食品包装是包装工业的大户，占包装工业的70％左右。在食品包装材料中，塑料用量最大，占到塑料总产量的1/4；在方便休闲和膨化食品包装中的使用量更是稳居第一；近年在美国市场流行的高温杀菌、无菌、高阻隔、柔性和集装等新食品包装中，塑料更是主要包装材料。塑料食品包装材料虽然具有优良的使用性能，但资源和生态环境性能却不好——消耗石油资源多；在生产、运输等生命周期全过程中向环境排放污染严重；一次性使用也导致废弃物多，废弃物既不能降解也不易回收再利用；塑料中有害化合物可能向食品迁移从而影响食品安全等。因此，塑料食品包装材料生态化，即对其进行生态设计，改善资源和生态性能十分重要。
一、塑料食品包装材料生态化（生态设计）的依据
（1）EUP要求用能产品须进行生态设计：2005年欧盟颁布《用能产品生态设计框架指令》（简称EUP指令）。生态设计要将节能放在首位、并把环境因素融入到产品的设计中，从源头入手，在包括设计、制造、使用、回收、后期处理的生命周期内，不仅要考虑功能、性能、材料、结构、外观、成本等常规因素，同时还要考虑产品在生命周期内对能源、环境、自然资源的影响，目的是全方位监控产品对环境的影响，减少对环境的破坏，改善和提高产品的环境性能。
（2）“绿色化学”提出的绿色高分子材料生态设计原则：“绿色化学”兴起于上世纪90年代初，其宗旨是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染，使反应物的原子全部转化为期望的最终产物。它提出进行绿色高分子材料（又称生态高分子材料）生态设计时的原则是：①节约能源和资源，采用无毒、无害、可再生的原料；②在无毒、无害的条件下进行反应，减少废物向环境排放，降低整个生命周期内对环境的冲击负荷；③获得的制品对环境友好，在生命周期终结后，其废弃物能够低成本的多次再利用或再生利用，或能通过反应加工技术或还原技术还原成原料。
二、塑料食品包装材料生态化（生态设计）的准则和方法
1、塑料食品包装材料生态化（生态设计）的准则
依据EUP对耗能产品须进行生态设计的要求和“绿色化学”提出的绿色高分子材料生态设计原则，塑料食品包装材料在进行以节能为中心的生态化（生态设计）时应遵循如下准则： （1）强调采用资源茂盛、不破坏生态的天然高分子材料。塑料最早是以天然高分子材料和煤焦油等为原料、经改性后制成；随着技术进步，近代才以石油、天然气为原材料，提取其分离物如乙烯、丙烯等气体作为树脂，再添加各种助剂后经聚合反应成为聚乙烯、聚丙烯等塑料。石油是关系国家能源和国防的战略物资，用于能源消耗和交通运输的石油占总消耗量34％；同时也是化工产品的重要原料，其消耗量占总消耗量42％。而我国是个缺油大国，近10年来石油消费年均增长率达到6%以上，而石油产量年均增长率却只有1.8%，形成巨大的供给缺口；包括塑料食品包装材料在内的塑料制品大多由石油加工而成，其石油消耗量约占我国石油消耗总量的8～10%。因此为了不与能源和国防争夺资源，开发研究以原生态天然高分子材料（淀粉、纤维素、甲壳素等）为原料、节能型的塑料食品包装材料十分重要。
（2）生态设计贯穿生命周期全过程。“生态高分子材料”设计不仅涉及“生态化学”（主要指原料和高分子聚合过程），而且也涉及“生态生产”（主要指生产环境）、“生态使用”和“生态回收和再生利用”，以及残留在生态环境中可能产生的“深远影响”等。塑料食品包装材料在聚合生产过程中向外界排放“三废”严重，仅塑料固废物在国内已超过400万吨；塑料食品包装材料又多属一次性使用，在大自然中既不易降解，又因其收集、分类、运输成本高于商业化回收利用价值而不易回收再利用，从而对环境造成严重的白色污染。故塑料食品包装材料进行生态设计时，必须在其生命周期全过程具备良好的生态性能，在生产过程中排放污染要少，使用完后能易回收再利用或能自行降解。
