绿色化学以增值海鲜副产品：通往可持续发展的环保路线图。

456*7891011121516171819202122232425Vazhiyil Venugopala*, Abhilash Sasidharanbc和 Turid Rustadc通讯作者,vvenugopalmenon @ gmail. comNarayana Mandir, St. Mary 's college road, Thrissur, 喀拉拉邦, 印度 680020c挪威科技大学(NTNU) 生物技术与食品科学系 ， 挪威特隆赫姆 ，7491turid. rustad @ ntnu. no,b13喀拉拉邦水产大学鱼类加工技术系14和海洋研究 ， 喀拉拉邦 ， 印度 ， 682506\abhilash. sasidharan @ ntnu. no,a印度孟买 Bhabha 原子研究中心食品技术部 400085vvenugopalmenon @ gmail. com CONTENTS26 271.0. Introduction282.0. 损失和浪费的海鲜292.1. 海鲜侧流的成分性质303.0. 可持续海鲜生产314.0. 绿色化学使海鲜侧流增值。324.1. 绿色化学原理334.2. 海鲜侧流的绿色加工344.3. 微生物生物转化354.4. Enzyme - based bioconversions364.5. Extractions by green solvents374.6. 非热技术384.7. 等电溶解沉淀 (ISP)394.8. 膜法405.0. 海鲜侧流成分的绿色萃取415.1. Proteins425.2. Lipids435.3. Pigments445.4. 甲壳素、壳聚糖及其寡糖455.5. 糖胺聚糖 (GAG)465.6 矿物化合物475.7. Biofuel486.0. 海洋生物炼制综合生物工艺497.0. 有利于绿色加工的因素。507.1. 生命周期评估517.2 功能活性新型化合物的可用性527.3. Commercial potentials537.4. 绿色加工面临的挑战547.5. 对海产品可持续性的潜在贡献 55Abstract56可持续海产品生产面临的一个主要挑战是57大量富含营养的海鲜侧流 ， 包括 -58捕获 ， 处理丢弃物和处理废水。缺乏59侧流最优估价的综合模型。即将到来60基于绿色化学的加工有可能恢复各种有价值的61来自海鲜侧链的化合物以环保的方式。微生物62和酶促生物转化形成了主要的绿色过程 ， 能够63在温和条件下从海产品基质中释放生物分子。新型64绿色溶剂 ， 由于其低毒性和可回收的性质 ， 可以65提取生物活性化合物。非热技术 ， 如66超声 ， 超临界流体以及膜过滤可以补充67绿色提取。提取的蛋白质 ， 生物活性肽 ， 多不饱和68脂肪酸 ， 几丁质 ， 壳聚糖和其他功能作为营养食品 ， 食品69补充剂、添加剂和其他不同行业的产品。绿色加工可以70还鼓励生物能源生产。多种绿色工艺集成在71海洋生物炼制可以在零废物权衡上优化价值 ，72鼓励循环蓝色经济。这项技术可以解决73环境、经济和技术挑战74海鲜侧流 ， 从而支持可持续的海鲜生产75基于绿色化学的价值化框架有潜力满足76联合国可持续发展目标(SDG) 。 77 关键字: 7879海鲜侧流 ， 绿色化学 ， 海洋生物炼制 ， 价值化 ，海鲜可持续性 商业捕鱼活动和水产养殖提供了多种鱼类和壳类海鲜。鱼类包括鲱鱼、鳕鱼、沙丁鱼、鲻鱼、马鲛鱼、鲑鱼、金枪鱼及其他种类，而 Shellfish 则包括甲壳类（虾、龙虾、磷虾、蟹、帝王蟹）、双壳类（贻贝、牡蛎、蛤蜊、扇贝）、头足类（鱿鱼、章鱼、墨鱼）以及腹足类（鲍鱼、蜗牛）。2020年，全球渔业和水产养殖产量达到2.14亿吨（MT），其中水产养殖产量为1.226亿吨（1）。包括鱼类和壳类海鲜在内的水产品为消费者提供了丰富的营养成分，如蛋白质、不饱和脂肪酸、胡萝卜素、维生素A、D和B族维生素，以及碘、锌、钙、磷、铁和硒等矿物质（2, 3）。 