الاستفادة من المنتجات الثانوية يتسبب قطاع الأغذية في تدفق كبير للنفايات ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أوجه القصور الناشئة عن تلف المنتج وفقدانه في جميع مراحل معالجة الأغذية وسلسلة التوريد ، مع NanoPro ، نقدم خدمات استشارية لشركات الأغذية الصناعية التي تنتج على مستويات مختلفة.
Table of Contents
أهمية المخلفات الغذائية ( الاستفادة من المنتجات الثانوية ) من وجهة نظر غذائية وبيئية واقتصادية
تعتبر مخلفات الطعام مصدرًا هامًا للكربوهيدرات المعقدة ، والبروتينات ، والدهون ، والمواد الكيميائية النباتية ، وذلك لاحتوائها على نسبة عالية من السكريات ، والألياف الغذائية ، والزيوت ، والفيتامينات ، والفينولات ، والكاروتينات ، والأصباغ الأخرى. لذلك ، تعتمد الفوائد الصحية المحتملة للأطعمة المهدرة على محتوياتها العالية من المركبات النشطة بيولوجيًا. (10،11) لهدر الطعام آثار اجتماعية مرتبطة بفقدان المغذيات والجوع في العالم. يمكن للأطعمة المهدورة أن تسد نظريًا الفجوات الغذائية لملايين الأشخاص. على سبيل المثال ، يمكن أن توفر الكمية السنوية من فقد الطعام وهدره نظامًا غذائيًا يبلغ 2100 سعرة حرارية يوميًا لملياري شخص. وفقًا لسجلات منظمة الأغذية والزراعة ، فإن احتمال فقد الأغذية وهدرها أمر بالغ الأهمية حيث تشير التقديرات إلى أن 690 مليون شخص يعانون من الجوع في عام 2019. وقد زاد هذا العدد بشكل كبير خلال جائحة COVID-19 ، ومن المتوقع أن يزداد أكثر. (5،12) تتكون نفايات الطعام من الإمدادات الغذائية الأمريكية في عام 2012 على مستوى البيع بالتجزئة والمستهلكين من 33 جم من البروتين ، و 5.9 جم من الألياف الغذائية ، و 1.7 ميكروغرام من فيتامين د ، و 286 مجم من الكالسيوم ، و 880 مجم من البوتاسيوم ، و 1217 سعرة حرارية للفرد في اليوم. (13) أيضًا ، تم الإبلاغ عن أن الكالسيوم المهدر ، والكولين ، والريبوفلافين ، والزنك ، وفيتامين ب 12 ينشأ بشكل خاص من فقدان اللحوم ومنتجات الألبان والبيض. (3) نفايات الطعام اليومية للفرد تعادل 795-840 سعرة حرارية. والكاروتينات لها أعلى قيمة بنسبة 31٪ ، وفيتامين د أقل قيمة بنسبة 25٪ ضمن جميع العناصر الغذائية المهدورة. (14) بسبب هذه الأطعمة المغذية المهدرة ، يمكن أن يوفر الحد من هدر الطعام المزيد من العناصر الغذائية المتاحة للاستهلاك البشري. (12) إذا لم يتم اتخاذ الاحتياطات اللازمة للحد من هدر الطعام ، ولم يتم التخطيط لاستهلاك الغذاء وإنتاجه ، فإن العالم في عام 2050 ، الذي يبلغ عدد سكانه أكثر من تسعة مليارات نسمة ، سيحتاج إلى 60٪ من الغذاء أكثر ، أي ما يعادل 2 مليار طن على الأقل. تشير التوقعات إلى أنه يمكن تقليص الفجوة الغذائية في عام 2050 بنسبة 20٪ من خلال تقليل هدر الغذاء العالمي بمقدار النصف. (15) للنفايات الغذائية آثار بيئية واقتصادية إلى جانب آثارها الاجتماعية ( الشكل 1 ). هدر الطعام له آثار مدمرة على تغير المناخ. (16) مساهمة البصمة الكربونية المقدرة لنفايات الطعام في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري (GHG) تساوي 3.3 مليار طن من تراكم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي سنويًا. (17) تم التحقيق في اتجاهات استهلاك الغذاء وتوليد النفايات لـ 17110 من أفراد الأسرة في الصين ، وهي دولة ذات كثافة سكانية عالية ، بناءً على تقدير كمية الكربون والماء والبصمة البيئية للأسرة. نتج عن الاستهلاك السنوي للغذاء في المنزل (415 كجم) 1080 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون من الكربون ، و 673 م 3 من الماء ، و 4956 جم 2 من البصمات البيئية ، في حين أن الهدر السنوي للأغذية في المنزل (16 كجم) يسبب 40 كجم ثاني أكسيد الكربون معادل الكربون ، 18 م 3 من الماء ، و 173 جم 2 من البصمات البيئية. (18) يمكن أن تؤدي مخلفات الطعام أيضًا إلى العديد من المشكلات البيئية الأخرى ، حيث يتم التخلص منها دون أي معالجة مسبقة مناسبة عن طريق دفن النفايات أو الحرق في مواقع الإغراق. (2) تنشأ بعض القضايا البيئية التي تسبب صعوبات في التنفس للكائنات الحية وتلوث الهواء بسبب الديوكسين والرماد وغازات المداخن المنبعثة في الغلاف الجوي عن طريق حرق فضلات الطعام. (2،17) كما هو الحال مع حرق نفايات الطعام ، تلوث المنتجات الثانوية السامة المياه الجوفية وتسبب الغازات المسببة للتآكل ، مثل الميثان وكبريتيد الهيدروجين ، التي يتم إنشاؤها عن طريق دفن نفايات الطعام. (2) يقلل دفن نفايات الطعام من محتواها من الطاقة. يعادل فقدان الطاقة في مواقع دفن النفايات 43٪ من الطاقة المسلمة لإعداد الطعام في الولايات المتحدة وأكثر من 100٪ من الطلب السنوي الحالي على الطاقة المتجددة للصناعات في المملكة المتحدة (16)
