弃物再生视角下咖啡渣可持续创新设计方法研究

“弃物再生”是“苏作”工艺文化精神的代表之一[1]。咖啡渣是咖啡萃取后遗留的主要副产物，含多种有机化合物，具有再利用价值。在可持续发展视角下，一条通往循环经济的咖啡渣价值变革途径，吸引众多研究者不断深耕。国内目前针对该类废弃物的处理多采用以直接掩埋或焚烧为主的低价值转化模式；一方面对生态有消极影响，另一方面未有效拓展其附加值。有鉴于咖啡渣的规模和物质特性，将其转化应用的路径有待探究，咖啡渣作为产品的材料在可持续设计领域的应用维度值得进一步思考。

1.1 咖啡渣资源生成与再利用情况

咖啡是全球最流行饮品之一，据国际咖啡组织（ICO）在2021年至2022年报显示，全球共消费1.703亿袋咖啡，约1000万吨；据测算，1吨生咖啡可产生约650公斤咖啡渣[2]，仅该年度全球所产渣有650万吨之多。咖啡渣主要由纤维素、半纤维素、木质素、脂质和蛋白质等组成[3]，可成为潜在的生物可降解材料，是多种生物基产品的宝贵原料（表1）。

随着市场规模扩大，咖啡渣处理压力日渐增长[4]。不正确丢弃掩埋会使其中污染物质破坏环境，降低延伸经济价值。故，在咖啡渣资源化与环保化的背景下，寻求咖啡渣再利用的方案对其可持续管理是必要的。鉴于当前各国对废物管理的重视，国内外学界致力于围绕咖啡渣开发更多应用场景。回顾近五年研究，其作为肥料、饲料、吸附剂和燃料是国内外的热点[5]。由于咖啡渣包含诸多有机化合物，因此是生产清洁能源和增值化合物的有效原料[6]。此外，其还被证明用于生产生物炭和生物燃料、染色剂、抗冻材料的潜能。来自丹麦的“KAFFIBRE”品牌，以咖啡渣为原料生产个人护理产品、食品和营养保健品[7]。

总体上，现阶段咖啡渣再利用主要是针对某一特质进行（提取成分），虽实现部分资源利用，但在生活品类的应用频率不高，行业体量不大。且上述其他学科针对咖啡渣的研究成果，进行设计赋能的意义较低；故，有必要拓展咖啡渣作为常用型产品材料的应用思考，促进可持续发展理念、废弃材料再生与创新设计方法探究的有效融合。

1.2 将咖啡渣作为材料的应用回顾

当前，将咖啡渣作为产品材料尝试的案例较多（图1-图4）。星巴克超过850家门店引入含咖啡渣粉的可生物降解吸管“渣渣管”；Singtex公司已利用咖啡渣生成的纱线来制作服装面料等多种产品。Kaffeeform公司基于咖啡渣制作随行杯、托盘、手表表壳等产品。来自上海的咖法公司融合当下CMF设计趋势，利用咖啡渣实现产品多元化，设计包括笔记本、马克杯、垃圾桶等产品。在理论研究上，颜成宇和马映彤[8]的实验得出咖啡渣经过加工后可成为很好的可降解材料。田玉晶[9]等人同样探讨咖啡渣应用在包袋设计和服装合成革的可能[10]。

1.3 可持续性是咖啡渣实验的目标

过往研究证实咖啡渣在处理后具有良好可降解性，其高有机含量是进行可持续设计的良好材料载体。相较秸秆和玉米渣等农作物残渣[11]，其在保证强度的同时还具备良好的二次加工特性，值得进行再生探索。同时，发现设计领域对咖啡渣可持续应用研究较少。鉴于咖啡渣的可降解性和食品级接触性，可结合当下社会热点问题进行专题研究，探索其在食品餐盒中的应用可能。预设实验将从成型硬度、延展性、耐水性和耐油性角度进行咖啡渣固化成型实验，过程包含控制单一变量和结果对比，最终目的是探索该材料在外卖包装产品中的可持续应用与方法。

