竹产品加工剩余物有效成分的生物活性及应用研究进展

益 莎，杨 波，杨 光，贺 亮，李 琴

(1.上海理工大学 健康科学与工程学院，上海 200093；2.浙江省林业科学研究院国家林业局竹笋工程技术研究中心 浙江省竹类研究重点实验室 浙江 杭州 310023)

竹(bamboo)是广泛分布于东南亚地区的禾本科植物[1]，在中国、日本等亚洲国家是一种食品和药材来源[2]。我国竹子种植地域广阔，种类繁多，有毛竹、雷竹和麻竹等品种。竹加工产品作为绿色产品，口感丰富且富含蛋白质、酚类、多糖和黄酮等营养成分[3]，具有抗氧化、抑菌和降血糖[4-6]等生物活性，因此竹子有良好的利用价值和巨大的市场潜力。

然而，随着我国竹加工工业的快速发展，产生大量的加工剩余物，如竹叶、竹笋笋渣、笋壳、笋篼和笋煮废水等[7]。以毛竹笋为例，其可食部分仅为30%左右，而笋壳、笋篼分别约占30%、40%；在笋罐头制品加工时，每加工1 t竹笋约产生2 t左右废弃的笋煮水。这些剩余物给环境带来污染的同时，也对资源造成了极大的浪费。因此，如何处理竹产品加工剩余物这一问题越来越受到人们的关注。

竹产品加工剩余物中富含黄酮类、多酚类、生物活性多糖类及一些挥发性成分等化合物。如Jiang等[8]从竹笋壳中分离得到15种酚酸、7种黄酮类化合物、19种有机酸等物质，这说明竹笋壳提取物中含有大量的营养活性物质，可进一步开发利用。对竹产品加工剩余物进行全方位的综合利用研究，不仅能推动相关的农、林业领域产业的升级发展，而且对经济、社会和生态效益也有着十分重要的意义。本文针对竹产品加工剩余物的处理应用进行综述，主要包括剩余物中有效成分的提取纯化、生物活性及其应用。

1 竹产品加工剩余物中有效成分及其生物活性

1.1 多糖类物质

多糖(polysaccharide)在自然界中分布极为广泛，存在于高等植物、动物细胞膜和微生物细胞壁中，并且具有多种生物活性。竹产品加工剩余物中多糖作为植物多糖的一种，具有植物多糖共有的活性，包括抗氧化、抗肿瘤、降血糖和调节免疫能力等。植物多糖的抗氧化能力主要通过清除活性氧(ROS)自由基，如超氧阴离子自由基、羟自由基、单线态氧和H2O2[9]来实现；抗肿瘤能力表现在它可以直接作用于肿瘤细胞，也可以通过增强细胞免疫和体液免疫间接抑制或杀死肿瘤细胞[10]；它可以抑制胰岛β细胞凋亡，保护修复胰岛细胞，调节糖代谢关键酶活性，促进葡萄糖的吸收、利用和肝糖原的合成，减少糖异生以及调节信号通路等，以此达到降血糖的目的[11]。

1.2 黄酮类物质

黄酮类化合物(flavonoids)是指以2-苯基色原酮为基核的一类化合物[12]，具有抑菌消炎、抗氧化、抗衰老和抗癌防癌等功效[13]。黄酮类化合物抑菌、抗病毒功效机制主要是抑制细菌DNA旋转酶，改变细胞质膜的选择透过性，影响细菌代谢，降低病毒聚合酶活性，阻碍病毒核酸转录，抑制病毒衣壳蛋白的结合等[14]；它的抗癌、抗肿瘤的作用机制是通过激活肿瘤细胞坏死因子，诱导肿瘤细胞凋亡，抑制致癌因子的活性，影响癌细胞中信号传递，干扰癌细胞周期，促进抗癌基因的表达等[9]；黄酮类化合物的抗氧化自由基的作用机制与酚类物质(BHT和BHA等)相似，都是与自由基结合，从而起到抗氧化作用[15]。

1.3 其他有效成分

竹产品加工剩余物中还含有精油、茶多酚及矿质元素等有效物质。例如，王媛媛等[16]研究发现，竹叶精油对食品中常见的腐败菌具有抑制作用，包括枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和酿酒酵母，特别对大肠杆菌效果最好，最小抑菌质量浓度为0.56 mg/mL。茶多酚是一种天然的抗氧化剂，王文渊等[17]发现竹叶中茶多酚具有较强的清除自由基的能力，表明它是一种很好的天然抗氧化及自由基清除剂。而矿质元素中无机矿质元素对人体保健有一定的促进作用[18]。

2 竹产品加工剩余物中有效成分的提取

2.1 多糖类物质的提取

多糖在食品、化妆品和医学等领域被广泛应用[19]。传统的热水浸提法提取多糖的得率较低，因此，为了更加高效地得到植物多糖，需开发新方法。目前，在竹产品加工剩余物中常见的多糖提取方法有生物酶解法、超声提取法和微波萃取法等。其中，生物酶法专一性强且反应温和；复合酶法协同作用使得多糖能更好地溶出，提高多糖得率[20]；而微波-超声联合提取优化了多糖的提取方法，使得多糖物质可以更加快速、高效地得到。

