工业咖啡饮料生产线的生命周期评估

《Food and Bioproducts Processing》：Life Cycle Assessment of Industrial Coffee Beverage Production Lines

食品工业中全脂奶、奶咖与黑咖啡在玻璃瓶和纸盒无菌包装系统的全生命周期环境影响及热力学效率分析。通过IMPACT 2002+模型评估发现，玻璃瓶装全脂奶环境负荷最高，而纸盒无菌装黑咖啡最低，热力学优化与环境影响呈显著负相关。研究整合生命周期评估与能量/熵效率指标，为食品包装和配方设计提供可持续发展决策依据。

　　

Gamze KOR SIMSEK | Filiz ICIER

埃盖大学，自然与应用科学研究生院，食品工程系，土耳其伊兹密尔博尔诺瓦

摘要

本研究对工业化规模生产的即饮（RTD）饮料——全脂牛奶（WM）、牛奶咖啡（MC）和黑咖啡（BC）进行了全面的生命周期评估（LCA），这些饮料分别采用玻璃瓶（GB）和纸盒无菌（CBA）包装系统进行生产。通过使用IMPACT 2002+模型，评估了多个环境影响类别。通过工厂规模的数据，将能源和熵效率与环境结果联系起来。结果显示，采用玻璃瓶包装的牛奶基饮料对环境的影响最大，而采用纸盒无菌包装的黑咖啡对环境的影响最小。熵效率与环境影响类别之间存在强烈的负相关关系（r = -0.91），表明热力学优化可以减少排放。这项研究是首批将生命周期评估与能源和熵性能指标相结合的工业化规模评估之一，涵盖了多种即饮饮料配方和包装方式，并使用了真实的工厂数据。研究结果强调了包装和配方在实现资源高效、低碳饮料生产方面的重要性，这与可持续发展目标12（SDG 12）相一致。总体而言，该研究展示了如何通过将生命周期评估与热力学性能指标相结合，为设计更加资源高效和低碳的工业饮料生产系统提供决策相关的见解。

引言

行业利益相关者和政策制定者越来越重视可持续性问题，这推动了新的监管框架和激励机制的发展（Torán-Pereg等人，2025年）。在欧洲绿色协议的框架下，欧盟制定了到2050年实现气候中和的长期目标，并通过中期目标来加速清洁技术的部署、促进行业创新和提高能源效率（匿名，2022a年）。同时，预计到本世纪中叶，全球人口增长将使食品需求增加50%以上，从而加剧对食品和饮料生产系统的压力（Hassoun等人，2023年）。

包装在确保食品质量和安全方面起着核心作用，它通过限制氧气传递和微生物污染来延长保质期并保护产品完整性（Garavand等人，2022年）。除了技术性能外，消费者对可持续性的认知也越来越受到包装材料和产品生命周期末端处理方式的影响，这进一步凸显了包装在环境评估中的关键作用（Boesen等人，2019年）。

咖啡（Coffea属）是全球消费最广泛的饮料之一，全球种植面积超过1000万公顷，支持了数百万小农户，尤其是在发展中国家（Ngure和Watanabe，2024年）。与此同时，牛奶年产量超过9.7亿吨，仍然是全球乳制品市场的主要组成部分（匿名，2024年）。尽管咖啡和乳制品产业具有经济重要性，但它们也带来了显著的环境压力，包括温室气体排放、土地占用和水资源消耗，因此需要强大的可持续性评估工具（Cruz-Rivero等人，2025年）。

生命周期评估（LCA）为量化产品从原材料提取到生命周期终结全过程的环境影响提供了系统化的框架（Ruiz-Carrasco等人，2023年）。ISO 14000系列标准进一步促进了方法论的标准化，从而提高了不同行业之间LCA应用的可比性和透明度（Kiyak和Gunes，2024年）。

