综述：棕榈科生物质高值化利用：巴西综合生物精炼厂的系统综述与技术框架

《Bioresource Technology Reports》：Arecaceae biomass valorization: A systematic review and technological framework for integrated biorefineries in Brazil

　　

摘要

巴西拥有棕榈科 38 个属，这为实施棕榈生物资源的可持续开发或改进正在进行中的项目提供了巨大潜力。因此，对过去十年内对棕榈科（也称为棕榈树）树木提取的提取物或残留物增值的工业过程应用了系统文献综述 (SLR)。根据所使用的标准，该方法从发现的 1784 篇论文中筛选出 111 篇。结果显示，科学论文集中在油、综述、燃料和化学品等主题上，分别占结果的 14%、21%、23% 和 25%。微波和超声波等辅助提取技术、亚临界和超临界流体、热解和气化等热过程以及酶水解和发酵等生化处理是结果中将生物质转化为高价值产品的主要选择。有十篇论文的研究基于不同于油棕树的棕榈科物种，这些物种在巴西有相当大的产量可供利用。总体未来趋势主要集中在使用木质纤维素生物质废物合成生物燃料和平台化学品。SLR 获得的结果显示，在分析技术的特定应用领域以及识别与生物精炼概念相关的兴趣主题和当前趋势方面非常有用。最后，提出了巴西棕榈科生物精炼厂的技术框架。

引言

在过去的二十年里，生物产品工业使用的增加产生了大量生物质废物，促使专家开发创新方法来处理或将这些废物转化为商业可行的产品，植物油工业就是这种情况 (Yaashikaa et al., 2022)。虽然这种转变解决了人类食物需求，但它引发了重大环境问题，强调了需要不断研究生物资源探索的新方法。此外，迫切需要新技术来管理生物质残留物并利用它们而不损害生态系统。

考虑到植物油工业，农业生产的上升源于不断增长的食物需求和生物燃料生产 (OECD and FAO, 2023)。图 1 显示了植物油产量的持续增长，突出了棕榈科作为植物油主要来源的重要性。根据 Lorenzi (2010)，棕榈科由 252 个属组成，其中仅油棕属和椰子属就代表了世界上最大的植物油产量。棕榈科是多年生树木（例如棕榈油、椰子等），分布在热带或亚热带地区，叶子大。它们的果实是肉质或纤维质的，种子通常含有高油含量 (Simpson, 2010)。

物种 Elaeis guineensis (Jacq.)，俗称棕榈树，自 2006 年以来负责生产最大量的油，超过了大豆、油菜籽和玉米等伟大品种。根据联合国粮食及农业组织 (FAO)，棕榈科家族中名为棕榈、棕榈仁 和椰子的物种代表了全球生产的 2.1274 亿吨油中的 40.41%，紧随其后的是大豆占 28.16%，油菜籽占 11.47%，葵花籽占 9.43%，其余植物来源总计占 8.07%。

棕榈油工业是主要的植物油工业，主要位于印度尼西亚和马来西亚等东南亚国家，2021 年分别负责生产 61% 和 22% 的棕榈油 (FAO, 2024)。随着全球棕榈油消费和从果肉和果仁中提取的生物成分预计增加，其生产正在扩展到不同地区，如巴西，2021 年生产占 0.7%，自 2010 年以来增长率达 100% (FAO, 2024)。

除了棕榈油，巴西还有来自不同棕榈科树木油的显著产量。在巴西本土的 38 个棕榈属中，有十个属因其产量而被突出，如图 2 所示。

从棕榈科油的处理中，产生了大量残留物，包括棕榈仁饼、压碎纤维、果壳和空果串 (EFB)。这些副产品产生于油提取过程的不同阶段，如压榨和果仁处理。

根据 Volpi et al. (2019a) 空果串代表了棕榈油工业中产生的最大部分残留物，其次是果壳和果饼，而 Singh et al. 报告称，鲜果串 (FFB) 残留物的比例估计为 14.0% 果纤维，6.0% 果壳，和 20% EFB (Singh et al., 2013)。

2012 年，估计马来西亚产生的生物质残留物为 8300 万吨 (Shukery et al., 2015)。此外，在接下来的六年里，全球原油产量将从 5642 万吨增加到 7358 万吨 (Zhou et al., 2020)，这表明残留物生产的相应增加，如果不妥善管理，可能会带来环境挑战。因此，持续的研究集中在开发新技术和方法以高效处理和将这些副产品转化为有用产品（例如甲烷、生物氢、合成气、生物柴油和生物原油，活性炭，生物炭，有机肥料，酶，生物塑料和纳米复合材料）(Jeguirim, 2023)，从而减少环境影响并增强油提取工业的可持续性。

