【视频解读】沈阳农业大学李斌教授等：蓝莓加工副产物资源综合利用及新业态发展趋势

蓝莓是一种具有较高经济价值和药用价值的水果,享有“浆果之王”的美誉,并被联合国粮农组织列为国际最健康的五大食品之一。蓝莓富含花色苷等活性成分,具备抗氧化、缓解视力疲劳、抗衰老、改善记忆力、调节肠道微生物等多种生理功能^[1-3]。全球范围内,对蓝莓功能食品的需求持续上升,蓝莓价格一直维持在高水平,并且供不应求^[4]。

蓝莓的精深加工是推动产业增效,实现高质量发展的重要途径。在精深加工过程中产生的果渣、果皮和果籽等副产品种类多样且资源丰富^[5-6]。合理利用这些副产物对于减少粮食损失、提高粮食供给能力及保障粮食安全具有重要意义。然而,当前蓝莓加工副产物的综合利用面临诸多挑战,亟须解决。例如,在榨汁、酿酒等加工活动后,大量皮渣被浪费,副产物的直接利用率低;存在于副产物中的黄酮类、花青素类等活性成分的提取分离技术尚不成熟,而且在功能提取物的加工过程中活性成分损失严重。此外,副产物的高附加值产品类型单一,使得其综合利用率低,难以发挥潜在的高经济价值,这严重制约了产业的发展^[7-8]。因此,全面提升蓝莓等浆果加工副产物资源的综合利用水平,对于推进节粮减损具有深远意义,也是促进浆果产业良性发展的核心所在。

本研究总结了蓝莓加工副产物的产生及其资源利用现状,针对存在的问题提出了合理化建议,为浆果的多级加工和全价利用提供参考依据,从而延伸副产物加工产业链,力求实现浆果类果品加工的可持续综合利用。

1.1 残次果

残次果通常指的是那些外观有缺陷,但内在品质未受损害的果实。鲜食蓝莓上市前需经过分级、筛选、归类。这一分级过程可能会因国家、地区以及品种的不同而有所差异。机械采收通过振动使果实脱落,初步分离出石块、叶片、未成熟果实以及受压损伤的果实。在随后的人工分级过程中,蓝莓的pH值、外观、比重(大小)及成熟度(硬度)是最常用人工分级评判标准。完成筛选后,品质良好的蓝莓按不同等级定价,并以鲜果的形式进入市场销售。而那些被认定为残次果的,尽管外观上有缺陷,但其内在的营养价值并没有损失。因此,高效提取并利用这些残次果中的活性成分,是提升蓝莓副产品综合利用价值的有效方法。

1.2 蓝莓渣

蓝莓加工成果酒、果汁和果酱的过程中,通常会产生20%～30%的残留物,称其为果渣。这些果渣少部分作为动物饲料回收,大部分被用于堆肥、沼气生产或丢弃。然而蓝莓果渣中仍然含有丰富膳食纤维和以花色苷为代表的生物活性化合物等。据报道,加工后的巴氏杀菌蓝莓果汁中仅有13%～23%的花色苷和36%～39%的绿原酸,而大约42%的花色苷和15%的绿原酸仍存留在果渣中^[9]。蓝莓酿酒过程中产生的蓝莓酒渣约占总废物的60%,同样富含大量花色苷等多酚类物质^[10]。此外,蓝莓酒渣膳食纤维占比较高,其中含有的可溶性膳食纤维约为 5.12 g/100 g,不溶性膳食纤维为77.74 g/100 g^[11]。最大限度地减少蓝莓渣废弃量,实现蓝莓渣的再加工利用,是提高蓝莓加工副产物高效利用的根本。此外,由于蓝莓渣与果实相比,水分含量低,花色苷等活性成分含量高度富集,有助于强化提取物活性效果,利于机体健康。

