《Foods》：Valorization of Industrial By-Products as a Source of Biopolymers and Active Compounds for the Development of Sustainable Food Packaging and Agronomic Materials
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本工作综述了工业副产物的战略性价值化，将其作为生物聚合物（biopolymers）和生物活性化合物（bioactive compounds）的可持续来源，通过有效利用可再生资源并减少废物产生，促进循环经济（circular economy）。这些策略有助于降低
本工作综述了工业副产物的战略性价值化，将其作为生物聚合物（biopolymers）和生物活性化合物（bioactive compounds）的可持续来源，通过有效利用可再生资源并减少废物产生，促进循环经济（circular economy）。这些策略有助于降低传统包装和塑料农业（plasticulture）的碳足迹（carbon footprint），同时支持更具韧性和多样化的农业系统。特别强调将根茎类作物（roots and tubers）加工为可再生原料，用于生产农用可降解薄膜（biodegradable films），作为石油基塑料（petroleum-based plastics）的环保替代品，并有助于土壤和生态系统保护。此外，将马黛茶（yerba mate, Ilex paraguariensis）副产物纳入可降解复合材料（biodegradable composites）中，作为基质形成和填充材料，同时提供抗氧化活性（antioxidant activity）和pH传感能力（pH-sensing capacity），显示出显著潜力。这一可持续框架进一步通过利用非传统物种如玫瑰果（rosehip, Rosa rubiginosa）、芦荟（Aloe vera, Aloe barbadensis）和菊芋（topinambur, Helianthus tuberosus）得以扩展，这些物种提供了多功能的功能性基质和生物活性化合物。最后，讨论了活性与智能食品包装（active and intelligent food packaging）的开发。从红甘蓝（red cabbage）和菊芋花（topinambur flowers）中提取天然pH敏感色素（natural pH-sensitive pigments），能够配制用于实时新鲜度监测（real-time freshness monitoring）的环保油墨。最终，整合这些废物流推动了技术颠覆，规模化地提供满足全球行业需求的可持续定制化解决方案。
1. 引言（Introduction）
本研究通过文献计量学分析，基于Scopus数据库（2015-2025年）中3423篇文献的关键词共现网络，识别出以“循环经济（circular economy, CE）”、“生物质（biomass）”、“建筑业”、“废物管理”和“塑料回收”为核心的五大研究集群。结果表明，该领域研究兴趣持续增长，2025年贡献尤为显著（1219篇），凸显了生物质作为可再生资源在可持续材料开发中的重要性。在综述框架下，本文聚焦于工业相关物种和非传统生物质来源副产物的价值化，强调直接利用这些残留物作为生物质资源，既贡献于可持续材料配方的结构完整性，又利用其生物活性成分赋予功能特性，从而最大化资源效率，支持循环生产系统转型。
2. 高相关性工业副产物的价值化（Valorization of Highly Relevant Industrial By-Products）
植物基农业食品副产物（agri-food side-streams, AFS）富含纤维素、半纤维素、木质素及蛋白质，可通过废物价值化过程回收高价值前体、材料和化学成分。膳食纤维（dietary fiber, DF）因其水结合能力、凝胶化和脂肪替代等技术功能特性，被广泛用作功能性成分，全球市场预计从2025年的61.5亿美元增长至2033年的106.3亿美元。