قضية أخرى مهمة تتعلق بهدر الطعام وفقده هي المشاكل الاقتصادية. التكلفة العالمية التقريبية لهدر الطعام تساوي 1000 مليار دولار سنويًا. يمكن أن يرتفع هذا الرقم إلى 2600 مليار دولار عند أخذ التكاليف البيئية المتجاهلة في الاعتبار. (19) أفادت منظمة الأغذية والزراعة (الفاو) أن التكلفة الإجمالية للنفايات الغذائية في عام 2007 بلغت 750 مليار دولار تقريبًا ، وهو ما يعادل تقريبًا الناتج المحلي الإجمالي لتركيا وسويسرا في عام 2011. تساهم الخضروات بشكل أساسي في التكلفة الاقتصادية لهدر الطعام وخسارة بنسبة 23٪ ، كما تساهم اللحوم والفواكه والحبوب في التكلفة الإجمالية بنسب 21٪ و 19٪ و 18٪ على التوالي. (4) سنويًا ، يتم إنتاج أكثر من 55 مليون طن متري من نفايات الطعام التي يمكن تجنبها في الولايات المتحدة ، وهو ما يعادل 29 ٪ تقريبًا من الإنتاج السنوي. وتبلغ تكلفة هذه الأطعمة المهدرة 198 مليار دولار. (20) ضاع ما لا يقل عن 18.6 مليار دولار في المملكة المتحدة مع 8.3 مليار طن متري من نفايات الطعام المنزلية السنوية. (20،21) لذلك ، نظرًا لأن الحد من هدر الطعام يمكن أن يساعد في توفير غذاء كافٍ لعدد السكان المتزايد على مستوى العالم ، فهي قضية حاسمة من حيث الاقتصاد والبيئة والمجتمع. (22)
(الاستفادة من المنتجات الثانوية )إدارة النفايات الغذائية:
الخيار الأول لإدارة نفايات الطعام هو منع تولد النفايات. تعتبر إعادة الاستخدام وإعادة التدوير من الخيارات الثانوية في إدارة المخلفات الغذائية. (23،24) تم تطوير طرق أخرى ، مثل تقليل وإعادة الاستخدام وإعادة التدوير ، ومسؤولية المنتج الممتدة ، والإدارة المستدامة للحد من هدر الغذاء ، لإدارة هدر الطعام. (23) يمكن أيضًا منع خسائر الغذاء من خلال الاستثمارات المحلية ، والتعليم ، وضمان سلسلة التبريد ، وتحسين مرافق التعبئة والتغليف والتسوق في البلدان منخفضة الدخل. بالنسبة للبلدان ذات الدخل المرتفع ، يمكن أن يكون تعزيز الاتصال في سلسلة التوريد ، وتحسين تخطيط الشراء / الاستهلاك ، والوعي بأفضل المواعيد قبل الموعد ، خيارات لمنع فقدان الغذاء. (8،25) لإدارة أو تقليل هدر الطعام ، تطبق البلدان العديد من السياسات للأفراد والمؤسسات والشركات ، اعتمادًا على سلوكيات المستهلكين ومستويات الدخل ومستويات التنمية. (22،26) يدعم توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن النفايات أعضائه لإعداد البرامج المطلوبة لإدارة وتقليل هدر الطعام بنسبة 30٪ بحلول عام 2025. تطبق إيطاليا وفرنسا نفس البرامج في جميع أنحاء البلاد ، بينما تطبق النمسا وجمهورية التشيك وبولندا وهولندا والسويد ، واسكتلندا ، برامجهم على مستوى البلديات. (24) أيضًا ، في الولايات المتحدة ، يُفضل تحدي نفايات الطعام (FWC) وتحدي استرداد الغذاء (FRC) كبرنامجين للتعرف على تقليل النفايات. (22)على الرغم من أن أفضل الخيارات هي منع أو تقليل هدر الطعام ، وفقًا لطرق إدارة مخلفات الطعام ، يمكن اعتبار تثمين هدر الطعام أحد أفضل الطرق عندما يكون المنع أو الحد غير ممكن. يشير التثمين إلى تحويل نفايات الطعام السابقة إلى منتجات غذائية وأعلاف. ويشمل أيضًا تحويل مخلفات الطعام إلى أغذية مستخرجة ومكونات الأعلاف ، مع مراعاة جودة مخلفات الطعام ومتانتها وتكوينها. يتطلب تحويل مخلفات الطعام تقييم ظروف السوق فيما يتعلق بالجدوى التكنولوجية ، والجدوى الاقتصادية ، والتقرير التشريعي ، والاستدامة البيئية والمنفعة. (27) تتكون نفايات الطعام ، التي من المحتمل أن تحتوي على الكربوهيدرات والبروتينات والدهون والمغذيات ، من مكونات مختلفة. (10،17) تُشتق الكربوهيدرات في الغالب من نفايات الطعام التي تحتوي على الأرز والخضروات ، في حين أن البروتينات والدهون مشتقة في الغالب من مخلفات اللحوم والبيض. (17) بدأ تقييم نفايات الطعام على أنها كتلة حيوية قيمة يمكن استخدامها كمنتجات مربحة بدلاً من التخلص من النفايات التي لا يمكن السيطرة عليها. نظرًا لأن نفايات الطعام متجددة وغير مكلفة ، فقد تكون مفيدة للحصول على الطاقة والوقود الحيوي والإنزيمات ومستخلصات مضادات الأكسدة والمواد الجديدة القابلة للتحلل البيولوجي والمنتجات التجارية الأخرى. (9) على الرغم من الإشارة إلى أن الحكومات في الاتحاد الأوروبي (EU) ستكافح من أجل تثمين نفايات الطعام على نطاق أوسع خلال العقود القادمة ، فقد حدد الاتحاد الأوروبي مفهوم تثمين النفايات الحيوية للحصول على منتجات أكثر قيمة في عام 2010. حاليًا ، طمر النفايات ، التسميد ، والحرق هي ثلاثة خيارات شائعة لمعظم نفايات الطعام المنتجة في الاتحاد الأوروبي. ومع ذلك ، أدت الزيادة في شراء القوة وتدهور إدارة الغذاء إلى زيادة تولد مخلفات الطعام في العقود الأخيرة ، مما يجعل تثمين الغذاء موضوعًا بالغ الأهمية للمجتمع. (28)
