《Biomass and Bioenergy》：Valorization of tropical fruit seed wastes for biodiesel production: A review of extraction technologies, catalytic systems, and biorefinery perspectives
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生物柴油作为可再生能源，其原料从传统食用油转向热带水果废籽，有效缓解食物与燃料竞争。本文系统评估了山竹、木瓜、酸角等七类热带水果废籽的油提取技术（物理压榨、溶剂萃取等）和催化转化性能（均相/非均相催化剂），提出固体残渣的蛋白、多糖等高附加值利用途径，为构建循环生物经济提供理论支撑。
作者：Manita Kamjam, Somkiat Ngamprasertsith, Wirasinee Supang, Ruengwit Sawangkeaw
所属机构：泰国曼谷朱拉隆功大学理学院化学技术系燃料研究中心
摘要
生物柴油作为一种有前景的可再生能源正在逐渐兴起；然而，生物柴油的主要原料是食用油，这引发了粮食安全与燃料生产之间的矛盾。尽管非食用油和废弃物作为生物柴油原料已得到广泛研究，但关于热带水果废弃物种子作为季节性可得、低成本原料的综合性评估（包括提取技术和催化性能方面）仍缺乏探索。本文重点研究了热带水果废弃物种子（如红毛丹（Nephelium lappaceum）、木瓜（Carica papaya）、罗望子（Tamarindus indica）、西瓜（Citrullus lanatus）、橙子（Citrus sinensis、Citrus reticulate、Citrus tangerine、Citrus aurantium）以及芒果（Mangifera indica）和菠萝蜜（Artocarpus heterophyllus）在生物柴油生产中的应用。文章全面综述了各种生物柴油原料、油提取方法及催化酯交换工艺，分析了各自的优缺点，并探讨了该领域的当前发展趋势和未来潜力。同时，还总结了水果加工产业产生的固体残渣的利用价值。研究结果表明，热带水果废弃物种子具有作为生物柴油替代原料的巨大潜力，为废物管理和可再生能源需求提供了可持续的解决方案。
引言
全球能源消耗因人口快速增长和城市化进程而持续增加。交通运输领域对化石燃料的依赖程度很高，预计到2030年其能源需求将增长约60%[1]。然而，全球非可再生能源资源正在迅速枯竭，引发了对其长期可用性的担忧。此外，化石燃料的使用还会排放有害污染物和温室气体，对环境质量和人类健康构成严重威胁[2]。因此，开发可持续的可再生能源对于减少对化石燃料的依赖至关重要。
生物柴油是一种潜在的可再生燃料，具有与传统柴油相似的特性[3]：较高的十六烷值和闪点、较低的温室气体排放、不含硫元素、优异的生物降解性以及良好的润滑性能[3,4]。它是一种脂肪酸烷基酯，通常通过脂质原料与短链醇（如甲醇或乙醇）在均相碱或酸体系下的酯交换反应制备[5]；此外，也采用异相催化和酶催化以及超临界醇法[6,7]进行生产。均相碱催化剂（如NaOH、KOH）因活性高、成本低和反应速度快而在工业生物柴油生产中得到广泛应用[5]，但它们对水和游离脂肪酸（FFA）敏感，容易导致皂化现象并降低产率[8,9,10]。异相催化剂虽有利于分离和重复使用，但合成过程复杂且稳定性有限[8,11,12]。酶催化条件温和且能耐受FFA，但反应速率较慢且酶成本较高[1,10]。催化系统的适用性取决于原料特性，尤其是FFA含量和水分含量，因此原料选择对工艺设计至关重要[5]。
第一代生物柴油原料主要为食用植物油，如棕榈油、大豆油、菜籽油、葵花籽油和椰子油[13]。第二代原料转向了非食用植物油，包括木质纤维素来源和固体废弃物[14]。第一代生物燃料生产的一个主要问题是“粮食与燃料”的冲突——生产更多燃料会导致食品价格上涨[15]。因此，人们越来越关注使用非食用原料来生产生物柴油，以缓解对食用油的依赖[15]。国内生物柴油原料的获取受气候、地理位置、土壤质量和农业生产方式的影响。20世纪90年代中期，原料成本占总生产成本的60%–75%[15]，而目前原料成本约占总生产成本的85%[15,16]。虽然木质纤维素材料和固体废弃物属于重要原料类别，但本文重点关注富含油脂的热带水果种子。这些废弃物在水果加工产业中大量产生，且不会与食品供应链产生竞争[15]。
