从废弃番茄渣到高值包装：基于番茄果渣制备角质（cutin）的生物炼制技术经济分析与多联产整合策略

《Horticulturae》：Valorization of Plant-Based Agro-Waste, Tomato Pomace, into Potential Sustainable Food Packaging Materials: Techno-Economic Approach Tatjana ?or?evi?, Igor Paskovi?, Marija Poli? Paskovi?, Jaroslav Katona, Di Zhang and Ljiljana Popovi?

这篇综述以零废弃理念为核心，通过技术经济分析（TEA）评估了利用植物基农业废弃物——番茄果渣（tomato pomace）生产高价值生物聚合物（如角质）用于可持续食品包装材料的潜力。研究对比了单一生产角质与“角质-酚类抗氧化剂”集成生产两种工艺方案，发现集成方案显著提升了内部收益率（IRR）并缩短了投资回收期，有力论证了通过多联产（coproducts）提高过程经济性与可持续性的可行路径。

　　

引言：生物经济的价值转向与番茄果渣的机遇

当前的生物经济趋势正朝着高附加值平台化学品、特殊化学品及先进生物材料的生产方向发展，这包括了生物聚合物、生物塑料等高利润、低产量的产品。这一趋势对生物质价值化具有重要意义，因为这些高价值联产品的收入可以显著影响低利润的燃料和能源生产成本，从而提高整个过程的盈利能力。以零废弃为理念的集成化、多产品、多原料的生物炼制模式是未来的发展方向。生物基聚合物市场价值巨大且增长迅速，但目前其生产面临生物基原料有限、成本高于石油基替代品等挑战。

角质作为一种结构性生物聚酯，占植物角质层的40-80%，是植物废弃物中一种含量可观的聚合物。其中，苹果和番茄废弃物中角质的含量最高。因此，从食品加工副产物中分离角质，是农业工业残渣在高价值生物炼制框架内增值的一条有前景的途径。番茄果渣因其丰富的角质含量成为研究重点。它是一种重要的农业废弃物，含有丰富的膳食纤维、蛋白质、脂质、果胶、类胡萝卜素（如番茄红素）和酚类化合物，是生产各种增值产品（包括可持续食品包装材料）的优质、低成本可再生资源。

番茄果渣中的角质：从结构到应用潜力

角质主要由含氧C₁₆或C₁₈长链脂肪酸通过酯键交联而成，是番茄果渣中主要的脂质衍生生物聚合物，形成了疏水性强、结构坚韧的聚合物网络。基于角质的薄膜因其生物降解性和优异的防湿、防气体渗透屏障特性，成为传统石化塑料有前景的替代品，尤其适用于食品包装。此外，由于其抗紫外线辐射、微生物生长和腐蚀的特性，角质也适合用于保护性涂层，并且因其无毒性和良好的生物相容性，在化妆品（如面霜、唇膏）中成为合成成分（如蜡、硅酮）的吸引人替代品。

尽管具有这些优异的聚合物特性，但角质的商业化应用仍然有限。由于角质存在于农业工业副产物中，这为将农业废弃物增值为高价值产品提供了重要机会。然而，当前提取方法的技术经济分析（TEA）研究尚未充分开展，使得本研究兼具时效性和必要性。

研究目标：两种工艺方案的技术经济对比

本研究旨在通过比较两种加工方案的技术经济分析，评估番茄果渣生物炼制过程的经济性：

方案一：通过生产角质来实现番茄果渣价值化的生物炼制途径。

方案二：为同时生产角质和酚类抗氧化剂而设计的集成工艺。

研究利用SuperPro Designer软件对两种方案进行了详细建模，并基于内部收益率（IRR）、净现值（NPV）和投资回收期等指标评估了其经济表现，还进行了敏感性分析以确定影响过程经济性能的最关键变量。

结果：集成方案的显著经济优势

设备与成本对比

模型显示，方案一和方案二的设备成本分别为860万和950万美元。方案二的投资成本更高，主要差异在于干燥工段（增加了额外的滚筒干燥机DDR-102）以及包含一个反渗透系统（RO-101）。方案二更复杂的工艺流程图导致总投资成本（TCI）和年度运营成本（AOC）均高于方案一。然而，成本的增加被总收入的显著提高所抵消。