طرق تثمين المخلفات الزراعية الغذائية / المنتجات الثانوية( الاستفادة من المنتجات الثانوية )
المنتجات ذات القيمة المضافة ، وهي المواد الكيميائية الدقيقة ، والمغذيات ، ومضادات الأكسدة ، والنشطات الحيوية ، والبوليمرات الحيوية ، والببتيدات الحيوية ، والمضادات الحيوية ، والإنزيمات الصناعية ، والمركبات الحيوية ، والبروتينات أحادية الخلية ، والسكريات ، وممتزات الكربون المنشط ، والكيتوزان ، ومثبطات التآكل ، والأحماض العضوية ، والأصباغ ، والسكريات وإسترات الشمع وصمغ الزانثان يمكن استعادتها باستخدام مخلفات الطعام كركيزة. (29،30) تؤدي المعالجة التقليدية لمخلفات الطعام مثل الدفن والحرق إلى مشاكل بيئية واقتصادية واجتماعية. وبالتالي ، فإن العديد من طرق التثمين المتاحة ، والتي تعتبر أكثر استدامة وربحية لإدارة المخلفات الغذائية ، تظهر كخيارات بديلة للحصول على المنتجات ذات القيمة المضافة المذكورة أعلاه. أيضًا ، المواد الكيميائية الخاصة المكررة من نفايات الطعام ، والتي تتراوح من المذيبات إلى المواد المضادة للأكسدة ، ضرورية للتطبيقات الغذائية والمواد الحيوية. (30) يجب تطبيق الطرق المجمعة ، بما في ذلك الخطوات الكيميائية الحيوية والكيميائية والفيزيائية ، لفصل المركبات التي يحتمل أن تكون قابلة للتسويق والموجودة في نفايات الطعام والمنتجات الثانوية لاستخراج وتعديل المكونات المفضلة بشكل انتقائي وتغييرها إلى منتجات غذائية وإضافات ذات قيمة أعلى. يجب تطبيق هذه الطرق بعناية لتجنب المخاطر الميكروبيولوجية والتأكد من أن المنتجات النهائية مناسبة لذوق المستهلكين ويتم إنتاجها من خلال اتباع اللوائح الغذائية. (8)يمكن فقط للاستخدام الفعال للموارد المتجددة واستغلال الكربون المتجدد أن يحل محل الموارد الأحفورية لإنتاج المواد الكيميائية والمواد والبوليمرات والوقود والطاقة. سيكون التطور الصناعي مستدامًا من خلال استخراج المنتجات المتخصصة ، والتحويل عن طريق العمليات الكيميائية أو التقنية الحيوية الخضراء ، والتكرير الحيوي المتكامل ، والتكافل الصناعي ، والمعالجة المتتالية ، والمعالجة في الموقع لتيارات النفايات الموسمية ، والتي يتم الحصول عليها من خلال الاستغلال الفعال للمخلفات الزراعية والغابات ، المائية الكتلة الحيوية ، ومجاري النفايات المختلفة. (31) يجب استخدام المنتجات المشتركة ، غير المناسبة لاستغلال الغذاء ، كمصادر للطاقة بعد تطبيق التخمير ، وإنتاج الغاز الحيوي ، والتسميد ، مما يشير إلى أن نهج التكرير الحيوي المتكامل يمكن أن يوفر تثمين نفايات الطعام لإنتاج الجزيئات النشطة بيولوجيًا للأدوية ومستحضرات التجميل والتطبيقات الغذائية وغير الغذائية. (8)
مصفاة بيولوجية لمخلفات الأغذية الزراعية / المنتجات الثانوية
يمكن أن يساهم التثمين الفعال للمنتجات الثانوية التي يتم الحصول عليها أثناء إنتاج الكتلة الحيوية ، مثل المخلفات الزراعية ونفايات معالجة الأغذية ومخلفات الطعام ، في الاقتصاد الحيوي العالمي. (32) مفهوم المصفاة الحيوية ، الذي تم قبوله بسرعة كبديل مستدام من قبل المجتمع العلمي ، يشمل الطاقة والإنتاج التجاري عن طريق إعادة تدوير نفايات الطعام. (33) تعمل تقنيات التكنولوجيا الحيوية ، بما في ذلك الهضم اللاهوائي والتخمير والتسميد ، على تحويل الكتلة الحيوية للنفايات الوفيرة ومنخفضة التكلفة إلى منتجات تكرير حيوية مثل الوقود الحيوي والأسمدة الحيوية للكتلة الحيوية واللدائن الحيوية والمواد الكيميائية الثانوية. (32-34) بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لتقنيات التكنولوجيا الحيوية هذه تحويل نفايات الأغذية الزراعية إلى مواد ماصة فعالة ذات أساس حيوي تستخدم في المعالجة الحيوية للعديد من الملوثات الموجودة في مياه الصرف الصحي. (33) سيتم تغيير التصور العام لمخلفات الطعام من خلال استخدام نفايات الطعام بشكل أكبر في التخليق الكيميائي لإنشاء اقتصاد الحلقة المغلقة من خلال توفير سلسلة التوريد المتجددة. على سبيل المثال ، تم الاتفاق مؤخرًا على اتفاقية مؤقتة بشأن سياسة الطاقة المتجددة ، والتي تهدف أيضًا إلى إلزام تطوير الوقود الحيوي المشتق من النفايات ، من قبل الاتحاد الأوروبي. تم التخطيط للاتفاقية التي تحدد المصفاة البيولوجية على أساس نفايات الطعام لتكون لها دور حاسم في المساهمة في مجتمع أكثر استدامة وأكثر اخضرارًا في المستقبل. (30) وبالتالي ، فإن إدارة مخلفات الطعام بمفهوم التكرير الحيوي لها تأثيرات بيئية إيجابية ، بسبب انخفاض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، وتقليل العبء البيئي للتخلص منها ، وكونها أكثر استقلالية حول استخدام المصادر القائمة على الأحافير لتوليد الوقود. (33،34)
استخدام النفايات الغذائية كوقود حيوي