2.0. 损失和浪费的海鲜 食品损失和浪费（FLW）在整个食品价值链中普遍存在，包括水产品。全球渔业每年的损失约为30%。海鲜生产本质上归因于产生了大量的“海洋食品副产品”，包括渔业副 渔获物、加工废弃物和加工废水（1）。副渔获物，由未达到最小尺寸、受损以及少量商业捕捞的鱼类组成，主要是由于破坏性的捕鱼实践所致。副渔获物由于其质量较差， 商业价值较高的产品往往被直接丢入海洋，导致海洋底部氧气水平降低，进而埋葬或窒息海洋生物，损害marine生态系统。（4）大量高价值海产品在集中处理过程中被当作副产品丢弃。预处理操作过程中产生的副产品是在如去头、去鳍、开片、去壳、刮鳞、肉骨分离和清洗等操作过程中产生的。这些副产品的占比从原料的20%到80%不等，具体取决于鱼类或甲壳类动物的种类及其加工方式。鱼类副产品包括鱼头、肝、暗肌、腹部边缘、骨骼框架、脊椎骨、皮、鳞片和内脏、卵子及其他部分，占总湿重的25%-60%（5）。处理虾和龙虾等甲壳类动物会产生大约60%到70%的原料作为副产品，这些副产品主要包括头部、壳、肝和卵子（6-8）。 目前，部分副产品被用作鱼粉、油脂、青贮饲料、肥料、动物饲料等农业和畜牧业用途的原料。丢弃海鲜副产品导致了严重的营养损失，并且产生了严重的环境和经济成本。在美国，2009年至2013年间，约有47%的海鲜供应（包括废弃捕获物）未能供消费者使用。这相当于蛋白质损失约208亿克，以及长链欧米伽-3多不饱和脂肪酸（PUFAs），特别是二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）损失约1.8亿克（9）。 产生大量的废水，这是营养物质损失和环境污染的另一个主要原因。废水中悬浮固体（TSS）含量高，主要是由于悬浮肌纤维蛋白、胶原蛋白、明胶、色素、酶、可溶性肽和氨基酸以及脂肪、油和油脂（FOG）的存在。这些悬浮固体和脂肪、油和油脂的含量导致废水中生物需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）指数升高，表明对微生物生长有利的不良的氧气平衡。这类不利的环境因素特别与鱼粉厂的排放有关。大量捕捞和加工鱼类还会产生副产品，进一步增加了处理挑战。（10） 2.1. 海鲜侧流的成分性质 固体废弃物（按干重计算）可含有高达60%的蛋白质（包括肌动蛋白和胶原蛋白、凝胶蛋白、酶、生物活性肽、必需氨基酸等），7至19%的脂肪（富含Omega-3多不饱和脂肪酸），以及最多30%的灰分，由钙、磷、钠和镁及其他矿物质组成。它们也是壳聚糖、氨基糖聚合物以及其他物质的来源（参考文献8, 11）。壳fish废弃物中蛋白质含量可达65%，灰分含量为21%，壳质素含量为15至20%，还含有少量的脂质和类胡萝卜素（参考文献7）。蟹壳废弃物根据种类的不同，蛋白质含量为72%和34%，灰分含量分别为34%和72%，壳质素含量为34%和7%（参考文献）。 并且含有28.5%的水分、蛋白质和灰分含量（参考文献12）。蟹壳、龙虾壳和鱿鱼骨骼中含有从67%到72%，70%，以及41%不等的壳聚糖含量（参考文献13）。海洋副产品的蛋白质具有良好的生物活性和功能性。这些蛋白质是生物活性肽的来源，具有抗凝血、抗癌、降低胆固醇和其他功能（参考文献11, 14）。鱼油是ω-3多不饱和脂肪酸的优秀来源，具有有趣的治疗作用（参考文献3）。图1展示了食品废弃物回收的层级金字塔以及防止食品浪费的策略。 3.0. 可持续海鲜生产 可持续生产被定义为一种过程，在这个过程中，自然资源的利用、投资分配、技术发展以及组织变革相互协调，以满足当前和未来几代人的需求（第15页）。总体而言，可持续性涉及三个支柱，即：(i) 可再生资源不应以超过其再生速度的速率被开发利用；(ii) 不可再生资源不应以超过可再生替代品开发速度的速率被耗尽；(iii) 自然环境的吸收和再生能力不应被超过（第15页）。