《Food and Bioproducts Processing》：Economic and process optimization of industrial-scale pectin manufacturing from fruit by-products in a circular production model
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本研究采用响应面法与过程模拟相结合，优化农业副产品（橙皮、石榴皮、苹果渣）中果胶的提取工艺，并评估其经济可行性。实验表明橙皮果胶得率最高（25.08%），两阶段模拟显示规模化生产可实现125.14%的内部收益率，并验证了循环经济模式下可持续生产方案的有效性。
作者：Derya Dursun Saydam、?pek Arslan Sürmeli、Ali Co?kun Dalg??
单位：伊斯坦布尔新世纪大学营养与饮食学系，Topkap? Dr. Azmi Ofluo?lu校区，邮编34010，土耳其伊斯坦布尔
摘要
本研究结合了响应面方法（RSM）和过程模拟技术，旨在基于农业工业副产品，在循环经济框架内开发一种可持续且经济可行的果胶生产系统。研究评估了橙皮、石榴皮和苹果渣作为潜在原料的可行性，并利用Box–Behnken设计优化了提取过程中的pH值、温度和时间对果胶产量的影响。结果表明，橙皮提供的果胶产量最高（25.08%），因此被选为大规模生产过程的原料。研究采用了两阶段模拟方法来评估该生产过程的经济技术可行性。在第一阶段，通过Simplex Lattice设计探讨了纤维素、果胶、蛋白质和可溶性糖对内部收益率（IRR）、单位生产成本（UPC）、回收期（PBT）和年产量等因素的影响。优化条件下的内部收益率为52.25%，单位生产成本为32.94美元/千克，回收期为2.60年，年产量为876.207千克。在第二阶段，利用Box–Behnken设计优化了主要产品成本（MPC）、原材料用量（Q）和年运行周期（t），最终得到内部收益率为125.14%，单位生产成本为30.78美元/千克，回收期为2.08年，年产量为2,101,980千克（MPC=29.53美元/千克，Q=9.999吨/小时，t=180天）。综合模拟结果证实了工业规模果胶生产的可行性，投资回收期为4.09年，总资本投入为75,113,825美元。总体而言，该生产过程为水果加工废弃物的增值提供了高效、环保且具有经济竞争力的方案。
引言
人口增长和环境需求推动了全球食品生产的增加及方向转变。同时，原材料的使用和加工所产生的废弃物量也显著增加，因此需要有效管理这些废弃物并将其转化为附加值（Nirmal等人，2023年）。根据粮农组织2021年的报告，水果和蔬菜加工行业产生了近60%的有机废弃物，而这些废弃物往往未经经济评估就被直接处置（粮农组织，2021年）。这不仅对环境造成污染，也浪费了资源。
如今，“废弃物”这一概念正逐渐被“副产品”所取代，这种理念促进了食品行业采用循环经济模式。特别是欧盟的“从废弃物到价值”战略鼓励从植物废弃物中提取生化物质、生物聚合物和功能性食品成分（欧盟生物经济战略，2020年）。通过将副产品重新加工为功能性产品，可以减少废弃物负担并促进经济发展。
果胶是将废弃物转化为原材料的代表性产品之一。它是一种天然存在于植物细胞壁中的杂多糖，在食品工业中广泛应用。由于其凝胶化、增稠和稳定作用，果胶常用于果酱、果冻、酸奶和乳制品中。此外，它还在制药和化妆品行业中作为伤口愈合剂和控释系统使用。由于这些特性和应用，果胶的生产在经济效益方面具有很高价值。商业化的果胶生产主要利用苹果渣和柑橘皮等工业副产品，通常采用温度控制的酸性水解方法（Adetunji等人，2017年；Kumar等人，2020年；Haque等人，2025年）。近年来，环保型有机酸（如柠檬酸、苹果酸、酒石酸和醋酸）逐渐取代了传统的硝酸和盐酸作为提取剂，这些方法被认为对环境影响较小且适合食品级应用。然而，原材料的选择、提取技术和操作条件都会显著影响果胶的产量和质量（Salazar Ripoll和Hincapié-Llanos，2023年；Haque等人，2025年）。