1.3 其他副产物

蓝莓在经过榨汁和酿酒等加工后,蓝莓渣中会残存部分无法分解的果皮和果籽,属高附加值的蓝莓加工副产物。蓝莓果皮中总黄酮和总酚的含量显著高于果肉部分,且蓝莓中90%以上花色苷存在于果皮中^[12]。蓝莓籽中不饱和脂肪酸占87%,饱和脂肪酸占12%,含量相对较高的有13种,主要为油酸、亚油酸、亚麻酸等人体必需脂肪酸,是油的极好来源,也是补充生育酚、类胡萝卜素和天然抗氧化剂的潜在膳食来源^[13-14]。此外,蓝莓籽多糖、籽蛋白和籽多酚等具有良好的抗氧化能力,可以降低罹患心血管疾病、关节炎和白内障等多种疾病的风险。因此,对蓝莓果皮和果籽的再利用,既可实现有效的膳食防御功能,又有助于提高蓝莓加工副产物的商业价值。

目前,蓝莓加工副产物资源利用大致可分为4个方向:功效成分的提取、食品功能性的应用、生物质转化应用、智能食品包装应用,见图1。

图1 蓝莓加工副产物资源利用现状

Fig.1 Current situation of blueberry processing by-product resources utilization

2.1 蓝莓加工副产物功效成分的提取

2.1.1 黄酮类提取

蓝莓渣中富含黄酮,其作为一种抗氧化剂,有改善血液循环、降低胆固醇、减少心肌耗氧量和抗菌抗病毒等多种生理功效。黄酮根据分子结构不同可分为黄酮醇、黄烷酮、黄酮、异黄酮、儿茶酸和花青素等^[15]。目前常用的黄酮提取方法有水浸提法、有机溶剂浸提法、索氏提取法和回流提取法等。研究表明,采用超声辅助乙醇浸提蓝莓果渣中的总黄酮,提取率为1.62%;采用60%的乙醇浸提后回流提取蓝莓果渣中总黄酮,并用HPD-600大孔树脂进行纯化,可使黄酮纯度提高4.8倍,且抗氧化活性显著提高^[16]。在常规提取手段基础上,加入物理场的辅助作用,能有效提高黄酮提取率,且更加绿色安全。因此,为实现蓝莓加工副产物中黄酮化合物的高效利用,对提取技术的优化与开发至关重要。

2.1.2 花青素类提取

蓝莓加工副产物中的花青素类化合物是天然色素的主要来源,具有多种生理功能,益于人体健康。花青素类的传统提取方法主要是溶剂提取法。研究表明,以蓝莓酒渣和果渣为原料,采用酸化乙醇作为提取剂,花色苷提取率分别为3.03 mg/g和5.23 mg/g ^[17-18]。利用超声辅助提取蓝莓果渣中的花色苷,提取率可达4.12 mg/g,超声联合微波提取花色苷,提取率高达6.74 mg/g,较传统提取法得率大幅提升^[10,19]。溶剂提取法虽简单方便,但存在提取时间长、提取率低、溶剂消耗量大和有毒副作用等缺点,超声、微波和脉冲电场等物理手段辅助提取可提高花青素类化合物的提取率,并提高提取过程安全性,节约提取成本。物理辅助提取率增加的原因主要是在物理场作用下可破坏样品细胞结构,使细胞内汁液流出,使提取更加完全。此外,在强化物理场辅助提取技术基础上,联合酶法共提取,或可进一步增强花青素类化合物的提取效率。

2.1.3 果胶提取

果胶作为蓝莓加工副产物中可溶性膳食纤维的主要成分,常作为胶凝剂和稳定剂应用于果酱和果冻等产品中。目前蓝莓加工副产物中果胶最常用的提取方式为酸提醇沉,研究通过酸提醇沉工艺从蓝莓汁渣中提取半精制果胶和明胶,从蓝莓酒渣中提取果胶,得率为2.68%^[20]。用热水浸提法提取蓝莓果渣粗多糖,提取率为2.88%,分级纯化得到4种果胶,各组分平均分子质量为3.75～29.70 kDa^[21]。然而,传统酸提醇沉法易产生无机酸会造成二次污染,目前研究也采用与物理手段结合的方式来提取果胶,如超声和微波辅助等方法,可降低能耗并提高品质。果胶作为天然食品添加剂和保健品,需求量与日俱增,对来源于加工副产物中的果胶进行高效提取,符合国家经济发展需求。此外,进一步优化和开发其提取分离技术,得到不同酯化度和分子量的果胶,适应实际生产需求以扩大果胶在食品工业中的应用范围。