减少食物损失和浪费是实现可持续性的主要努力之一（第16页）。（ 图 1) 。 可持续渔业生产正面临多种问题带来的挑战，这些问题包括全球变暖、酸化、过度和破坏性的捕捞、珊瑚礁破坏、污染等。随着人口增长以及对鱼类制品营养价值意识的提高，全球对海鲜的需求正在上升，这引起了特别的关注。人们已经认识到，到2050年，包括海鲜在内的全球食品生产需要增加约50%，届时全球人口预计将超过90亿（17）。据预测，到2050年，海洋食品的潜在需求量将达到约103万吨（18）。目前，已有90%的鱼类资源被开发至最大可持续水平（1）。由于上述问题，海鲜的可用性正显示出下降的趋势。例如，在2018年至2019年间的一次强烈热浪导致价值2亿美元的蟹类产业崩溃（19）。在这种情况下，现有的海鲜并未得到充分利用，主要是因为商品在流通过程中存在严重的损耗和浪费。随着需求的不断上升，营养和环境后果将取决于如何更有效地利用现有资源。因此，有必要以可持续的方式负责任地和公平地使用海洋资源，以应对环境、气候变化、经济限制和海洋产品资源效率方面所面临的挑战（20）。 联合国2030年可持续发展议程包括17项可持续发展目标（SDGs）（21）。该议程认识到，为了满足2050年全球98亿人口的需求，必须紧急保护自然世界。SDG 12旨在确保可持续的消费和生产模式。SDG 12.3的目标是在零售和消费者层面将全球食品浪费减半，并减少生产及供应链中的食品损失，包括收获后的损失。SDG 12.5旨在到2030年通过预防、减少、回收和再利用大幅减少废物产生。食品废弃物的增值涉及海鲜加工商采用管理策略，利用食品副产品生产具有高市场价值的化合物。 有迫切的需要使海洋食品系统具备韧性，以能够以不剥夺后代利益的方式提供食物和营养安全。SDG 14旨在保护水下生命（目标21）。这要求通过蓝色转型来实现海洋生态系统的稳健健康。这可以通过基于科学的政策和新技术来实现，这些技术适用于野生捕捞和水产养殖的海洋食品供应链。这需要充分利用现有的海洋食品资源，包括高潜力的废弃物，以支持海洋食品的可持续性。此类解决方案还解决了诸如气候变化、灾害风险减少、食物和水资源安全、生物多样性丧失和人类健康等重大挑战。 对健康海洋的需求激发了对“蓝色经济”的兴趣，蓝色经济被定义为利用和保护海洋及沿海资源的可持续生产、服务及其他相关活动（21）。 还有其他国际努力来保护海洋健康。这些包括 “联合国海洋十年 ”提供基于科学的解决方案 ， 以实现 2030 年议程在2023年3月5日访问的https://oceandecade.org/以及世界经济论坛（WEF）提供的行动导向型路线图中，预计通过减少食品浪费、水资源使用、降低温室气体（GHG）排放和提高生产力来促进可持续性、包容性、营养和健康。据预测，转型全球食品系统可能带来1万亿美元的经济回报，并有助于创造一个净零、生态积极的世界，同时确保社会公正和食品安全（22；在2023年3月5日访问的https://oceandecade.org/）。其他国际努力包括国际自然保护联盟（IUCN）的“自然2030”计划（https://www.iucn.org/nature-2030，在2023年9月12日访问），世界野生动物基金（WWF）的可持续渔业未来（https://seafoodsustainability.org/，在2023年9月12日访问），以及海洋委员会（https://oceanpanel.org/，在2023年9月12日访问）。大量海鲜副产品需要通过有效的环保策略进行有效利用，以支持可持续性和食品安全（11, 23）。最近在为海鲜寻找价值方面面临的挑战也突显了这一需求的重要性。 处理废弃物亟需可持续利用方案。本文探讨基于绿色化学的海鲜副产品转化优势，以提高海鲜的可持续性。 4.0. 绿色化学使海鲜侧流增值 4.1. 绿色化学原理 绿色化学（也称为可持续化学）在20世纪90年代作为传统价值化方法的一种环境友好替代品出现。它旨在设计减少或消除有害物质使用的化学品和工艺。绿色化学贯穿化学产品