热带水果是全球第三大重要农产品，其产量近年来显著增加[17,18]。这些水果在经济发展中具有重要意义，有助于保障粮食安全[17,18]。它们被用于工业生产多种产品，过程中会产生废弃物。其中52%为不可食用部分，包括42%的果皮和10%的种子，这些废弃物通常被丢弃[18]。这一问题日益受到关注。热带水果种子富含油脂，适合用于生物柴油生产[16,19,20]。许多研究正在探讨利用这些废弃种子（如红毛丹、木瓜、罗望子、西瓜、橙子、芒果和菠萝蜜）作为生物柴油原料的可能性[19–24]。利用这些种子可减少浪费并最大化资源利用效率[20]。
尽管已有研究探讨了多种原料的生物柴油生产方法，但针对热带水果废弃物种子的综合性研究仍较为有限，尤其是缺乏对其季节性供应、提取路线选择和催化转化效率的关联分析。大多数研究仅针对单一水果品种，未涉及季节性因素、供应链管理或综合生物精炼技术。本文首先评估了热带水果种子的选择与评价方法，随后介绍了油提取技术及其工艺，并评估了它们在生物柴油生产中的有效性。最后，探讨了利用热带水果废弃物种子作为实际生物柴油原料的潜力及其固体残渣的增值潜力，以支持循环生物经济的实现。
热带水果种子作为生物柴油原料的评估
将生物柴油作为环境可持续燃料，需考虑原料的可获得性、环境兼容性和经济性[14]。然而，“粮食与燃料”的争论凸显了利用食用植物油生产生物柴油的挑战，尤其是由于生物柴油行业的竞争导致油价上涨[25]。为此，人们探索了其他生产方法。
油提取技术
在开始油提取之前，首先需收集水果废弃物种子，然后通过空气干燥[38,43]、日光干燥[39,85]或烤箱干燥[19,20,28]去除水分。干燥后的种子经过研磨后进行化学或溶剂提取[19,20,28,31]。也可使用机械压榨设备处理整粒种子[22,42,86]。准备完毕即可进行油提取。表3展示了相关流程。
利用水果种子油生产生物柴油的催化系统
生物柴油可通过多种转化技术制备，主要包括直接混合、微乳化、热裂解（热解）和催化酯交换。直接混合和微乳化虽能改善燃料性能，但不会改变甘油三酯的化学结构，可能导致碳沉积和长期运行问题[1,3,15]。热裂解（热解）可生产不含添加剂的碳氢燃料。
当前趋势与未来展望
水果加工产生的废弃物（通常用于堆肥和动物饲料等低价值用途）是生物柴油生产的宝贵资源。Scopus数据库数据显示，2019–2023年间，关于热带水果废弃物（红毛丹、木瓜、罗望子、西瓜、橙子、芒果和菠萝蜜）转化为生物柴油的研究论文和综述数量呈上升趋势（图4A）。
水果衍生固体废弃物的利用
虽然热带水果种子具有作为生物柴油原料的潜力，但要实现完全可持续的循环经济，必须充分利用所有水果加工副产品。脱脂种子饼（油提取的副产品）的转化至关重要。这些废弃物富含蛋白质、多糖、酚类化合物、膳食纤维和矿物质，可转化为多种生物活性物质。
结论
本文强调了热带水果种子（红毛丹、木瓜、罗望子、西瓜、橙子、芒果和菠萝蜜）作为生物柴油原料的潜力，通过分析种子供应情况、油脂特性、提取方法和催化转化性能，有助于缓解“粮食与燃料”的矛盾。研究表明，高油脂含量并非选择原料的唯一标准，商业可行性才是关键因素。
作者贡献声明
- Manita Kamjam：撰写初稿、开展研究、构建概念框架。
- Somkiat Ngamprasertsith：验证数据、提供监督、筹集资金、构建概念框架。
- Wirasinee Supang：撰写并编辑文本、验证结果。
- Ruengwit Sawangkeaw：撰写并编辑文本、筹集资金、构建概念框架。
写作过程中的人工智能辅助技术说明
在撰写过程中，作者使用了Grammarly等人工智能工具来提升文本的质量和清晰度。使用这些工具后，作者对内容进行了必要的审核和修改，并对出版物的内容负全责。
资金支持
本研究由泰国科学研究与创新基金及朱拉隆功大学资助（项目编号：IND66610028）。此外，还得到了朱拉隆功大学、Second Century Fund（C2F）的支持。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者衷心感谢朱拉隆功大学理学院化学技术系燃料研究中心以及生物转化与生物分离卓越中心、生物技术与基因工程研究所的支持。