2.1.4 其他活性物质的提取

蓝莓渣中还含有大量其他活性物质,如多酚类,主要是苯丙酸类衍生物,包括绿原酸、原儿茶酸、香草酸、没食子酸和儿茶素等^[22]。通过超声辅助法提取蓝莓果渣中的熊果酸,根据熊果酸最大吸收波长下吸光值确定了提取最佳工艺,对鞣花酸的提取率达32.41%^[23]。多酚类物质具有高抗氧化、调节肠道微生物等多种生理功能,来源于蓝莓渣中的多酚类物质聚集量高于果肉,其更具活性价值,有助于机体健康。因此,高效提取蓝莓渣中的多酚类物质是实现蓝莓加工副产物高值化利用的重要支撑。

2.2 蓝莓加工副产物功能性的应用

2.2.1 休闲食品

蓝莓加工副产物因其独特色泽及生理活性,目前已被开发成蓝莓果酒、果粉和果酱等休闲食品。蓝莓酒渣制成的果酱涂抹在面包上,味道可口,色泽诱人。蓝莓酒渣因其独特酒香味,在休闲食品的开发中备受青睐,将蓝莓酒渣与淀粉混合,能得到具有独特酒香味的馒头^[24]。研究表明,蓝莓副产物中含有丰富的膳食纤维,利用蓝莓果渣制成的压片糖果,具有良好的组织形态、色泽和滋味^[25]。此外,还可将蓝莓果渣制成蓝莓果渣饼干、蓝莓果渣提取粉和蓝莓果渣膨化食品^[26-27]等。蓝莓果渣和酒渣中富含营养物质,且色泽风味兼具,在休闲食品开发领域具有可观的市场前景。

2.2.2 功能食品

蓝莓加工副产物富含活性物质,其加工制品具有抗氧化、提高视力和调节肠道菌群等保健作用。研究将柿子和蓝莓果渣混合制备食品配方粉,证明了其调节肠道菌群的有益作用^[28]。乳酸菌发酵可提高果渣利用价值,经乳酸菌发酵后的果渣具有高抗氧化活性,发酵后产品能够改善粪便菌群结构及短链脂肪酸含量^[29]。由于蓝莓渣等加工副产物中活性成分富集量大,且其本身加工成粉剂可与食品组分复合,便于开发功能食品,以提供膳食补充和膳食防御的功能,在未来功能性产品开发中具有广阔空间。

2.2.3 食品改良剂

蓝莓加工副产物可用作食品品质改良剂,改善食品的质地,并能控制有害物质产生。研究表明,将不同比例蓝莓酒渣加入到低筋面粉原料中,面团的最终黏度和退化值降低,面团的吸水率、成型时间、质地特征和色差得到改善^[30]。此外,蓝莓酒渣可作为食品添加剂应用于泡菜腌制中,可使泡菜发酵速度减慢,在保持泡菜滋味和风味基础上,抑制亚硝酸盐和生物胺的生成^[31]。蓝莓渣富含的花青素类和其他酚酸类物质由于具有大量活性酚羟基,可以与淀粉形成氢键相互作用,调控淀粉的精细结构实现制品的改良效果。酒渣中部分花色苷转化为酰化花色苷,导致蓝莓酒渣的抗氧化性强于蓝莓鲜果,加之蓝莓酒渣本身色泽及富含的风味成分,对提高泡菜的营养品质和风味具有重要意义。

2.3 蓝莓加工副产物生物质转化的应用

近年来,以生物发酵形式处理食品副产物,符合绿色循环经济。蓝莓加工副产物中的果渣、果皮、果籽富含碳水化合物、矿物质和纤维素等多种营养素,包含了微生物生长所必需的能源,是发酵生产肥料、酵素及酶的优良底物。

2.3.1 制备饲料

以蓝莓果渣为底物,通过乳酸菌、酵母菌及枯草芽孢杆菌等微生物对其进行增值生产可得发酵饲料,以蓝莓酒糟为发酵底物,通过液态发酵制得饲料,可成为昂贵传统饲料的替代品^[32-33]。以蓝莓渣为底物发酵是将原料中不易消化的抗营养因子和大分子分解转化为小分子营养物质,同时合成更多的单细胞生物蛋白,来增加饲料中营养价值。