刘焕燕等[21]利用复合酶法从毛竹笋壳中提取多糖，最优工艺为复合酶添加量1.6%、酶解时间105 min、酶解温度51 ℃，在最优条件下多糖得率为1.98%。秦明有[22]以竹叶为原料，优化了竹叶多糖超声提取工艺，竹叶多糖提取率达3.59%，最优条件为超声时间 40 min、料液比 1∶ 18 (g/mL)、超声温度 55 ℃、超声功率 200 W。张帅等[23]通过微波-超声波联合辅助提取法优化笋壳多糖提取工艺，并与传统热水浸提法进行比较，结果发现微波-超声波联合辅助提取法的各项指标均优于热水浸提法，最优工艺条件为提取时间30 min、料液比1∶ 30(g/mL)、微波功率200 W、超声波功率750 W，笋壳多糖得率为2.76%，粗多糖中多糖含量为37.63%。与传统热水浸提法相比，微波-超声波联合辅助提取笋壳多糖具有耗时短、效率高等优点。

2.2 黄酮类物质的提取

黄酮的提取方法多采用有机溶剂提取法、酶解法、微波或超声辅助提取法等。目前，有机溶剂提取法使用最多。粗黄酮的进一步纯化采用大孔树脂或聚酰胺树脂吸附纯化。

张静等[24]以乙醇为提取剂，采用超声波辅助法从笋头、笋壳和笋衣这3种竹笋下脚料中提取总黄酮，并分别研究了不同部位黄酮提取的最优条件，结果发现：笋壳、笋头、笋衣提取超声功率分别为250、200和250 W；乙醇体积分数分别为75%、60%和75%；提取时间和提取温度无差异，三者均为65 min、80 ℃。江丽等[25]研究超声波辅助乙醇从竹笋壳中提取黄酮的工艺条件，另外还通过XAD-16型大孔吸附树脂对笋壳提取物进行了纯化，其正交试验结果表明：笋壳黄酮的最佳提取条件为70%乙醇溶液料、料液比1∶ 25、65 ℃、超声功率240 W、提取时间40 min，在此条件下黄酮得率为 0.723 mg/g。冯爱博等[26]采用聚酰胺吸附树脂对竹笋壳黄酮类化合物进行分离纯化，得到聚酰胺吸附树脂对笋壳黄酮分离纯化的最佳工艺条件为上样质量浓度5 mg/mL、上样量90 mL(pH 5)，流速1.8 mL/min，在此条件下，笋壳黄酮的纯度为58.4%，将该方法与大孔树脂纯化方法相比，可见聚酰胺树脂法分离纯化的效果更好。

结合乙醇提取和超声技术提取黄酮具有能耗低、效率高、不破坏有效成分的特点。与竹笋中黄酮纯化类似，笋壳粗黄酮的纯化也使用到聚酰胺树脂和大孔树脂，且使用聚酰胺树脂纯化效果优于大孔树脂。

2.3 氨基酸、肽类物质的提取

竹笋加工废水中含有许多氨基酸、肽类物质。张英等[27]用超滤和反渗透技术从竹笋加工废液中制备出竹笋氨基酸肽类提取物，该产品具有良好的感官品质，可广泛用于功能性食品、饮品和调味品等领域。张金萍等[28]从毛竹春笋及加工废液中分离、精制得酪氨酸，其得率为3.8%～4.2%且精制后的纯度大于98.5%。陆柏益[29]采用组合式膜分离技术，以笋煮液、笋头压榨汁为原料，分离、浓缩、制备竹笋氨基酸肽粉。

2.4 其他有效成分的提取

除了多糖、黄酮类物质外，在竹产品加工剩余物中还有一些其他的生物活性物质，如挥发油、叶绿素、茶多酚和矿质元素等，其中挥发油接近于瓜、果、茶的香气，是一种天然的香料，它的提取方法有超声萃取法[30]、水蒸气蒸馏法[31]等。叶绿素是一类脂类色素，为镁卟啉化合物，具有抗菌、消炎、防臭、抗诱变及解毒等用途，同时还具有无毒、安全、对人体无害等优点。目前，提取叶绿素的2种方法分别为有机溶剂法和超声波提取法[32]。茶多酚是茶叶中多酚类物质的总称，主要应用超声萃取技术来提取[33]。

3 竹产品加工剩余物的应用

3.1 食品保鲜方面的应用

吴耀辉等[34]研究了粉单竹竹叶多糖在果蔬中防褐变、抗氧化的作用，将经过竹叶多糖提取液处理过的果蔬与蒸馏水处理过的果蔬进行感官对比后发现，经多糖提取液处理的果蔬色泽明亮，更难褐变，可将其用于果蔬保鲜。植物黄酮因其抗氧化、抑菌等生物活性被研究开发，应用于食品的防腐保鲜中。魏凤玉等[35]研究了竹叶黄酮对豆浆中细菌的抑制和保鲜作用，结果表明，竹叶黄酮对豆浆中的微生物具有较好的抑制作用，同时对产品风味也没有不良影响，与香兰素复配时，两者对豆浆的保鲜效果具有一定的协同作用。茶多酚类物质因其抗氧化活性、抑菌等作用也可用于食品保鲜[33]。