يتم تعريف الوقود الحيوي ، الذي يمكن أن يكون في أشكال صلبة وسائلة وغازية ، على أنه الطاقة الناشئة من الكتلة الحيوية والمنتجات المكررة من الكتلة الحيوية ، والتي تتكون من الإيثانول الحيوي والديزل الحيوي والكيروسين الحيوي والغاز الطبيعي وما إلى ذلك. تستخدم على نطاق واسع في الأنشطة البشرية اليومية مثل الطهي والإضاءة والتدفئة. (35) يتم دعم إنتاج الوقود الحيوي ، كوقود بديل ، بشكل متزايد في جميع أنحاء العالم ، بسبب المشاكل المتعلقة بإنتاج واستمرارية النفط والوقود القائم على الفحم. (36) في الوقت الحاضر ، تعمل البلدان على الاستفادة من نفاياتها الغذائية كوقود. على سبيل المثال ، يركز مشروع يشمل بلدان الشمال الأوروبي على سياسات زيادة استخدام نفايات الطعام والبحث عن تقنيات جديدة لتحويل نفاياتها إلى وقود للنقل. تستخدم الدنمارك وفنلندا والسويد حاليًا نفاياتها الغذائية مثل نفايات الفاكهة والنباتات ، والنفايات الحيوانية ، ونفايات المخابز ، والمخلفات الحيوية من المنازل ، والمنتجات الثانوية الزراعية ، والأصول الصناعية والتجارية في وقود الديزل الحيوي ، والإيثانول الحيوي ، وإنتاج الغاز الحيوي. (37) يتم تلخيص بعض أنواع الوقود الحيوي الأكثر شيوعًا وتطبيقاتها في الفقرات التالية. يتم إنتاج وقود الديزل الحيوي ، وهو حمض ميثيل إستر من الأحماض الدهنية ، من عدة زيوت نباتية ، بما في ذلك فول الصويا وبذور اللفت والكانولا ، عن طريق الاسترة التبادلية المباشرة أو غير المباشرة. (2،36) دراسة Karmee و Lin مثال على استخدام نفايات الطعام منخفضة التكلفة في إنتاج وقود الديزل الحيوي. (36) حصلوا على الدهون عن طريق التحلل المائي الفطري لمخلفات الطعام ، ويتم تحويل هذه الدهون لإنتاج وقود الديزل الحيوي. يتم الحصول على الغاز الحيوي مثل الميثان الحيوي / الهيدروجين / الهيثان ، وهو وقود حيوي آخر ومصدر للطاقة المتجددة ، عن طريق الهضم اللاهوائي لبقايا الكتلة الحيوية للأغذية الزراعية ، مع مراعاة تشريعات الطاقة المتجددة في الاتحاد الأوروبي. (2،38) ومع ذلك ، فإن بعض المكونات في الغاز الحيوي ، مثل كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والهيدروجين والأكسجين وبخار الماء ، تسبب انخفاضًا في القيمة الحرارية مقارنة بالغاز الطبيعي. تتضمن بعض التقنيات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية تقنيات التنظيف والارتقاء لتقييم جودة الغاز الحيوي الخام. يمكن إعطاء الطرق البيولوجية ، والفصل المبرد ، وفصل الهيدرات ، وإثراء الأغشية ، والارتقاء بالموقع ، والمراحل المتعددة ، والهضم اللاهوائي عالي الضغط كأمثلة لتقنيات تطوير الغاز الحيوي الحديثة المتقدمة. (39) كمثال على إنتاج الغاز الحيوي من مخلفات الطعام ، ركزت دراسة على تحسين عملية الهضم اللاهوائي المستخدمة في إنتاج الغاز الحيوي. (40) وخلصوا إلى أن الاستخدام العملي للموجات فوق الصوتية أثناء المعالجة المسبقة لمخلفات الطعام والهضم اللاهوائي يزيدان من إنتاج الغاز الحيوي خلال فترة زمنية أقصر. في الآونة الأخيرة ، تم تطوير عملية مبتكرة للهضم الميكروي الحالة الصلبة لتثمين نفايات الطعام عن طريق تحطيمها. تجعل هذه التقنية عملية الهضم اللاهوائي عملية مضغوطة تتطلب القليل من الماء والطاقة. تم إنتاج كمية 143 لتر / كجم من الميثان عن طريق عملية الهضم الدقيق للكائنات الدقيقة ذات الحالة الصلبة ، والتي من المخطط تحسينها لزيادة قابليتها للتطبيق وتحسين ظروف العملية. (41) وقود حيوي شائع آخر هو الكحول الحيوي ، والذي يعتبر وقودًا سائلًا بديلاً ناشئًا ، بسبب خصائصه الشبيهة بالبترول. (33) إنه يمثل وقود النقل الأكثر تداولًا ، والذي يحقق حيادية الكربون ويتوافق مع محرك الاحتراق الداخلي. (42) ينتج الإيثانول عن طريق التخمر الميكروبي للعديد من المواد الأولية ، بما في ذلك البطاطس ، والدبس ، والذرة ، والقمح ، وقصب السكر ، وتفل قصب السكر ، وبنجر السكر ، والحبوب ، والعشب ، والشعير ، والعديد من المصادر الأخرى الغنية بالكربوهيدرات. الكحول الحيوي الأكثر شيوعًا. (33،36) بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام نفايات الوجبات السريعة ، كمصدر جيد للكربوهيدرات ، لإنتاج الإيثانول الحيوي. على سبيل المثال ، تم إنتاج الإيثانول عن طريق التحلل المائي الأنزيمي باستخدام α-amylase وعملية التخمير من نفايات البيتزا مع أعلى عائد يبلغ 0.292 جم / جم من نفايات البيتزا (43) ونفايات الهمبرغر مع أعلى ناتج يبلغ 0.271 جم / جم من نفايات الهمبرغر. (44) يتم إنتاج Biochar ، وهو وقود حيوي غني بالكربون ، من خلال عملية التفحم (أو الانحلال الحراري) ، عن طريق تسخين الكتلة الحيوية فوق 250 درجة مئوية في ظل ظروف هواء محدودة أو معدومة. (45) يتم استخدامه كمادة كربونية متجددة في العديد من المجالات ، وخاصة تعديل التربة والإدارة البيئية. (30،45) على سبيل المثال ، إلى جانب فوائد الفحم الحيوي في التوسط في حموضة التربة ، وقدرة الاحتفاظ بالمياه ، وقدرة التبادل الكاتيوني ، والاحتفاظ بالمغذيات ، فإنه يعتبر قطبًا مناسبًا في المكثفات الفائقة ، والتي تُستخدم داخل أجهزة تخزين الطاقة الخضراء. (30)