在可持续的果胶生产中，不仅要实现高产量，还要设计出降低环境影响且经济可行的工艺流程。因此，除了实验优化研究外，还需要在工业层面有效的工具，如过程模拟和成本分析。
水果加工行业中产生的三大主要副产品是苹果渣、橙皮和石榴皮，这些副产品富含多种可利用的化合物。尽管传统提取方法能获得较好的果胶产量，但其储存稳定性仍有限（Luo等人，2020年）。全球范围内，大量的柑橘类加工副产品为橙皮，由于其高果胶含量和高效的提取效率，它在工业中得到广泛应用。石榴皮则是一种富含功能性成分的原料，但由于其复杂的细胞结构，提取过程较为耗能（Pereira等人，2016年）。因此，研究石榴皮中的果胶提取方法具有重要意义。由于三者在细胞结构和化学成分上的差异，它们对提取过程的反应也有所不同（Dranca和Oroian，2018年）。
利用多种副产品通过工业合成果胶可带来协同效益，如提高工艺效率、降低成本和提升产品质量。在应对供应链不确定性和副产品来源的季节性变化时，这种策略尤为关键。在此背景下，使用优化系统从技术和经济角度全面评估副产品的综合加工性非常重要（Tascione等人，2021年；Salazar Ripoll和Hincapié-Llanos，2023年）。
在实验室规模进行的实验优化研究中确定的因素和应用条件可能无法直接应用于工业规模。这是因为工业规模涉及更多的复杂操作因素，如能源成本、物料流动、设备限制和加工时间。每个参数都会对经济效益产生影响（Tascione等人，2021年）。为确保副产品的加工在技术和经济上均可行，必须仔细评估实验室数据并将其调整适用于工业规模。同时，这种细致的过程需要通过透明的财务分析来解释（Salazar Ripoll和Hincapié-Llanos，2023年）。过程模拟有助于实现这一综合策略，从而弥合学术研究与实际应用之间的差距。
本研究的主要目标是通过使用柠檬酸从苹果渣、石榴皮和橙皮中提取果胶，并通过过程模拟和经济分析评估其工业适用性，从而实验性地最大化果胶产量。研究分为两个阶段：第一阶段利用Box-Behnken实验设计确定最佳提取条件，研究提取溶液的pH值、温度和时间对果胶产量的影响；第二阶段通过Simplex Lattice和Box-Behnken Design（BBD）方法评估副产品含量和操作参数对经济指标（内部收益率、单位生产成本、回收期和产量）的影响。SuperPro Designer软件用于分析这些数据。本研究的主要贡献在于结合实验设计、过程模拟和基于情景的技术经济分析，系统地评估了多种水果加工副产品的果胶生产情况。最终提出了一种技术上和经济上可行、环保的果胶生产方案，弥补了现有研究中缺乏整体性和综合性评估的不足。
材料与方法
本研究分阶段进行优化，分别针对实验室规模和工业规模的提取性能及工艺性能。实验优化用于确定最佳果胶提取条件，并识别出果胶回收率最高的副产品；随后通过模拟优化评估工业操作方案和经济性能。
果胶提取性能评估
本研究以三种不同工业水果副产品的果胶提取效率作为主要响应变量，因为这代表了整个过程的起点，并直接影响后续的优化、过程模拟和技术经济评估。实验设计围绕产量导向的性能进行，以确保工业规模下的质量平衡、可扩展性和经济建模的可靠性。
结论
对于从农业工业副产品中可持续生产果胶而言，本研究有效证明了一种结合统计建模、经济模拟和实验优化的综合方法。苹果渣产生的模型在统计上最为可靠，而橙皮在果胶产量和经济性能方面表现最佳。石榴皮较高的成分多样性表明，对其原料的处理需要进一步优化。
声明
作者声明没有财务利益相关关系
财务利益
作者声明没有与本文内容相关的财务利益关系
利益冲突
作者声明没有可能与本文内容相关的利益冲突
未引用参考文献
（欧盟委员会，2020年；Aleisa和Heijungs，2020年）
资助
本研究未获得任何资助
作者贡献声明
?pek Arslan Sürmeli：资源管理、项目协调、资金获取、数据分析、数据整理。Derya Dursun Saydam：撰写与编辑、初稿撰写、可视化处理、结果验证、项目监督、软件应用、方法论研究、数据管理。Ali Co?kun Dalg??：撰写与编辑、结果验证、项目监督、软件应用、资源管理、方法论研究、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系