2.3.2 开发酵素

酵素作为一种生物催化酶,可以调节机体机能,具有保健功能。蓝莓渣是良好的功能性食品配料,可作为酵素的发酵基底,生产功能酵素,并降低产品成本。研究表明通过调控酵母菌和干酪乳酸菌的接种量、发酵温度、发酵时间和pH等工艺,可获得高品质的蓝莓酵素粉剂^[34]。此外,进一步对发酵的乳酸菌种类和碳源进行优选,得到的发酵后的蓝莓渣酵素与蓝莓渣相比活性成分含量和抗氧化能力均显著提高,表现出优异的胆固醇清除能力和抗疲劳能力^[35]。在以蓝莓渣发酵酵素过程中,提高了酵素中益生菌活力,实现了活性增效作用,有助于蓝莓加工副产物在酵素开发中的应用。

2.3.3 生产酶制剂

酶作为工业生产中的高效生物催化剂,在酿酒和发酵饮料中发挥关键作用。蓝莓加工副产物具有高度生物可降解性,是生产酶制剂的良好培养基,已有研究从蓝莓渣中发酵得到果胶酶和纤维素酶等^[36]。果胶酶可以促进蓝莓渣中果胶分解,提高出汁率并促进花色苷等活性物质的释放。将从蓝莓副产物中提取的自身内源性酶,应用于副产物加工中,可以减少外源商业酶制剂的添加,从而有效降低加工过程中潜在的安全风险。

2.4 蓝莓加工副产物在智能食品包装中的应用

食品包装技术飞速发展,已逐渐趋于智能化和功能化。蓝莓加工副产物可用做包装基质材料、活性制剂和色敏指示剂等,满足新型智能和活性包装需求,拓宽蓝莓加工副产物的应用场景。蓝莓加工副产物在食品智能包装中的应用见表1^[37-44]。

表1 蓝莓加工副产物在食品智能包装中的应用

Tab.1 Application of blueberry processing by-products in food intelligent packaging

2.4.1 智能膜基质材料

蓝莓渣可作为成膜基质材料改善包装膜的物理性能。蓝莓果渣中提取的果胶,由于其具有紧凑的线状结构,在制成包装膜后,可有效阻隔CO₂和O₂,从而提高食品质量。当蓝莓渣加入淀粉基食品包装膜中,由于果渣中的黄酮类物质对光有较强的阻隔效果,可提高膜的紫外线吸收率,降低紫外线对包装食品的影响,提高食品品质^[37]。此外,研究发现将蓝莓果渣中提取的半精制果胶-明胶复配制成包装膜,其光阻隔性和抗氧化性显著优于苹果果胶-明胶包装膜^[38]。另外,将蓝莓果渣中提取的纤维素加入明胶成膜基质中,能够降低膜的溶解度,提高膜的刚性^[39]。因此,蓝莓加工副产物是智能膜材料的理想选择,对于改善复合膜物理性能具有重要作用。

2.4.2 智能膜活性制剂

蓝莓果渣中富含多酚类物质,其常作为抗氧化剂和抑菌剂等活性制剂应用在食品智能包装中。研究将蓝莓果渣和葡萄皮渣提取物应用于食品活性包装中,测得蓝莓果渣提取物中的总酚含量最高,并将蓝莓果渣和葡萄皮渣提取物与壳聚糖-羧甲基纤维素制成包装膜,发现复合膜的抗氧化活性显著提高^[40]。研究对比了蓝莓、黑莓和覆盆子果渣活性成分提取物含量,发现蓝莓果渣活性成分最多,抗氧化能力最强,随后应用在食品包装膜制备中,发现活性包装膜有效延长了三文鱼保质期^[41]。蓝莓渣作为膜活性制剂既提高了副产物的应用度,又延缓了食品腐败,节约了粮食,对于国家粮食安全举措意义重大。

2.4.3 智能膜色敏指示剂

蓝莓果渣中富含的花色苷是一种天然pH敏感色素,可作为色敏指示剂应用于食品智能包装来可视化监测食品新鲜度。蓝莓渣可直接作为色敏指示剂加入成膜基质中指示食品新鲜度,蓝莓渣粒径会影响指示膜的颜色均匀性,低粒径的蓝莓果渣制成的指示膜颜色均匀度更高^[42]。研究者将蓝莓果渣与淀粉基质复合制备指示膜,发现粒径大的蓝莓渣制成的指示膜颜色变化更加显著,热压法制得的指示膜在pH值为2～12的缓冲溶液中呈现显著色域变化^[43-44]。指示膜颜色随花色苷结构变化而变化,从黄烊阳离子到查尔酮和醌式碱,呈现出广泛的色域,易被人眼准确辨识,因此,蓝莓果渣适合作为色敏指示包装来监测食品新鲜度。

