绿色技术助力经济林果提值增效

周丹丹，范龚健，吴彩娥，窦金凤，索安迪，沈东北，孙文娟

(南京林业大学轻工与食品学院，江苏 南京 210037)

0 引言

近几年，我国经济林果产业得到快速发展，规模与产量逐年增加，其深加工产业也蓬勃发展，大量加工副产物也随之产生，造成了环境污染，引起了人们的重视。而这些废弃物中含有的有效活性成分因没有合理利用而造成了资源的浪费。科学、合理地将其利用是促进林果资源优势向经济优势、产业优势转变，推动经济林果产业融合发展的重要举措。

经济林果在加工过程中会产生废弃的果皮、果核、残渣、叶子、花和根等副产物。目前，对经济林果副产物的处理方式以作为动物饲料、直接填埋为主，而副产物的深度加工少之又少，但在这些副产物中含有大量的有机物，如天然色素、果胶、膳食纤维和多酚等有益成分[1]。因此，经济林果加工副产品的深度利用，无论从对资源的充分利用角度还是环保角度来说，都是十分必要的。应用绿色节能环保的加工技术是降低副产物加工成本，提高副产物经济价值的关键因素。本文主要介绍几种经济林果副产物的加工价值和绿色技术的应用。

1 作为天然活性成分来源

1.1 天然色素

众所周知，植物果壳和果皮中富含丰富的天然色素，如花青素类、黄酮类、类胡萝卜素等，属于天然无公害物质，因此从经济林果加工副产物中提取色素无论从食品安全角度来说，还是从对果蔬深层次利用来说，都是非常有意义的[2]。例如，枣渣是红枣主要加工副产物之一，现代研究表明，从红枣食品生产过程中获取的废弃枣渣中提取的天然色素，含有黄酮、原花青素、表儿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，具有调节免疫力等功能[3-5]。核桃青皮可以作为天然棕褐色色素和黑色素的来源应用于印染纺织工业[6]。葡萄皮中富含花青素等物质[7]。杏渣可以用于提取天然黄色素[8]。

1.2 活性多糖

糖类是在自然界中存在相当广泛的一类有机化合物，又称为碳水化合物。在日常食用的食物里也存在大量的糖类，为日常所需提供大量的碳元素。碳水化合物根据其能否水解和水解后的生成物类型可分为单糖类、低聚糖类、多聚糖类。单糖是糖类中结构最简单、通常条件下不能被直接水解的糖，也是构成各种低聚糖和多糖的最基本组织单位。低聚糖又名寡糖，最常见的低聚糖是二糖，又称双糖，是两个单糖通过糖苷键结合而成的，如蔗糖、乳糖、麦芽糖等。多糖是一类高分子化合物，由许多单糖分子组合而成，种类较多，如淀粉糖原、纤维素、半纤维素和果胶等。果胶因其具有降低血脂、降低胆固醇、能够吸附重金属等作用，越来越受到人们的重视[9-11]。同时，果冻、果酱中的凝胶剂和稳定剂也是从果胶中提取出来的[12]。因此，提取果胶，可以成为经济林果果渣的处理方式之一，如红枣渣、杏渣等都是富含果胶的林业生产加工副产物。同时，在这些副产物中也富含大量的纤维素，这恰恰是生产膳食纤维减肥产品的原料之一，以此为主要原料的减肥产品，将受到人们的热捧。

1.3 多酚物质

水果加工副产物还具有多酚含量高的特点。许多水果被归入100种最丰富的多酚膳食来源。红枣渣中这些化合物主要包括黄烷醇类、酚酸类、儿茶素及花青素类等[13]。葡萄籽也是多酚的良好来源，特别是酚酸、鞣花苷、黄酮和黄烷-3-醇，如儿茶素、花青素、二苯乙烯和白藜芦醇，均具有抗氧化、预防肿瘤、抗微生物侵染、延缓衰老的功能，对肝脏具有抗毒性和抗炎作用[14-16]。近年来，从植物中寻找天然抗氧化剂的需求日益增加，经济林果加工副产物中具有丰富的多酚类物质，是天然抗氧化剂的良好来源，因此从经济林果副产物中提取多酚类物质具有相当广大的应用前景。