（3）保障食品安全。塑料食品包装材料含有多种对人体有毒害的化学物质，在一定条件下可能向食品迁移，从而危害人体。故在进行生态设计时必须采取针对性措施，保证对人体无毒害。如天然高分子材料需用增塑剂等助剂进行改性塑化，这时就应采用不含苯类及环状结构体、重金属等有毒有害成份的环保无苯型增塑剂（如我国山东生产的柠檬酸酯类增塑剂）。
（4）具备足够的机械力学性能和低成本。天然高分子材料虽具有优良的完全生物降解特性，但是它的耐高温性能不好，由它制备的生物降解塑料在50～55℃就会发生变形；另外它的抗拉及柔韧性也较差；故必须经过化学及物理改性。天然高分子与纳米添加剂复合后制得的食品包装材料能很好解决天然高分子材料机械强度和阻隔性能差的缺陷，但其价格一般是传统塑料的3～5倍，须通过改进制备工艺和扩大产量来降低生产成本。
2、塑料食品包装材料生态化（生态设计）的方法
依据上述准则，塑料食品包装材料生态化的主要途径是以天然高分子为原料，无毒且能在大自然中能自行降解的生物降解塑料。为此须采用高分子设计方法对天然高分子进行改性设计。高分子设计是一门崭新的学科，其目的是为了摆脱开发新聚合物中的大量实验工作，寻找一条新的捷径：即按指定性能设计高分子，用新的合成方法合成预定结构和指定性能的高分子化合物。随着量子化学、分子力学和分子生物学的发展和计算机技术进入化学领域，使高分子材料有可能利用分子设计原理，根据已积累的相关数据和规律，建立一个数理统计模型（建模方法可采用功能模拟或结构模拟），再用数学公式的形式把新聚合物的物性一分子结构设计一理想的合成方法和加工条件关联起来，形成崭新的高分子设计模式：即物性一结构一合成。
参考观研天下发布《2018年中国塑料食品包装材料行业分析报告-市场深度分析与发展趋势预测》
在高分子设计中，由单体小分子聚合成高分子采用的合成方法按其反应可分为自由基聚合、离子型聚合、开环聚合、缩合聚合等；而对天然/合成高分子材料进行改性，以获得良好的加工和使用性能，采用的改性技术则有：嵌段、接枝、交联、互穿网络等合成聚合方法；对淀粉、纤维素、甲壳素、壳聚糖等天然高分子则更多采用共混或接枝方法进行改性。聚合或改性的聚合物均可依据织态结构和微区结构、乃至高分子链的立体异构，分子量和分子量分布，通过改变加工、退火、拉伸方法提高其力学性能；高分子合金与复合材料的发展，更使其力学性能和耐热性能进一步提高。
高分子设计方法加快了具有特定性能的聚合物的研发速度，使航天、国防、能源上需要的新材料相继涌现；也加快了食品包装、环境工程等领域上需求的非石油基生物降解塑料的研发进程。
三、适用食品包装的天然高分子生物降解塑料类型
从上世纪80年代以来，许多国家都以天然高分子材料为原料，研发在使用时具有足够强度和货架期，而在废弃后能在大自然中迅速分解成CO2和H2O的完全生物降解塑料，取得了许多重要成果。日本、美国、欧洲认为生态高分子材料是使用性能同于普通高分子材料、用后能通过自然界微生物和酶分解为水和CO2的高分子材料；并定义生物降解塑料即是生态高分子材料，或称“生态塑料”。这种非石油基的天然高分子生物降解塑料目前已有许多应用于食品包装材料，推进了食品包装材料向生态化方向发展。
目前常用于食品包装材料的天然高分子生物降解塑料可以划分为全淀粉型、化学（人工）合成型和天然高分子与合成高分子共混型等三种类型。
