南瓜（Cucurbita sp.）废弃物的可持续转化：用于生产食品、生物燃料及环境应用

《Biomass and Bioenergy》：Sustainable transformation of pumpkin ( Cucurbita sp.) waste into food products, biofuels, environmental applications

南瓜废物富含生物活性成分，可用于功能性食品、化妆品、生物燃料（乙醇、柴油、沼气）及环境修复（重金属、染料吸附）。其转化途径包括酶解制乙醇、厌氧发酵产沼气、热解制生物炭，资源化利用可推动循环经济发展。

　　

阮文川

越南胡志明市阮塔坦大学应用技术与可持续发展研究所

摘要

南瓜（Cucurbita属）的废弃物类型包括果皮、种子、种壳、纤维束、油籽饼、叶子、茎和果肉，这些废弃物是一种丰富但尚未得到充分利用的资源。本文全面探讨了南瓜废弃物的化学成分及其潜在用途。南瓜废弃物富含生物活性化合物，如类胡萝卜素、酚类化合物、膳食纤维和蛋白质，可提升食品的营养价值。特别是南瓜籽可以榨取富含生物活性化合物的冷压油，适用于食品强化和化妆品生产。此外，由南瓜废弃物制成的生物炭在去除Pb²⁺和Ni²⁺离子方面表现出显著效果。将南瓜废弃物转化为生物燃料是一条有前景的增值途径；而南瓜果皮的酶解技术则能高效生产生物乙醇。南瓜果肉和果皮的厌氧消化还能有效产生沼气。因此，南瓜废弃物的可持续转化有助于推动循环经济发展，解决食品浪费、营养不足和环境污染等全球性问题。

引言

全球农业领域面临的一个主要挑战是产生大量废弃物和副产品。这一问题在南瓜（Cucurbita属）的种植和加工过程中尤为突出，南瓜是一种因其烹饪多样性和营养价值而被广泛种植的蔬菜[1,2]。尽管南瓜因其鲜艳的颜色、美味的口感和营养价值而受到重视，但其收获的生物质中很大一部分（包括果皮、种子和其他纤维材料）通常被作为废弃物丢弃[3]。这种处理方式不仅导致宝贵生物资源的浪费，还引发了与有机废弃物积累和资源利用效率低下相关的环境问题。

全球范围内，南瓜的种植面积广泛，中国是最大的生产国，其次是乌克兰、俄罗斯、美国和土耳其[2]。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，2019年全球南瓜产量约为2770万吨[4]。然而，大规模生产不可避免地会在加工过程中产生大量废弃物，这些废弃物在储存、运输和处理过程中可能通过微生物分解造成环境污染[5]。

近期研究强调了南瓜废弃物作为富含生物活性和功能性化合物的可再生资源的巨大潜力。事实上，南瓜废弃物（如果皮、种子和油籽饼）富含类胡萝卜素、多酚、膳食纤维、维生素和油脂[6]。这些成分具有多种健康促进作用，包括抗氧化、抗菌、抗炎和抗糖尿病效果[7,8]。因此，越来越多的人开始关注在食品、制药、化妆品和环境管理等领域利用南瓜废弃物。

在食品工业中，南瓜残渣已被用作功能性成分和天然添加剂。例如，南瓜果皮粉富含不溶性纤维、钾和铁[9]，常被添加到松饼[10,11]和脆饼[12]中以改善其营养和感官品质。南瓜籽粉因高蛋白和膳食纤维含量而受到关注，被用于制作无麸质面条[13]和松饼[14]，是一种比传统小麦制品更健康、更可持续的替代品。从南瓜籽中提取的南瓜籽油富含不饱和脂肪酸、生育酚和生物活性化合物，也是食品强化、制药和化妆品配方中的宝贵原料[15]。

除了营养价值外，南瓜废弃物在环境和能源领域也有巨大潜力。例如，南瓜种壳和其他废弃物被有效用作低成本、可持续的吸附剂，用于去除废水中的染料和重金属[16,17]。此外，南瓜废弃物还可以转化为生物燃料（如生物乙醇[18]和沼气[19]，为可再生能源提供新选择。具体而言，可以从南瓜废弃物（如果皮、果肉和纤维束）中提取多糖（果胶、鼠李糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖）[20,21]，这些成分经过发酵可生成生物乙醇。南瓜果皮的厌氧消化还能产生甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂[22]）。南瓜皮和果肉废弃物中的短链脂肪酸经厌氧发酵后可转化为中链脂肪酸，作为合成生物柴油的前体[19]。因此，南瓜废弃物的转化不仅有助于减少环境污染，还能提供可持续的生物能源。

南瓜废弃物的多功能性还体现在其他创新应用中。例如，南瓜油饼蛋白被研究作为食品系统中新型包封材料的候选者[23]；南瓜果皮也被探索作为生物塑料生产的原料[6]。Ramakrishnan等人[24]使用南瓜籽油作为生物柴油的前体；Madhu等人[25]利用南瓜茎废弃物制成的活性炭作为染料敏化太阳能电池的电极材料。然而，关于将南瓜废弃物转化为高附加值产品的研究仍然较少。

鉴于南瓜废弃物（如果皮、种子、纤维束和油籽饼）是一种丰富但未得到充分利用的资源，具有多种应用潜力，本文分析了南瓜废弃物的营养成分和植物化学成分，并探讨了其转化为高附加值产品的途径。主要讨论领域包括食品生产、生物燃料（生物乙醇、生物柴油和沼气）的生产以及环境修复。本文强调了南瓜废弃物在可持续资源回收和循环经济发展中的重要性。

章节摘录

背景

图1展示了南瓜植株的形态。图1A显示了未成熟的南瓜生长在藤蔓上，其特征是绿色外观和光滑的表面。强壮的茎为正在发育的果实提供结构支撑。图1B展示了成熟南瓜的横截面，展示了其独特的解剖结构：果皮是最外层的保护层，可防止内部组织受到物理损伤和微生物侵袭。

南瓜废弃物的应用

图2展示了南瓜废弃物的组成及其多种用途，将废弃物分为果皮、种子、种壳、纤维束、油籽饼、叶子和果肉等部分。每种成分都含有特定的生物活性化合物（如类胡萝卜素、纤维和酚类化合物），以及相应的提取方法。由此产生的高附加值产品包括功能性食品成分、营养补充剂、天然色素、抗氧化剂等。

局限性、未来前景和生命周期评估

目前关于南瓜废弃物吸附重金属、有机染料和药物的文献仍存在一些不足之处。如表1、表2和表3所示，吸附机制大多缺乏实验依据，例如缺乏FTIR分析、XPS光谱数据以及吸附前后吸附剂表面积的测量结果。

结论

南瓜废弃物作为一种极具潜力的多功能资源，在食品生产、生物燃料和环境修复等多个领域具有广泛应用前景。南瓜废弃物中的多种成分（如果皮、种子、果肉和纤维束）富含生物活性化合物和营养物质，可提升食品的营养价值。其中高含量的类胡萝卜素、酚类化合物和膳食纤维使其适用于功能性食品和天然色素的生产。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

作者感谢越南胡志明市的阮塔坦大学对本研究的支持。图1–6中的图标和模板使用Freepik.com、ChemDraw和Microsoft PowerPoint制作。