綠色技術助力經濟林果提值增效

周丹丹，范龔健，吳彩娥，竇金鳳，索安迪，沈東北，孫文娟

(南京林業大學輕工與食品學院，江蘇 南京 210037)

0 引言

近幾年，我國經濟林果產業得到快速發展，規模與產量逐年增加，其深加工產業也蓬勃發展，大量加工副產物也隨之產生，造成了環境污染，引起了人們的重視。而這些廢棄物中含有的有效活性成分因沒有合理利用而造成了資源的浪費。科學、合理地將其利用是促進林果資源優勢向經濟優勢、產業優勢轉變，推動經濟林果產業融合發展的重要舉措。

經濟林果在加工過程中會產生廢棄的果皮、果核、殘渣、葉子、花和根等副產物。目前，對經濟林果副產物的處理方式以作為動物飼料、直接填埋為主，而副產物的深度加工少之又少，但在這些副產物中含有大量的有機物，如天然色素、果膠、膳食纖維和多酚等有益成分[1]。因此，經濟林果加工副產品的深度利用，無論從對資源的充分利用角度還是環保角度來說，都是十分必要的。應用綠色節能環保的加工技術是降低副產物加工成本，提高副產物經濟價值的關鍵因素。本文主要介紹幾種經濟林果副產物的加工價值和綠色技術的應用。

1 作為天然活性成分來源

1.1 天然色素

眾所周知，植物果殼和果皮中富含豐富的天然色素，如花青素類、黃酮類、類胡蘿卜素等，屬于天然無公害物質，因此從經濟林果加工副產物中提取色素無論從食品安全角度來說，還是從對果蔬深層次利用來說，都是非常有意義的[2]。例如，棗渣是紅棗主要加工副產物之一，現代研究表明，從紅棗食品生產過程中獲取的廢棄棗渣中提取的天然色素，含有黃酮、原花青素、表兒茶素等抗氧化活性成分，具有清除自由基、抗氧化、抗菌、抗病毒和抗癌防癌能力，能降低高脂、高糖小鼠的血脂、血糖水平，具有調節免疫力等功能[3-5]。核桃青皮可以作為天然棕褐色色素和黑色素的來源應用于印染紡織工業[6]。葡萄皮中富含花青素等物質[7]。杏渣可以用于提取天然黃色素[8]。

1.2 活性多糖

糖類是在自然界中存在相當廣泛的一類有機化合物，又稱為碳水化合物。在日常食用的食物里也存在大量的糖類，為日常所需提供大量的碳元素。碳水化合物根據其能否水解和水解后的生成物類型可分為單糖類、低聚糖類、多聚糖類。單糖是糖類中結構最簡單、通常條件下不能被直接水解的糖，也是構成各種低聚糖和多糖的最基本組織單位。低聚糖又名寡糖，最常見的低聚糖是二糖，又稱雙糖，是兩個單糖通過糖苷鍵結合而成的，如蔗糖、乳糖、麥芽糖等。多糖是一類高分子化合物，由許多單糖分子組合而成，種類較多，如淀粉糖原、纖維素、半纖維素和果膠等。果膠因其具有降低血脂、降低膽固醇、能夠吸附重金屬等作用，越來越受到人們的重視[9-11]。同時，果凍、果醬中的凝膠劑和穩定劑也是從果膠中提取出來的[12]。因此，提取果膠，可以成為經濟林果果渣的處理方式之一，如紅棗渣、杏渣等都是富含果膠的林業生產加工副產物。同時，在這些副產物中也富含大量的纖維素，這恰恰是生產膳食纖維減肥產品的原料之一，以此為主要原料的減肥產品，將受到人們的熱捧。