（1）全淀粉型的天然高分子生物降解塑料：天然高分子具有多种功能基团，可以通过化学、物理方法改性塑化而成为可降解塑料。与有限的石油资源比较，天然高分子植物只要通过光合作用就可以合成，因而具有资源的可持续获得性，同时其废弃物可逐步水解成小分子化合物，并且最终分解成二氧化碳和水，因此全淀粉型的天然高分子生物降解塑料受到世界各国的高度重视，广泛应用于食品包装。近年以淀粉、蛋白、纤维、脂类等食品级天然高分子为原料，采用先进的专用设备和工艺制备出可食性与全降解的食品内包装膜、可食性涂膜、一次性食品包装膜，获得了广泛的应用，发展速度迅速。
（2）化学（人工）合成生物降解塑料：天然高分子生物降解塑料的物理化性能较差，所以使用范围受到限制。而采用高分子设计方法开发的可生物降解合成高分子化合物，则既能满足较广泛的使用要求，又能在废弃后因生物降解而与自然环境同化，因此它在绿色高分子材料中占有举足轻重的地位。这类生物降解塑料有聚己内酯（PCL）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等，最具发展前景的是用淀粉制造的可降解塑料－聚乳酸（PLA）。聚乳酸以玉米、甘蔗、甜菜、土豆等农副产品为原料，一般首选玉米，将玉米磨成粉，分离出淀粉，再从淀粉中提取出原始的葡萄糖，通过发酵工艺将葡萄糖转化成乳酸，乳酸经过聚合反应制成最终聚合物—聚乳酸。聚乳酸使用后的降解分为两个阶段：首先是纯化学水解成乳酸单体，乳酸单体在微生物作用下再降解成二氧化碳和水，降解产物经光合作用能再形成淀粉原料，从而实现“洁净的碳循环”，被称为“二十一世纪的环境循环材料”。
（3）天然高分子与合成高分子共混型的生物降解塑料：天然高分子材料（淀粉、纤维素、甲壳素等）与可降解的合成高分子材料（如PLA、PCL、PBS、聚乙烯醇PVA、聚乙二醇PEG等）各具优缺点，前者降解性能较后者快和好，后者则具有更好的理化使用性能。如将两者混合并加入化学连结剂与化学连接促进剂及其他助剂进行共混，则制得的塑料比无化学连接时的强度大为提高，又较原合成高分子具有更好的生物降解性能，还能节约石油资源和降低成本。目前，这种生物质复合材料已成为食品包装复合材料研究领域的新热点，如利用纤维素和聚乳酸PLA通过挤出-注射模塑工艺获得的共混物，与纯的PLA相比，纤维素纤维的加入增大了弹性模量和弯曲弹性模量，故可应用于生产食品和饮料包装盒。
图表：塑料
图表来源：公开资料整理
一、塑料食品包装材料生态化（生态设计）的依据
（1）EUP要求用能产品须进行生态设计：2005年欧盟颁布《用能产品生态设计框架指令》（简称EUP指令）。生态设计要将节能放在首位、并把环境因素融入到产品的设计中，从源头入手，在包括设计、制造、使用、回收、后期处理的生命周期内，不仅要考虑功能、性能、材料、结构、外观、成本等常规因素，同时还要考虑产品在生命周期内对能源、环境、自然资源的影响，目的是全方位监控产品对环境的影响，减少对环境的破坏，改善和提高产品的环境性能。
（2）“绿色化学”提出的绿色高分子材料生态设计原则：“绿色化学”兴起于上世纪90年代初，其宗旨是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染，使反应物的原子全部转化为期望的最终产物。它提出进行绿色高分子材料（又称生态高分子材料）生态设计时的原则是：①节约能源和资源，采用无毒、无害、可再生的原料；②在无毒、无害的条件下进行反应，减少废物向环境排放，降低整个生命周期内对环境的冲击负荷；③获得的制品对环境友好，在生命周期终结后，其废弃物能够低成本的多次再利用或再生利用，或能通过反应加工技术或还原技术还原成原料。
二、塑料食品包装材料生态化（生态设计）的准则和方法
1、塑料食品包装材料生态化（生态设计）的准则
