謝欣如、李麗梅、黃雯婕、鄭嘉俊、陳幸德 / 工研院材化所
現代化和工業化帶來生產力和銷售量的急遽提升，也從而增加農產工業食品浪費的產生。因應循環經濟概念，加速開發農產工業食品廢棄資源物作為生物精煉場，以提取有機酸、生化和生物燃料等商業上可行的產品已為趨勢。永續發展取決於對技術經濟挑戰的理解，以及規劃未來策略以克服障礙。本文解析農產工業食品廢棄資源物的複雜性質，以及其價值轉化為商業上可行產品的前處理方法，並探討以循環經濟的概念推廣食品廢棄資源物，運用在生物精煉場的商業化挑戰重點。
【內文精選】
農產工業食品廢棄資源物進行產品高值化開發技術
農產工業食品廢棄資源物的種類，包含：水果/蔬菜加工廢棄物、食用油廢料、咖啡加工廢棄物、廚餘、肉類、家禽廢棄物、啤酒廠加工廢棄物等(圖一)。農產工業和食物廢棄資源物的前處理方法，包含：微波輻射、超音波、蒸汽爆炸、酶水解、熱解、微流體等技術。
圖一、利用農產工業食品廢棄資源物生產高值化產品示意圖
兩種不同類型的醱酵主要用於處理食品廢棄資源物，包含固態醱酵(Solid State Fermentation; SSF)、濕式醱酵(Submerged Fermentation; SMF)。在固態發酵中，微生物(細菌、酵母、真菌)在固體表面(食物垃圾)中生長，與濕式醱酵相比，固態醱酵中的水分含量保持在40~50%，不需要對基質進行前處理，且消耗更少的水和能源。微生物可在合適的pH值範圍內生長，例如pH 4.5~7.0(乳酸菌、梭狀芽胞桿菌和酵母)，具有α-澱粉酶(pH 6.0)、中性蛋白酶(pH 6.0~7.5)和鹼性蛋白酶(pH 8~11)等。微生物可以在不同的pH下進行不同的代謝活動，包括雙歧桿菌和磷酸糖醇酶途徑(pH 3.2)、糖解途徑(Embden-Meyerhof-Parnas; EMP)(pH 4.7~5.0)和混合醱酵(pH 6.0)等。
農產工業和食物廢棄資源物的前處理方法
經濟上可行的產品的食物廢棄資源物處理分三步驟進行：①前處理：將原料改性為可醱酵糖；②醱酵：將預處理糖轉化為生物燃料和其他經濟化合物；③通過蒸餾分離和純化生質燃料。因此，糖是生物質轉化為經濟產品最關鍵的中間平台。提取糖的主要障礙為木質纖維素生物質的晶體結構，半纖維素和木質素的組合，在纖維素周圍提供了保護鞘，纖維素是結晶的，使其高度不溶且抗衝擊。為了提高處理效率，通常採用各種前處理方法，在處理步驟之前誘導結構變化並軟化生物質，包括：物理、化學、生物和物理化學前處理方法(表一)。
表一、農產工業廢棄資源物前處理方法的優缺點比較
農產工業廢棄資源物再利用的挑戰
開發農產工業廢棄資源物的價值，有助於實現循環經濟的概念，通過研究和開發，未來具有多種前景和挑戰需要解決。這些挑戰有時特定於所使用的目標農產工業廢棄資源物，或者可能與需要根據其價值制定的產品類型相關聯。這些挑戰是限制基於農產工業廢棄資源物生物精煉場(Biorefinery)永續實施的主要障礙。主要挑戰包含以下三點討論：①前處理策略的挑戰；②產品開發和純化方面的挑戰；③降低生物燃料生產成本的整合生物加工方法。
①前處理策略的挑戰：水解、熱解和其他熱化學方法等預處理方式可能導致某些抑制性物質(如糠醛及其衍生物)的形成，這些物質可能會干擾最終產品開發，特別是在微生物醱酵過程中，會釋放出抑制性化合物，例如：有機酸、呋喃和芳香族化合物等物質，可轉化為酮和醛。
②產品開發和純化方面的挑戰：提取的纖維素、果膠、澱粉、膠原蛋白、木質素和羥基磷灰石等聚合物，具有高度的生物相容性和生物降解性，但它們受損的流變性能(如拉伸強度、伸長率和熱相容性)是限制其在材料工業中商業化的主要因素。
③降低生物燃料生產成本的整合生物加工方法：基於農產工業廢棄資源物生物精煉場的生命週期評估(Life Cycle Assessment; LCA)、社會生活評估(Social Life Assessment; s-LCA)和生命週期成本(Life Cycle Costing; LCC)的數據，需要更多的研究累積，以及更長的時間才能實現持續目標。其會因物流問題、技術經濟限制和季節變化而受到限制---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》431期，更多資料請見下方附檔。