2 副产物加工存在的问题

经济林果加工副产物中富含丰富的天然活性物质，可作为高附加值产品的回收资源，经济林加工副产物的回收再利用是经济林果行业迈向可持续发展的重要一步。与化学合成物相比，用副产物中提取的天然成分开发功能性产品更受消费者青睐。长期以来，传统的提取、纯化方法对色素、多酚、多糖等活性物质已经不能满足人们日益增长的需要，也不符合近年来人们绿色健康的追求，从时间和能源消耗的角度来说也相当浪费，这一点限制了经济林果加工副产物的回收利用，造成资源的间接浪费[17]。高效、低能的提取、纯化方法是降低天然提取物成本、提高经济林果副产物附加值的重要途径，从而真正实现变废为宝。

3 绿色技术的应用

3.1 提取技术

提取是从副产物中获得色素和多糖的重要工序，溶剂选择是否恰当，提取工艺是否合理直接关系到色素和多糖的产量和质量，也影响到深加工工序的进行，因此，绿色环保并且更高效率的提取方式是降低经济林果加工成本、提高加工副产物附加值的重要环节。

目前常用的色素提取方法有溶剂浸提法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法、闪式提取法和超临界流体萃取法等[18]。随着绿色生产的发展，复合酶反应法是新兴起来的一项生物工程技术。在提取过程中，细胞壁往往是影响提取效果的重要因素，而复合酶反应法的作用原理为在色素提取过程中，利用酶解技术将细胞壁中的果胶和纤维素分解，从而较温和地破坏植物组织细胞壁，加速有效天然色素成分的释放提取[19]。如图1展示了复合酶辅助提取红枣皮色素的工艺[20]。微滤、超滤、纳滤可做到精准拦截，在浓缩领域，纳滤、反渗透过滤系统对提取液的浓缩去水，效果非常明显。与传统技术相比，膜过滤技术初次设备投入资金较大，但生产过程具有速度快、流程短、能耗少、不使用溶剂和不污染环境等优点，且有设备紧凑、占用空间少等优势[21]。在水溶性天然色素纯化去杂技术方面，近年来我国所应用的膜分离技术发展已经相当成熟，但仍有改进和创新的空间。

图1 复合酶辅助提取红枣皮色素及超声辅助纯化红枣皮色素Fig.1 Cocktail enzyme assisted extraction of jujube peel pigment and ultrasound assisted purification of jujube peel pigment

微生物发酵法、微波辅助提取、亚临界水提取、超高压提取目前被认为是高效提取多糖的方法。微生物发酵法是利用微生物发酵果渣，如乳酸菌、毛霉、曲霉和木霉等，这些微生物在生长繁殖时会消耗果渣中可发酵利用的物质，减少蛋白质、色素等其他成分，破坏植物细胞壁，让更多的多糖物质溶出，并在一定程度上起到除杂的作用[22]。如图2所示，与非发酵的多糖相比，发酵的多糖粗纤维含量更高，持水力更大，生理活性更好。微波辅助提取是将原料通过微波直接加热，增强电荷现象，破坏细胞膜。一般使用的能量和电磁能范围为300～300 000 MHz。亚临界水提取法是一种更加安全环保的提取方式，它的提取原理是在很短的时间内使用处于高压(0.34～2.06 MPa)和高温(100～374 ℃)的水浸提多糖。在此期间，水依然处于液体状态，称为亚临界水。亚临界水在提取过程中可以通过调整温度和压力被改变成另外一种性质，从而实现对水溶性成分到水不溶性成分的连续提取。超高压提取是在100～1 000 MPa的压力和20～50 ℃的温度下进行的提取方式，在这种条件处理下，多糖的溶出速率加快，从而提高了它的提取效率[23]。

