可持续食品科学:将食物垃圾转化为有用的产品

黄海波博士是食物浪费专家。作为弗吉尼亚理工大学食品科学与技术系的助理教授，黄的研究重点是寻找将食物垃圾和其他食品加工副产品转化和再利用为有价值的产品的方法，如食品和动物饲料成分、生物燃料，甚至是用于电池的功能材料。

把原本会被丢弃的材料变成有用的东西是可持续发展的一个有力例子，对于一个产生大量废物的行业来说，这是极其重要的。在美国，食物的浪费量估计在占食物供应的30-40%，或大致每人220磅的食物浪费每年。黄的研究最终旨在降低这些数字，防止不必要的资源损失。将食物垃圾转化为任何一种有价值的产品，都可以防止剩菜剩菜被丢弃在垃圾填埋场，但黄有兴趣进一步关注这一链条的后端，并积极寻找利用食物垃圾生产产品的方法，从而解决其他领域的问题。

黄的使命将他引向了弗吉尼亚理工大学水界面跨学科研究生教育项目(IGEP)．IGEP致力于促进清洁和健康的水，以造福人类健康。他发现有机会将他的实验室小组关于食物垃圾利用的研究与IGEP土木与环境工程小组的水质专业知识结合起来，创造出可以改善水质的产品。他的两个博士生金庆和何艳红抓住了这个机会，开展了将食物垃圾利用和水质改善结合起来的跨学科工作。

利用葡萄酒工业的废料来改善水质

葡萄酒行业在弗吉尼亚迅速扩张这意味着当地葡萄酒行业产生的浪费也在不断增加。酿酒过程中的剩余材料被称为葡萄果渣-葡萄被用来酿造葡萄酒后留下的固体残留物。在之前的工作中，Jin将葡萄渣转化为几种有价值的产品，包括葡萄籽油，多酚和生物燃料．然而，即使从葡萄渣中产生了三种有价值的物质，大约50%的固体残渣仍然是二次废物。金想要找到一种方法来利用整个果渣，这样就没有剩余的废物可以丢弃。

为了帮助她完成这一探索，金找到了杰森·何博士，他当时是弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系的教授，也是水界面IGEP的成员。他们一起设计了一个计划，利用剩余的葡萄渣废料生产生物炭。

生物炭类似木炭的副产品是通过一种叫做热解即在无氧条件下对有机物质进行加热。生物炭可以吸附水中的污染物，何博士帮助指导金通过必要的步骤来测试不同生物炭吸附铅(Pb)的效率。饮用水中可能有许多污染物，但铅是尤其常见，会对健康造成一系列负面影响当大量食用时。通过对葡萄渣材料进行不同处理，在不同温度下进行热解，得到了不同的生物炭样品。确定了渣渣处理的最佳工艺条件和热解温度。由此产生的生物炭显示出超过90%的铅去除效率，从铅浓度的水中发现典型的铅污染饮用水供应。

这张图简单地说明了葡萄渣转化过程中物料的流动。资料来源:Qing Jin。

Jin的生物炭与之前回收葡萄籽油、生物燃料和多酚的努力相结合，Huang的团队发现了葡萄酒酿造过程中产生的全部废物的可持续用途。作为最后一步，Jin进行了技术经济分析，以评估这一过程的经济绩效。结果表明，生产葡萄籽油、多酚和生物炭的内部回报率为34%，投资回收期为2.5年，这表明该工艺不仅可以减少酿酒浪费，而且是有利可图的。希望将葡萄渣转化为葡萄籽油、多酚和生物炭的过程能够扩大规模，并成为升级其他农工业废物流的榜样，从而促进当地经济的发展。

利用酿酒业的废料改善水质

与葡萄酒行业类似，精酿啤酒酿造也是如此在美国迅速增长．何艳红，黄仁勋的另一个研究生，构思了一个项目这将啤酒厂的废物转化为增值产品。具体来说，她的目标是再利用啤酒制造过程中的废谷物作为蛋白质成分，以取代养殖虾饲料中的鱼粉。鱼粉的替代品需要高蛋白，所以他把废谷物分成富含蛋白质和富含纤维的产品。鱼粉是一种主要的水产饲料蛋白质来源，但是近年来，它的供应变得有限．他的工作为水产养殖业提供了另一种蛋白质来源，同时为酿酒业创造了一种管理废物的新方法。然而，她仍然需要为剩下的富含纤维的产品找到用途。

有一天，他和她的家人聊天，他们提到他们井里的水是一种奇怪的颜色。在做了一些研究后，她怀疑这种怪异的颜色是由于她家的水中含有高浓度的溶解金属造成的。这使她的注意力转向了金的研究，该研究将葡萄酒工业废料转化为水污染物的去污剂。

他伸出手Andrea Dietrich博士他是水界面跨学科研究生教育计划(IGEP)的联合主任，也是土木与环境工程系的教授，他评估了利用废谷物剩余的富含纤维的产品来改善水质的可能性。他的想法是将纤维材料转化为纳米纤维素海绵，可以吸附水中不需要的金属污染物，如锰和铅。如上所述，含铅量高的水对人体健康有害。高锰含量的水可能导致水中难看的颜色和颗粒而且不适合人类食用。长期饮用高锰含量的水可能会导致丧失注意力，记忆力和运动技能．

通过何的实验，从废粮中提取产品和用途。来源:何艳红

实验仍在进行中，但早期的结果很有希望，表明纳米纤维素海绵可以去除饮用水中的金属污染物。下一步是优化纳米纤维素海绵的特性，然后量化水中的金属去除率。他的工作再次证明了可持续性和创造性思维，通过减少浪费和改善水质，帮助同时解决两个问题。她渴望在未来继续应对这样的挑战。她说:“如今，可持续发展是一个重大而重要的话题，这个领域充满了挑战和机遇，所以我认为，作为一名研究人员，这是正确的道路。”

跨学科研究的力量

黄对他的学生参与的两个项目非常满意，并认识到参与水界面IGEP的好处。他说:“在食品科学系，我们很少关心水——也许是饮用水——但从不浪费水或其他问题，所以这对我的学生来说是一个很好的机会，让他们进入另一个领域，开阔他们的视野。”

如果没有跨学科研究，这些类型的项目就不可能实现。通过结合来自多个领域的想法和技能，贺建奎和金的研究都是解决通常被视为完全独立的问题的桥梁解决方案。

跨学科研究有许多已知的好处，并有望在未来继续增长的受欢迎程度。迪特里希对这些前景感到兴奋。她说:“跨界思考指导解决问题的方法不受传统方法的束缚，因此已经成熟，可以产生独特的结果。”

除了促进更有影响力的研究，IGEP还加强了学生的学习。金把这归因于大学不同院系的不同知识和思维方式。“如果我没有加入IGEP，我就没有机会向自己专业领域以外的教授和学生学习。作为一名研究人员，从不同的人身上学习不同的东西对我来说非常重要。”

通过参加“水界面IGEP”，Jin和He都成长为一名研究人员，他们将能够在未来的研究和职业生涯中砥砺前行，拓展他们的知识和技能。对于参与水界面IGEP的许多其他学生来说，弗吉尼亚理工大学的其他IGEP，以及世界各地无数的跨学科研究和研究项目都是如此。随着世界的不断扩大，我们的视野也在不断扩大。跨学科项目可以实现这种增长，并将继续成为未来科学的重要组成部分。