。

但是，紙吸管仍有很多缺點制約著它的廣泛普及。根據(jù)有關(guān)調(diào)查，熱飲店的消費者對紙吸管的使用體現(xiàn)持消極態(tài)度—一方面紙質(zhì)吸管相較于塑料吸管強度偏低，容易損壞，往往無法戳開飲料包裝，或者在使用過程中軟化影響體驗；另一方面，受紙吸管所使用的原料影響，產(chǎn)品本身往往攜帶輕微異味，對于味覺較為敏感的消費者不夠友好。同樣由于紙吸管原料影響，在理想環(huán)境下，一般的紙吸管保質(zhì)期約 2～3年，不利于紙吸管的生產(chǎn)和儲存。此外，在生產(chǎn)成本方面，紙吸管約為塑料吸管的3～4倍。

③紙吸管發(fā)展預(yù)估

雖然紙吸管易于降解、環(huán)境友好，但其缺點已經(jīng)影響到其本身效用，加之市面上有其他塑料吸管的替代品，紙吸管并非“限塑令”的完美答案。而事實正是如此，如今已有很多門店尤其是飲品店已經(jīng)將紙吸管用PLA吸管或者其他可降解吸管代替。

(2)PLA可降解吸管

①可降解吸管生產(chǎn)工藝

工業(yè)生產(chǎn)中，PLA吸管一般由流水線進行大規(guī)模生產(chǎn)，通過設(shè)備，將PLA快速擠出成型。

PLA可降解吸管的主要成分是聚乳酸（即PLA），它一般是由可再生的植物資源（如玉米）所提取出的淀粉為原料制作而成——淀粉原料經(jīng)由糖化得到工業(yè)葡萄糖，再由葡萄糖及菌種（乳酸菌等）發(fā)酵的條件下制成高純度的乳酸，再通過化學(xué)合成方法合成一定分子量的聚乳酸。由于聚乳酸可自然降解為無污染的水和二氧化碳，因此可認為由PLA為原料制作出的吸管可降解[8]。

②PLA可降解吸管優(yōu)缺點

PLA是一種生物塑料，結(jié)晶度較低，因此理論上比石油基的塑料要容易降解很多，但是PLA降解需要滿足大量的微生物、超過30℃的環(huán)境溫度、較高的濕度三個條件，在自然條件下PLA降解速度仍然較慢，因此在工業(yè)上一般采用集中降解。PLA可降解吸管的使用體驗和塑料吸管相似，均表面光滑、無異味、無毒害，同時具有較高的韌性和一定的抗沖擊性、這極大提高了使用體驗。

另一方面，PLA仍然現(xiàn)存一些缺陷。在制備過程中PLA材料脆性大，不易擠出成型，生產(chǎn)成本約為塑料吸管的四到五倍。此外，PLA可降解吸管的耐受溫度上限為55℃，在很多情況下并不能滿足需求。

③PLA可降解吸管發(fā)展預(yù)估

現(xiàn)階段，PLA可降解吸管已經(jīng)在一定程度上得到了普及。在未來，產(chǎn)品的發(fā)展方向可能是降低成本和提高性能；例如可以采用PLAB改性PLA吸管優(yōu)化其成型困難的缺陷，間接降低生產(chǎn)成本。此外，還可以尋求加速降解效率、提高降解程度的降解回收方法，讓“可降解”成為“全降解”。

(3)可食用吸管

①可食用吸管生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)工藝方面，根據(jù)制作工藝的不同可將可食用吸管分為兩類：一是以可食用物質(zhì)為吸管原料制成的可食用吸管；一是基于可食用膜技術(shù)制作而成的可食用吸管。

以可食用物質(zhì)為原材料制成的可食用吸管，多采用淀粉、膳食纖維、多糖物質(zhì)等作為原材料，多采用加入適量食用級輔料或進行工藝處理以達到保持吸管的柔韌性、防水性的目的。常見的生產(chǎn)工藝為：原料粉碎，輔料混合，吸管成型機擠出、切片，得到產(chǎn)品。

根據(jù)原料不同可食用膜可分為以下四種：多糖類可食用膜、蛋白質(zhì)類可食用膜、脂質(zhì)類可食用膜和復(fù)合型可食用膜?？墒秤梦芏嗖捎枚嗵穷惪墒秤媚ぶ瞥蒣9-10]。

張軍等人[11]研究表明抗性淀粉本身制作優(yōu)勢突出、擠出加工性和膜成型性良好，具有一定保健效果，為制作可食用吸管的良好選材。將原料配置成抗性淀粉/明膠混合料液后，通過擠壓吹塑技術(shù)，擠壓造粒，粉碎后進行擠壓吹膜制成抗性淀粉可食用吸管。在另一研究中，張軍等人[12]選取高直鏈淀粉作為吸管原料，通過在淀粉中加入不同類型代餐粉達到不同效用，在對淀粉老化后進行干燥處理，制成成型光滑的可食用代餐粉吸管，并選用玉米—小麥淀粉膜對吸管進行防腐處理。