几项综述检查了油棕残留物的增值，主要关注生物能源或生物燃料生产。相比之下，本研究采用系统性的家族层面方法，涵盖多种棕榈科物种，根据转换原理（热化学、生化和提取）对技术进行分类，并结合文献计量分析与技术就绪水平 (TRL) 评估。这一综合框架能够识别在特定物种或叙述性综述中不明显研究趋势、技术成熟度和知识差距。

家族层面的视角也揭示了文献中的显著不平衡。尽管筛选了十二个种植最多的巴西棕榈科属，但仅有五个在选定的研究中有所代表，而七个——包括巴西纤维棕、桃棕、卡拉那巴棕榈、阿萨伊、布利蒂和利库里——没有符合条件的出版物。这一发现突出了研究主要集中在 Elaeis guineensis 上，并强调了需要将工业增值研究扩展到巴西其他经济上相关的棕榈物种的必要性。

此外，在生物精炼视角下整合热化学、生化和提取技术的研究仍然稀缺。因此，缺乏对适用于多种棕榈科物种，特别是巴西本土物种的处理技术的全面评估。

因此，本研究旨在系统综述有关棕榈科物种生物质工业处理和增值的科学文献，识别主要技术路线，通过技术就绪水平 (TRL) 评估其技术成熟度，并讨论基于棕榈生物质的可持续生物精炼厂发展的机遇和挑战。

此外，任何专注于减少生物质残留物的过程，无论是通过分解还是将其转化为其他增值产品，都应受到鼓励。由于大多数关于果肉（果肉）、EFB、棕榈仁油 (PKO)、棕榈仁饼 (PKC) 和果壳处理的已发表研究通常不发布在同一主题的期刊上，这项工作旨在浓缩目前应用于棕榈科棕榈树的工业过程信息，作为未来新工业处理发展的参考。本综述将关注与巴西领土上最丰富的棕榈树兼容的工业操作和过程，但也将描述任何符合系统文献综述 (SLR) 标准的全球过程。

章节摘要

系统文献综述协议

进行了一项系统文献综述，改编了其他地方描述的程序 (Sampaio and Mancini, 2007)，以识别、分析和综合解决棕榈科物种生物质处理和增值的科学研究。该综述遵循了旨在确保透明度、可重现性和对现有文献全面覆盖的结构化协议。方法学途径由一般

文献计量趋势和科学产出

SLR 参数定义 resulted in 1784 篇全文，同行评审，英文撰写，来自 2013 年至 2024 年。应用搜索标准后，筛选出 111 项工作。这 111 篇论文根据每项研究的主要目标被分类为以下类别：综述、油、燃料、建筑、化学品、炭和营养。

“燃料”类别包括任何处理生物燃料、乙醇、生物柴油或类似产品的论文。“化学品”类别收集

结论

本研究通过系统文献综述结合文献计量和技术分析，提供了对棕榈科生物质增值的全面和结构化评估。结果表明，尽管该领域的科学兴趣不断增长，但研究仍然主要集中在早期发展阶段，约 80% 的技术处于 TRL 1-4，表明对实验室规模调查的强调。

分析 revealed

CRediT 作者贡献声明

罗杰·加隆: 写作 - 初稿，方法学，调查，概念化。 克里丝莱恩·P·德拉泽夫斯基: 写作 - 审查和编辑，可视化，形式分析。 罗纳德·霍夫曼: 写作 - 审查和编辑，可视化，监督。 埃德森·R·阿拜德: 写作 - 审查和编辑，可视化，形式分析。 弗拉维奥·D·迈耶: 写作 - 审查和编辑，写作 - 初稿，可视化，监督，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这可能出现在影响本论文报告的工作。

致谢

作者感谢国家科学技术发展委员会 (CNPq) 资助编号 315671/2023-8。

罗杰·加隆 | 克里丝莱恩·P·德拉泽夫斯基 | 罗纳德·霍夫曼 | 埃德森·R·阿拜德 | 弗拉维奥·D·迈耶

生物量与生物燃料实验室，圣玛丽亚联邦大学，1000, Roraima 大道，圣玛丽亚，RS, 97105-900, 巴西