综述：从植物基食物废弃物到生物炭：农业食品供应链废弃物价值化的绿色策略——一篇全面综述

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：From plant-based food waste to biochar: A green strategy for agri-food supply chain waste valorization–a comprehensive review

本综述系统阐述了植物基食物废弃物（PBF）通过热解（pyrolysis）、烘焙（torrefaction）和水热碳化（HTC）等热化学转化技术制备生物炭（biochar）的路径，重点分析了生物炭作为土壤改良剂、吸附剂（adsorption）及在食品安全生产监测等多领域应用潜力，并探讨了其生命周期评估（LCA）、技术经济分析及政策框架，为农业食品供应链（agri-food supply chain）的绿色转型与循环生物经济（circular bioeconomy）提供了创新视角。

　　

引言

植物源食品，包括谷物、水果、蔬菜、坚果、草药及其衍生产品，为人体提供必需的营养素、膳食纤维和能量。过去二十年间，全球人口增长和生活水平提高推动了对植物基食物（PBF）的需求增长。然而，在整个PBF的生命周期中，包括农业生产、工业加工、零售分销和家庭消费，由于自然因素、加工不充分和消费者行为，造成了大量的损失和浪费。全球有超过三分之一的食物在供应链中损失或浪费，其中谷物和豆类占比最大，其次是根茎、块茎、油料作物、水果和蔬菜。这种日益严重的浪费不仅导致环境污染，通过不当处置对人类健康构成严重威胁，还造成巨大的经济损失。

热化学转化技术因其高碳保留效率、处理速度快以及有效减少废弃物体积而受到广泛科学关注。生物炭是一种在限氧条件下通过热化学转化产生的富碳、多孔固体，具有优异的稳定性、高比表面积和丰富的表面官能团（如羧基和羟基）。这些特性使其在环境修复和可持续技术中具有广泛的应用前景。

植物基食物损失与废弃物（PFLW）

根据联合国粮食及农业组织的定义，植物基食物损失与废弃物（PFLW）指的是原本为人类消费而生产的植物基食品的可食用部分，在农业食品供应链中被生产者、加工者、零售商或消费者丢弃。本研究拓宽了范围，将供应链中产生的不可食用生物质（如果皮、茎秆、谷壳）也包括在内，认识到其巨大的体积和资源化潜力。这些废弃物的成分复杂，主要包括纤维素、半纤维素、木质素，以及脂质、蛋白质和提取物等，其特性直接影响后续转化工艺和生物炭的性质。

PFLWs热化学转化为生物炭

主要的热化学转化方法包括热解、烘焙和水热碳化（HTC）。

热解是在完全无氧或限氧条件下，中高温（通常300-900°C）加热生物质的过程。根据加热速率和停留时间可分为慢速热解、快速热解和闪速热解。慢速热解通常用于生产生物炭，其产率较高。植物源性废弃物中的大分子在热解过程中发生复杂反应，如脱水、解聚和裂解，产生生物炭、生物油和合成气。

烘焙可视为温和的热解，通常在200-300°C的较低温度和惰性气氛下进行。其主要目的是改善生物质的燃料性能，但产生的烘焙生物炭（torrefied biochar）也具有特定应用价值。烘焙过程主要脱除水分和挥发性物质，使生物质疏水并提高能量密度。

水热碳化（HTC）是在水介质中，于180-250°C温度和自生压力下进行的湿式热化学转化过程，特别适用于高湿度生物质。HTC过程涉及水解、脱水、脱羧和缩合等反应，最终产生水热炭（hydrochar）。与热解生物炭相比，水热炭通常含有更多的含氧官能团，但比表面积可能较低。

不同方法生产的生物炭在元素组成、孔隙结构、表面化学和稳定性方面存在显著差异，这直接影响其后续应用性能。

生物炭在农业食品系统中的应用

土壤改良

生物炭作为土壤改良剂应用历史悠久，最著名的例子是亚马逊雨林中发现的高肥力“Terra Preta”（黑土）。将生物炭施用于土壤可以改善土壤物理结构（如孔隙度、持水性）、化学性质（如pH值、阳离子交换容量CEC）和生物活性。其多孔结构为微生物提供了栖息地，并能吸附养分，减少流失，从而提高作物产量。此外，生物炭在土壤中的稳定性使其成为有效的碳封存（carbon sequestration）手段，有助于缓解气候变化（climate change）。生物炭还能固定土壤中的重金属（如镉Cd），降低其生物有效性，从而用于污染土壤的修复。

吸附与环境污染修复

生物炭作为一种高效的吸附剂，在去除水体和环境污染物方面展现出巨大潜力。其吸附性能归因于高比表面积、发达的孔隙结构和丰富的表面官能团。研究表明，生物炭可有效吸附水中的有机污染物（如亚甲基蓝methylene blue、四环素tetracycline）、重金属离子（如Cd、Pb）等。这使得生物炭在废水处理（wastewater treatment）和环境修复领域具有广泛应用前景。

livestock breeding 和农业环境

在畜牧业中，生物炭可作为饲料添加剂，改善动物肠道健康，减少甲烷（CH₄）排放（特别是反刍动物）。动物粪便中添加生物炭，可以吸附异味物质，减少氨气挥发，并促进堆肥过程，生产优质有机肥。此外，生物炭在农业环境中可用于净化径流污水，减少面源污染。

食品加工与安全监测

在食品加工领域，生物炭可作为食品包装材料的添加剂，利用其吸附性能延缓食品腐败，延长货架期。生物炭基材料还可用于构建传感器，用于食品中有害物质（如农药残留、病原菌）的快速检测，保障食品安 safety monitoring。

生物炭在农业食品系统中的可持续性及政策框架

PFLWs衍生的生物炭为实现农业食品行业的可持续发展目标提供了有前景的解决方案。然而，必须在整个生产链中最大化其效益，同时最小化环境影响并确保技术经济可行性。生物炭的生命周期通常包括原料收集、预处理、热化学转化、运输和最终应用。在这些过程中，能源消耗、温室气体（GHG）排放（如CO₂、CH₄）是需要评估的关键环境指标。生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）是评估其可持续性的重要工具。协调一致的政策框架和国际标准化对于扩大生物炭产业的应用范围至关重要。

未来展望与挑战

食品科学中的循环生物经济（circular bioeconomy）框架倡导生物资源的可持续价值化，以协调经济增长与粮食安全，同时减轻食品生产的环境影响并减少对化石原料的依赖。由PFLWs生产的生物炭提供了一种跨学科的解决方案，解决了农业食品供应链内的系统性挑战，包括废弃物价值化、碳封存和增强气候韧性。未来的挑战包括针对不同应用场景优化生物炭特性、降低生产成本、进行全面的环境效益评估以及制定支持性政策。

结论

将大量植物基食物废弃物通过热化学转化为生物炭，是推进农业食品供应链可持续发展的一项有前景的战略。原料和生产条件的异质性是影响各种生物炭独特性质的关键因素。凭借其高碳含量、多孔结构和丰富的表面功能性，生物炭在农业食品系统内的多种新兴应用中显示出巨大潜力，为实现绿色转型和循环经济提供了有效途径。