美國設(shè)計師Chelsea Briganti和Leigh Ann Tucker設(shè)計出的以海藻為原料的可食用吸管Lolistraw具有可浸泡24h，無毒、可食用，并可快速降解的特點[13]。

②可食用吸管優(yōu)缺點

可食用吸管是“限塑令”頒布后取代傳統(tǒng)塑料吸管制品的一類新興產(chǎn)品，市場占取份額遠不及紙吸管、PLA可降解吸管，但產(chǎn)品本身具有一定的先進性。它所選用的原材料均為人體可食用物質(zhì)，與紙吸管、PLA可降解吸管相比，制作過程中無需使用化學(xué)有害物質(zhì)。其次，可食用吸管原料選擇富有多樣性，可滿足不同類型使用者需求，符合當(dāng)下“定制”消費趨勢。

同時，可食用吸管也有其劣勢所在。一是防腐性能不佳，儲存期較短。作為類食品用品比起其他類型吸管，易霉、易腐，難以大批量、長時間貯存是其市場推廣受制因素之一。二是其耐高溫性能不優(yōu)，與紙吸管類似，可食用吸管在高溫條件下性能保持具有時間性，長時間的高溫環(huán)境將影響吸管使用性能，影響使用者體驗。三是其可消化性，淀粉的種類以及處理方式對產(chǎn)品進入人體后可否被消化有一定影響，部分淀粉難以消化將影響人體消化系統(tǒng)功能，如海藻吸管的原料中所含瓊脂，過量食用時將影響消化系統(tǒng)。

③可食用吸管發(fā)展預(yù)估

可食用吸管作為一種新型吸管，其可“定制”性是其發(fā)展的推動力，同時也是阻力。吸管如今已經(jīng)成為日常用品之一，作為長期性的使用品和商業(yè)用品，其競爭性遠不如PLA吸管。然而，從可食用膜發(fā)展出發(fā)，可食用膜技術(shù)在醫(yī)藥、食品等方面的需求，在“限塑令”背景下進一步擴大，勢必推動該項技術(shù)的發(fā)展。雖則可食用吸管本身發(fā)展不容樂觀，但是食用膜技術(shù)的發(fā)展勢必能夠給可食用吸管帶來新的契機，未來將有更加新穎的產(chǎn)品出現(xiàn)以滿足人們對于產(chǎn)品多樣性以及定制性服務(wù)的需求。

(4)其他類型環(huán)保吸管

①秸稈吸管

2017年美國出臺的“限塑令”的背景下，麥秸稈有空隙、輕便、環(huán)保、可降解的特性使其成為新型“吸管”候選人。孟凡耀[14]抓住機遇研究出麥秸稈吸管制作技術(shù)：選取品相較好的麥秸稈放入熱水中浸泡增加其韌性，將剪開的麥秸稈放置于鹽水浴中進行高溫處理，達到清潔、消毒的目的，之后將其烘干包裝。在“全球限塑”的大趨勢下，秸稈吸管勢頭火熱，但是其產(chǎn)能低，保存難的特性已成為其發(fā)展道路少的一大掣肘。

②玉米醇溶蛋白吸管

姜福佳等人[15]基于玉米醇溶蛋白良好的耐水性、耐熱性和耐脂性，以其作為原料開發(fā)制作出一款可降解玉米醇溶蛋白吸管。首先，采用乙醇浸取法提取玉米黃粉中的醇溶蛋白，然后加入羥丙基纖維素、聚乙烯吡咯烷酮、山梨醇、甘油等食品級輔料，混合，擠壓成型，熱風(fēng)烘干，切割制備成吸管后進行指標檢測。

2.結(jié)論和展望

綜上所述，基于“限塑令”大背景下的可降解吸管的研發(fā)可謂是百花齊放，在生產(chǎn)和效用上，紙吸管、PLA可降解吸管、可食用吸管和其他各種新型可降解吸管各有優(yōu)勢，也各有不足。

經(jīng)過事實驗證，餐飲行業(yè)里，由“限塑令”初期的紙吸管的使用嘗試演變?yōu)槿缃馪LA可降解吸管的普及為主流、其他可降解吸管特種應(yīng)用為輔助的可降解吸使用局面，既是科技發(fā)展的必由之路、也是市場調(diào)節(jié)的必然結(jié)果。這在一方面肯定了紙吸管在生產(chǎn)成本和工藝流程上的優(yōu)勢，在另一方面又證明了PLA可降解吸管的綜合使用性能優(yōu)良。

在將來，PLA吸管的研發(fā)可能會向改性PLA塑料方向進行，不同的改性塑料將其應(yīng)用特化；另外，降低PLA可降解吸管的生產(chǎn)成本、簡化其生產(chǎn)流程也是一大關(guān)鍵。在可食用吸管的研發(fā)上，基于食用膜生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展，我們可以進一步探究如何提高其保存時間、寬化其保存環(huán)境。

此外，在可食用吸管的研發(fā)過程中，由需求間接帶動可食用膜生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展，進而在醫(yī)藥、食品等方面發(fā)揮作用，或者是對PLA塑料進行改性，以優(yōu)化其成型效率，都是可降解吸管研發(fā)過程中的附加科研成果，但在其他方面同樣會得到應(yīng)用。