المواد الحيوية القيمة
يتم الحصول أيضًا على البوليمرات الحيوية ، والبلاستيك الحيوي ، والأسمدة الحيوية ، والإنزيمات ، والأحماض العضوية ، والبروتين أحادي الخلية (الكتلة الحيوية الميكروبية) من نفايات الأغذية الزراعية / المنتجات الثانوية مع تطبيق علاجات مختلفة مثل التخمير والسماد. تُستخدم هذه المواد الحيوية القيمة في صناعات مستحضرات التجميل والأدوية والكيماويات والأغذية والمشروبات. (33) الإنزيمات ، وهي مكونات مهمة للمنتجات والعمليات المختلفة ، لها أهمية كبيرة في الصناعة ، لأنها تظهر خصوصية ضد الركيزة والمنتج ، وظروف التفاعل المعتدلة ، وتشكيل المنتجات الثانوية بكمية دنيا ، وعائد مرتفع. تكاليف المواد الخام مسؤولة عن ما يصل إلى 30٪ من إجمالي تكلفة إنتاج الإنزيمات. (46) لذلك ، يعد استخدام مخلفات الطعام والمنتجات الثانوية خيارًا جيدًا لتقليل تكاليف المواد الخام لإنتاج الإنزيمات. كما أنه يقلل من كمية النفايات ويمنع آثارها السلبية على البيئة. هناك العديد من الدراسات حول استعادة الإنزيمات من مخلفات الطعام والمنتجات الثانوية في الأدبيات. على سبيل المثال ، α-amylase من نفايات القهوة عن طريق تخمير الحالة الصلبة مع سلالة فطرية من Neurospora crassa CFR 308 ، (47) غلوكواميلاز من نفايات الطعام عن طريق التخمير المغمور باستخدام Aspergillus niger UV-60 ، (48) والليباز من نفايات البطيخ بواسطة تخمر الحالة الصلبة باستخدام Bacillus coagulans ، (49) تم استردادها. حمض اللاكتيك ، السكسينيك ، الستريك ، 3-هيدروكسي بروبيونيك ، الأسيتيك ، وأحماض الزبد هي من بين الأحماض العضوية المنتجة من نفايات الطعام ، ويتأثر إنتاج الأحماض العضوية بالتولد الحمضي بتكوين نفايات الطعام. (2) في دراسة Kim et al. ، تم استخدام نفايات ملفوف الكيمتشي في إنتاج الأحماض العضوية مع بكتيريا حمض اللاكتيك. أظهرت النتائج أن الأحماض العضوية تشمل 12.1 و 12.7 جم / لتر حمض اللاكتيك و 7.4 و 7.1 جم / لتر من حامض الفوماريك و 4.5 و 4.6 جم / لتر من حامض الخليك من نفايات ملفوف الكيمتشي مع Lactobacillus sakei WiKim31 و L. تم الحصول على curvatus WiKim38 ، على التوالي ، من خلال التطبيق المتزامن للتخمر والتخمر لمدة 48 ساعة. (50) أيضًا ، في دراسة أخرى ، تم الحصول على 47.3 جم / لتر من حمض السكسينيك من نفايات الخبز عن طريق تخمير الحالة الصلبة باستخدام Aspergillus awamori و Aspergillus oryzae ، والتي يمكن أن تنتج إنزيمات معقدة تحتوي على كمية عالية من الإنزيمات المحللة للنشواني والإنزيمات المحللة للبروتين ، على التوالي. (51) من المنتجات القيمة الأخرى التي يتم الحصول عليها من نفايات الأطعمة التي تحتوي على تخمير ميكروبي هو البروتين أحادي الخلية. (52) يتزايد الطلب على صياغة مصادر غذائية بروتينية مبتكرة وبديلة ، بسبب المخاوف بشأن النمو السكاني وزيادة عدد الجياع وسوء التغذية المزمن. الخطوة الأكثر أهمية للاستجابة لهذا الطلب هي إنتاج البروتين أحادي الخلية. (53) يمكن استخدام البروتين أحادي الخلية ، وهو البروتين المستخرج من الكتلة الحيوية الميكروبية مثل البكتيريا والخميرة والطحالب والفطريات ، كمصدر بروتين مكمل بدلاً من مصادر البروتين التقليدية عالية التكلفة في النظام الغذائي البشري الأساسي للتخفيف من المشكلات المتعلقة بندرة البروتين. (33،53،54) إلى جانب الفوائد الغذائية لاستخدام البروتينات أحادية الخلية في النظام الغذائي للإنسان أو الحيوان ، هناك ميزة أخرى تتمثل في تقليل تكاليف المنتجات النهائية أثناء صياغة مخزون الغذاء والأعلاف الغني بالبروتين باستخدام منتجات التحويل الحيوي من مخلفات الزراعة والصناعة. (53) كمثال على التكنولوجيا الحيوية المبتكرة ، تم استخدام العديد من أنواع الحشرات لتثمين الكتل الحيوية المتبقية. يمكن للحشرات أن تدمج العناصر الغذائية للنفايات العضوية في أجسامها. يمكن أن تقلل قدرة الحشرات هذه من كمية النفايات ، مما يخلق كتلة حيوية أكثر قيمة ومتجانسة. (55) على سبيل المثال ، توفر المعالجة الحيوية لمخلفات الطعام بواسطة يرقات ذبابة الجندي الأسود ( Hermetia illucens ) تقليل حجم النفايات وإنتاج علف حيواني عالي الجودة. يمكنه استرداد وإعادة تدوير وتثمين نفايات الطعام كمكونات لأعلاف الحيوانات والأسمدة العشبية. (56) البوليمرات الحيوية ، المنتجات الهامة