摘要
面对全球塑料包装废弃物的严峻挑战，可重复使用包装被认为是减少一次性塑料环境足迹的有效策略。同时，将回收材料纳入包装体系，可进一步促进塑料废弃物的循环利用，提升可持续性。本研究旨在探讨工业后回收聚丙烯（PIR PP）作为原生聚丙烯替代品，应用于可重复使用食品包装的可行性。研究重点在于包装的功能性、材料特性及微生物安全性。
引言
塑料包装在现代食品工业中扮演着至关重要的角色，但其线性使用模式导致了大量的废弃物。欧盟已出台一系列法规，旨在推动包装的回收与重复使用，例如《包装与包装废弃物法规》（PPWR）。可重复使用包装在减少原材料消耗和环境影响方面展现出巨大潜力，但其在多次使用条件下的性能保持，尤其是回收材料的适用性，仍缺乏充分研究。聚丙烯（PP）因其优良的物理、机械和热性能，是可重复使用包装的常用材料。然而，消费后回收聚丙烯（PCR PP）因复杂的污染物去除非除挑战，在食品接触应用上受到严格限制。相比之下，来源单一、可控的工业后回收聚丙烯（PIR PP）更具应用前景。本研究通过模拟重复使用条件（烤箱加热与商用洗碗机清洗），对比评估了PIR PP、PP均聚物（Homo PP）和PP共聚物（Co PP）的性能变化。
方法
2.1 聚合物材料 本研究选用了三种PP材料：Moplen HP658T（Homo PP）、Moplen RP348T（Co PP）和GPL-COPP-005（PIR PP）。其基本性能参数如密度、熔体流动指数、拉伸强度和热变形温度（HDT）均在文中列出。
2.2 注塑成型 所有容器样品均在严格的工艺参数控制下通过注塑成型制备，成型后对活页铰链进行了人工预弯折以增强其耐用性。
2.3 模拟重复使用 模拟使用流程包括用番茄酱或咖喱酱填充容器，在140°C烤箱中加热至内容物中心温度达70°C，随后清空、冷水冲洗，并在商用洗碗机中进行清洗。此污染-清洗循环重复进行了20次。
2.4 差示扫描量热法（DSC） 用于测定材料的熔点（Tm）和结晶度（XC）。
2.5 傅里叶变换红外光谱-衰减全反射（FTIR-ATR） 用于分析材料化学结构及官能团组成的变化。
2.6 色度学 使用色度计量化材料颜色的变化，并计算色差值（ΔE*CMC）以评估视觉感知差异。
2.7 动态机械分析（DMA） 用于测量材料的储存模量（SM）和损耗模量（LM），评估其热机械性能。
2.8 二维码可追溯性 在容器底部激光蚀刻二维码，并在每次使用循环后评估其可扫描性。
2.9 微生物去污 将原始容器和经过20次清洗循环的老化容器，填充鸡肉咖喱餐并在室温下储存7天使其腐败。随后移除食物、冲洗，并按标准方法对容器内表面进行拭子采样。样本经回收、稀释后，使用胰蛋白酶大豆琼脂（TSA）平板计数总菌落形成单位（TCFU/mL），并使用多种选择性培养基检测特定食源性病原体，如大肠杆菌（Escherichia coli）、沙门氏菌（Salmonella enterica）、单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）和真菌。
结果与讨论
3.1 热性能与材料形态 DSC结果显示，经过20次使用循环后，三种PP材料的熔点和结晶度均未发生显著变化。对于Co PP和PIR PP，在首次加热曲线中约100°C处观察到一个小的吸热峰，该峰在第二次加热时消失，表明模拟使用过程中的热循环对材料产生了部分退火效应，促进了亚稳的层状晶向单斜晶的转变。
3.2 化学结构及官能团组成 FTIR-ATR光谱分析表明，经历20次模拟使用后，三种PP材料的特征峰位置均保持不变，化学结构稳定。仅在1745 cm-1处检测到一个微弱的羰基（C=O）伸缩振动新峰，这可能是材料在加热和清洗过程中发生轻微氧化降解的迹象，但峰强度很低，不会影响材料的整体质量和性能。
