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咖啡加工副产物在环境修复、食品和制药领域的应用潜力及AI技术优化路径分析，提出循环经济框架下的资源化利用方案，指出标准化流程和规模化技术存在的科研缺口。
艾哈迈德·K·拉什万（Ahmed K. Rashwan）| 卡梅尔·M·埃尔托哈米（Kamel M. Eltohamy）| 艾亚·M·穆斯塔法（Aya M. Mustafa）| 里哈姆·A·埃尔-谢赫（Riham A. El-Shiekh）| 艾哈迈德·M·埃尔-德苏基（Ahmed M. El-Dessouki）| 法特玛·阿布-埃尔吉特（Fatma Abo-Elghiet）| 阿卜杜拉·K·穆罕默德（Abdullah K. Mohamed）| 艾哈迈德·I·奥斯曼（Ahmed I. Osman）| 戴凯（Kai Ding）| 陈伟（Wei Chen）
中国浙江省杭州市浙江大学生物系统工程与食品科学学院食品科学与营养系，邮编310058
摘要
全球咖啡产业每年产生超过1000万吨的咖啡加工副产品（每收获1公斤咖啡果，大约会产生0.9公斤的废弃物），这给废物管理带来了巨大挑战。本文从跨学科的角度探讨了如何将咖啡加工副产品（CPBs）从主要的废弃物负担转变为环境、食品和制药领域的宝贵资源，从而推动可持续循环经济的发展。咖啡加工副产品在六个核心领域展现出巨大的应用潜力：二氧化碳捕获、活性炭生产、废水处理、生物燃料生产、天然染料制造以及农业土壤修复。在食品领域，这些副产品可作为无麸质产品中的功能性成分、天然抗氧化剂和膳食纤维来源（例如，咖啡银皮含有高达77%的纤维）。在制药领域，其生物活性化合物（如黑色素（干重基础上每100克含17.0–23.0克）、绿原酸（干重基础上含1%–3%）和咖啡因（干重基础上含1%–6%）具有抗氧化、抗菌和抗炎作用）。人工智能的整合为优化咖啡加工副产品的价值利用提供了前所未有的机会，通过改进其特性分析、提取工艺和供应链管理来实现这一目标。然而，在标准化协议、大规模加工技术及其经济可行性评估方面仍存在显著的研究空白，这些领域应在未来的研究中得到重视，以提高咖啡加工副产品的应用效率和生产力。总体而言，通过循环经济原则和先进技术对咖啡加工副产品进行战略性价值转化，为构建可持续且具有韧性的全球咖啡产业提供了一条转型路径。
引言
全球食品系统是导致多个“地球边界”被突破的主要驱动力，尤其是与气候变化、生物圈完整性和生物地球化学循环相关的边界（Maestre等人，2025年；Springmann等人，2018年）。在现有发展模式下，随着人口增长和社会经济变化，到2050年食品产量需要比2010年增加35%–56%（Maestre等人，2025年），食品生产的影响将进一步加剧。同时，数以百万吨计的食品剩余物和杂货产品被作为有机废弃物丢弃，其中食品废弃物占有机固体废物的45%–70%（Reynolds等人，2015年）。因此，减少食品废弃物对于提高食品系统的韧性和可持续性至关重要（Maini Rekdal等人，2024年）。最具有前景的策略是通过将食品废弃物转化为有价值的副产品来推动循环食品系统的转型（van Zanten等人，2023年），这不仅有助于降低食品生产对环境的影响，还能提升食品安全并带来经济效益（Maini Rekdal等人，2024年）。
咖啡是全球交易量第二大的农产品，对全球经济具有重要作用（Lee等人，2023b）。根据国际咖啡组织的数据（见补充材料），2018/19至2023/24年度的全球咖啡市场动态显示了咖啡生产的日益重要性（ICO，2023年）。仅2021年，咖啡出口额就达到了363亿美元（Worku，2023年）。尽管咖啡在70多个国家种植，预计全球年产量将达到1.78亿袋（每袋60公斤，2023/24年度），但近年来尤其是2021/22年度出现了明显的供应缺口（ICO，2023年；Tsigkou等人，2025年）。南美洲的咖啡产量占全球总量的一半。然而，由于COVID-19大流行的影响，2018/19至2023/24年度的区域生产模式经历了显著波动（ICO，2023年）。尽管如此，2023/24年度非洲的咖啡产量增长了12.1%，南美洲的产量增长了9.8%（ICO，2023年）。因此，国际咖啡组织估计咖啡产量需每年增长约3%以满足不断增长的需求（Tsigkou等人，2025年）。这种增长的需求给咖啡加工废弃物的管理带来了环境和经济挑战（CPW）。每年产生的咖啡加工副产品超过1000万吨，相当于每收获1公斤咖啡果产生约0.9公斤的废弃物，涵盖了整个生产和消费生命周期（Gil-Gómez等人，2024年；Lee等人，2023b年）。不当的咖啡加工废弃物管理会导致严重的水、土壤和空气污染，因此咖啡加工行业亟需应对这一挑战（Tsigkou等人，2025年）。
