海洋残余物增值与进口依赖削减：一种可转移的沿海生物经济框架

《Resources Environment and Sustainability》：Valorizing Marine Residuals to Reduce Import Dependency — A Transferable Coastal Bioeconomy Framework

　　

韩国西海每年产生约268,000 t yr^-1未充分利用的残余生物质。一个可转移的框架可指导残余物增值以实现进口替代。岩藻多糖（Laminarin）–褐藻糖胶（Fucoidan）联产的投资回报率（ROI）达到30%区间中段，而仅产褐藻胶（Alginate）仅为10–13%。多产品路线的能源使用量高达3.5倍，用水量高达10倍。海洋残余物增值可减少生物材料进口依赖。

全球水产养殖与渔业每年产生大量残余生物质，本可替代进口海洋生物材料，然而许多沿海经济体仍高度依赖进口，形成“本地富集、市场依赖”的结构性错配。韩国是典型例证：其西海（Yellow Sea）每年产生约268,000 t yr^-1未充分利用的残余生物质，但约70%的海洋生物材料依赖进口，国家目标为2030年将这一比例降至50%。此前研究仅针对单一生物质流，数据碎片化，难以支撑政策制定与工业增值决策。为此，研究人员首次对西海海洋残余生物质进行区域尺度量化，并构建三层次评估框架，以判定残余物回收能否实质性替代进口，将处置问题转化为国内原料基地，并为其他进口依赖型沿海区域提供可转移范式。

研究人员通过结构化文献检索（Scopus与Google Scholar，2000–2025年6月）并遵循PRISMA流程，筛选出75篇同行评审文章，同时补充15份韩国政府及机构报告，确立区域实证基线。在此基础上，研究建立三层次框架：第一层（数据综合）量化西海各省残余生物质可用量；第二层（进口替代分析）将供给量与国内市场需求及工业能力对接；第三层（级联生物精炼部署）通过基准技术经济评估（TEA）与筛选级环境足迹评估，检验增值路径的经济与环境可行性。结果显示，西海残余生物质总量可观，其中海带（Saccharina japonica）和裙带菜（Undaria pinnatifida）加工残余物年均207,635 t；岩藻多糖–褐藻糖胶联产模型在保守假设下ROI可达30%区间中段，而仅产褐藻胶模型ROI为10–13%。该框架的意义在于将资源评估、增值潜力与结构性约束整合为一体，指明韩国进口依赖的根源并非原料短缺，而是缺乏标准化提取级原料、法规碎片化及供需协调不足，从而为其他沿海区域提供了可复用的评估与部署路径。

研究人员采用四种关键方法：（1）结构化文献检索与筛选：依据PRISMA准则对Scopus与Google Scholar中2000年至2025年6月的文献进行两阶段筛选，结合韩国KCI/KSCI数据库及15份官方机构报告，确立区域实证基线。（2）基准改编技术经济评估：以Herrera Barragán等（2022）的工业规模酶法海带生物精炼模型为基准，采用六分之十法则将资金成本缩放至207,635 t yr^-1处理量，并引入主产品0.75、副产品0.50的保守收率系数及0.88的韩国制造成本调整因子。（3）筛选级环境足迹评估：采用门到门系统边界，功能单位为1 kg湿海藻残余物，计算累计能源需求、全球增温潜势（GWP）与水需求。（4）敏感性分析：对产品售价、收率、资本支出、运营支出等关键参数施加±20%扰动。

**3.1 生物多样性、渔业和水产养殖（Biodiversity, fisheries, and aquaculture）**：通过分析2015–2022年海底调查及2023年生产统计，研究人员发现西海拥有高生物多样性，大型藻类含74种潮间带与88种潮下带物种；2023年西海贡献全国渔业产量的59.7%和收入的48.1%。水产养殖呈地理聚集特征，贝类占全国28.5%，海带、裙带菜和紫菜养殖占全国96.8%。

**3.2 残余物与废弃物（Residuals and waste）**：通过应用Kim和Lee（2015）的不可食用比例，研究人员估算2022年西海水产养殖动物残余物为58,035 t；2021–2023年海带和裙带菜加工残余物年均207,635 t。法规层面，《渔业副产品回收促进法》（2021年实施）将贝壳重新分类为生物资源，消除了收集与聚集的主要法律障碍。

**4. 韩国“海洋生物”产业：现状与挑战（South Korea's “Marinebio” industry: status and challenges）**：基于市场数据与进口记录（2023年7月至2025年7月），研究人员发现国内海洋生物技术市场约合6,405亿韩元，但仅占国家生物技术投资的4%；超过70%的初级海洋生物材料依赖进口。原料预处理成本占产品市场价值的约87%，导致国内产品价格显著高于进口（如琼脂价格为印尼进口的约2倍），从而形成结构性进口依赖。

**5. 海洋残余物增值用于进口替代（Marine residual valorization for import substitution）**：通过将残余物流与进口生物材料矩阵对接，研究人员发现鱼类残余物（年均12,008 t）可支撑胶原蛋白、透明质酸和omega-3油脂生产；虾壳（约3,473 t）可生产壳聚糖和氨基葡萄糖；海藻残余物可替代进口海藻酸钠（理论产量5,365 t），并为岩藻多糖和褐藻糖胶提供国内产品开发来源。

