食物垃圾可持续增值化用于微藻生产高价值化合物、生物油和生物炭

《Sustainable Food Technology》：Sustainable valorization of food waste for microalgal production of value-added compounds, bio-oil, and biochar

　　

食物垃圾（FW）作为温室气体的主要来源，对环境造成负担，因此需要先进的升级循环策略。本研究提出了一种整合生物精炼厂，以可持续地将食物垃圾增值为一套有价值的产品。物理预处理后的食物垃圾被用作不同浓度（10–50%）的替代培养基用于微藻培养。该方法成功回收了废弃营养物，并显著提升了微藻的生物产物谱。在饱和脂肪酸（SFAs）中，棕榈酸（C16:0）是两组中的主要成分，并从对照组中的42.60 ± 0.40%显著增加至食物垃圾培养基（FWCM）中的47.40 ± 0.52%。类似地，花生酸（C20:0）在食物垃圾培养基（FWCM）中从1.67 ± 0.49%增加至3.03 ± 0.15%。抗氧化能力也受到调节，表现为DPPH清除活性、总酚含量（TPC）和黄酮类化合物含量（TFC）以及活性氧（ROS）水平的变化。食物垃圾固体残渣随后通过水热液化（HTL）在250°C和350°C下处理，以生产生物油和水热炭，而水热炭进一步在550、650和750°C下热解以生产生物炭。使用FTIR、SEM和XRD对生物炭进行了全面表征。这项工作展示了一种循环经济模型，通过生成富含营养的生长培养基并依次将生物质转化为能源（生物油）和生物炭，从而减轻食物垃圾。

**论文解读：基于食物垃圾的微藻生物精炼与生物炭生产——一种可持续的循环生物经济模型**

**1. 研究背景与问题**

食物垃圾（FW）是全球性的环境与社会经济问题。每年约有13亿吨食物在从生产到消费的整个供应链中被浪费，其不当处理不仅占用宝贵的土地资源，还会释放甲烷等强效温室气体（GHG）及有害污染物，对公众健康构成威胁。尽管当前已有多种方法用于食物垃圾处理，如生化技术（发酵、堆肥和厌氧消化）和热化学技术（水热碳化、热解和气化），但这些技术普遍存在处理周期长、转化效率低、对操作条件敏感以及缺乏能够同时回收能源、营养物和高价值产品的集成循环系统等问题。因此，迫切需要开发一种集成的、可持续的食物垃圾增值化策略。

**2. 研究内容与结论**

本研究旨在探索一种基于食物垃圾的集成生物精炼厂模型，以可持续地生产高价值产品。研究人员将物理预处理的FW用作替代培养基，培养微藻，随后对微藻生物质进行生化分析，并对FW固体残渣进行水热液化（HTL）和热解处理，最终生产生物油和生物炭。该研究得出以下主要结论：通过FWCM培养的微藻生物质产量、光合色素、脂质和碳水化合物含量以及生物活性化合物（如酚类和黄酮）均显著提升；同时，HTL和热解过程成功将FW残渣转化为生物油和具有特定理化性质的生物炭，实现了食物垃圾的全组分资源化利用，构建了循环经济模型。

**3. 主要关键技术方法**

1. **微藻培养与生物质增值**：将物理预处理的FW制备成FWCM，按80:20（BG-11培养基: FWCM）比例培养Scenedesmus abundans (SA)微藻（菌种来源未注明），通过监测生长曲线（OD680）、生化组分（色素、蛋白、脂质、脂肪酸甲酯FAMEs）及抗氧化活性（DPPH、TPC、TFC、ROS）评估其效果。
2. **水热液化（HTL）**：将FW固体残渣（来自三明治大学食堂）在250°C和350°C、45分钟停留时间下于不锈钢反应器中进行HTL，以生产生物油和水热炭。
3. **热解与生物炭表征**：将HTL获得的水热炭在550、650和750°C下进行热解，生产生物炭，并利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对其结构和表面性质进行表征。