2.1 当下外卖产品包装材料总览

截至2021年底，我国外卖用户规模达5.4亿人[12]，市场繁荣给相关外卖包装行业带来新的挑战。外卖包装由于使用周期较普通包装更短，特别是不可降解塑料的大量使用和餐后无序丢弃，造成一定环境污染。一些替代性材料诸如可降解塑料、纸张、新型合成材料等被外卖包装的部分采用作为应对措施。实现生物降解和回收再利用是减少外卖包装污染的可行途径。据中国包装联合会与美团等联合编写的《餐饮外卖绿色包装解决方案（第一期）》，当下外卖包装以塑料、纸基、纸塑复合材料为主，不同材料具备的特征和适用的食品包装领域不尽相同。以常见外卖餐食为例，主流包装材料及特征见表2。

2.2 作为外卖包装材料的SWOT分析

与其他废弃材料相比，咖啡渣所含成分物质更丰富，先前大量研究也已证实其在各领域应用的可能，尤其是作为一种潜在的生物可降解材料，符合《绿色包装评价方法与准则》倡导从生命周期统筹循环视角选取可降解型包装材料的立意。故其作为新型可替换包装材料的设计应用值得进一步探讨，借助态势分析法可有效分析其应用优势、劣势，以及外部潜在的积极机会和相应的不利威胁[13]。而后通过交叉论证，从每种组合中得出四种可能的应用策略以作为后续咖啡渣成型实验和产品设计的先行推导（表3）。

由SWOT分析矩阵得出，在实施应用策略时，需着重考虑三方面。一是，咖啡渣的收集成本和效率。可建立由政府、社区、商家、第三方回收机构和企业组成，五方参与咖啡渣收集系统。政府出台相关政策与全局把控；社区设立咖啡渣回收站，收集咖啡消费产生的咖啡渣；咖啡品牌商家承担供应咖啡渣角色；第三方回收机构负责提供回收设施，并针对咖啡品种进行划分应用；最后提供给咖啡渣制品生产企业，实现咖啡渣的稳定循环供应系统。二是，制品的生产技术成本。当前咖啡渣的应用更多利用化学特性开发生物制品，基于物理特征的商业应用案例尚少。需深化产学研，通过设立研发项目，尤其是针对咖啡渣可降解特性，寻求与其他材料合成的可行性，鼓励拓展多应用维度，进而保障产品质量和应用的可持续。三是，推广和市场营销。当前消费者对咖啡渣认知度尚浅，一方面是咖啡渣较秸秆等，缺乏对下沉市场的感知；另一方面，消费者能触及到基于咖啡渣的生活类产品相对较少。但咖啡渣的独特优势是“咖啡文化语境”下的物质产物，结合当代环保意识的提升和政府政策的支持，与都市咖啡连锁品牌合作，借助其渠道，开发咖啡简餐系列的餐具包装，更好触达显性受众，提高消费者对这种替代品认知与接受，是推广咖啡渣绿色理念和串联行业已有优势的可行方案。

尽管咖啡渣在当下应用于产品包装仍存在阻力，但其显著的优势，包括不限于可降解、无需二次粉碎、具备认知基础、具有广泛的应用研究支撑，仍是当下寻求产品绿色包装的优质材料之一。关于其在快消食品包装上的应用和设计方法、策略需进一步明晰。

3.1 咖啡渣成型方式的选取

据前文所述，咖啡渣含有纤维素等多类物质，具备实现固化成型的前提。参考过往研究，可通过加入其他材料丰富自身制品性能和惰性。鉴于外卖包装产品与食物的接触，根据国标《食品安全国家标准：食品接触材料及制品用添加剂使用标准》，在混合材料的选取上以食用明胶和甘油作为黏合剂，以加热方式催生制品的固化现象。

3.2 对照试验下的成型记录

首先是对成型方法的测试，在咖啡渣质量、加热温度、时间等不变的情况下，以明胶作为黏合剂，按照3:1的比例混合水和明胶加入咖啡渣中，仅将加热方式作为变量，对比直接加热和水浴加热成型制品的特征（表4）。在其他因素不变的情况下，相同的温度时间下，直接加热（Z）虽在限定时间内完全成型，但制品表面粗糙，起泡现象较为严重，不利于作为外卖包装的设计实验材料。相比下，水浴加热（S）成型速度较慢，虽未能在相同时间内完全成型，但制品表面较为平整，无明显气泡产生。综合比较下，水浴加热方式更适合作为后续实验环节的固定加热方式。