**6. 海藻残余物增值的经济展望与工业潜力（Economic outlook and industrial potential of seaweed residual valorization）**：通过基准TEA模型，研究人员评估两种商业情景。岩藻多糖–褐藻糖胶联产在低/高原料成本下利润为1.40–1.47亿美元，ROI为36–37%，回收期约3年；褐藻胶单独生产ROI为10.9–12.9%，回收期8–9年。结果表明前者为高价值创新驱动路径，后者为低风险平台。

**7. 海藻增值系统的筛选级环境足迹评估（Screening-level environmental footprint assessment of seaweed valorization systems）**：

**7.1 能源需求、碳足迹与水资源需求（Energy demand, carbon footprint, and water demand）**：基于文献清单数据，研究人员发现岩藻多糖–褐藻糖胶系统的总能需求为3.686–14.135 kWh kg^-1 WM，褐藻胶系统为1.853–4.751 kWh kg^-1 WM；碳足迹分别为1.284–5.520和0.755–1.592 kg CO₂-eq kg^-1 WM；水需求分别为0.010–0.048和0.002–0.005 m³ kg^-1 WM。差异主要由处理电耗驱动。

**7.2 过程级环境负担（Process-level environmental burdens）**：通过过程分解，研究人员发现收后干燥在两个系统中均为主要能耗热点，而岩藻多糖–褐藻糖胶路线的处理电耗在上限情景占73.9%，其中喷雾干燥是最大贡献者；褐藻胶路线中干燥贡献在上限情景占63.9%。多产品生物精炼因增加膜分离和产品干燥步骤，显著提高能耗与水耗。

**7.3 技术经济与环境绩效的整合（Integration of techno-economic and environmental performance）**：通过结合TEA与环境足迹评估，研究人员发现经济回报与环境影响存在明显权衡：岩藻多糖–褐藻糖胶联产虽获得更高收入和ROI，但能源和碳足迹高达褐藻胶系统的3.5倍，水耗高达10倍；褐藻胶系统从财务和环境角度均为低风险切入点。研究提出将生物精炼厂与现有养殖加工设施共址布局，以缩短运距并降低上游负担。

**8. 敏感性、不确定性与基准模型局限性（Sensitivity, uncertainty, and benchmark model limitations）**：通过±20%参数扰动，研究人员发现商业可行性主要取决于产品售价和提取收率，而非原料成本；产品售价或收率的±20%变化使联产ROI在22%–52%间波动，而原料成本变化对毛利率影响小于1.5个百分点。CAPEX在AACE Class 4精度范围（±30%）内使回收期在1.9–3.6年之间变化。环境足迹对电网碳强度敏感，±25%的电网因子变化使碳足迹改变21–24%。

**9. 新兴海洋生物材料机遇（Emerging opportunities in underdeveloped marine biomaterials）**：通过回顾区域物种与现有提取流程，研究人员识别出类菌孢素氨基酸（MAAs）、ulvan和糖脂（glycolipids）等未充分开发化合物。MAAs可在琼脂提取前以温和溶剂从Gelidium amansii等物种中回收；ulvan作为Ulva spp.的水溶性多糖可在简单水提中获得；糖脂类化合物（MGDG、DGDG、SQDG）存在于多种区域藻类中，并可通过微生物发酵生产。

**10. 挑战与未来展望（Challenges and future prospects）**：讨论部分指出，残余物在种类、组织、季节上的异质性导致批次间质量不稳；海带富集碘、砷等杂质，纯化成本高；规模化后处理电耗和水耗显著上升，碳足迹与电力来源紧密相关。监管方面，贝类已获生物资源地位，但鱼类残余仍按工业废物处理；市场方面，褐藻胶有成熟国内渠道，而岩藻多糖和褐藻糖胶的国内需求尚不成熟，可能需依赖出口。未来研究应关注残余物组成数据库建设、中试验证、扩大生物资源范围、可再生能源供电以及从摇篮到门的完整生命周期评估。

**11. 结论（Conclusion）**：本综述表明，西海产生大量多样化的残余生物质——渔业副产品、贝类壳体与海藻残余——尽管国内对海洋衍生生物材料需求强劲，这些资源目前仍未被充分利用。基于基准的技术经济模型显示，某些化合物——特别是岩藻多糖、褐藻糖胶与褐藻胶——即使在收率降低和市场变化的情况下，也可能在经济上可行。然而，筛选级环境足迹评估揭示了经济回报与环境强度之间的明显差异：岩藻多糖–褐藻糖胶联产虽预计带来更高收入，但其能源需求和碳足迹高达仅产褐藻胶系统的3.5倍，水消耗达10倍。综合对国内海洋生物产业的分析，这些发现表明，韩国持续依赖进口并非源于生物质缺乏，而主要是缺乏由现有残余物流衍生的标准化、可直接提取的原料；法规碎片化与供需协调不足进一步加剧了这一问题。西海因此应被视为一个以价值为导向、基于残余物的生物材料生产的资源基地，而非仅是生物丰饶区域。通过解决上述挑战，韩国可在推进更具韧性和循环性的蓝色经济的同时，减少对进口海洋生物材料的依赖。本综述虽以区域案例为根基，但为全球沿海地区提供了一个可转移的框架，其三个普适性要素为：综合水产养殖与机构数据以量化残余物流，将国内生物质供给与进口记录对比以识别替代机会，以及采用基准TEA与筛选级环境足迹评估对生物精炼路线进行评价，优先发展已有成熟市场的化合物，同时培育新兴生物材料。