DOI: https://doi.org/10.3390/foods15040610
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41750802
تاريخ النشر: 2026-02-07
المؤلف: Asger Smidt-Jensen وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة طريقة مبتكرة لإنتاج مكونات غذائية سلبية الكربون من خلال دمج استخراج الفيكوسيانين من سبيرولينا (Arthrospira platensis) مع استخدام الكتلة الحيوية المتبقية كمنشط حيوي لتخزين الكربون العضوي في التربة (SOC). تشير تقييمات دورة الحياة الشاملة (LCA) إلى أنه بينما ترتبط عمليات الزراعة والاستخراج بتأثيرات بيئية، فإن تخزين الكربون الذي يتم تحقيقه من خلال تطبيق المنبه الحيوي في التربة المتدهورة في آيسلندا يتجاوز بشكل كبير هذه التأثيرات، مما يؤدي إلى إزالة صافية للكربون تبلغ -1.60 طن من CO₂-eq لكل وحدة لون من الفيكوسيانين المنتج. يضع هذا الاكتشاف الأصباغ الطبيعية كأدوات استراتيجية لتقليل انبعاثات النطاق 3 في صناعة المواد الغذائية، بما يتماشى مع الأهداف المناخية المعتمدة على العلوم.
تظهر الأبحاث أيضًا أنه من خلال استبدال 20% من الأصباغ التقليدية بالفيكوسيانين السلبي الكربون في منتجات مثل حلوى الشوكولاتة، من الممكن تحويل البصمة الكربونية من إيجابية (1.08 كجم CO₂-eq لكل كيس) إلى سلبية (-7.64 كجم CO₂-eq لكل كيس)، حتى تحت تقديرات محافظة. ومع ذلك، فإن فعالية هذا النهج تعتمد على نسبة المنتج إلى النفايات والتحديات المتعلقة بالتوسع، بما في ذلك الاعتبارات التنظيمية والبنية التحتية. تدعو الدراسة إلى مزيد من الأبحاث لتحسين تركيبات المنبهات الحيوية والتحقق من تخزين الكربون على المدى الطويل، مما يسهم في تطوير مكونات غذائية طبيعية ومستدامة يمكن أن تساعد في التخفيف من تغير المناخ مع تلبية طلب المستهلكين.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الحاجة الملحة لحلول فعالة سلبية الكربون في قطاع إنتاج الغذاء، الذي يتحمل مسؤولية حوالي 30% من انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) الناتجة عن الأنشطة البشرية على مستوى العالم. جزء كبير من هذه الانبعاثات، المصنفة كإصدار نطاق 3، ينشأ من سلاسل الإمداد المعقدة، خاصة خلال الإنتاج الزراعي وتغيرات استخدام الأراضي. بالنسبة لشركات المواد الغذائية والمشروبات، يمكن أن تشكل انبعاثات النطاق 3 ما يصل إلى 95% من إجمالي بصمتها الكربونية، مما يقدم تحديات وفرصًا لإزالة الكربون. تركزت الجهود الأخيرة على طرق لإزالة ثاني أكسيد الكربون (CO₂) من الغلاف الجوي بنشاط، حيث اعتمد أكثر من 7,000 شركة أهدافًا قائمة على العلوم (SBTs) لمواءمة استراتيجيات تقليل الانبعاثات مع العلوم المناخية.
تقترح الورقة نهجًا جديدًا يستخدم مكونات سلبية الكربون تعتمد على تقييم دورة الحياة (LCA)، من خلال استغلال النفايات الغنية بالمنبهات الحيوية الناتجة عن استخراج الفيكوسيانين من سبيرولينا. لا تعمل هذه المكونات فقط كصبغة غذائية طبيعية ولكنها تعزز أيضًا تخزين الكربون العضوي في التربة (SOC) عند تطبيقها على التربة المتدهورة، مما يسهم في تقليل انبعاثات النطاق 3. تتضمن الدراسة تقييمًا شاملاً لدورة الحياة يقيم الأداء البيئي لهذا النهج عبر ثلاث مراحل: زراعة الكتلة الحيوية الطحلبية، استخراج الفيكوسيانين، وتطبيق الكتلة الحيوية المتبقية. من خلال دمج المدخلات السلبية الكربون، يمكن لمصنعي المواد الغذائية دعم ادعاءات المنتجات المحايدة للكربون بشكل موثوق ومعالجة الأهداف المستدامة بشكل استراتيجي مع تلبية طلب المستهلكين على المنتجات الطبيعية.
