我國菠蘿皮渣綜合利用的研究進展

楊眉，遲曉君

（山東農業工程學院，山東濟南250100）

菠蘿是一種熱帶水果，在我國南部和東南部沿海熱帶地區廣泛種植。由于生命力旺盛，易存活，產量大，近年來菠蘿的種植面積不斷擴大。菠蘿外皮多硬質果槽，果肉還有刺根，在生產上多將這些不可食用部分剔除扔掉，然而菠蘿皮渣中含大量有益人體健康的可提取物質與發酵性能良好的乳酸菌菌株，扔掉會造成浪費，而且污染環境。針對目前大量產生的菠蘿皮渣問題，許多實驗室開展了相關研究，以提高植物資源的附加值和利用率，促進可持續發展。

1 菠蘿皮渣利用現狀

我國是世界十大菠蘿主生產國之一，自17 世紀初從葡萄牙引入以來菠蘿已有400 多年的栽培歷史，主要集中在廣東、海南、福建、廣西和云南等省區，目前菠蘿已成為我國重要的熱帶經濟作物。菠蘿生產加工過程中，會產生大量的皮渣廢棄物，據統計，幾乎有50%～60%的菠蘿皮渣未被利用。目前對于菠蘿皮渣的研究主要是提取工業原料，如提取蛋白酶、分離纖維素和半纖維素等；在發酵方面主要是生產酒精、開發醋酸飲料[1～4]等。總的來說，當前對菠蘿皮渣的利用多處于試驗階段，產業化趨勢還未形成。

2 菠蘿皮渣的利用方式

2.1 提取果膠

果膠是植物細胞壁的重要組成部分，具有降血糖、降血脂的功效[5]，可用作天然耐酸的凝膠劑[6]，在我國《食品添加劑食用衛生標準》（GB 2760-2014）中規定：生產中可適量使用果膠。根據甲氧基酯化度高低，可將果膠分為高酯果膠和低酯果膠，而自然界中果膠一般以高酯果膠存在，高酯果膠降低酯化度才可得到低酯果膠。低酯果膠較高酯果膠更容易應用于工業生產，凝膠條件寬泛，對糖濃度、pH 要求不嚴格，在多價金屬離子交聯下可凝膠，且有更低的含糖量，約為30%[7]，可滿足消費者對于低糖的需求。

菠蘿皮渣中低酯果膠含量高。杭瑜瑜等[8]采用纖維素酶法提取干菠蘿皮渣中的果膠，并用超聲波作為輔助手段，主要工藝流程為預處理后的干皮渣→機械粉碎→加酸溶解→加酶酶解→過濾→減壓濃縮→靜置→離心分離→醇洗→真空干燥→果膠，通過對上述試驗工藝和條件的不斷摸索，得到最佳工藝參數：超聲波功率為507 W、10 mL 提取液中纖維素酶添加量為0.51 g，獲得較高的果膠提取率，約為2.584 3%。經理化分析測得該果膠酯化度為47.99%，屬于低酯果膠的范疇，可用作低糖或無糖食品的增稠劑，以改善食品品質和增加食品的穩定性。鄭振峰等[9]對乳酸輔助提取果膠的方法進行優化，平均果膠得率為8.47%；姚春波等[10]采用纖維素酶輔助酸法從菠蘿皮渣中提取果膠，并與直接酸法提取的果膠含量進行對比，發現前者的提取率明顯高于后者。趙梅等[11]在提取果膠時采用超聲波-表面活性劑輔助手段，在最佳條件下提取率高達8.73%。以上實驗在提取果膠時都采用了輔助手法，果膠得率比較高，這為科研人員在進行酶法、鹽析法、酸法等提取果膠時提供了思路。

2.2 制備納米纖維素水凝膠

納米纖維素水凝膠是以納米纖維素為主要原料，以交聯方式形成的具有強親水保水性的三維網絡結構[12]，具有生物相容性和生物可降解性[13]，可應用于醫藥、農業、化妝品等領域，是一種應用前景廣闊的高分子材料[14]。羅蘇芹等[15]改良原來的方法，以海藻酸鈉、納米纖維素晶體（菠蘿皮渣制得）為原料，通過提取菠蘿皮渣纖維素，制備了納米纖維素晶體懸浮液，加入交聯劑最終通過交聯作用制得水凝膠。戴宏杰[14]以菠蘿皮渣為原料，探討不同方法制備的菠蘿皮渣纖維素組成及其物化性質。納米纖維素水凝膠在菠蘿皮渣領域中的報道為相關研究人員開展菠蘿皮渣功能性研究提供了方向。

2.3 提取黃酮

黃酮可以提高非特異免疫和體液免疫功能、抗腫瘤和抗突變、保護中樞神經系統。相關研究發現，菠蘿皮中富含黃酮等酚類抗氧化活性物質[16-19]。

隨著學者們在菠蘿皮渣提取黃酮領域研究的深入，關于菠蘿皮渣中黃酮提取的報道也越來越多。徐方祥等[20]采用微波輔助雙水相乙醇-磷酸氫二鉀體系的方法提取黃酮。首先分別以提取時間、乙醇濃度、磷酸氫二鉀濃度、微波功率、液料比進行單因素實驗。數據表明，黃酮提取時間對提取率影響最大，乙醇濃度次之，然后為提取時間和液料比。通過正交試驗得出，在乙醇濃度為60%、微波功率464 W，液料比40：1(mL/g）條件下提取45 s，黃酮提取率明顯上升，達到5.34%[20]。林麗靜等[21]將菠蘿干皮渣粗粉碎后繼續超微粉碎，相關數據表明多酚溶出量增加，但目前在菠蘿皮渣綜合利用的研究領域未見有超微粉碎輔助提取黃酮優化實驗的報道，有關科研人員可以此為突破點進行深入的探究。