第一阶段实验结果反映，仅添加明胶的成型制品在延展性和硬性方面表现不佳。参考业内过往研究，保持上述条件不变，添加甘油作为变量因素，测试不同甘油配比下咖啡渣制品的性能。根据表5结果所示，A组的实验材料韧性硬，易碎，且拉伸性能不佳；B组的制品材料在柔韧性和拉伸性上较为适中平衡；C组的实验材料拉伸性能表现优异，但同时挺度低。故第二阶段实验结果表明，B组的实验制品综合表现最佳，其甘油含量（6 g）将作为后续实验过程中的固定材料配比。

3.3 控制变量法的成型验证

据前文实验，咖啡渣在混合食用级明胶和甘油等物质后可得出良好的成型制品。然而，外卖包装的特殊性在于承载餐食通常包含不同比例的油水，因此包装的密封性和抗油水性是产品功能实现的痛点。故，在不同厚度下的承重性和抗油抗水性需进一步测试，以评估其作为外卖包装材料的可用性。

以200 g砝码模拟餐食重量，观察时间设为5分钟，分别测试0.5 mm、1 mm、2 mm厚度下咖啡渣成型材料的特征（表6）。结果显示制品厚度至少要达到2 mm，才能确保不发生形变现象。在食物重量持续加大的情况下，则需进一步增加制品的厚度。

抗油水性方面，分别以100 g油和水覆盖在制品表面，设置观察时间为5分钟。结果显示对于油性较大的餐食，1 mm的制品厚度足以应对，而对于油性和汤水含量双高的餐食，包装材料至少要达到2 mm的厚度，才能够保证短期内不被浸透（表7）。

综上，上述实验为咖啡渣在外卖包装产品的应用提供基础。证明咖啡渣在一定条件下可以实现良好的固化成型，并且在添加相当剂量的混合材料（明胶、甘油）后可通过调节制品厚度实现延展性、韧性和抗油水的差异性能，成型制品见图5。在制品气味对包装产品影响因素上，一方面咖啡渣再利用的过程需5天左右的暴晒与通风，大大降低材料气味；另一方面如表4所示，材料中咖啡渣所占比例偏低（约14.3%），明胶、水和甘油这类无异味的材料比重最高，故制品本身无明显刺激性气味。因而在本研究的实验过程下，制品的气味性不会对后续设计实践造成显著的影响。且业内过往研究同样鲜有表明咖啡渣的气味性会影响其在服饰、日用品和家居产品设计等领域中的应用[14]。 

4.1 咖啡渣“弃物再生”制约与设计方法

上述实验证实咖啡渣是具备可成型、可降解和良好耐油水性能的材料。以咖啡渣为基材的制品经过测试具备作为外卖产品包装材料的基本前提。当下作为材料在具体应用载体仍有多方制约。结合前期态势分析探析潜在的解决策略。

4.1.1 结构塑造层面——减量化设计原则

在具体造型方式上尚未进行大量形态结构上的模拟测试，但已有结果表明在保持一定制品厚度的同时，自身具备的延展性和韧性可满足初步的餐盒造型需求。具体应用上可结合可持续包装的减量化设计原则，即减少结构设计层面的复杂性，将安全承装餐食作为首要目标[15]。该原则是一种可持续设计和生产的发展之途，不仅可降低设计生产过程对资源的消耗，更能减轻产品重量；同时也能简化造型，更好实现标准化、模块化生产，在运输储存及开盒等过程中做到高效、易用、耐用，以便达到外卖餐食包装品的基本要求。

4.1.2 美学价值层面——文化与情感共鸣

材料作为包装领域的重要载体是实现情感化包装设计的重要媒介之一[16]。咖啡渣制品的新颖和创意，能给消费者带来独特的、环保的使用体验，可满足消费者对于包装材料的感性需求[17]。消费意识的更新是当下外卖包装材料升级的突破点，可持续绿色包装潮流，为当代消费群体所普遍具有的偏好意识。咖啡渣具有两方面优势，其一，自身作为废弃物的属性，再利用迎合了消费群体关于绿色包装的追求；其二，咖啡作为咖啡渣的前置物，为中外所熟知，是典型的国际化IP，故咖啡渣合成材料制品具备清晰的情感引导性。因此可探索地域文化、设计美学与咖啡渣制品的契合方式，而后以“咖啡”为交流通道，实现中国本土化包装设计的外向输出传播。