طرق
تستكشف هذه الدراسة استخدام النفايات الناتجة عن إنتاج صبغة الطعام الزرقاء الفيكوسيانين المشتقة من *Arthrospira platensis* كمنشط حيوي لتعزيز تخزين الكربون في التربة الآيسلندية. تشمل المنهجية تقييم دورة الحياة (LCA) وفقًا لمعايير ISO 14040:2006 وISO 14044:2006، والتي تقيم التأثيرات البيئية على مدار العملية بأكملها – من زراعة سبيرولينا إلى استخراج صبغة الطعام، وتطبيق المنبه الحيوي، وامتصاص الكربون الناتج. يستخدم تقييم دورة الحياة منهجية EF 3.1 النسبية باستخدام برنامج OpenLCA (الإصدار 2.4.0)، مع التركيز على فئات التأثير الحرجة مثل استخدام المياه والأراضي.
توزع الأعباء والفوائد البيئية من خلال نهج قائم على الكتلة الفيزيائية بما يتماشى مع معايير ISO 14044. تسلط الدراسة الضوء على أن تيار النفايات يمكن أن يعمل بشكل فعال كمنشط حيوي عند تطبيقه في خليط مائي مخفف، مع تسهيل التطبيق بواسطة الطائرات الزراعية. لا يهدف هذا النهج المبتكر فقط إلى استخدام النفايات بشكل فعال ولكن أيضًا يساهم في ممارسات الزراعة المستدامة وإدارة الكربون.
النتائج
قيمت دراسة الحالة حول حلوى الشوكولاتة تأثير استخدام الفيكوسيانين كصبغة سلبية الكربون، تحديدًا في كيس وزنه 100 جرام حيث يشكل اللون الأزرق 20% من اللون. تم تحديد بصمة الكربون الأساسية للمنتج لتكون 1.08 كجم CO₂-eq لكل كيس. من خلال استبدال الصبغة الزرقاء الاصطناعية (E133) بالفيكوسيانين، الذي يتطلب استخدام كربون (CU) يبلغ 0.28 CU لكل كجم، تم تقليل بصمة الكربون بشكل كبير إلى -7.64 كجم CO₂-eq لكل كيس. تم تعديل هذا الانخفاض جزئيًا عن طريق إزالة 30% من تقليل الانبعاثات لأخذ الشكوك في الاعتبار.
على المستوى المؤسسي، قيمت الدراسة إمكانية الفيكوسيانين في المساهمة في تحقيق انبعاثات صافية صفرية من خلال تحليل متوسط بصمة الكربون لأربع شركات رئيسية في إنتاج المواد الغذائية، والتي تبلغ حوالي 26.4 مليون طن من CO₂-eq. حسب التحليل عدد أكياس حلوى الشوكولاتة الملونة بالفيكوسيانين المطلوبة لتحقيق أهداف تقليل مختلفة (5%، 10%، 20%، و50%) ومتطلبات CU المقابلة. على الرغم من أن تحقيق توازن كامل في الانبعاثات من خلال مكون واحد يعتبر غير واقعي، تشير النتائج إلى أن استبدال صبغة في منتج يتم إنتاجه على نطاق واسع يمكن أن يساعد بشكل كبير شركة في الوصول إلى أكثر من 20% من أهدافها الصفرية لعام 2050. تختتم الدراسة بأن الفيكوسيانين يحمل وعدًا كبيرًا كمكون سالب الكربون في صناعة المواد الغذائية، قادر على تقليل التأثير المناخي على كل من مستوى المنتج والمؤسسة، مع تسليط الضوء على الحاجة إلى مزيد من الأبحاث حول تأثيراته طويلة الأجل وتحديات التنفيذ العملي.