1.3 多酚物質

水果加工副產物還具有多酚含量高的特點。許多水果被歸入100種最豐富的多酚膳食來源。紅棗渣中這些化合物主要包括黃烷醇類、酚酸類、兒茶素及花青素類等[13]。葡萄籽也是多酚的良好來源，特別是酚酸、鞣花苷、黃酮和黃烷-3-醇，如兒茶素、花青素、二苯乙烯和白藜蘆醇，均具有抗氧化、預防腫瘤、抗微生物侵染、延緩衰老的功能，對肝臟具有抗毒性和抗炎作用[14-16]。近年來，從植物中尋找天然抗氧化劑的需求日益增加，經濟林果加工副產物中具有豐富的多酚類物質，是天然抗氧化劑的良好來源，因此從經濟林果副產物中提取多酚類物質具有相當廣大的應用前景。

2 副產物加工存在的問題

經濟林果加工副產物中富含豐富的天然活性物質，可作為高附加值產品的回收資源，經濟林加工副產物的回收再利用是經濟林果行業邁向可持續發展的重要一步。與化學合成物相比，用副產物中提取的天然成分開發功能性產品更受消費者青睞。長期以來，傳統的提取、純化方法對色素、多酚、多糖等活性物質已經不能滿足人們日益增長的需要，也不符合近年來人們綠色健康的追求，從時間和能源消耗的角度來說也相當浪費，這一點限制了經濟林果加工副產物的回收利用，造成資源的間接浪費[17]。高效、低能的提取、純化方法是降低天然提取物成本、提高經濟林果副產物附加值的重要途徑，從而真正實現變廢為寶。

3 綠色技術的應用

3.1 提取技術

提取是從副產物中獲得色素和多糖的重要工序，溶劑選擇是否恰當，提取工藝是否合理直接關系到色素和多糖的產量和質量，也影響到深加工工序的進行，因此，綠色環保并且更高效率的提取方式是降低經濟林果加工成本、提高加工副產物附加值的重要環節。

目前常用的色素提取方法有溶劑浸提法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法、閃式提取法和超臨界流體萃取法等[18]。隨著綠色生產的發展，復合酶反應法是新興起來的一項生物工程技術。在提取過程中，細胞壁往往是影響提取效果的重要因素，而復合酶反應法的作用原理為在色素提取過程中，利用酶解技術將細胞壁中的果膠和纖維素分解，從而較溫和地破壞植物組織細胞壁，加速有效天然色素成分的釋放提取[19]。如圖1展示了復合酶輔助提取紅棗皮色素的工藝[20]。微濾、超濾、納濾可做到精準攔截，在濃縮領域，納濾、反滲透過濾系統對提取液的濃縮去水，效果非常明顯。與傳統技術相比，膜過濾技術初次設備投入資金較大，但生產過程具有速度快、流程短、能耗少、不使用溶劑和不污染環境等優點，且有設備緊湊、占用空間少等優勢[21]。在水溶性天然色素純化去雜技術方面，近年來我國所應用的膜分離技術發展已經相當成熟，但仍有改進和創新的空間。

圖1 復合酶輔助提取紅棗皮色素及超聲輔助純化紅棗皮色素Fig.1 Cocktail enzyme assisted extraction of jujube peel pigment and ultrasound assisted purification of jujube peel pigment

微生物發酵法、微波輔助提取、亞臨界水提取、超高壓提取目前被認為是高效提取多糖的方法。微生物發酵法是利用微生物發酵果渣，如乳酸菌、毛霉、曲霉和木霉等，這些微生物在生長繁殖時會消耗果渣中可發酵利用的物質，減少蛋白質、色素等其他成分，破壞植物細胞壁，讓更多的多糖物質溶出，并在一定程度上起到除雜的作用[22]。如圖2所示，與非發酵的多糖相比，發酵的多糖粗纖維含量更高，持水力更大，生理活性更好。微波輔助提取是將原料通過微波直接加熱，增強電荷現象，破壞細胞膜。一般使用的能量和電磁能范圍為300～300 000 MHz。亞臨界水提取法是一種更加安全環保的提取方式，它的提取原理是在很短的時間內使用處于高壓(0.34～2.06 MPa)和高溫(100～374 ℃)的水浸提多糖。在此期間，水依然處于液體狀態，稱為亞臨界水。亞臨界水在提取過程中可以通過調整溫度和壓力被改變成另外一種性質，從而實現對水溶性成分到水不溶性成分的連續提取。超高壓提取是在100～1 000 MPa的壓力和20～50 ℃的溫度下進行的提取方式，在這種條件處理下，多糖的溶出速率加快，從而提高了它的提取效率[23]。

