一种用于植物蛋白提取过程生态效率评估的综合框架：热点分析、蛋白质损失追踪及不确定性分析

《Journal of Cleaner Production》：An integrative framework for eco-efficiency assessment in plant-protein extraction processes : Hotspot analysis, protein loss tracking, and uncertainty analysis

豌豆蛋白提取工艺的生态效率评估框架研究，提出整合经济、环境和产品质效的多维度分析方法，通过案例研究验证了碱性提取法中蛋白质损失热点（提取-沉淀、喷雾干燥）及环境影响关键节点（干燥和 pasteurization）。方法包含蛋白质回收追踪、 techno-economic 评估、生命周期影响评价（LCIA）及不确定性/敏感性分析，为工业规模化提供优化路径。

　　近年来，随着植物基蛋白的市场需求不断增长，对高效、可持续蛋白生产技术的开发和推广变得尤为迫切。植物基蛋白因其相较于动物源蛋白生产具有更低的环境影响，被认为是可持续蛋白的一种重要选择。然而，目前缺乏一个能够全面评估植物基蛋白提取过程的综合框架，该框架需同时考虑经济性、产品品质和环境影响等多维度因素。为应对这一挑战，本研究提出了一种新型的生态效率评估框架，旨在评估植物基蛋白提取方法的可持续性，特别关注其工业化的潜力。该框架融合了生态效率分析、经济价值热点识别、蛋白质损失追踪、蛋白质纯度、环境影响评估以及不确定性与全球敏感性分析，以识别影响可持续性结果的关键生产变量。

在评估过程中，该框架被应用于一个案例研究，即通过碱性等电点沉淀（ALK-IEP）方法从黄豌豆中提取蛋白质，并通过多组试验测试不同黄豌豆品种对结果的影响。研究结果揭示了喷雾干燥、巴氏杀菌和提取-沉降步骤对生态环境影响和蛋白质含量损失的主要贡献。这些发现为优化提取过程、提高生态效率提供了重要见解，有助于实现更可持续、可扩展的商业化黄豌豆蛋白生产。

植物基蛋白的生产方法主要包括干法和湿法分离，而近年来，一种被称为混合分离法的新技术逐渐受到关注。尽管植物基蛋白被视为可持续选项，但需要对加工方法进行技术、经济和环境影响的综合评估，以识别热点，提高资源使用效率，增加蛋白质回收率，同时减少环境影响并实现工业层面的财务可持续性。生态效率作为一种可持续性评估概念，旨在在不损害产品价值的前提下减少资源消耗和环境影响，因此，它是工业公司和经济学家进行综合评估的有力工具。

不确定性分析在可持续性评估中变得尤为重要，因为用于这些评估的参数和模型本身具有固有的不确定性。此外，全球敏感性分析（GSA）作为一种量化参数对输出方差贡献的方法，近年来也广受欢迎。GSA与局部敏感性分析（LSA）不同，后者仅通过改变一个参数来评估其对输出（经济或环境指标）的影响。GSA能够识别可持续性模型中的关键不确定性驱动因素，并优先考虑数据收集，从而指导实践者对关键过程进行优化，提高模型的稳健性，并解决生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）框架中的不确定性问题。

本研究的框架采用了一种综合视角，通过热点分析识别提取过程的环境影响以及盈利能力指标和蛋白质纯度。该框架不仅能够追踪蛋白质损失，还能评估经济和环境影响的热点，从而为整体生态效率的优化提供指导。通过结合多种评估方法，该框架确保了不同利益相关方的价值得到捕捉和平衡，从而减少了不同群体在可持续性维度上的优先冲突，并实现了动态权衡管理。

在经济评估方面，框架涵盖了技术经济评估（TEA），包括资本投资（CAPEX）和运营成本（OPEX）的估算。资本成本评估依据设备成本和间接成本（如安装、管道、工程设计、储存等），而运营成本则包括直接制造成本和间接生产成本，如原材料、公用事业、劳动力成本、税收、保险、利息和一般费用。通过蒙特卡洛模拟（MCS）进行不确定性分析，对经济和环境影响指标进行了10,000次模拟，以量化不确定性传播和分布。

环境影响评估方面，框架遵循了ISO 14044中生命周期评估（LCA）的指南，包括目标与范围定义、功能单元规格、系统边界选择、生命周期清单（LCI）、影响评估方法以及数据呈现与解释。研究中，环境影响被分为中点和终点类别，以评估生产过程对不同环境影响的贡献。通过全球敏感性分析，识别了影响环境影响的最关键参数，为优化加工条件提供了科学依据。

生态效率评估是本框架的核心组成部分，旨在量化产品或过程系统在环境影响下的价值提升。经济收益、生产成本、收入生成、产品质量、功能性和社会影响等变量可以被纳入生态效率评估中。选择特定的产品系统价值高度依赖于利益相关方所考虑的可持续性视角。本研究通过不同的环境影响类别，如全球变暖潜力（GWP）、化石资源稀缺性（FRS）和陆地生态毒性（TE），评估了生态效率指标。结果表明，该框架能够有效整合经济和环境因素，为可持续性提供全面的评估。

研究还指出，尽管喷雾干燥和巴氏杀菌步骤在经济和环境影响方面表现突出，但通过优化加工参数，如调整设备和工艺条件，可以显著减少蛋白质损失。此外，采用膜浓缩技术或其他替代方法可以降低能耗，从而减少环境负担。研究还强调了对中间步骤进行深入分析的重要性，例如在混合法和干燥阶段中优化操作条件，以提高蛋白质回收率。

总体而言，本研究提出的框架为植物基蛋白提取的可持续性评估提供了一个系统性的方法，不仅有助于识别关键的环境和经济影响因素，还能为未来的工艺优化和可持续性改进提供数据支持。通过将生态效率指标与经济和产品质量指标相结合，该框架能够帮助利益相关方更好地理解不同工艺在可持续性方面的表现，从而支持更有效的决策。研究结果表明，生态效率评估可以作为推动可持续蛋白质制造的重要工具，为未来的研究和工业应用提供有价值的参考。