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على المنهجيات المتباينة لإنتاج الطحالب الدقيقة، مع التركيز بشكل خاص على زراعة سبيرولينا واستخراج الفيكوسيانين. تواجه طرق الزراعة المفتوحة، على الرغم من كونها فعالة من حيث التكلفة، تحديات الاستدامة مثل التلوث وفقدان المياه. في المقابل، توفر أنظمة المفاعلات الضوئية المغلقة (PBRs) تحكمًا بيئيًا معززًا، مما يؤدي إلى كثافات أعلى من الكتلة الحيوية وتقليل استخدام الأراضي. ومع ذلك، لا تزال بصمة الكربون المرتبطة بـ PBRs مصدر قلق، حيث تولد العمليات التقليدية حوالي 68 كجم CO₂-eq لكل كجم من الكتلة الحيوية. استثناء ملحوظ هو نظام GeoSpirulina في آيسلندا، الذي يستخدم الطاقة الحرارية الأرضية ويحقق بصمة كربونية سلبية تبلغ -8.0 كجم CO₂-eq لكل طن من سبيرولينا بسبب التثبيت الحيوي.
تولد عملية استخراج الفيكوسيانين من سبيرولينا تيارين من النفايات: كتلة حيوية متبقية غنية بالبروتينات والدهون، وكسور قابلة للذوبان في الماء تحتوي على الأحماض الأمينية والببتيدات، وبعضها يعمل كمنبهات حيوية للنباتات. لقد أظهرت تطبيقات هذه المنبهات الحيوية أنها تعزز تخزين الكربون العضوي (SOC) في التربة، حيث تشير دراسة حديثة إلى أن 1 جرام من المنبه الحيوي يمكن أن يخزن حوالي 25 كجم من SOC سنويًا. تقيم منهجية تقييم دورة الحياة (LCA) المستخدمة في هذه الدراسة التأثيرات البيئية لإنتاج سبيرولينا وتطبيق المنبهات الحيوية، مما يكشف أن العملية العامة يمكن أن تسهم بشكل إيجابي في تخزين الكربون بينما تعالج أيضًا الأعباء البيئية المرتبطة باستخراج الفيكوسيانين.
القيود
تناقش قسم القيود عدة تحديات مرتبطة بتقييم التأثير البيئي لنظام متكامل يستخدم الكتلة الحيوية من سبيرولينا، مع التركيز بشكل خاص على إنتاج الفيكوسيانين. تعتبر مسألة رئيسية هي تخصيص فوائد تخزين الكربون بين مختلف المنتجات الثانوية المشتقة من سبيرولينا، مثل الفيتامينات والبروتينات والفحم الحيوي. يمكن أن تؤثر طريقة التخصيص المختارة – سواء كانت قائمة على الكتلة أو قائمة على القيمة الاقتصادية – بشكل كبير على التأثير البيئي المدرك، مما قد يقلل من الإمكانات السلبية الكربون للفيكوسيانين إذا حصلت المنتجات ذات القيمة الأعلى على حصة أكبر من الفوائد.
بالإضافة إلى ذلك، يتطلب توسيع إنتاج الفيكوسيانين استثمارات كبيرة في البنية التحتية، بما في ذلك إنشاء المفاعلات الضوئية ومرافق الاستخراج. بينما تتطلب زراعة سبيرولينا الحد الأدنى من الأراضي، قد يحد الحاجة إلى تطبيق المنبهات الحيوية على الأراضي المتدهورة أو الهامشية من إمكانية التوسع. قد تعيق العقبات التنظيمية أيضًا التنفيذ الأوسع، خاصة فيما يتعلق بالمنبهات الحيوية المشتقة من نفايات الطحالب الدقيقة. تعتبر قبول السوق أمرًا حاسمًا للجدوى التجارية للأصباغ الغذائية السلبية الكربون، حيث ستؤثر استعداد المستهلكين لدفع سعر أعلى مقابل البدائل المستدامة على التبني. أخيرًا، بينما تعتبر مخاطر عدم الدوام في تخزين الكربون العضوي (SOC) بسبب المخاطر الطبيعية منخفضة في آيسلندا، لا تزال إمكانية مخاطر التراجع المرتبطة بالأنشطة الزراعية مصدر قلق. بشكل عام، تشير النتائج إلى أنه بينما يظهر النظام المتكامل وعدًا، فإن معالجة هذه القيود أمر ضروري لتحقيق التنفيذ الناجح وقابلية التوسع.