الأخرى التي يتم الحصول عليها من نفايات الطعام والمنتجات الثانوية ، تشمل مجموعة متنوعة من المنتجات. تُستخدم هذه البوليمرات الحيوية في تطبيقات مهمة في صناعات مختلفة مثل الطب ومستحضرات التجميل والصناعات الدوائية والغذائية ومعالجة المياه وإنتاج وتطوير أجهزة الاستشعار الحيوية والبلاستيك الصناعي وأقمشة الملابس ، نظرًا لقابليتها للتحلل البيولوجي ، ووظائفها الحيوية ، واستقرارها الحيوي ، وتوافقها الحيوي. (57) تُستخدم نفايات الطعام أيضًا في إنتاج البلاستيك الحيوي بما في ذلك بولي هيدروكسي ألكانوات (PHA) وبولي هيدروكسي بوتيرات (PHB) كبوليمرات عضوية يمكن أن تتحلل تمامًا إلى ثاني أكسيد الكربون والماء في غضون أشهر بعد دفنها. (2) لذلك ، يساهم إنتاج البلاستيك الحيوي من نفايات الطعام في الحد من نفايات البلاستيك ومخلفات الطعام. (58)
طرق استخلاص المركبات ذات القيمة من مخلفات الأغذية الزراعية / المنتجات الثانوية
يمكن الحصول على الجزيئات الحيوية ، والبوليمرات الحيوية الطبيعية ، والمواد الكيميائية النباتية مباشرة عن طريق الاستخراج بدلاً من توليفها من المواد الكيميائية القائمة على البترول. (32) بمجرد استخراج هذه المنتجات الحيوية القيمة ، يمكن اعتبارها منتجات عالية القيمة مثل المضافات الغذائية والمغذيات والعلاجات ومستحضرات التجميل. (33) ومع ذلك ، يجب النظر في الجدوى الاقتصادية لاستخراج المكونات عالية القيمة. من أجل توفير هذه الجدوى الاقتصادية ، يجب استخراج المكونات المرغوبة بطريقة مناسبة للحصول على جميع المكونات المقيمة للاستغلال الكامل للنفايات. (8)تُظهر تقنيات الاستخراج المطبقة اختلافات بناءً على طبيعة مصفوفة الغذاء والمكون الغذائي النشط بيولوجيًا الذي سيتم استخراجه. (33) أيضًا ، تؤثر طريقة الاستخراج المستخدمة والمصفوفة الخلوية للمنتج الثانوي بشكل كبير على معدل الاسترداد للكيان الكيميائي. (59) يمكن تقسيم تقنيات الاستخراج إلى تقنيات تقليدية وغير تقليدية. (60) تتميز الطرق التقليدية ، التي تتكون من الاستخلاص بالمذيبات ، والسوكسليت ، والتعطين ، والتقطير المائي ، بالحرارة ، والإثارة ، والمذيبات العضوية مثل الميثانول ، والإيثانول ، والأسيتون. (33،60) لتعظيم مقاومة المكونات النشطة بيولوجيًا ، يجب اختيار معلمات التشغيل بما في ذلك درجة الحرارة ووقت التلامس ودرجة الحموضة وحجم الجسيمات ونسبة المواد الصلبة إلى السائلة ومعدل التحريك بشكل مناسب. وقت استخلاص أطول ، حجم كبير من استخدام المذيبات مما يتسبب في توليد كمية كبيرة من النفايات السامة ، والحاجة إلى تطبيق تقنية العزل أو التصفية كخطوة نهائية للحصول على المستخلص بدون أي بقايا مذيبات أو شوائب بسبب استخدام المذيبات العضوية السامة والمكلفة هي عيوب هذه التقنيات التقليدية. (33،61) يؤدي تقليل استهلاك المذيبات ووقت الاستخراج وتحسين كفاءة الاستخراج واستخدام المذيبات الأكثر اخضرارًا إلى تقنيات حديثة أو غير تقليدية أكثر فعالية وأنظف وأكثر اخضرارًا مع تقليل استخدام الطاقة وتنفيذ المذيبات العضوية مفيدة بيئيًا. (60،61) يتم فحص تقنيات الاستخراج الحراري وغير الحراري الجديدة باستخدام الميكروويف بمساعدة الموجات فوق الصوتية والسائل المضغوط والسوائل فوق الحرجة والسوائل النبضية بمساعدة المجال الكهربائي والاستخراج بمساعدة الإنزيم. مقارنة بالطرق التقليدية ، تكون تقنيات الاستخراج المتقدمة المذكورة أعلاه أكثر فاعلية عند مراعاة كفاءة الاستخراج العالية ، وانخفاض استهلاك المذيبات ، ووقت الاستخراج المنخفض ، وتكلفة الطاقة. (8،33،62،63) نظرًا لأن المذيبات التقليدية المستخدمة في تثمين النفايات لها بعض العيوب ، نظرًا لارتفاع سعرها وسميتها العالية ونقاط انصهارها ، فقد أدى البحث عن تقنية صديقة للبيئة وفعالة من حيث التكلفة إلى ظهور مذيبات سهلة الانصهار (DESs) وحيويتها ، المذيبات الطبيعية سهلة الانصهار (NADESs). (64،65) تعتبر DESs و NADES مذيبات صديقة للبيئة وجديدة ، لها قدرة عالية على إذابة الكتل الحيوية لتثمين نفايات الطعام بشكل فعال. لقد تم استخدامها لاستخراج مكونات قيمة من نفايات الزيوت النباتية ومنتجات الألبان ومنتجات المشروبات ، وكذلك من العديد من المواد الخام الطبيعية مثل الكتلة الحيوية اللجينية ، واللحاء ، والخشب ، والطحالب. (64) على سبيل المثال ، تم تصميم NADES بسيط وغير مكلف وصديق للبيئة لاستخراج المركبات الفينولية من المنتجات الثانوية الصناعية الغذائية. تم تطبيق هذا المذيب سهل الانصهار ، الذي تم تحضيره عن طريق الجمع بين حمض اللاكتيك والجلوكوز والماء ، بشكل فعال على منتجات البصل والزيتون والطماطم والكمثرى ، مما يشير إلى تنوع هذه التقنية. (66) يمكن أن يؤدي استخدام المذيبات سهلة الانصهار إلى زيادة الاهتمام