2.4 發酵畜禽飼料

2.4.1 單一乳酸菌青貯發酵

青貯飼料是利用乳酸菌在厭氧條件下對植物秸稈、莖葉、谷殼等發酵而成，乳酸菌通過自身代謝活動將植物中的糖類變為乳酸，乳酸積累到一定濃度，酸性條件下其他微生物活動受到抑制，有助于延長飼料保存期限，提高飼料的消化吸收率。青貯發酵過程中秸稈等物料含糖量稍低，供乳酸發酵可利用的營養物質有限，故在實際生產中會配合其他底物發酵。雖然應用乳酸進行飼料發酵優勢諸多，但是也有限制因素，如菌種培養設備投資大、菌種保存條件嚴苛等，大部分乳酸菌菌種都需要從專門的菌種保藏研究所購買，這就使菌種性質單一，飼料品質差，保存期限短。

有資料顯示，菠蘿皮渣富含糖類、纖維素等碳水化合物，可以為乳酸菌提供充足碳源。因此從菠蘿皮渣中分離乳酸菌菌株并將其應用于輔助稻草青貯發酵便顯得很有必要。全林發等[22]嘗試在鮮稻草青貯發酵時添加不同含量的菠蘿皮渣，研究發現添加菠蘿皮渣之后，乳酸菌數量增多，青貯效果好，同時飼料品質提高。香換玲等[23]以此為切入點從菠蘿皮渣中分離出生長性能良好的乳酸菌菌株。目前關于此乳酸菌在菠蘿皮渣輔助稻草青貯中仍有許多問題需要解決，如發酵所需菌株量、溫度、濕度、水分等環境因素的控制、增效多少等。

2.4.2 復合發酵飼料

為進一步提高菠蘿皮渣的發酵效能，研究人員采用多菌種進行復合發酵。如龔霄等[24]通過復合菌種發酵菠蘿皮渣的試驗發現，菠蘿皮渣中的鈣、磷元素由無機態轉化為有機小分子形式，能提高畜禽對鈣和磷的吸收利用率。楊正楠等[25]經測定發現，復合發酵后菠蘿皮渣TCA 可溶蛋白（小分子肽和游離氨基酸）含量由0.54%提高到0.86%，且在皮渣發酵24 h 后，TCA可溶蛋白含量變化與粗蛋白含量變化相反，二者呈此消彼長的態勢，這說明微生物將粗蛋白大分子分解為小分子氨基酸和小分子肽，進一步解釋了發酵飼料中蛋白質吸收率高的原因。鐘燦樺等[26]混合綠色木霉和產朊假絲酵母進行固態發酵，對粗蛋白理化分析后得出, 復合菌發酵菠蘿皮渣所得粗蛋白含量高于單一菌種發酵。梁耀開等[27]在既有研究的基礎上進一步探究菠蘿皮渣生產蛋白飼料的發酵條件，最終確定當根霉和產朊假絲酵母混合比例為6：4，混合菌種接種量為10%，以菠蘿皮粉、麩皮、尿素、硫酸銨、磷酸氫二鉀制成的固態發酵培養基厚度3 cm，料水比3：7 時，此條件下理化分析得出粗蛋白含量高達18.72%。

2.5 吸附重金屬

我國工業迅速發展的同時帶來了重金屬污染問題，科研人員發現菠蘿皮渣能夠吸附重金屬。陳清蘭[28]將菠蘿皮渣用KMnO4處理后，發現改性的菠蘿皮渣對Cu2+的吸附率由45.6%提高到96%以上，說明在特定條件下處理菠蘿皮渣會提高其吸附重金屬的性能。馬沛勤等[29]將皂化后的菠蘿皮渣進行Zn2+吸附對比實驗，即制備3 組15 mL 的40、60、80、100、120 mg/L 的Zn2+標準溶液，將pH 調至6 后，于試管中分別加入菠蘿皮渣、纖維素（從菠蘿皮渣中提取）、活性炭各0.3 g，混合均勻后在40 ℃下靜置2 h，測定吸光度，對比吸附效果。相關測定數據表明，在低濃度范圍內，尤其是在Zn2+濃度為40 mg/L 時，菠蘿皮渣和纖維素吸附力高于活性炭；Zn2+濃度高時，三者吸附效果差別不大。實驗數據還證明菠蘿皮渣中起吸附作用的主要是纖維素。該試驗還利用紅外光譜儀和電子顯微鏡分別對菠蘿皮渣表面和化學官能團進行分析，研究后發現有吸附能力的化學基團為-OH、C=O、C-O，皮渣表面有大量的褶皺和細微小孔，這說明皂化菠蘿皮渣對鋅的吸附是化學吸附和物理吸附共同作用的結果。

3 結語

目前對菠蘿皮渣中物質的提取大多數仍停留在試驗室優化階段，超微粉碎輔助提取黃酮以及將從菠蘿皮渣中分離的乳酸菌菌株應用在菠蘿皮渣輔助飼料青貯等也僅是個理論猜想，還需用數據來證明。采用輔助手段提取果膠、制備納米纖維素水凝膠為研究菠蘿皮渣的綜合利用提供了思路，除此之外，菠蘿皮渣綜合利用的產業化程度低，效益轉化時間長。要使菠蘿皮渣的綜合利用率提高，不僅需要科研工作者砥礪前行，不斷探索鉆研，同時還需要菠蘿加工企業優化自身結構，促進產業多元化發展，增進與院校、科研機構合作，促進技術攻關不斷引進新技術，積極試點，取得更好效果[30,31]。