DOI: https://doi.org/10.3390/foods15040610
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41750802
Publication Date: 2026-02-07
Author(s): Asger Smidt-Jensen et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
This study presents an innovative method for producing carbon-negative food ingredients by combining phycocyanin extraction from Spirulina (Arthrospira platensis) with the use of its residual biomass as a biostimulant for soil organic carbon (SOC) sequestration. A comprehensive life cycle assessment (LCA) indicates that while the cultivation and extraction processes have associated environmental impacts, the carbon sequestration achieved through biostimulant application in degraded Icelandic soils significantly outweighs these impacts, resulting in a net carbon removal of -1.60 tCO₂-eq per color unit of phycocyanin produced. This finding positions natural colorants as strategic tools for reducing Scope 3 emissions in the food industry, aligning with science-based climate targets.
The research further demonstrates that by substituting 20% of conventional colorants with carbon-negative phycocyanin in products like chocolate dragees, it is possible to shift the carbon footprint from positive (1.08 kg CO₂-eq per bag) to negative (-7.64 kg CO₂-eq per bag), even under conservative estimates. However, the effectiveness of this approach is contingent upon the product-to-waste ratio and the challenges of scaling up, including regulatory and infrastructure considerations. The study advocates for further research to optimize biostimulant formulations and validate long-term carbon sequestration, thereby contributing to the development of sustainable, natural food ingredients that can help mitigate climate change while meeting consumer demand.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the urgent need for effective carbon-negative solutions in the food production sector, which is responsible for approximately 30% of global anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions. A significant portion of these emissions, classified as Scope 3 emissions, arises from complex supply chains, particularly during agricultural production and land-use changes. For food and beverage companies, Scope 3 emissions can constitute up to 95% of their total carbon footprint, presenting both challenges and opportunities for decarbonization. Recent efforts have focused on methods for actively removing carbon dioxide (CO₂) from the atmosphere, with over 7,000 businesses adopting science-based targets (SBTs) to align their emission reduction strategies with climate science.
The paper proposes a novel approach utilizing life cycle assessment (LCA)-based carbon-negative ingredients, specifically through the valorization of biostimulant-rich waste generated during phycocyanin extraction from Spirulina. This ingredient not only serves as a natural food colorant but also enhances soil organic carbon (SOC) sequestration when applied to degraded soils, thereby contributing to Scope 3 emission reductions. The study includes a comprehensive LCA that evaluates the environmental performance of this approach across three stages: algal biomass cultivation, phycocyanin extraction, and the application of residual biomass. By integrating carbon-negative inputs, food manufacturers can credibly support carbon-neutral product claims and strategically address sustainability goals while meeting consumer demand for natural products.
Methods
This study explores the use of waste generated from the production of phycocyanin blue food colorant derived from *Arthrospira platensis* as a biostimulant for enhancing carbon sequestration in Icelandic soils. The methodology includes a life cycle assessment (LCA) following ISO 14040:2006 and ISO 14044:2006 standards, which evaluates the environmental impacts throughout the entire process—from the cultivation of Spirulina to the extraction of the food colorant, the application of the biostimulant, and the resulting carbon uptake. The LCA employs the attributional EF 3.1 methodology using OpenLCA software (version 2.4.0), focusing on critical impact categories such as water and land use.
Environmental burdens and benefits are allocated through a physical mass-based approach in line with ISO 14044 standards. The study highlights that the waste stream can effectively function as a biostimulant when applied in a dilute water-based mixture, with the application facilitated by agricultural drones. This innovative approach not only aims to utilize waste effectively but also contributes to sustainable agricultural practices and carbon management.