بالاستخراج الأخضر لنفايات الطعام لاستعادة المنتجات الجديدة عالية الجودة والمكونات الوظيفية في صناعة الأغذية. (64)كما ذكرنا أعلاه ، قد تكون نفايات الأغذية الزراعية مصادر جيدة للمركبات القيمة. لذلك ، يتم التحقيق في طرق الاستخراج المختلفة على نطاق واسع في المجتمع العلمي لتثمين هذه المركبات المفيدة وتقليل آثارها الضارة على البيئة. يتم تلخيص الأنواع المختلفة من المركبات المستخرجة من نفايات الأغذية الزراعية والمنتجات الثانوية بواسطة تقنيات الاستخراج المتنوعة المطبقة في السنوات الأخيرة في الجدول 1 . يمكن أن توفر المعلومات حول عمليات الاستخراج وتحسينها فرصة ممتازة لتصميم وتحسين المنتجات المبتكرة والوظيفية على المستوى الصناعي لتقدير المركبات القيمة في نفايات الأغذية الزراعية. الجدول 1. أمثلة على طرق الاستخراج والمركبات القيمة المستخرجة من نفايات الأغذية الزراعية والمنتجات الثانوية
تحسين الاستقرار والتوافر البيولوجي / إمكانية الوصول إلى المركبات النشطة بيولوجيًا المشتقة من نفايات الأغذية الزراعية / المنتجات الثانوية
إن تثمين الكتلة الحيوية بالطرق التقليدية مثل استخلاص المواد الصلبة والسائلة بعد النقع والطرق الجديدة والخضراء مثل الاستخراج بالموجات فوق الصوتية والسوائل فوق الحرجة والميكروويف والمجالات الكهربائية النبضية جذبت الانتباه مؤخرًا ، بسبب محتواها الكيميائي النباتي العالي الذي يوفر مضادات الأكسدة ، خصائص مضادة للالتهابات ومضادة للبكتيريا تؤدي إلى فوائد صحية محتملة. (87،88) على سبيل المثال ، تلعب هذه المركبات النشطة بيولوجيًا المعززة للصحة في نفايات الفاكهة والخضروات دورًا أساسيًا في أنشطتها المضادة للسرطان ومضادات الجراثيم والفيروسات ومضادات الأكسدة والأورام وقدرتها على الحد من مخاطر أمراض القلب والأوعية الدموية. أيضًا ، تشير الدراسات الحديثة التي تركز على المواد الكيميائية النباتية إلى أن الخصائص المضادة للأكسدة العالية للبوليفينول من المصادر النباتية ، بما في ذلك القشرة أو البذور أو اللب أو الثفل ، تجعل البوليفينول أحد المواد الكيميائية النباتية الأساسية المهمة للجوانب الصحية. (89) على الرغم من أن الطلب وقبول المستهلك لمضادات الأكسدة الطبيعية في صناعة الأغذية يتزايدان باستمرار لمنع الإضافات الكيميائية الضارة وتثبيط عمليات الأكسدة في المنتج النهائي ، إلا أن هناك العديد من المشكلات المتعلقة باستخدام مضادات الأكسدة الطبيعية في المنتجات الغذائية المختلفة. (87،88) معظمهم يواجهون تحديات بسبب التدهور الكيميائي في الأطعمة والجهاز الهضمي (GIT) ، مما يقلل من التوافر البيولوجي والنشاط الحيوي. (87) بالإضافة إلى ذلك ، يعاني الكثير منهم من مشكلة ذوبان ضعيفة ، مما يؤدي إلى تقييد اندماجهم المباشر في بعض الأطعمة ، والعديد منهم يعانون من الحساسية للأكسجين والضوء والحرارة والإنزيمات والأملاح والوسائط الحمضية أو القلوية ، مما تسبب في خسائر في آثارها المفيدة ونشاطها. (88) في السنوات الأخيرة ، أجرى العلماء بحثًا مكثفًا لزيادة الكمية والتوافر البيولوجي للمكونات التي تم الحصول عليها من نفايات الطعام / المنتجات الثانوية وتحسين ثباتها أثناء معالجة الطعام والهضم المعدي المعوي. يتم تطبيق الأساليب الجديدة الأكثر شيوعًا للتغلب على هذه القيود من خلال مناهج تكنولوجيا النانو مثل التغليف ، ومستحلب النانو ، وعمليات التكنولوجيا الحيوية مثل التخمير واستخدام الإنزيم. يمكن تعريف تقنية النانو على أنها تقنية تم تطويرها لدراسة وتصميم وإنشاء وتوليف وتطبيق ومعالجة المواد والأجهزة والأنظمة الوظيفية باستخدام التحكم النانوي للمواد. (90) في الآونة الأخيرة ، تم تطبيق تقنيات الكبسلة الدقيقة و nanoencapsulation على نفايات الكتلة الحيوية لإيجاد حلول للمشاكل التي تم شرحها مسبقًا عن طريق زيادة ثباتها وقابليتها للذوبان والتوافر البيولوجي. (87،88) ضمن نطاق الكبسلة النانوية ، الجسيمات النانوية الصالحة للأكل ، مع أقصى حجم للجسيمات يبلغ 500 نانومتر وتتكون من البروتينات والكربوهيدرات والدهون والفوسفوليبيدات أو المواد الخافضة للتوتر السطحي ، تحبس المواد الكيميائية النباتية بالداخل مع تطبيقات مختلفة مثل التجفيف بالرش والتجفيف بالتجميد ، والتماسك ، والتبلور ، والتغليف الجزيئي ، والبثق ، والبثق الكهروستاتيكي لزيادة كفاءة وإدارة المواد الكيميائية النباتية من خلال تعزيز استقرارها ، وتوافرها البيولوجي ، ونشاطها الحيوي ، والتشتت. (87،89)نظرًا لأن مناهج التكنولوجيا النانوية توفر قدرًا أكبر من الاستقرار ، وإمكانية الوصول البيولوجي ، والتوافر البيولوجي للمركبات النشطة بيولوجيًا ، فمن المحتمل أن تؤدي إلى منتجات مبتكرة وعملية ، لا سيما في الصناعات الغذائية والصيدلانية.