现有的饮料行业LCA研究大致可以分为专注于咖啡的分析和其他食品和饮料系统的评估。在乳制品包装研究中，通常发现纸盒无菌包装在环境影响方面优于PET和HDPE容器，而玻璃包装的性能则因回收假设的不同而有所差异（Cappiello等人，2022年）。相比之下，大多数与咖啡相关的LCA研究集中在种植、烘焙、副产品利用或消费者饮用阶段，对工业化规模生产的即饮咖啡饮料的关注较少（Atabani等人，2022年；Gobbi等人，2023年）。一个值得注意的例外是Gosalvitr等人（2024年）的研究，该研究评估了多种咖啡饮料的环境和经济可持续性，并指出绿色咖啡种植和牛奶生产是主要的环境影响热点。然而，这项研究并未考虑工业化规模的即饮咖啡系统和替代包装配置。

最新的前沿分析强调能源优化、工艺整合和循环经济策略是减少工业咖啡和饮料生产环境负担的有效途径（Kekes等人，2025年）。然而，这些研究普遍存在方法论上的差异，包括功能单位、系统边界、数据质量和影响类别选择等方面的差异，这些差异限制了跨研究的可比性，并影响了行业和政策制定者的决策（Marques等人，2025年）。

尽管相关文献不断增多，但仍存在一些关键的研究空白。首先，工业化规模的即饮咖啡饮料，特别是结合了牛奶和黑咖啡配方的系统，在从摇篮到大门（cradle-to-door）的LCA研究中代表性不足。其次，初级和二级包装阶段经常被单独评估或忽略，尽管它们在整体环境影响中起着重要作用。第三，尽管经常讨论能源优化，但很少有研究将能源和熵效率等热力学性能指标与生命周期影响结果进行定量整合。工艺层面性能指标与LCA的有限结合限制了在工业饮料生产系统中识别可采取的可持续性改进措施（dos Muchangos等人，2025年）。

为解决这些空白，本研究对三种工业化生产的即饮咖啡饮料——全脂牛奶、牛奶咖啡和黑咖啡——在两种不同包装线上的生产进行了综合评估。通过结合生命周期评估和基于真实工厂数据的能源及熵效率分析，本研究能够同时解读环境负担、工艺效率和配方复杂性。通过这种方式，该研究为设计更加资源高效和低碳的工业饮料生产系统提供了决策相关的见解，推动了相关领域的发展。

材料与方法

本节描述了工业案例研究、系统边界、数据来源以及用于将热力学性能评估与生命周期评估（LCA）相结合的分析流程。研究验证了以下假设：（i）饮料配方（全脂牛奶、牛奶咖啡和黑咖啡）和包装配置（玻璃瓶和纸盒无菌系统，包括二级包装）在环境方面存在统计学上和实际意义上的差异。

结果与讨论

本研究评估了采用玻璃瓶（GB）和纸盒无菌（CBA）包装格式的工业化规模全脂牛奶（WM）、牛奶咖啡（MC）和黑咖啡（BC）生产线，从原材料输入到二级包装的全过程。环境影响类别通过LCA进行评估，而性能指标与LCA结果之间的关系通过相关性分析进行了统计检验。

结论

本研究对三种饮料类型（全脂牛奶、牛奶咖啡和黑咖啡）的工业化规模生产线进行了详细的LCA评估，每种饮料均采用了两种包装格式（玻璃瓶和纸盒无菌包装）。环境性能评估重点关注了七个指标：碳足迹（CA）、净碳（NC）、全球变暖潜能值（GWP）、能量回收率（IOR）、能量损失（OLD）、热损失（TAN）和净能量（NRE）。结果表明，尤其是采用玻璃瓶包装的牛奶基饮料在所有类别中均表现出最大的环境负担，这主要是由于其特定的生产和包装过程。

未引用参考文献

(Abedi-Firoozjah等人，2022年；匿名，2023年；Bertolini等人，2016年；Brenes-Peralta等人，2021年；Carter，2022年；Rodrigues等人，2022年；Tavares和Mourad，2020年；Tinoco-Caicedo等人，2020年；Güne?，2020年)

资助

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。

作者贡献声明

Filiz Iciier：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法论设计、数据整理、概念构建。 Gamze Kor Simsek：撰写——初稿撰写、方法论设计、数据整理、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究是博士论文“不同工业咖啡和含奶饮料生产线的可持续性分析”的一部分。