可可副产物资源化利用的综合表征：推动零废弃可可产业发展的多参数研究

《ACS Food Science & Technology》：Comprehensive Characterization of Cocoa Residues for a Zero-Waste Cocoa Industry

本综述系统评估了可可豆荚壳（CPH）、可可豆壳（CBS）和可可粘液（CM）的物理、化学、形态、结构、表面及热力学参数，揭示了其在生物精炼、生物能源及高附加值产品开发中的巨大潜力。研究通过热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）、扫描电镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术，首次报道了CPH的高木质素含量（49.09±0.41%）和蛋白质含量（8.78±0.11%），为可可废弃物的循环经济（Circular Economy）和零废弃（Zero-Waste）目标提供了关键数据支撑。

　　

可可产业在全球范围内产生大量废弃物，为实现零废弃目标，本研究对三种主要可可残留物——可可豆荚壳（CPH）、可可豆壳（CBS）和可可粘液（CM）进行了全面表征。样品来源于巴西巴伊亚州和帕拉州的常见品种，通过系统分析其物理、化学、形态、结构、表面和热力学参数，为这些副产物的高值化利用提供科学依据。

物理特性

分析显示，三种残留物的水分、灰分、酸度和颜色等物理参数存在显著差异。CM的水分含量最高（84.86±0.06%），适合厌氧消化等发酵过程；CPH的灰分含量最高（11.09±0.52%），表明其矿物质丰富，适用于堆肥或作为金属催化剂前体；CBS的灰分含量较低（3.07±0.11%），更适合热解过程。颜色分析（CIELAB空间）显示CPH亮度最高（L=77.30），而CM的a值最高（17.55），表明其红色倾向最强。这些物理特性直接影响废弃物在储存、运输和加工过程中的稳定性及最终应用选择。

化学特性

化学分析揭示了各残留物的独特组成。CPH表现出最高的木质素含量（49.09±0.41%），为文献报道的最高值，同时其蛋白质含量（8.78±0.11%）也高于CBS（7.22±0.06%）和CM（5.55±0.04%）。CBS被鉴定为多酚（如儿茶素和表儿茶素）的合适来源，而CM则因其高糖含量（果糖2.03%，葡萄糖1.73%）而非常适合发酵过程。化学需氧量（COD）值（CPH: 369.26±4.45 gO₂/L, CBS: 349.35±15.72 gO₂/L, CM: 283.86±0.52 gO₂/L）表明三者均具有显著的有机负荷和能源转化潜力。脂质含量在CM中最高（2.30±0.20%），提示其可能存在未被充分开发的天然油脂资源。纤维素、半纤维素和木聚糖的含量差异进一步指明了它们在不同生物精炼路径中的适用性，例如CPH可用于生产木寡糖（Xylooligosaccharides）或生物乙醇。

热力学特性

热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）用于评估样品作为生物能源原料的潜力。TGA显示CPH和CBS在高温区（335–900 °C）仍有约27%的残炭率，与其高木质素含量相符，表明它们是生物炭（Biochar）生产的良好原料。CM的热降解发生得更快，与其高糖分和低灰分特性一致。DSC曲线揭示了样品在不同温度下的相变行为，如CM在374°C出现的主要放热峰归因于糖的结晶，而CPH和CBS则显示出与木质素玻璃化转变相关的吸热事件。这些热特性参数对于设计高效的热化学转化工艺（如 pyrolysis pyrolysis）至关重要。

形态、结构及表面特性

扫描电子显微镜（SEM）图像显示了样品不同的表面形态。CPH表面呈尖角状，孔隙度大，这与高木质素或结晶纤维素含量有关，使其可能成为良好的生物吸附剂。CBS表面更粗糙，存在螺旋状簇团，增加了其孔隙率和吸附潜力。CM表面则更光滑、致密，反映了其高糖分和低纤维素的组成。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析确认了样品中存在羟基（-OH）、甲基（-CH）和羰基（C=O）等关键官能团，这些基团与纤维素、半纤维素和木质素相关，并决定了材料在重金属吸附、生物聚合物合成等方面的应用潜力。

色谱化合物鉴定

通过超高效液相色谱-质谱联用（UPLC-PDA-MS）分析，在CBS的甲醇提取物中明确鉴定出了可可碱（Theobromine）、咖啡因（Caffeine）和表儿茶素（Epicatechin）等生物活性化合物。尽管CPH和CM中也可能存在这些化合物，但在本研究的检测条件下未达到检测限，这可能与样品前处理、品种差异或提取效率有关。这些多酚和甲基黄嘌呤类化合物具有抗氧化、抗菌等生物活性，在食品、保健品和制药行业具有重要价值。

未来展望与零废弃路径

基于上述表征结果，研究为每种可可残留物规划了最优的资源化路径。CPH凭借其高木质素和纤维素含量，适用于生产生物炭、活性炭、木糖醇（Xylitol）乃至作为生物复合材料的增强填料。CBS作为多酚和膳食纤维的来源，可用于开发功能性食品配料、天然抗氧化剂或吸附剂。CM的高糖分和易发酵特性使其成为生产生物乙醇、乳酸（Lactic acid）、益生菌（Probiotics）或各种发酵饮料（如果汁、蜂蜜、醋）的理想底物。通过这种综合利用率方式，可可产业可以显著减少温室气体（GHGs）排放，避免废弃物填埋带来的疾病传播风险，并创造新的经济价值，完全契合循环经济和能源转型的全球目标。实现这一愿景需要学术界、工业界和政策制定者的紧密合作，以及深入的技经分析和高效加工技术的开发。

本研究通过多维度表征，充分论证了可可主要副产物在推动零废弃可可产业和循环经济中的核心价值与巨大潜力。