2.5 其他应用

蓝莓加工副产物中富含花青素类、黄酮类、酸类、酯类、维生素和矿物质元素等活性成分,有利于开发刺激性小、安全性高的多功能植物源化妆品。余红梅等^[45]开发了一种以蓝莓果渣为原料的新型美容面膜,具有光泽、水润、增弹、美白和祛斑等功效。同样地,蓝莓加工副产品的活性成分再提取,可做成富含抗氧化剂的面霜。此外,蓝莓副产物提取物中的酯类、萜类等香气物质提纯后添加在湿巾、面膜、口红等化妆品中,可以使产品具有淡淡的蓝莓清香。将蓝莓加工副产物应用于化妆品领域,不仅提高了副产物资源利用度,更是为水果化妆品行业发展提供了新思路。

3.1 功效成分的高保留提取技术尚需优化和开发

我国蓝莓等浆果副产物中以花色苷为代表的活性成分高效提取技术尚处于发展阶段,花色苷提取物80%以上依赖进口,提取技术的滞后和弊端限制了蓝莓加工副产物的综合利用。传统提取方法需要大量的有机溶剂,提取后的废液会造成环境污染和健康风险。此外,在萃取过程中会产生糖、有机酸和蛋白质等杂质,分离不同的花色苷等活性成分单体需要烦琐的步骤方法。随着提取步骤和制备时间的增加,产物提取率低、化学性质不稳定的现象增多,伴随着出现能耗大和经济成本过高等问题。物理场辅助提取等技术虽已逐渐被研究,但由于设备昂贵、溶剂选择局限等问题,仍未全面产业化应用,因此,迫切需要对现行有效的活性成分提取分离技术进行优化,实施技术推广,实现产业化应用。开发新型高效、高保留、有机溶剂少及快速分离活性成分单体的可行方法,有助于提高活性成分的提取率,供应规模化生产,形成蓝莓等浆果加工副产物产业技术的集成和示范。

3.2 功能提取物加工活性稳态技术不足

花色苷等活性成分从蓝莓加工副产物中提取分离后,其加工活性稳态化的“卡脖子”技术问题严重限制我国浆果产业的高质量发展。目前蓝莓加工生产领域,主要集中在对蓝莓果实的常规化加工,例如制备果汁、饮料和果酒等。然而,如何将加工副产物活性成分再次应用于食品体系的生产加工中,是实现蓝莓等浆果梯次链式转化利用的关键。针对以花色苷为主的活性成分提取物在加工过程中稳定性差、易降解、营养损失严重等问题,国内研究多集中于结构改性、微胶囊包埋等方式稳态花色苷,但这些方法导致得率低、安全性差及色泽损失严重。国外研究多集中于大分子包埋的纳米技术稳态花色苷,但其技术成本高,难以实际产业化应用。因此,探明活性成分降解机制,开发新型活性成分加工稳态化技术,是推动蓝莓副产物活性成分营养最大化的关键。

3.3 高附加值功能产品类型单一

蓝莓整果的食品开发主要局限在果酱、果汁和果干等传统加工制品方面。然而,由于蓝莓加工副产物中提取物的活性成分具有显著生理功能,因此,开发活性成分高附加值产品是实现产业高值化利用的关键。目前市场现存产品类型多为片剂和液体制剂,产品的食用形式单一化,难以满足人群食用普适性。此外,活性成分产品功能多以抗氧化、抗炎和提高机体免疫力等为主,功能性单一。蓝莓加工副产物中花色苷等活性成分功效作用研究尚浅,对人体健康作用尚不明确,难以满足精准营养需求,导致功能产品开发受限。以花色苷为主的蓝莓加工副产物活性成分多以保健品形式在市场呈现,食用普适性低,受众人群局限。因此,迫切需要开展副产物活性成分的功效验证及新型食品的精准营养设计,以拓宽蓝莓加工副产物高附加值产品的市场前景。