4.2 咖啡渣“弃物再生”系统与设计策略

咖啡渣作为新型材料，缺乏行业配套的全流程运作体系是当下不争之劣势。若大力推行咖啡渣材料，经济成本是潜在因素。笔者认为以当下咖啡品牌作为试点，寻求场景契合理念，探索其在开发咖啡包装制品方面的应用，可提升咖啡渣外卖包装产品的商业循环层级。结合咖啡渣属性特征，研究提出由政府监管、行业协会制定标准、多方参与的商业循环服务模式。在原料供给端，以品牌型咖啡店生产企业输出为主，个人等基于社区投放点辅助提供；而后由政府牵头联系企业并监督回收过程与定价；随后由回收企业承担仓储和物流成本并批量供应原料至加工生产企业；设计公司通过与技术供给端合作开发形成产品任务书，而后对接至加工生产企业以获取量产产品；产品可通过线上自营和线下分发两种渠道进行销售。其中新兴渠道是将生产制品回流至线下咖啡品牌店，以触达显性消费者更能形成品牌定制效应与用户粘性。此外，简餐服务是当下诸多咖啡品牌的服务探索方向，基于咖啡渣制成的餐食包装材料，制品所具备的特征，能有效回应咖啡消费场景中的群体意愿。最后将线上线下销售反馈至设计销售公司以促进产品迭代循环。服务流程详见图6。

4.3 咖啡渣“弃物再生”的设计概念原型

纸塑结合方式的大规模应用是为在环保与实用性之间取得平衡。纸类有更好的降解性，而塑料具备卓越的耐水油性能。前期试验已证明咖啡渣在2 mm厚度下具有良好的耐水油性和挺度，但关于承重性和可塑性方面的论证未进一步深论。据现有成果，其可作为外卖包装的内嵌材料，与常见材料进行混合尝试。规整的方形外卖包装相较于圆形或异形餐盒来说，更易固定在配送箱内，且能最大限度提高内部空间利用率[18]。如图7和图8所示，在设计方法上，力求贯彻减量化设计原则，降低成本消耗，尽量避免在加工过程中造成材料浪费。概念产品底座为常见的多区域餐食包装盒，优势是能够针对不同类型的餐食分类盛放，基座可采用类似纸类等可降解性出色，但防油水与高温性不佳的材料成型。不同凹槽之间的盒壁以咖啡渣合成材料制品作为组合，有效防止汤水油水浸入包装盒。实现以新材料为媒介，在贯彻减量化设计方法的基础上，平衡餐食要求与环保需求[19-20]。

此外，试验过程发现在增加厚度的情况下，制品可具备更出色的延展性和柔韧性，且相关研究证明在加入粗纤维或淀粉等物质后，制品更具韧性，且不易碎。故具备作为“一纸成型”柔性包装材料的可能。照上述方法，制品保持类似纸张的扁平化材料，方便先期运输和储存，而后利用韧性好的特质，通过折叠、穿插等方式便可成为包裹外卖的可提携式包装（图9）。

设计应用探索分析了基于当前实验结果所得咖啡渣制品特性的设计应用方法，笔者认为咖啡渣制品可作为部分材料与纸类、可降解塑料等其他绿色包装材料混合使用。一方面拓展了咖啡渣的再生应用维度，同时也为外卖餐食绿色包装材料提供了更多样的选择[21-22]。

本文基于对过往研究回顾，发现咖啡渣具备诸多应用的可能。基于可持续发展理念，梳理当下咖啡渣合成材料的应用现状，从实验数据、材料成型方式、制品特性测试等方面论证咖啡渣制品的性能及与快消餐食包装结合的可行性。进而，探讨该材料在现实应用的制约及其方法、策略。最后，总结咖啡渣作为内嵌材料在外卖餐食包装中的模块应用是咖啡渣可持续应用较容易触达的路径。

“弃物再生”是“苏作”工艺精神的重要组成，对其创新设计研究有利于重塑“苏作”文化当代价值，推动谱写“强富美高”新江苏现代化新篇章。本研究以升级绿色外卖包装和优化废弃物管理为旨归，探究交叉学科视阈下可持续发展的设计范式。基于咖啡产业高速发展，锚定咖啡渣再利用为探索点，论证其作为可持续设计媒介的可能。研究基于交叉学科门类下的设计学探索，但受限更精微的实验设备，过程中更多在设计学“材料与工艺”视角，探讨适用性等问题，较传统材料学论证仍有畛域之限，有待同仁深耕。