Results
The case study on chocolate dragee confectionery evaluated the impact of using phycocyanin as a carbon-negative colorant, specifically in a 100 g bag where blue constitutes 20% of the color. The baseline carbon footprint of the product was determined to be 1.08 kg CO₂-eq per bag. By substituting the artificial blue colorant (E133) with phycocyanin, which has a carbon utilization (CU) requirement of 0.28 CU per kg, the carbon footprint was significantly reduced to -7.64 kg CO₂-eq per bag. This reduction was partially adjusted by removing 30% of the emission reduction to account for uncertainties.
At the corporate level, the study assessed the potential of phycocyanin in contributing to net-zero emissions by analyzing the average carbon footprint of four major food production companies, totaling approximately 26.4 million tCO₂-eq. The analysis calculated the number of bags of phycocyanin-colored chocolate dragees needed to achieve various reduction targets (5%, 10%, 20%, and 50%) and the corresponding CU requirements. Although achieving complete emissions balancing through a single ingredient is deemed unrealistic, the findings suggest that replacing a colorant in a widely produced product could significantly aid a corporation in reaching over 20% of its 2050 net-zero goals. The study concludes that phycocyanin holds substantial promise as a carbon-negative ingredient in the food industry, capable of reducing climate impact at both the product and corporate levels, while highlighting the need for further research on its long-term effects and practical implementation challenges.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the contrasting methodologies for microalgae production, specifically focusing on Spirulina cultivation and phycocyanin extraction. Open cultivation methods, while cost-effective, face sustainability challenges such as contamination and water loss. In contrast, enclosed photobioreactor systems (PBRs) offer enhanced environmental control, leading to higher biomass densities and reduced land use. However, the carbon footprint associated with PBRs remains a concern, with conventional operations generating approximately 68 kg CO₂-eq per kg of biomass. A notable exception is the GeoSpirulina system in Iceland, which utilizes geothermal energy and achieves a negative carbon footprint of -8.0 kg CO₂-eq per tonne of Spirulina due to biofixation.
The extraction process for phycocyanin from Spirulina generates two waste streams: a fibrous residual biomass rich in proteins and lipids, and a water-soluble fraction containing amino acids and peptides, some of which serve as plant biostimulants. The application of these biostimulants has been shown to enhance soil organic carbon (SOC) sequestration, with a recent study indicating that 1 g of biostimulant can sequester approximately 25 kg of SOC annually. The life cycle assessment (LCA) methodology employed in this study evaluates the environmental impacts of Spirulina production and biostimulant application, revealing that the overall process can contribute positively to carbon sequestration while also addressing the environmental burdens associated with phycocyanin extraction.
Limitations
The section on limitations discusses several challenges associated with assessing the environmental impact of an integrated system utilizing Spirulina biomass, particularly focusing on phycocyanin production. A primary concern is the allocation of carbon sequestration benefits among various co-products derived from Spirulina, such as vitamins, proteins, and biochar. The chosen allocation method—whether mass-based or economic-value-based—can significantly affect the perceived environmental impact, potentially diminishing the carbon-negative potential of phycocyanin if higher-value products receive a larger share of the benefits.
Additionally, scaling up the production of phycocyanin involves substantial infrastructure investments, including the establishment of photobioreactors and extraction facilities. While Spirulina cultivation requires minimal land, the need for biostimulant applications on degraded or marginal lands may limit scalability. Regulatory hurdles may also impede broader implementation, particularly concerning biostimulants derived from microalgae waste. Market acceptance is crucial for the commercial viability of carbon-negative food colorants, as consumer willingness to pay a premium for sustainable alternatives will influence adoption. Lastly, while the risks of non-permanence in soil organic carbon (SOC) sequestration due to natural hazards are considered low in Iceland, the potential for reversal risks associated with agricultural activities remains a concern. Overall, the findings suggest that while the integrated system shows promise, addressing these limitations is essential for successful implementation and scalability.