《International Journal of Hydrogen Energy》：Cutting-edge technologies for mitigating food waste in sustainable biohydrogen and high-value bioproduct innovation- A comprehensive review
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食物浪费是全球性挑战，需通过循环经济和生物氢能等可持续策略实现资源回收与碳中和。本文系统分析食物浪费的环境经济影响，提出生物炼厂技术框架，重点探讨微生物电解、暗发酵等制氢技术，并评估政策协同与多学科协作对零废弃系统的重要性。
Veeramuthu Ashokkumar | Shanmugam Jayashree | Grzegorz Piechota | Aruna Sharmili S | Minaxi Sharma | Manimaran Ayyachamy | Louise Manning | Gaurav Rajauria | Alan Guwy | Vijai Kumar Gupta
印度金奈Saveetha大学Saveetha医学与技术科学研究所（SIMATS）废物管理与可再生能源中心
摘要
食品浪费已成为一个全球性的关键问题，其主要原因是食品需求和生产的不断增加，这导致了供应链中的大量损失。本文探讨了通过能源生产来减少食品浪费的同时回收宝贵营养物质的可持续、低碳策略。文章采用全面的多工具有效管理方法，强调了向再生经济和循环经济的转型，特别关注工业生物精炼操作的整合。文章分析了食品浪费对环境和公共卫生的影响，以突出这一问题的紧迫性。在潜在的解决方案中，生物氢被认为是一种有前景的清洁可再生能源，其副产品仅为水，并且产生的能量大约是传统汽油或柴油的三倍。本文重点介绍了从食品浪费中生产生物氢的有效技术和策略，以及提高性能的技术。此外，还分析了现有政策、现行法规、实施挑战以及实现零废物系统所需的生物经济考虑因素。这些发现为未来在食品浪费增值方面的研究和技术进步奠定了基础，尤其是在扩大生物氢生产和生物精炼应用方面。
引言
随着全球产量的增加和食品需求的上升，食品浪费的管理成为一个具有严重经济、环境和伦理影响的挑战。食品对维持人类生命至关重要，但在全球范围内，大量食品在生产和消费过程中被损失或浪费[1]。在本文中，为了简化，将“食品损失”和“食品浪费”统称为“食品浪费”。例如，在欧洲国家，制造阶段每年产生的不可食用食品废物接近3000万吨。预计到2024年，食品加工市场将达到4.1万亿美元，2019年至2024年的复合年增长率（CAGR）为4.3%[2]。根据Ian Tiseo的研究[3]，2019年全球产生了约10亿吨食品废物。其中约61%（即5.7亿吨）来自家庭，其余25%和13%分别来自食品服务和零售业。中国是最大的食品废物产生国，2019年产生的食品废物估计为9000万吨。到2021年，主要来自水果和蔬菜的全球食品废物量激增至13亿吨，这相当于全球食品产量的大约三分之一[4]。值得注意的是，发达国家和发展中国家的食品废物总量非常相似，分别为6.71亿吨和6.23亿吨。然而，发达国家的人均成本显著更高，如瑞士（每吨82,839美元）和新加坡（每吨64,582美元），而人均国内生产总值较低的国家（如中非共和国）的每吨成本较低（510美元）[5]。全球范围内，大约三分之一的食品在供应链和收获过程中被浪费，导致每年损失约9360亿美元[6]。欧盟的饮料行业是食品浪费的最大来源，占总量的26%，其次是乳制品（21%）、水果和蔬菜（14.8%）以及谷物行业（12.9%）[7]。虽然完全消除食品浪费具有挑战性，但可以通过简化生产流程或重新分配多余的可食用食品来加以缓解[8]。
总之，食品浪费对粮食安全、全球经济和环境构成了严重威胁，并具有重大的伦理影响。首先，必须尽量减少食品浪费，以提高供应链资源效率、增加食品供应并减少饥饿。其次，食品浪费在经济方面也有影响，包括与制造、储存、物流和食品废物处理成本相关的经济价值。第三，食品浪费会占用填埋场空间，并通过排放甲烷等温室气体（GHGs）加剧全球变暖和气候变化。食品浪费还与水资源流失、空气污染、水污染、生物多样性丧失和土壤退化有关。