2.1. 根茎类作物加工副产物（By-Products of Root and Tuber Processing）
马铃薯（Solanum tuberosum）加工产生的副产物（皮、果渣、浆液和工艺水）富含碳水化合物、蛋白质和生物活性化合物，可作为增值产品的底物。木薯（Manihot esculenta）加工副产物——木薯渣（cassava bagasse），含有大量可溶性和纤维碳水化合物，可用于反刍动物营养及生物能源生产。阿希帕（ahipa, Pachyrhizus ahipa）作为一种替代淀粉来源，其残渣与淀粉比率显著高于木薯（约1.09 kg残渣/kg淀粉）。研究表明，物理改性（热处理和超声处理）可显著改变纤维的结构和理化性质：木薯残渣的水合能力（膨胀力、水结合能力和持水能力）发生显著变化，而阿希帕残渣结构更稳定，保持更高的水合能力、油结合能力和残余酚类含量。流变学表征显示，仅木薯水悬浮液呈现弱凝胶能力，需超声处理增强。基于不同技术功能特性，处理后的木薯残渣适用于低热量涂抹酱，阿希帕残渣适用于烘焙产品纤维强化。此外，研究者开发了以木薯淀粉为基材、添加天然纤维（来自木薯渣和根皮）的可降解农用薄膜，评估了其机械、光学和阻隔性能，以及土壤降解速率和施用模式，应用于土壤覆盖和控释肥料系统。
2.2. 马黛茶工业副产物（Yerba Mate Industrial By-Products）
马黛茶（Ilex paraguariensis）加工副产物（叶、茎和粉末）近年来研究显著增加，主要因其高浓度多酚（polyphenols）和抗氧化活性。马黛茶粉末（yerba mate powder, YMP）作为木质纤维素来源，含有5.5%木质素、8.9%半纤维素和21.4%纤维素。通过热压技术，利用YMP与化学改性木薯淀粉生物粘合剂制备可降解单层和双层托盘材料。此外，YMP在明胶基复合材料中发挥双重作用：作为微米级填料，同时通过酚酸、黄酮类、甲基黄嘌呤和皂苷赋予抗氧化、抗炎和pH响应功能。该材料表现出控制释放、强紫外屏蔽和碱性pH传感能力，适用于延长货架期和腐败监测。YMP还用于制备生物肥料，基于海藻酸钙胶囊基质，含50-80% w/w YMP，具有低吸湿性、高抗碎强度和高效尿素与磷封装能力，且可生物降解，无抑制土壤微生物生长作用。
3. 未充分利用植物物种的可持续加工：副产物利用方法（Sustainable Processing of Underutilized Vegetal Species: A By-Product Utilization Approach）
非传统物种如芦荟和玫瑰果加工产生的副产物具有巨大生物技术潜力，但常被忽视。
3.1. 芦荟（Aloe Vera）
芦荟（Aloe barbadensis）凝胶因与不同生物聚合物优异相容性，被用于可降解薄膜和可食用涂层。其工业加工剩余的叶片副产物富含多糖（如乙酰甘露聚糖和果聚糖）、酚类、黄酮类、蒽醌类等生物活性成分，具有抗氧化和抗菌特性。这些废物已探索用于功能性食品原料、生物吸附剂、生物燃料和生物医学应用。芦荟凝胶的成膜能力及其抗菌抗氧化活性，促进其作为天然防腐剂替代品，例如卡拉胶基薄膜中芦荟凝胶对大肠杆菌（Escherichia coli）显示抗菌活性，并减少奶酪脂质氧化。芦荟可食用涂层可延缓果实成熟、保持品质并延长货架期。
3.2. 玫瑰果（Rosehip）
玫瑰果（Rosa rubiginosa）加工（尤其油提取）产生大量副产物（果壳、籽饼和绒毛），富含木质纤维素组分（纤维素、半纤维素和木质素）及残留脂质和酚类化合物。绒毛具有木质纤维素基质，适合开发刚性或半刚性生物材料（托盘和层压板）。纤维素微纤丝的高结晶结构作为主要增强元素，决定机械强度、刚度和热稳定性；半纤维素促进内聚力和界面相容性；木质素贡献刚度、防潮性、紫外屏蔽和抗氧化活性，使该材料成为可降解食品包装的有前景增强剂。