، يمكن أيضًا تطبيق الأنظمة القائمة على المستحلب لتثمين وتحسين المركبات المشتقة من كفاءة واستقرار نفايات الطعام. على سبيل المثال ، تم تغليف المستخلصات الغنية بفينولات قشر المانجو في مستحلبات ماء في زيت في ماء بمواد خافضة للتوتر السطحي مختلفة (توين 20 وتوين 80 وليسيثين). كان لمستحلب الماء في الزيت في الماء مع توين 20 أعلى كفاءة تغليف (98.65٪ ± 1.14٪). في المقابل ، تم الحصول على أفضل ثبات فيزيائي وتغليف خلال فترة التخزين في المستحلبات باستخدام Tween 80. وأظهرت هذه النتائج أن تطبيق أنظمة فعالة ومستقرة قائمة على المستحلب مع مواد خافضة للتوتر السطحي مناسبة يمكن أن تغلف بنجاح المركبات الفينولية. (91) كما أشارت دراسة أخرى إلى أن خلط مستحلب السواغ (الزيت في الماء) المحضر بواسطة الموائع الدقيقة وثفل الطماطم قد أدى إلى زيادة المحتوى الفينولي الكلي لثفل الطماطم وإمكانية الوصول الحيوي للليكوبين في ثفل الطماطم. (92) دراسة Zhu et al. أشار إلى أن أنظمة الكبسلة النانوية مستخدمة تجاريًا في العديد من البلدان في جميع أنحاء العالم. مكملات NanoCeuticals RBC Life Sciences في ألمانيا ، التي تتكون من تقنية NANOCLUSTERS ، تستخدم مساحيق نانوية لتحسين الخصائص الحسية وزيادة التوافر البيولوجي. يمكن إعطاء Super Nano Green Tea ، الذي يتكون من جزيئات نانومترية (200 نانومتر) مع زيادة التوافر البيولوجي ، والشاي الأسود الغني بالنانو سيلينيوم مع التوافر الحيوي للسيلينيوم المحسن ، كأمثلة على تطبيقات الكبسلة النانوية التجارية في الصين. علاوة على ذلك ، كمثال آخر ، يتم إنتاج الذهب الصالح للأكل من الذهب النانو (NGT) بالطرق الفيزيائية في تايوان كجسيمات نانومترية من الذهب ، بأقطار 0.5100 نانومتر. (90) على الرغم من أن بعض البلدان تستخدم بشكل تجاري مناهج التكنولوجيا النانوية ، إلا أن بعض اللوائح ودراسات أخرى في الجسم الحي لتحديد آثارها على المدى الطويل ضرورية لاستخدامها على نطاق واسع. تم استخدام مناهج التكنولوجيا الحيوية ، وأشهرها التخمير ، لتثمين نفايات الطعام والمنتجات الثانوية بتحويلها إلى مكونات وظيفية. (104) لذلك ، بالإضافة إلى مناهج النانو المذكورة أعلاه ، تركز العديد من الدراسات على التخمير لزيادة محتوى المركبات النشطة بيولوجيًا وتوافرها البيولوجي. يحدث التخمير ، الذي يظهر كواحد من أقدم العمليات المستخدمة لتحويل المنتجات إلى منتجات ذات قيمة مضافة ، عن طريق تكسير المركبات العضوية للحصول على الطاقة من خلال التمثيل الغذائي اللاهوائي. (105106) تُفضل عملية التخمير بشكل كبير في المجالات العلمية والصناعية ، لأنها تلبي بشكل كبير الحاجة إلى الحد من كمية النفايات المنتجة. تستهلك طاقة أقل ، وتولد كمية قليلة من المياه ، وبتكلفة منخفضة. (106) يتم تطبيق ثلاثة أنواع من عمليات التخمير ، الحالة الصلبة ، والتخمير المغمور والسائل ، اعتمادًا على نوع المنتج. التخمير ذو الحالة الصلبة والمغمور هما العمليتان الأكثر استخدامًا في الأبحاث الجديدة والصناعة للحصول على المركبات النشطة بيولوجيًا. (105) في الآونة الأخيرة ، أصبحت عملية التخمير ، التي يتم فيها إنتاج المركبات النشطة بيولوجيًا المرغوبة مثل مضادات الأكسدة ، أكثر انتشارًا في المجالات العلمية والصناعية ، فيما يتعلق بقضايا التغذية والصحة. (107)يلخص الجدول 3 أمثلة مختلفة لتأثيرات التخمير (خاصة التخمير في الحالة الصلبة) على المركبات النشطة بيولوجيًا من نفايات الأغذية الزراعية / المنتجات الثانوية .
توجد مناهج التكنولوجيا الحيوية المبتكرة الأخرى لتثمين المكونات عالية القيمة من نفايات الفاكهة والخضروات إلى جانب التخمير. وهي تستخدم في المقام الأول في الأدوية والصناعات الغذائية الوظيفية كمركبات طبيعية نشطة بيولوجيا. (108) على سبيل المثال ، يمكن لمجمعات الإنزيمات أن تتحلل بالماء ، وتطلق المنتجات المرغوبة في مجموعة واسعة من نفايات الطعام. ركزت الدراسات على استخدام العديد من مركبات الإنزيم ، بشكل رئيسي α-amylase ، و cellulases ، و xylanases ، و pectinases ، و proteases ، و chitinase ، وفقًا لتكوين مادة معينة. مجموعة واسعة من المنتجات المشتقة من نفايات الطعام بمساعدة هذه الإنزيمات تشمل مضادات الأكسدة ، تحلل البروتين ، والأصباغ ، والسكريات القليلة ، والركائز المعززة للنمو ، إلخ. (104) على سبيل المثال ، تم دراسة آثار العلاج الأنزيمي باستخدام التاناز والبكتيناز والسليولاز فقط ، أو خليط من هذه الإنزيمات الثلاثة على المركبات الفينولية لثفل العنب. أظهرت النتائج أن المحتوى الكلي من مادة البوليفينول والنشاط المضاد للأكسدة في ثفل العنب قد زاد مع العلاجات الأنزيمية ، والتي أطلقت الأحماض الفينولية والجليكون من ثفل العنب ، والتاناز (109). حصلوا على أكبر فعالية هيدروليتيك. من المفيد تفضيل مناهج التكنولوجيا الحيوية ، وخاصة التخمير ، لتثمين نفايات الطعام على المستوى الصناعي ، بسبب انخفاض متطلبات الطاقة وانخفاض التكلفة. بالإضافة إلى ذلك ، تعد مناهج التكنولوجيا الحيوية خيارات جيدة لتقييم نفايات الطعام لتصميم أغذية وظيفية مبتكرة ، بسبب فوائدها الغذائية والصحية. يمكن دمج نفايات الطعام التي لا يمكن استخدامها مباشرة في المنتجات الغذائية مع أساليب النانو والتكنولوجيا الحيوية.
إن كنت تعاني من تراكم مخافات التصنيع الغذائي تواصل مع خبراء شركة برونانو لتقديم الاستشارة