最后，食品浪费间接减少了膳食营养素的摄入，因为这些营养素从人类食品供应链中流失[9]。因此，根据废物处理优先级（图1），应优先考虑食品浪费的预防和减少，而不是回收、再利用和其他类型的回收。根据Machineni等人的研究[10]，包括不可食用废物和废水在内的工业食品加工副产品可以作为生产生物氢的宝贵资源。由于食品加工产生的废物具有高度均匀性和丰富的碳水化合物、蛋白质、脂质和其他营养成分，因此它们成为特别有前景的原料[11]。因此，通过适当的技术生产生物能源和增值生物产品，食品废物在生物精炼中具有巨大的潜力。为此，需要与上游和下游加工及其他可行的转化技术领域的专业人士建立紧密的合作[12]。主要的方法包括热转化（如气化、热解和焚烧），以及生化转化（如厌氧消化和堆肥）[1]。利用上述方法，食品废物可以转化为多种产品。例如，氢气的生成变得越来越重要，不仅可以来自化石燃料，还可以来自可再生能源[13]。预计到2025年，全球绿色氢市场价值约为118.6亿美元，2026年至2033年的复合年增长率（CAGR）为30.2%[14]。有多种生产生物氢的方法，每种方法都有其独特之处，如气化、热解、暗发酵、生物光解和光发酵。微生物电解池还可以利用暗发酵的副产品，如脂肪酸和乙醇的生产[15,16]。
最近，用于食品废物增值的生物精炼框架在支持可持续发展目标、生物经济战略和循环经济计划方面受到了重视[17]。发达国家和发展中国家重新定向政策和法规对于减少食品浪费和促进基于生物的经济至关重要[9]。应将食品再利用、营养素回收和废物减少等策略有效地纳入政策框架（图2）。这些方法不仅减少了食品损失，还实现了宝贵资源的回收。通过包括酸生成、发酵、溶剂生成、生物发电或油生成在内的综合生物过程，食品废物可以转化为各种生物能源产品，如生物氢、生物甲烷、生物乙醇、生物油和生物电。采用综合生物精炼方法可以充分发挥食品浪费的潜力，推动循环经济的发展。本文重点讨论了可持续管理和所需的可变产品的回收，以应对当前食品废物生物精炼的挑战。通过强调生态兼容性和能源效率，本文提出了一种将食品废物转化为清洁能源的可持续环保策略。此外，还研究了食品浪费对环境的影响、更侧重于循环经济的技术选项、生物氢生产的挑战和机遇，以及加工过程中所需的政策和法规。
食品浪费发生在各种食品类别中，包括谷物、植物油、水果、肉类、乳制品、动物脂肪等[18]。根据Ishangulyyev等人的研究[6]，食品浪费从初级生产到二次制造、加工，再到零售、消费、储存、运输和分配等各个环节都会产生。
循环经济的概念和食品浪费受到了政策制定者的广泛关注[26]。循环经济是一种再生策略，通过改进和更高效的设计来最小化废物、副产品、能源损失和排放[27]。它提供了“获取-制造-使用-处置”的线性经济模式的替代方案。在循环系统中，食品废物被减少和再利用，副产品被利用以创造可回收的营养物质，从而最小化……
食品浪费是一个具有广泛影响的全球性问题，涉及环境、社会和经济领域。解决食品浪费需要多方面的解决方案，包括改进供应链管理、消费者在食品储存和使用方面的教育、激励捐赠和回收的政策干预，以及食品保存和废物减少的技术创新。通过减少食品浪费，社会可以同时实现环境可持续性……
全球对能源的需求不断增加，同时人们对污染和气候变化的担忧也在增加，这促使研究人员探索更可持续的选项。在这种情况下，食品废物也可以被重新利用，以减少食品供应链对化石燃料的依赖，这对环境影响和确保组织及国家能源安全尤为重要。可以采用多种生物能源途径……
除了生产生物燃料外，食品废物还可以转化为一系列高价值产品，包括生物塑料、生物肥料、有机酸、色素和其他生物活性化合物（图7）。将食品废物转化为这些产品不仅解决了与废物处理相关的环境问题，还有助于循环经济实践、资源效率和经济可持续性。一个设计良好的策略可以将食品废物转化为这些增值产品……
食品废物管理和生物氢转化技术的政策、法规和技术视角
有效管理食品废物不仅需要技术创新，还需要地方、国家和国际层面的健全政策框架和监管措施。近年来，研究人员、非政府组织和政府机构越来越重视将食品废物视为一个关键的社会、经济和环境挑战[129]。作为社会和环境问题，食品废物监管在全球范围内仍处于起步阶段……
食品废物作为生产高附加值产品（如生物氢、挥发性脂肪酸、PHA、生物乙醇、生物丁醇、酶、蛋白质、有机酸等）的原料，将提高可持续性，更有效地实现净零温室气体排放，并增加社会经济效益[9]。许多用于食品增值的技术仍处于起步阶段。虽然超声波、微波和微生物等技术……
食品废物占全球城市固体废物的63%，不仅是一个严重的环境问题，同时也为可再生能源生产提供了宝贵的资源。由于其高有机含量，食品废物是通过微生物发酵生产生物氢的理想底物，从而实现可持续的废物管理和清洁能源发展。利用食品废物生产生物氢有潜力减少对化石燃料的依赖……
Veeramuthu Ashokkumar：撰写——综述与编辑、可视化、验证、监督、软件、数据管理、概念化。
Shanmugam Jayashree：撰写——初稿、监督、软件、资源获取、调查、数据管理、概念化。
Grzegorz Piechota：撰写——初稿、可视化、验证、软件。
Aruna Sharmili S：撰写——初稿、软件、数据管理、概念化。
Minaxi Sharma：撰写——初稿、可视化……
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
我们感谢印度金奈Saveetha大学Saveetha医学与技术科学研究所（SIMATS）废物管理与可再生能源中心、印度Stella Maris学院（自治学院）以及英国SRUC的支持。