圖2 微生物發酵提取杏多糖Fig.2 Extraction of apricot polysaccharides by using microbial fermentation

3.2 分離技術

經上述提取方法得到的天然色素和多糖大多是粗制品，其中含有較多的雜質。天然色素中的雜質包括膠質、淀粉、糖類、脂肪、有機酸堿和無機鹽等，這些雜質的色澤、氣味、溶解性及含量等性狀指標，直接影響著天然色素的純度、溶解性、穩定性和著色力[24]。而粗多糖中則含有較多的蛋白質、脂肪和色素等雜質，影響多糖的物理性能及生物活性，從而導致天然色素和天然多糖不能得到良好的應用[25]。

分離純化及濃縮過程是天然色素和多糖生產加工中的一個重要環節。雖然天然色素和多糖的分子量和物理化學特性有很大的差別，但通過選擇不同的分離純化材料和技術可以純化不同的色素和多糖。柱層析法是近年來應用最廣泛的一類分離純化技術，目前大多采用凝膠、聚酰胺、硅膠、離子交換樹脂和大孔樹脂等[26]。雙水相萃取法是一種新型液/液萃取分離技術，雙水相萃取具有處理條件比較溫和、價格相對低廉、單次處理量大、易于進行連續操作且萃取分離過程綠色環保等優點。通過低毒有機溶劑和鹽體系對色素和多糖進行萃取純化，大大減少有毒有機溶劑的用量[27]。除此以外，膜分離技術可以通過選擇不同截留分子量的過濾膜，利用超濾、微濾、納濾和反滲透等原理實現色素和多糖的分離純化，膜分離裝置簡單，操作方便，可以實現自動控制，能源消耗少，純化效果相對較好[28]。

3.3 干燥技術

干燥是利用熱交換使濕物料中的水分或其他溶劑氣化，并利用空氣流動或抽真空帶走氣化的水分或溶劑，從而獲得干燥物料的操作。干燥能提高色素和多糖穩定性，使其更便于運輸和貯存。不同的干燥方法會直接影響到產品的形態、質量、生物活性及生產過程中的能量消耗等。目前應用較多的干燥方法有微波干燥、真空冷凍干燥、噴霧干燥等。微波干燥是節能型的技術，干燥速度快，效率高，成本低[29]。真空冷凍干燥在低溫下進行，適用于溫度敏感性物質[30]。噴霧干燥技術可以將固體、液體物質包裹在微小的、半透過性或全封閉的膠囊內，這一技術可防止制劑中有效成分在儲存和運輸過程中氧化、水解和揮發。對色素的干燥，主要從色素的穩定性、活性、色價等方面進行綜合考慮選擇干燥方式；而多糖干燥方式的選擇要根據用途和多糖來源、得率，物理特性和生物活性等方面綜合考慮。

4 結束語

我國作為經濟林果種植和生產大國，具有多種多樣的加工產品和龐大的消費市場，加工副產物的研究和副產物中活性成分的開發對于經濟林果的全面利用發揮著重要作用。目前，將經濟林加工副產物焚燒或扔進城市垃圾場直接填埋的處理方法，不僅會對生態環境造成嚴重污染，而且對社會造成了嚴重的經濟流失。隨著健康、綠色、低碳、環保的理念越來越深入人心，利用低能耗、高效率的綠色技術將經濟林果副產物做到科學、合理利用，將是經濟林果副產物的研究開發方向。將經濟林果副產物變廢為寶，不但能有效發揮加工副產物的效用，又能減少對生態環境的破壞，是經濟林果產業提值增效的重要方向。同時，經濟林果副產物具有相當高的營養價值，在食品工業、飼料工業及醫藥工業等方面具有較大的發展潛力，因此加大加深對經濟林果副產物綜合利用的研究，在經濟健康發展和環境可持續發展方面具有重要的意義。