经济评估核心发现

在相同的生产规模下（年产约859，000公斤角质提取物），研究模型揭示了集成方案的经济优势：

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  收入与利润：方案一仅依靠销售角质，年收入为2134万美元。方案二增加了酚类提取物这一收入流（年贡献820万美元），使年总收入达到2967万美元。因此，毛利率从7.05%提升至29.72%，投资回报率（ROI）几乎翻倍（从10.52%增至17.44%）。
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  关键财务指标：角质的单位生产成本略有上升，但其单位生产收入显著提高。最重要的是，投资回收期从9.50年大幅缩短至5.7年。内部收益率（IRR）从2.14%提升至10.62%，净现值（NPV）从-1400万美元转变为+1400万美元。这些财务指标清晰地表明，集成工艺在经济上是可行的，并且对工业应用更具吸引力。

敏感性分析与关键影响因素

敏感性分析评估了角质提取率、酚类化合物提取率、工厂产能以及番茄果渣运输存储成本对投资回收期的影响。结果显示：

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  工厂产能是主导参数：对经济性能影响最为显著。批次处理量从2000公斤增至6000公斤，可大幅缩短投资回收期。
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  提取率与产品售价：提高角质和酚类化合物的提取率可直接改善盈利能力。产品（尤其是角质）的销售价格对投资回收期有重要影响。
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  原料成本：番茄果渣的获取与存储成本在本模型中影响不显著。

市场与风险考量

目前，生物基聚合物的生产成本仍高于石油基塑料，高昂的生产工艺和原料成本是主要原因。因此，从替代性、丰富且廉价的农业工业资源中获取生物聚合物，成为促进循环经济的关键。市场分析显示，农业废弃物生物炼制产品的价格波动较大，产品价格变化是影响经济可行性的重要参数。另一方面，政策支持、环保法规和环境意识正将市场和消费者导向更可持续的生物基聚合物产品。对于市场价格波动大的产品，投资者期望较短的投资回收期以降低风险。

讨论与未来展望

挑战与策略

研究指出，依赖单一、低利润产品是导致经济失败（如单一角质提取的TEA所示）的常见原因。克服这一点的关键策略是联产品的价值化。番茄果渣产量具有季节性，高水分含量也给长期储存带来挑战。因此，所提出的模型侧重于番茄收获季节的有效利用。为应对这些挑战，可采用干燥等稳定化策略，或与其他具有类似结构和组成特征的农业工业残渣（如苹果渣、谷物麸皮）结合使用，以确保原料的持续供应和工艺的可扩展性。

未来研究方向

未来的研究应聚焦于优化角质提取的实验设计，并遵循级联生物炼制理念，从番茄果渣中开发特定的联产品，如果胶、膳食纤维、类胡萝卜素和籽油，用于目标市场应用。在一个完全集成、遵循零废弃概念的生物炼制过程中，可以采取顺序提取策略：先水提酚类化合物，再进行弱酸提取果胶，之后进行角质解聚。果胶从液相中沉淀，剩余固体随后用于角质提取。最后，角质从液相中沉淀，而残留的固体基质可作为高纤维来源用于饲料或功能性食品。这种集成可以减少原材料损失和废物管理成本，通过零废弃生物炼制概念增强资源效率，并支持主生产线的环境绩效和盈利能力。

结论

技术经济分析表明，从番茄果渣中提取角质本身经济性有限。然而，通过集成提取酚类抗氧化剂等高价值联产品，可显著改善过程的经济参数，将项目从边际无利可图转变为具有强劲盈利能力。这证明了一种生物炼制方法——即集成利用农业工业废物的所有组分——是更可持续且经济合理的角质生产策略。本研究不仅评估了番茄果渣作为角质来源的潜力，更重要的是提出了通过多联产整合提高经济可行性的具体路径，为开发基于农业废弃物的可持续生物材料提供了重要的经济决策依据。