依据EUP对耗能产品须进行生态设计的要求和“绿色化学”提出的绿色高分子材料生态设计原则，塑料食品包装材料在进行以节能为中心的生态化（生态设计）时应遵循如下准则： （1）强调采用资源茂盛、不破坏生态的天然高分子材料。塑料最早是以天然高分子材料和煤焦油等为原料、经改性后制成；随着技术进步，近代才以石油、天然气为原材料，提取其分离物如乙烯、丙烯等气体作为树脂，再添加各种助剂后经聚合反应成为聚乙烯、聚丙烯等塑料。石油是关系国家能源和国防的战略物资，用于能源消耗和交通运输的石油占总消耗量34％；同时也是化工产品的重要原料，其消耗量占总消耗量42％。而我国是个缺油大国，近10年来石油消费年均增长率达到6%以上，而石油产量年均增长率却只有1.8%，形成巨大的供给缺口；包括塑料食品包装材料在内的塑料制品大多由石油加工而成，其石油消耗量约占我国石油消耗总量的8～10%。因此为了不与能源和国防争夺资源，开发研究以原生态天然高分子材料（淀粉、纤维素、甲壳素等）为原料、节能型的塑料食品包装材料十分重要。
（2）生态设计贯穿生命周期全过程。“生态高分子材料”设计不仅涉及“生态化学”（主要指原料和高分子聚合过程），而且也涉及“生态生产”（主要指生产环境）、“生态使用”和“生态回收和再生利用”，以及残留在生态环境中可能产生的“深远影响”等。塑料食品包装材料在聚合生产过程中向外界排放“三废”严重，仅塑料固废物在国内已超过400万吨；塑料食品包装材料又多属一次性使用，在大自然中既不易降解，又因其收集、分类、运输成本高于商业化回收利用价值而不易回收再利用，从而对环境造成严重的白色污染。故塑料食品包装材料进行生态设计时，必须在其生命周期全过程具备良好的生态性能，在生产过程中排放污染要少，使用完后能易回收再利用或能自行降解。
（3）保障食品安全。塑料食品包装材料含有多种对人体有毒害的化学物质，在一定条件下可能向食品迁移，从而危害人体。故在进行生态设计时必须采取针对性措施，保证对人体无毒害。如天然高分子材料需用增塑剂等助剂进行改性塑化，这时就应采用不含苯类及环状结构体、重金属等有毒有害成份的环保无苯型增塑剂（如我国山东生产的柠檬酸酯类增塑剂）。
（4）具备足够的机械力学性能和低成本。天然高分子材料虽具有优良的完全生物降解特性，但是它的耐高温性能不好，由它制备的生物降解塑料在50～55℃就会发生变形；另外它的抗拉及柔韧性也较差；故必须经过化学及物理改性。天然高分子与纳米添加剂复合后制得的食品包装材料能很好解决天然高分子材料机械强度和阻隔性能差的缺陷，但其价格一般是传统塑料的3～5倍，须通过改进制备工艺和扩大产量来降低生产成本。
2、塑料食品包装材料生态化（生态设计）的方法
依据上述准则，塑料食品包装材料生态化的主要途径是以天然高分子为原料，无毒且能在大自然中能自行降解的生物降解塑料。为此须采用高分子设计方法对天然高分子进行改性设计。高分子设计是一门崭新的学科，其目的是为了摆脱开发新聚合物中的大量实验工作，寻找一条新的捷径：即按指定性能设计高分子，用新的合成方法合成预定结构和指定性能的高分子化合物。随着量子化学、分子力学和分子生物学的发展和计算机技术进入化学领域，使高分子材料有可能利用分子设计原理，根据已积累的相关数据和规律，建立一个数理统计模型（建模方法可采用功能模拟或结构模拟），再用数学公式的形式把新聚合物的物性一分子结构设计一理想的合成方法和加工条件关联起来，形成崭新的高分子设计模式：即物性一结构一合成。
参考观研天下发布《2018年中国塑料食品包装材料行业分析报告-市场深度分析与发展趋势预测》
在高分子设计中，由单体小分子聚合成高分子采用的合成方法按其反应可分为自由基聚合、离子型聚合、开环聚合、缩合聚合等；而对天然/合成高分子材料进行改性，以获得良好的加工和使用性能，采用的改性技术则有：嵌段、接枝、交联、互穿网络等合成聚合方法；对淀粉、纤维素、甲壳素、壳聚糖等天然高分子则更多采用共混或接枝方法进行改性。聚合或改性的聚合物均可依据织态结构和微区结构、乃至高分子链的立体异构，分子量和分子量分布，通过改变加工、退火、拉伸方法提高其力学性能；高分子合金与复合材料的发展，更使其力学性能和耐热性能进一步提高。