4.1 副产物活性成分的高稳态技术攻关

针对副产物活性成分梯次加工的稳态不足问题,构建高稳态加工技术至关重要。新型短程高效的吸附剂能够选择性结合花色苷等活性成分单体,可实现其靶向分离,对蓝莓等副产物活性成分的高效分离具备指导作用。未来研究可通过表面修饰,开发具有吸附-配对协同作用磁性纳米粒子作为高效吸附剂,在外加磁场作用下高效分离活性成分单体,实现单体快速富集和控释。此外,需进一步探明副产物活性成分在典型加工条件下的动态降解规律,结合“手-手套”理论筛选特异性空腔结构大分子,实现对活性成分的精确稳态保护效果。上述新型核心技术有望实现活性成分高效提取分离的可行性、绿色化及大规模产业化,在此基础上,结合大分子的精准稳态保护技术可全面提高蓝莓加工副产物活性成分综合利用率,提升蓝莓加工产业的经济和社会效益,促进产业健康高质量发展。

4.2 活性成分精准营养功效的深度挖掘

随着我国人民生活水平日益提高,消费者的营养需求日益多元、全面、均衡,全方位多途径开发食物资源,树立“大食物观”对社会进步和发展意义重大。近年来,我国大力推进《“健康中国2030”规划纲要》和《国民营养计划(2017—2030年)》,以满足人民群众营养健康的饮食需求。其中,蓝莓等浆果加工副产物富含活性成分,深入挖掘其活性成分的精准营养功能,符合健康营养发展理念。未来研究可通过宏基因组学、蛋白质组学和代谢组学等为基础的精准营养科学,探明活性成分有益人体健康的新功能,提高精准营养功效。通过靶向定量设计营养成分,合理规划膳食补充及健康新食品利用,为开发新型功能性产品提供理论支撑。

4.3 多元化和个性化的功能性产品开发

传统富含活性成分功能产品多为片剂和液体制剂,产品类型单一,且因其具有人群局限性,限值了营养定制化产品的普适化应用。因此,在探明副产物活性成分精准营养功效基础上,开发定制化、营养精准化和普适化功能产品符合未来蓝莓等浆果加工副产物活性成分深加工需求。未来研究可将精准营养科技设定成为特定人群营养食品开发及个性化定制食品加工技术指南,催生食品新业态。新型口溶膜制品、3D打印个性化食品、吞咽困难食品等定制化产品核心技术开发或可成为未来功能食品研究的新兴方向。将个性化精准营养健康调控为代表的食品制造核心关键技术作为解决膳食营养问题的重要技术支撑。将前沿技术不断应用于健康食品设计,通过靶向制造精准营养与个性化食品,提升未来食品的竞争优势。

4.4 加工标准与质量保障体系构建

长期以来我国水果深加工企业知识产权意识不强、专利保护力度不够。此外,加工标准水平偏低使我国出口产品屡屡受阻,制约了浆果加工业的发展。目前,国外在浆果品种栽培方面已形成部分标准,国内对于浆果贮运技术条件实行农业农村部标准,但对于浆果/副产物加工产品的加工技术标准、安全卫生标准目前尚未出台,迫切需要建立与国际标准接轨的国家质量安全标准体系。因此,建议参考WTO/TBT或SPS规定,借鉴发达国家食品加工标准和食品产业法规体系的特点和建设经验,基于科学、先进、可操作性强和严格标准理念,对照其具体详细的标准和法规内容,逐一分析,结合我国具体实际情况,系统地构建或完善食品加工标准及法规体系。法规要基于标准,标准要尽量与国际接轨。

本文对蓝莓加工副产物来源、资源利用等进行了总结,有助于全面了解蓝莓加工副产物的综合利用现状。进一步对资源利用现存问题展开了分析,指出了蓝莓加工副产物高质量提取技术、高附加值功能产品的不足是制约产业发展的关键问题。未来研究可通过攻克蓝莓加工副产物活性成分高稳态技术、挖掘活性成分精准营养功效、开发多元个性化食品及构建完善加工质量标准等方面入手,填补我国浆果副产物加工产业高附加值利用的技术空白,使小浆果成为大产业,全面推动节粮减损、粮食安全的重大战略发展。

制作：路旭东

编辑：张逸群、李宁

审核：叶红波