**4. 研究结果分析**

* **3.1 原料食物垃圾的近似组成**：初始表征显示原料FW含水量高（84.19%），有机组分以蛋白质（8.98%）为主，其次为碳水化合物（3.37%）和脂肪（1.65%）。
* **3.2 微藻FWCM的优化选择**：通过初步试验，确定FWCM与SA接种物的最佳培养比例为90:10（微藻液: FWCM，即BG11: FWCM为80:20），在此比例下微藻生长最佳。
* **3.3 FWCM在微藻培养前后的理化特性**：FWCM的化学需氧量（COD）在培养后显著降低（从340 mg L^-1降至196 mg L^-1），总氮（TN）和总磷（TP）也大幅减少（TN从190.07降至45.63 mg L^-1，TP从12.84降至1.084 mg L^-1），pH值从酸性升至碱性（从6.0升至8.4），表明微藻有效吸收了营养物并降低了有机负荷。
* **3.4 微藻在FWCM中的生长与生物量**：FWCM培养的微藻在14天内表现出更快的生长和更高的生物量（1.14 g L^-1），显著高于对照组（0.75 g L^-1），证明FWCM营养物促进了微藻生长。
* **3.5 微藻生物质的FTIR光谱**：FTIR分析显示，FWCM组在1246 cm^-1和1538 cm^-1处的峰强度降低，表明蛋白质氨基酸合成减少，并刺激了脂质诱导。谱带强度差异反映了生物质组成向脂质和碳水化合物的转变。
* **3.6 生化组分分析**：
* **色素**：FWCM组微藻的叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）和类胡萝卜素（Car）含量（2.84、1.33和1.54 μg mL^-1）均显著高于对照组（0.90、0.36和0.20 μg mL^-1），表明FWCM增强了光合作用和代谢活性。
* **碳水化合物与蛋白质**：FWCM组的碳水化合物含量（17.36%）高于对照组（14.37%），而蛋白质含量（21.75%）低于对照组（30%），表明混合营养条件下的碳代谢重新分配，将碳转向储存性碳水化合物。
* **脂质与脂肪酸**：FWCM组的脂质含量（35.93%）显著高于对照组（22%）。脂肪酸谱分析表明，棕榈酸（C16:0）、花生酸（C20:0）以及棕榈油酸（C16:1）显著增加，而油酸（C18:1）、亚油酸（C18:2）减少，且亚麻酸（C18:3）完全消失，并出现了二十碳烯酸（C20:1），显示出FWCM诱导的代谢重塑。
* **3.7 总酚、总黄酮、DPPH及ROS分析**：FWCM组的TPC（12.07 mg GAE/g DW）和TFC（11.00 mg QE/g DW）均显著高于对照组（5.80和5.57）。然而，DPPH清除活性略低（11.05% vs 12.45%），ROS水平（H₂O₂清除率）略高（24.59% vs 20.95%），表明FWCM促进了酚类和黄酮类等保护性化合物的合成，但可能诱导了较低的氧化应激。
* **3.8 FW残渣的HTL**：在350°C时，总产物产量（15.88 g）高于250°C（9.03 g），但增加主要来自水热炭（11.76 g），而生物油产量仅略有增加（4.11 g vs 3.87 g）。这表明高温促进了生物质分解，但同时也导致了二次反应，将部分中间产物转化为固态炭。
* **3.9 水热炭的热解**：
* **3.9.1 粉末XRD**：所有温度下热解的生物炭均在26.3°处出现石墨碳（002）峰，在31.9°处出现氯磷灰石峰。随着温度升高，部分衍射峰强度下降，背景噪声增加，表明结晶矿物相分解并形成新的无序组分。
* **3.9.2 FE-SEM**：不同温度热解的生物炭表面形貌不同。550°C时呈现不规则片状、板状和网状结构；650°C时形成臂状结构，表面因有机物挥发而变形破损；750°C时则形成微棒和片状结构。

**5. 总结与结论**

本研究成功展示了一种可持续且高效的FW增值策略，通过将其用作SA微藻的替代培养基，实现了废物资源化。最优培养条件（BG11: FWCM为80:20）显著提高了微藻生物量（1.14 g L^-1 vs 0.75 g L^-1），并增强了其光合色素（Chl a， Chl b， Car）含量。更重要的是，该策略显著提升了微藻的生化价值，使脂质含量提高至35.93%，碳水化合物含量提高至17.36%，同时几乎使黄酮和酚类物质含量翻倍，增强了其营养保健价值。最后，通过HTL和热解，FW残渣被成功转化为生物油和具有特定结构的生物炭。研究结论指出：**本研究成功展示了一种可持续且高效的食物垃圾（FW）增值化策略，通过将其用作Scenedesmus abundans (SA)的替代培养基。最优培养基比例（80:20，BG11:FWCM）被证明非常有效，与对照组（0.75 g L^-1）相比，产生了显著更高的生物量产量（1.14 g L^-1）。这种增强的生长得到了光合色素Chl a、Chl b和Car含量大幅增加的支持，表明FWCM中的微藻具有优越的光合健康状态和活性。此外，在FWCM中培养导致SA的生化特征显著增强。研究人员观察到有价值化合物显著增加，脂质含量上升至35.93%，碳水化合物含量上升至17.36%。生物活性化合物的合成也增加了，黄酮和酚类物质含量几乎翻倍，这增强了藻类潜在的营养保健价值。全面的技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）研究对于评估整体过程经济性、能源效率、环境可持续性和工业可扩展性是必要的。未来的研究应集中于大规模优化和集成的TEA/LCA方法，以评估所提出的生物精炼系统在可持续食品工业应用中的商业适用性。**这一系列工作为构建减轻食物垃圾、同时生产能源（生物油）和生物炭的循环经济模型提供了有力证据。