3.3 外观与视觉质量 色度学分析显示，重复使用对材料颜色产生了显著影响。所有材料在被番茄酱污染并清洗20次后，L值（明度）显著下降，a值（红绿轴）和b值（黄蓝轴）大幅上升，导致容器呈现明显的橙色染色，色差值（ΔECMC）远超视觉可感知阈值（>1）。这主要归因于番茄中的非极性色素番茄红素与同样非极性的PP基体之间的相似相溶作用。
相比之下，被咖喱酱污染的容器颜色变化较小，仅出现轻微的泛黄。这是因为咖喱中的主要色素姜黄素是极性的，不易被非极性的PP吸收。
尽管如此，所有情况下的ΔE*CMC值均大于1，表明颜色变化对人眼可见。研究指出，食品生产商需结合客观色度数据和主观视觉评估，根据包装的具体用途来判断其适用性。
3.4 热机械性能 DMA结果显示，在0°C至100°C的温度范围内，三种PP材料在重复使用前后均保持了良好的粘弹性性能。储存模量（SM）和损耗模量（LM）值保持在100 MPa以上，表明重复使用并未损害包装的刚性和弹性。其中，Homo PP始终表现出最高的SM值，体现了其固有的更高刚性。PIR PP和Co PP在接触番茄污染物后，SM在高温度下略有下降，LM略有上升，可能与微弱的表面相互作用有关，但这些变化微不足道，不影响性能。这支持了PP材料，包括回收等级，在典型使用条件下能保持可靠的机械性能。
3.5 二维码可追溯性 经过20次模拟使用循环后，所有容器上的激光蚀刻二维码均能使用智能手机应用程序成功读取，表明没有发生大规模表面降解影响可追溯性。然而，对于被咖喱酱污染的Co PP和PIR PP容器，二维码的读取难度有所增加。这与色度学结果中观测到的这两种材料L值（明度）显著下降（表面变暗）有关，从而降低了二维码黑白区域的对比度。而被番茄酱污染的所有容器，尽管L值也下降，但由于a和b值大幅升高产生的橙色背景与黑色码仍保持了足够的对比度，因此未影响可读性。
3.6 微生物去污 微生物测试显示，无论是原始容器还是经过20次清洗循环的老化容器，在填充腐败食物7天后，内表面均受到严重污染，总菌落数超过106TCFU/mL。有趣的是，老化容器的初始微生物负载量显著低于原始容器，这可能与重复清洗导致表面纹理改变或残留的 rinse aid（漂洗剂）增加了表面疏水性有关。
选择性培养基检测发现了大肠杆菌（E. coli）、志贺氏菌（Shigella）属、其他非大肠杆菌类大肠菌群、非大肠菌群及真菌的存在，但未检出沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌。最关键的结果是，所有容器（无论是原始的还是老化的，也无论PP种类）在经过标准的商用洗碗机清洗程序后，所有测试的琼脂平板上均未观察到任何微生物生长。这明确证明，本研究采用的清洗方案能有效去除包括食源性病原体在内的各类微生物，确保了PIR PP包装在重复使用后的微生物安全。
结论
本研究通过全面的材料表征和微生物学测试，系统评估了工业后回收聚丙烯（PIR PP）在可重复使用食品包装中的应用潜力。研究结果表明，在经过多达20次模拟实际使用的污染和清洗循环后，PIR PP在热性能、化学稳定性、机械性能等关键指标上与原生PP（均聚物和共聚物）表现相当，未出现功能丧失。尽管某些污染物（如番茄酱）可能导致明显的视觉染色，但标准的商用清洗程序被证明能完全消除微生物污染，包括食源性病原体，从而保证了包装的卫生安全。这些发现有力地支持了PIR PP作为原生PP的可行替代品，用于制造高性能、安全且可持续的可重复使用食品包装，为推动塑料包装的循环经济发展提供了重要的科学依据。
