综述：食品工业副产品的第二次生命：从传统回收到现代升级再造

《Applied Sciences》：The Second Life for Food Industry By-Products: From Traditional Recycling to Modern Upcycling

　　

食物浪费的原因之一是副产品的利用不足。本文综述了旨在赋予废弃物所谓“第二次生命”的加工技术的最新概况。为此，总结并比较了最重要的提取、转化和增值方法。讨论了使用绿色溶剂（离子液体、深共熔溶剂、超临界流体）和绿色方法（如微波辅助提取（MAE）和超声辅助提取（UAE））的提取技术。还描述了生物循环和生物技术方法的进展，同时考虑了转基因微生物（GMOs）的作用。关注了创新方法和当前趋势，如3D食物废弃物打印、混合技术以及涉及人工智能（AI）、机器学习（ML）和物联网（IoT）的智能工厂概念。尽管上述所有食物废弃物升级再造技术已在应用，但若干障碍限制了其充分发挥潜力。一个主要问题是食物废弃物顺利流向升级再造点，以确保所需质量和加工优化。此外，需要考虑与利用食物废弃物生产增值膳食产品相关的社会和监管问题。

1. Introduction（引言）

食物损失和浪费（FLW）是当前可持续食品系统设计中的紧迫挑战，对粮食安全、营养和环境产生负面影响，并贡献了全球8%至10%的温室气体排放。食品工业副产品的利用不足是造成食物浪费的重要原因之一。本文旨在综述加工此类废弃物的技术解决方案，赋予其“第二次生命”，重点介绍提取、转化和增值方法，并关注创新趋势如3D打印、混合技术和智能工厂概念。

2. Physicochemical “Green” Technologies for Valorization of Food Waste

物理化学方法一直是分离功能成分的主要途径。没有一种提取技术是通用的，选择合适的工艺对于提高提取率和质量至关重要。近年来，绿色溶剂和非常规技术的结合显示出潜力。

2.1. Green Solvents

传统溶剂提取需要大量有毒有机溶剂，如己烷、乙醚和丙酮，因此绿色溶剂应运而生。绿色溶剂包括水、乙醇等天然化合物，以及超临界流体（SF）、离子液体（ILs）和深共熔溶剂（DES）等新型溶剂。这些溶剂结合绿色技术可提高效率、缩短时间并减少消耗。

2.1.1. Supercritical Fluids

超临界流体（SF）是温度和压力超过临界点的物质，兼具气体高扩散性和液体高溶解力。其中，超临界CO₂（scCO₂）因临界条件温和、无毒、低成本、易去除等优点而最常用。提取效率受温度、压力、pH、样品基质等因素影响。超临界流体适用于提取非极性化合物，对于极性化合物需优化条件或使用夹带剂。

2.1.2. Ionic Liquids

离子液体（ILs）是由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的低熔点盐，具有可忽略的蒸气压、高热稳定性和可设计性。它们可作为设计者溶剂，通过结构修饰调节极性等性质，适用于提取蛋白质、多糖、色素和抗氧化剂等。尽管成本较高，但可通过回收利用实现经济性。

2.1.3. Deep Eutectic Solvents

深共熔溶剂（DES）由两种或多种组分通过氢键等相互作用形成低熔点混合物。DES具有制备简单、成本低、毒性低和可生物降解等优点。根据氢键供体（HBD）和受体（HBA）的不同，可设计不同极性。DES已广泛用于提取酚类化合物、蛋白质、果胶和色素。例如，基于氯化胆碱的DES可用于提取多种酚类化合物；疏水DES（HDES）用于提取亲脂性物质，如从番茄皮中提取番茄红素。

2.2. Green Techniques and Methods

绿色提取技术包括超声辅助提取（UAE）、微波辅助提取（MAE）、加压液体提取（PLE）等。UAE基于空化效应破碎细胞壁，加速提取；MAE通过电磁波加热基质内部，提高提取效率；PLE在高压高温下降低溶剂粘度，增加溶解度。此外，还有高压脉冲电场（PEF）、冷等离子体（CP）等技术。这些方法减少溶剂和能量消耗，提高产量。

3. Biological Methods for Food Waste Valorization and Upcycling

生物技术方法利用微生物和酶将食物废弃物转化为生物燃料、生物材料、单细胞蛋白和生物活性化合物。这些方法符合循环经济原则。主要分为集成生物精炼技术和微生物电化学技术。生物精炼通过生化、热化学、化学和物理转化将生物质转化为多种产品。微生物电化学技术利用微生物催化产生电能或化学品。

3.1. Anaerobic Digestion and Dark Fermentation

厌氧消化（AD）将食物废弃物转化为沼气和消化液，涉及水解、产酸、产乙酸和产甲烷阶段，由水解菌、产酸菌、产乙酸菌和产甲烷古菌协同完成。AD受C:N比、温度、pH等因素影响。厌氧共消化可提高沼气产量。暗发酵（DF）在无光条件下由厌氧菌产生生物氢，是一种有前景的清洁能源生产方式。

3.2. Microbial Fermentation (MF), Enzymatic Hydrolysis (EH) and Other Microbial Activities

微生物发酵和酶水解可将食物废弃物转化为生物醇（如生物乙醇）、生物聚合物、生物肥料、工业酶、有机酸、生物活性肽和单细胞蛋白。例如，利用酿酒酵母发酵废弃物生产生物乙醇；利用芽孢杆菌属和曲霉属发酵烘焙废弃物生产α-淀粉酶；蛋白酶水解蛋白质废弃物可获得生物活性肽。这些过程利用废弃物作为廉价底物，减少成本并提高经济效益。

4. Modern Technologies in Food Waste Upcycling

现代数字技术和3D打印为食物废弃物管理提供了新途径。

4.1. Smart Factories—The Use of AI, IoT and ML in Food Waste Management

智能工厂利用人工智能（AI）、物联网（IoT）和机器学习（ML）进行实时监控、需求预测、废弃物分类和过程优化。例如，AI应用可预测烘焙产品和餐饮需求，减少浪费；IoT传感器用于监控处理环境和废弃物收集；ML模型用于预测沼气产量、优化生物过程。然而，数据不足、成本高、法规不完善等问题仍待解决。

4.2. The Use of 3D Print in Food-Waste Upcycling

3D打印可将食物废弃物转化为新型食品、包装材料、医药产品等。不同废弃物特性影响打印适性，如淀粉类废弃物（如马铃薯皮）适合构建稳定结构，纤维类（如果皮、果渣）可增强结构，蛋白质类（如鱼副产品）改善打印性。3D打印可实现个性化营养和特殊饮食需求。但存在消费者接受度、喷嘴堵塞等技术和监管挑战。

5. Conclusions and Future Perspectives

物理化学方法仍是提取功能成分的主要工具，绿色溶剂和绿色技术的结合提高了效率。生物方法在废弃物增值方面潜力巨大，尤其是厌氧消化、暗发酵、微生物发酵和酶水解。数字技术和3D打印为废弃物升级再造提供了创新途径，但面临物流、社会接受度和法规等挑战。未来需要解决这些问题以充分发挥潜力。