图2 微生物发酵提取杏多糖Fig.2 Extraction of apricot polysaccharides by using microbial fermentation

3.2 分离技术

经上述提取方法得到的天然色素和多糖大多是粗制品，其中含有较多的杂质。天然色素中的杂质包括胶质、淀粉、糖类、脂肪、有机酸碱和无机盐等，这些杂质的色泽、气味、溶解性及含量等性状指标，直接影响着天然色素的纯度、溶解性、稳定性和着色力[24]。而粗多糖中则含有较多的蛋白质、脂肪和色素等杂质，影响多糖的物理性能及生物活性，从而导致天然色素和天然多糖不能得到良好的应用[25]。

分离纯化及浓缩过程是天然色素和多糖生产加工中的一个重要环节。虽然天然色素和多糖的分子量和物理化学特性有很大的差别，但通过选择不同的分离纯化材料和技术可以纯化不同的色素和多糖。柱层析法是近年来应用最广泛的一类分离纯化技术，目前大多采用凝胶、聚酰胺、硅胶、离子交换树脂和大孔树脂等[26]。双水相萃取法是一种新型液/液萃取分离技术，双水相萃取具有处理条件比较温和、价格相对低廉、单次处理量大、易于进行连续操作且萃取分离过程绿色环保等优点。通过低毒有机溶剂和盐体系对色素和多糖进行萃取纯化，大大减少有毒有机溶剂的用量[27]。除此以外，膜分离技术可以通过选择不同截留分子量的过滤膜，利用超滤、微滤、纳滤和反渗透等原理实现色素和多糖的分离纯化，膜分离装置简单，操作方便，可以实现自动控制，能源消耗少，纯化效果相对较好[28]。

3.3 干燥技术

干燥是利用热交换使湿物料中的水分或其他溶剂气化，并利用空气流动或抽真空带走气化的水分或溶剂，从而获得干燥物料的操作。干燥能提高色素和多糖稳定性，使其更便于运输和贮存。不同的干燥方法会直接影响到产品的形态、质量、生物活性及生产过程中的能量消耗等。目前应用较多的干燥方法有微波干燥、真空冷冻干燥、喷雾干燥等。微波干燥是节能型的技术，干燥速度快，效率高，成本低[29]。真空冷冻干燥在低温下进行，适用于温度敏感性物质[30]。喷雾干燥技术可以将固体、液体物质包裹在微小的、半透过性或全封闭的胶囊内，这一技术可防止制剂中有效成分在储存和运输过程中氧化、水解和挥发。对色素的干燥，主要从色素的稳定性、活性、色价等方面进行综合考虑选择干燥方式；而多糖干燥方式的选择要根据用途和多糖来源、得率，物理特性和生物活性等方面综合考虑。

4 结束语

我国作为经济林果种植和生产大国，具有多种多样的加工产品和庞大的消费市场，加工副产物的研究和副产物中活性成分的开发对于经济林果的全面利用发挥着重要作用。目前，将经济林加工副产物焚烧或扔进城市垃圾场直接填埋的处理方法，不仅会对生态环境造成严重污染，而且对社会造成了严重的经济流失。随着健康、绿色、低碳、环保的理念越来越深入人心，利用低能耗、高效率的绿色技术将经济林果副产物做到科学、合理利用，将是经济林果副产物的研究开发方向。将经济林果副产物变废为宝，不但能有效发挥加工副产物的效用，又能减少对生态环境的破坏，是经济林果产业提值增效的重要方向。同时，经济林果副产物具有相当高的营养价值，在食品工业、饲料工业及医药工业等方面具有较大的发展潜力，因此加大加深对经济林果副产物综合利用的研究，在经济健康发展和环境可持续发展方面具有重要的意义。