综述：推进可持续闭环解决方案：超临界二氧化碳技术在水产生物废弃物价值化中的应用

本综述系统阐述了超临界二氧化碳（ScCO2）技术在水产品加工废弃物（鱼类、藻类等）资源化利用中的前沿进展。通过提取与分级策略，可高效获取ω-3脂肪酸、磷脂、类胡萝卜素、胶原蛋白等高值生物活性成分，并耦合多种辅助技术提升效率。文章深入探讨了过程热力学与动力学模型构建、经济可行性及工业化挑战，为绿色循环经济提供理论支撑与技术路径。

　　

1. 引言

水产品加工废弃物富含营养组分，其资源化利用对环境保护和经济效益提升具有重要意义。超临界、亚临界及气态CO₂处理技术因其无毒、易回收、无有害副产物等优势，成为绿色化学领域的重要方向。超临界二氧化碳（ScCO₂）技术不仅符合美国食品药品监督管理局（FDA）安全标准，还可通过调节温压实现溶剂高效回收，促进碳循环与碳中和目标。

2. ScCO₂在水产废弃物提取中的应用

ScCO₂可通过调节密度与黏度实现选择性萃取，其过程主要包括溶解与扩散两阶段。关键参数包括压力、温度、时间、共溶剂添加及原料预处理方式（如水分含量、粒径等）。

2.1. 高值生物活性成分提取

2.1.1. 脂类化合物

ω-3脂肪酸：EPA（二十碳五烯酸）与DHA（二十二碳六烯酸）是人体必需脂肪酸，具有心血管保护、抗炎等功能。ScCO₂在40–60°C、15–30 MPa条件下可从沙丁鱼、鳕鱼肝等原料中高效提取，其氧化稳定性优于传统热工法。

磷脂：极性较高，需添加乙醇等共溶剂提高溶解度。ScCO₂提取的磷脂具有更高抗氧化活性与乳化性，但产率略低于有机溶剂法。

类胡萝卜素：如β-胡萝卜素、虾青素（astaxanthin），易氧化降解。ScCO₂无氧环境可保护其活性，共溶剂（如乙醇）或油脂载体可显著提高提取率。

2.1.2. 胶原蛋白与明胶

采用CO₂酸化水可在温和条件下（37°C, 50 bar）从鱼皮、鱼骨中提取胶原蛋白，保留其三螺旋结构，且无有机溶剂残留。

2.2. ScCO₂过程数学模型

热力学模型（如Chrastil模型、PR-EoS、SRK-EoS）用于预测溶解度与相平衡；

动力学模型（如Gompertz、Goto、Sovová模型）描述提取速率与传质机制，为工艺优化提供理论依据。

3. ScCO₂分级分离技术

通过多级分离装置（如分馏塔），利用溶解度差异实现组分富集，例如浓缩ω-3脂肪酸乙酯（FAEE）、角鲨烯等。经济性分析表明，大规模生产（≥100 kg/h）具较高可行性。

4. 协同提取技术

ScCO₂与超声波、微波、酶解、亚临界水（sw）、脉冲电场（PEF）等技术联用，可显著提高提取效率与产物多样性，例如超声波加速细胞破碎，微波预处理缩短提取时间90%。

5. 经济可行性

ScCO₂技术经济性高度依赖处理规模与原料成本。大型设备（300 kg/h）单位产品成本可降至4.27欧元/公斤，而高附加值产品（如天然虾青素）投资回报率可达113%。

6. 挑战与展望

当前面临高压设备投资高、极性化合物提取效率低、标准化不足等挑战。未来需优化工艺参数、开发多组分联提策略、建立在线监控系统，并加强经济性与规模化研究。