《Sustainable Production and Consumption》：A parametric LCA platform for modelling environmental impacts in plant protein processing: Application to pea, soy, and wheat protein isolates and concentrates
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本研究针对植物蛋白加工环节环境影响数据匮乏的问题，开发了一个参数化生命周期评估(LCA)平台，对供应欧洲市场的豌豆、大豆和小麦蛋白浓缩物(PPC/SPC)与分离物(PPI/SPI)及小麦面筋(WG)的19条全球价值链进行了区域化评估。研究通过蒙特卡洛分析和全局敏感性分析揭示，不同产地的环境影响差异可达三个数量级，且蛋白质原料含量、提取率、可再生能源和运输是降低所有价值链环境影响的关键杠杆点。该平台为优化植物蛋白加工提供了重要工具。
随着蛋白质在人类饮食中的核心地位日益凸显，以及动物源性食品带来的高环境负担，蛋白质转型已成为食品系统变革的紧迫任务。植物蛋白提取物是目前最主要的商业替代品，然而，其加工过程中的环境影响却一直缺乏精准的量化评估。现有的生命周期评估研究多局限于少数案例，且常受限于工业数据的可获得性、方法学选择的不一致性，以及不确定性和敏感性分析的不足。这使得我们难以理解工艺可变性和区域差异性如何共同塑造植物蛋白的环境足迹。
为了填补这一知识空白，苏黎世联邦理工学院可持续食品加工实验室的研究团队在《Sustainable Production and Consumption》上发表了一项开创性研究。他们开发了一个参数化的生命周期评估建模平台，首次对大豆、豌豆和小麦蛋白进行了区域化的生命周期评估。该研究基于一个统一的模型，评估了供应欧洲市场的19条全球价值链，量化了全球变暖、与水压力相关的健康影响、与土地利用相关的生物多样性丧失等环境指标。
研究人员开展这项研究的关键技术方法包括：构建参数化的前景清单以评估与可变工艺效率、方法学选择和运输距离相关的不确定性和模型敏感性；利用蒙特卡洛分析进行10万次模拟运算；采用基于Sobol指数的全局敏感性分析识别关键影响参数；应用区域化的影响评估方法，如AWARE方法评估水压力、基于国家特异性特征化因子评估土地利用对生物多样性的影响等；并开发了概率性运输模型来估算不确定的运输距离。
3.1. 总体影响及其变异性
研究结果显示，不同产品和产地的价值链环境影响变异性极高，差异可达三个数量级。总体而言，分离物每千克产品的环境影响高于同一作物的浓缩物。但当采用每千克蛋白质作为功能单位时，由于分离物蛋白质含量更高，二者之间的差异缩小。来自欧洲和美国的价值链产品环境影响通常低于中国产品，但存在权衡，例如巴西大豆因毁林导致全球变暖潜势和生物多样性丧失影响异常高，但其水压力和颗粒物健康影响却较低。同一产品的不同价值链之间，环境影响也存在1.5至3倍的差异，凸显了工艺参数可变性的重要性。
3.2. 贡献分析
贡献分析表明，全球变暖影响主要由种植和蛋白质提取阶段主导。提取阶段的热能需求是主要驱动因素，而干燥分级的豌豆蛋白浓缩物因无需能耗高的干燥步骤，影响较低。运输对全球变暖影响的贡献在3%至23%之间。颗粒物健康影响主要与种植阶段相关，因此大豆基产品因蛋白质产量高而影响相对较低。水压力主要由灌溉引起，灌溉价值链的影响比非灌溉价值链高出数个数量级。生物多样性丧失则主要由作物种植所需的土地占用导致。
3.3. 全局敏感性分析
全局敏感性分析揭示了模型结果对蛋白质平衡参数的高度敏感性，包括输入和输出物料的蛋白质含量以及蛋白质回收率。这些参数决定了蛋白质提取所需的原料量，从而放大了所有上游过程的影响。对于湿法提取工艺，与加热、干燥和蒸发设备相关的热耗参数也是敏感参数。对于产生有价值副产品（如豌豆蛋白分离物生产中的淀粉）的工艺，副产品与主产品的价格比（用于经济分配）对结果有显著影响。运输距离的敏感性因影响类别和价值链而异，在总体影响较低的价值链中贡献尤为突出。
3.4. 与现有文献研究结果的比较
本研究是首个评估植物蛋白区域化影响的研究。与现有文献相比，除小麦面筋外，本研究得出的全球变暖影响与其他研究结果基本吻合。与动物蛋白相比，植物蛋白每千克蛋白质的全球变暖影响远低于肉类，水压力影响与部分肉类相当，但变异性极大。
3.5. 研究结果的背景化
将影响置于更广阔的背景下，以小麦面筋年出口量计算，其造成的颗粒物健康影响和生物多样性丧失影响在全球总负担中占一定比例，但相对于全球整体问题而言规模较小。
3.6. 模型不确定性与局限性
模型存在若干局限性，包括部分参数数据有限、未涵盖背景数据库和影响评估方法的不确定性、农业实践的可变性未在次国家级考虑、以及未建模工艺参数与最终产品蛋白质含量/价格之间的相关性。这些因素可能影响结果的准确性。
3.7. 启示
从方法论角度看，研究强调了进行包含广泛不确定性和敏感性分析的综合研究、考虑区域差异以及应用区域化影响评估方法的价值。从应用角度看，主要启示包括：植物蛋白使用者应关注原料产地；应优先选择蛋白质含量高的作物品种；生产商应致力于提高蛋白质提取率；以及减少湿法加工中化石能源的热能消耗，转向可再生能源。
研究结论指出，尽管存在能源密集的加工步骤，精制植物蛋白仍是比动物蛋白更环保的替代品。然而，提高价值链透明度至关重要。通过优化原料蛋白质含量、提高提取率、使用可再生能源和优化运输，可以进一步降低其环境足迹。该研究开发的参数化LCA平台和数据集可便捷地应用于其他植物蛋白价值链，为未来优化蛋白质加工提供了强大工具。研究成果强调了区域化评估、不确定性及敏感性分析在提升LCA结果稳健性和相关性方面的重要价值。