将咖啡加工副产品转化为宝贵资源是一种有前景的方法，既能解决相关环境问题，又能创造新的经济机会（Gil-Gómez等人，2024年）。这种转型符合循环经济的原则，即通过将食品废弃物转化为宝贵资源来减少环境影响并促进经济可持续性（Barreto Peixoto等人，2023年）。咖啡加工副产品在多个领域展现出应用潜力，包括环境修复（Tamilselvan等人，2024年）、食品和饲料工业（Urugo等人，2025年）以及制药和化妆品配方（Bessada等人，2018年）。然而，咖啡加工副产品的复杂性和异质性以及优化加工和价值转化策略的需求带来了重大挑战，这些挑战可以通过先进的技术手段有效解决。例如，人工智能（AI）技术为咖啡加工副产品的管理带来了革命性的机遇，包括精确的特性分析（Li等人，2025年；Sagita等人，2025年）、优化的提取工艺（Golpour等人，2021年；Huang等人，2025年）、预测性质量控制（Sagita等人，2025年）以及智能供应链管理（Zohourfazeli等人，2025年）。这些技术可以将传统的废物管理方式转变为数据驱动的价值转化系统，实现资源的最大化回收并最小化环境影响，最终支持咖啡产业向真正可持续的循环经济模式转型。
尽管关于咖啡加工副产品应用的文献越来越多，但本综述旨在全面概述其在关键领域的应用情况，特别关注其在可持续价值转化和循环经济发展方面的潜力。本综述的具体目标包括：1）总结咖啡加工副产品在环境、食品和制药领域的最新应用进展，强调其在可持续资源利用和促进环境可持续性方面的潜力；2）阐明咖啡加工副产品在推动更可持续和循环经济发展中的作用，为全球减少食品废弃物和环境保护做出贡献；3）探索在咖啡加工副产品管理中应用先进AI技术的潜在益处，以支持更可持续和循环经济的发展；4）识别需要更多关注的研究空白，以提高咖啡加工副产品的应用效率和生产力。
根据来源不同，咖啡加工副产品分为两类。来自咖啡果的副产品包括果肉（CPu）、果壳（CH）、果胶（CM）和银皮（CS），合计约占咖啡果质量的45%–50%，而咖啡豆仅占5%–10%（图2A）。煮咖啡后产生的咖啡渣（SCGs）是另一类废弃物，约占煮咖啡质量的45%–50%（Campos-Vega等人，2015年）。
由于咖啡加工副产品富含生物活性化合物、抗氧化剂和营养物质，使其成为可持续利用的宝贵资源，因此它们在多个行业中的应用越来越受到关注（表1、表2、表3）。将这些副产品转化为宝贵资源将促进咖啡产业的可持续和循环发展。本文总结了咖啡加工副产品在环境、食品等领域的最新应用进展。
人工智能技术正在革新多个行业，咖啡加工副产品的价值转化也不例外。其中，机器学习（ML）和深度学习（DL）在分析大数据集、预测材料性质、优化合成工艺甚至逆向设计具有所需功能的材料方面表现出巨大潜力（Badini等人，2023年；Eltohamy等人，2025年）。
从传统废物处理向咖啡加工副产品增值利用的转型需要一个明确的路线图，既要解决当前的研究挑战，又要与联合国可持续发展目标保持一致（图6）。当前的循环经济框架强调了技术创新、政策支持和利益相关者合作在实现变革中的重要性（Khajuria等人，2025年）。咖啡加工副产品的价值转化可以为多个联合国可持续发展目标做出重要贡献（图6），特别是目标2。
本综述全面评估了咖啡加工副产品的价值转化潜力，证实了它们将重大废弃物问题转化为宝贵资源的潜力。咖啡加工副产品的丰富成分为其在多种应用中提供了坚实的基础，从生产活性炭和处理废水到开发功能性食品和药品。人工智能的整合为改进特性分析、优化提取工艺和简化供应链管理提供了革命性的机会。
艾哈迈德·K·拉什万（Ahmed K. Rashwan）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法论设计、数据整理、概念构思。
卡梅尔·M·埃尔托哈米（Kamel M. Eltohamy）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化设计、软件使用、调查研究、数据整理。
艾亚·M·穆斯塔法（Aya M. Mustafa）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计。
里哈姆·A·埃尔-谢赫（Riham A. El-Shiekh）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。
艾哈迈德·M·埃尔-德苏基（Ahmed M. El-Dessouki）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。
法特玛（Fatma）：
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
本研究得到了中国国家自然科学基金——国际科学家研究基金（W2433055和W2433098）以及浙江省优秀博士后研究项目（ZJ2024016）的资助。