3.3. 菊芋（Topinambur）
菊芋（Helianthus tuberosus）地上生物质（可达3米高）富含木质纤维素组分（约40%纤维素、14%半纤维素、24%木质素），其纤维未经化学处理直接通过挤出和热压法掺入热塑性木薯淀粉（thermoplastic cassava starch, TPS）薄膜中。该掺入改善了紫外屏蔽性能、拉伸强度、弹性模量和防潮性，同时保持均匀分散和可生物降解性。所得生物复合材料适用于生态农业应用，如可降解育苗盆和农用薄膜，形成可持续的“田间-薄膜-田间”（field-film-field, F-F-F）闭环策略。
4. 用于先进包装解决方案的非常规行业副产物：活性与智能包装（Unconventional Usual Industry By-Products for Advanced Packaging Solutions: Active and Intelligent Packaging）
园艺副产物（果皮、种子和果渣）含有花青素（anthocyanins）、有机酸、酚类化合物和纤维，可赋予传感、抗氧化和抗菌功能，用于设计活性包装（active packaging）和智能包装（intelligent packaging）。天然色素（尤其是多酚和花青素）具有pH敏感颜色变化和抗氧化特性，可同时作为新鲜度指示剂和活性化合物。例如，含红甘蓝提取物的丝胶基薄膜可延长食品货架期并提供实时视觉新鲜度监测。马黛茶提取物基薄膜（木薯淀粉、豌豆粉和提取物）在pH 6.5以上碱性条件下发生颜色变化，用于鱼类保鲜，显示12天内颜色从浅棕变为黄棕，同时延长货架期至12天。菊芋花（通常被丢弃）含有酚类、黄酮类、花青素等，具有抗氧化和抗菌特性，可用于多功能包装系统。柑橘副产物（果皮、果渣和种子）中的果胶作为聚合物基质，类胡萝卜素（carotenoids）等活性化合物贡献抗氧化和紫外吸收功能。此外，柠檬汁可用于纳米银的绿色合成，增强淀粉基纳米复合薄膜的抗菌性能。
5. 可行性评估与未来展望（Feasibility Assessment and Future Perspectives）
当前研究转向以淀粉为基材、用农业食品残渣（如甘蔗渣、玉米壳、马黛茶粉末和麦芽渣）纤维增强的生态相容性材料。大规模实施需克服技术、法规和物流挑战。严格成本效益分析确保环境优势与经济可行性平衡。标准化瓶颈方面，现有标准（如欧盟包装与包装废物法规PPWR、美国FDA食品接触法规、ASTM可堆肥性标准）多针对石油基材料，需建立生物基材料统一方法。生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）是评估可持续材料环境影响的重要工具，需考虑农业影响（富营养化、农药和化肥使用等）。人工智能（artificial intelligence, AI）在材料科学中作为颠覆性催化剂，通过机器学习预测结构-性能关系、优化配方和加工条件（挤出、压缩成型和增材制造），并整合LCA，实现环境、技术和经济标准的同时优化。AI在食品包装中的应用可加速活性与智能材料开发，改善食品质量监测和安全管理，但需克服数据可用性、法规协调、成本、模型透明度和消费者接受度等挑战。
6. 结论（Conclusions）
本综述强调了农工残渣和未充分利用副产物（来自马黛茶、玫瑰果、芦荟和菊芋等）作为可再生生物基材料原料的巨大潜力，这些资源可同时提供结构组分和生物活性化合物（多酚、色素等），具有抗氧化和抗菌能力，支持循环生物经济框架。生物质衍生材料通过热压和挤出等可扩展技术加工，兼容现有工业基础设施，适用于活性与智能食品包装、农用覆盖膜、育苗盆和控释肥料系统。发展基于天然生物活性化合物的活性与智能包装有助于提升食品质量安全、减少食品损失并促进可持续发展目标。未来需改进材料一致性和性能，建立标准化方法评估可生物降解性和长期功能性，协调法规框架，加强供应链，降低成本，并借助AI、聚合物信息学和数字制造推动“定制化材料设计”范式，实现功能预定义和预测建模，从而应对全球环境与社会挑战，支持向韧性循环生物经济转型。