高分子设计方法加快了具有特定性能的聚合物的研发速度，使航天、国防、能源上需要的新材料相继涌现；也加快了食品包装、环境工程等领域上需求的非石油基生物降解塑料的研发进程。
三、适用食品包装的天然高分子生物降解塑料类型
从上世纪80年代以来，许多国家都以天然高分子材料为原料，研发在使用时具有足够强度和货架期，而在废弃后能在大自然中迅速分解成CO2和H2O的完全生物降解塑料，取得了许多重要成果。日本、美国、欧洲认为生态高分子材料是使用性能同于普通高分子材料、用后能通过自然界微生物和酶分解为水和CO2的高分子材料；并定义生物降解塑料即是生态高分子材料，或称“生态塑料”。这种非石油基的天然高分子生物降解塑料目前已有许多应用于食品包装材料，推进了食品包装材料向生态化方向发展。
目前常用于食品包装材料的天然高分子生物降解塑料可以划分为全淀粉型、化学（人工）合成型和天然高分子与合成高分子共混型等三种类型。
（1）全淀粉型的天然高分子生物降解塑料：天然高分子具有多种功能基团，可以通过化学、物理方法改性塑化而成为可降解塑料。与有限的石油资源比较，天然高分子植物只要通过光合作用就可以合成，因而具有资源的可持续获得性，同时其废弃物可逐步水解成小分子化合物，并且最终分解成二氧化碳和水，因此全淀粉型的天然高分子生物降解塑料受到世界各国的高度重视，广泛应用于食品包装。近年以淀粉、蛋白、纤维、脂类等食品级天然高分子为原料，采用先进的专用设备和工艺制备出可食性与全降解的食品内包装膜、可食性涂膜、一次性食品包装膜，获得了广泛的应用，发展速度迅速。
（2）化学（人工）合成生物降解塑料：天然高分子生物降解塑料的物理化性能较差，所以使用范围受到限制。而采用高分子设计方法开发的可生物降解合成高分子化合物，则既能满足较广泛的使用要求，又能在废弃后因生物降解而与自然环境同化，因此它在绿色高分子材料中占有举足轻重的地位。这类生物降解塑料有聚己内酯（PCL）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等，最具发展前景的是用淀粉制造的可降解塑料－聚乳酸（PLA）。聚乳酸以玉米、甘蔗、甜菜、土豆等农副产品为原料，一般首选玉米，将玉米磨成粉，分离出淀粉，再从淀粉中提取出原始的葡萄糖，通过发酵工艺将葡萄糖转化成乳酸，乳酸经过聚合反应制成最终聚合物—聚乳酸。聚乳酸使用后的降解分为两个阶段：首先是纯化学水解成乳酸单体，乳酸单体在微生物作用下再降解成二氧化碳和水，降解产物经光合作用能再形成淀粉原料，从而实现“洁净的碳循环”，被称为“二十一世纪的环境循环材料”。
（3）天然高分子与合成高分子共混型的生物降解塑料：天然高分子材料（淀粉、纤维素、甲壳素等）与可降解的合成高分子材料（如PLA、PCL、PBS、聚乙烯醇PVA、聚乙二醇PEG等）各具优缺点，前者降解性能较后者快和好，后者则具有更好的理化使用性能。如将两者混合并加入化学连结剂与化学连接促进剂及其他助剂进行共混，则制得的塑料比无化学连接时的强度大为提高，又较原合成高分子具有更好的生物降解性能，还能节约石油资源和降低成本。目前，这种生物质复合材料已成为食品包装复合材料研究领域的新热点，如利用纤维素和聚乳酸PLA通过挤出-注射模塑工艺获得的共混物，与纯的PLA相比，纤维素纤维的加入增大了弹性模量和弯曲弹性模量，故可应用于生产食品和饮料包装盒。
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