3.2 饮品制作方面的应用

赵丽莉[36]用热水法提取竹叶中多糖并与柠檬酸和蜂蜜进行竹叶茶汤调配，通过实验得到竹叶茶饮料最优的杀菌条件、护色条件等，从而获得竹叶调味茶饮料配方：竹叶提取液70%、柠檬酸0.07%、蜂蜜8%。将竹叶多糖进行饮品复配，可达到变废为宝的目的，为解决竹产品加工剩余物提供了新思路。黄发新等[37]发现，笋煮水成分与鲜竹汁相当，也可以作为生产原料，采用添加石灰法可以除去竹笋水煮液中的多酚和不稳定蛋白，达到脱苦、澄清和增加笋汁稳定性的效果，并以竹笋和茅根为主要原料，以甘草、蜂蜜为辅料，研制出一种色香味良好、清热解毒、清肺化痰的营养清凉饮料。

3.3 药物研究方面的应用

陈光静[38]验证了方竹笋笋渣多糖缓解急性溃疡性结肠炎的生物活性：体外试验结果表明，方竹笋笋渣多糖能被肠道微生物分解利用，显著促进肠道微生物产生短链脂肪酸(SCFAs)；体内试验表明，其对葡聚糖硫酸钠盐(DSS)诱导的小鼠急性溃疡性结肠炎具有显著的保护作用。王芳等[39]研究发现，400 mg/kg 的竹笋壳粗多糖(BSSP)可改善糖尿病小鼠体质量下降情况，降低血清胰岛素，使得血糖降低48.7%、血清甘油三酯降低34.8%、总胆固醇水平降低26.5%。陈乃东等[40]利用竹叶多糖的降糖活性，将杜仲叶绿原酸和竹叶多糖进行复配，制备具有降糖功能的颗粒保健品。苏雅静等[41]采用酶动力学法研究了竹笋壳黄酮提取物对酪氨酸酶单酚酶和二酚酶的抑制作用，结果发现笋壳黄酮通过影响底物L-多巴(L-DOPA)与酶正常结合而产生抑制作用，这有利于防止水果、蔬菜的褐变，预防因酪氨酸酶催化产生黑色素引起的疾病，应用于化妆品还可以起到美白的作用。杨乐等[42]测定了方竹笋笋壳中总黄酮粗提物和经过HPD600大孔树脂纯化后的产物活性，发现它们均对羟基自由基、DPPH自由基和超氧阴离子自由基具有清除作用，且它们清除羟基自由基、DPPH自由基和超氧阴离子自由基的IC50分别为5.25和2.004 mg/mL、948.95和22.885 4 μg/mL、1.94和1.13 mg/mL，虽然该结果与特丁基对苯二酚(TBHQ)相比仍存在差异，但仍可证明笋壳黄酮具有成为天然抗氧化剂新资源的潜力。李夏冰等[43]发现乙醇提取的苦竹竹叶中的黄酮对人乳腺癌细胞 MDA-MB-231有强的抑制作用，当竹叶黄酮为 100、200和400 mg/L 时，它们对MDA-MB-231细胞增殖抑制率分别达到了25%、44%和70%，凋亡率分别为11%、23%和38%，表明竹叶黄酮具有一定的治疗癌症的作用，为其药物开发提供了研究依据。刘连亮[44]以水煮笋罐头加工的笋液为原料，以体外抑制活性为指标，采取Millpore膜分离技术和大孔树脂DA201-C精制技术，分离、精制了竹笋降压的最佳有效部位——竹笋ACE抑制剂(BSP)，主要组分为氨基酸总量(42.78 + 0.57) g、总黄酮含量(5.07+0.47) g RE、酚酸含量(10.91+0.98) g GAE(均按照每100 g BSP计)；通过动物实验研究发现：BSP能有效改善高脂血大鼠心血管功能和氧化应激状态、有效抑制自发性高血压大鼠肺部组织中的ACE活性，并呈剂量依赖关系。

3.4 化妆品方面的应用

黄酮类化合物由于其共轭性，对紫外和可见光均显示出强的吸收性且高度稳定。王文渊等[45]研究发现，含竹叶黄酮1.5%的护肤霜能有效防止紫外辐射对皮肤的损伤，对UVA区的防护可达到三星级。由此可见，竹产品加工剩余物中的黄酮类物质可作为化妆品中的防晒功能添加剂来使用。除此之外，植物类黄酮的抗衰老、美白和抑菌[46]等作用也可以使竹产品加工剩余物应用到化妆品中。

3.5 饲料方面的应用

竹产品加工剩余物在饲料上的应用存在一定的可行性，关于这项研究主要有两个方面：①直接将饲料作用于动物体内，研究其对动物生长的作用；②研究饲料本身品质。竹产品加工剩余物中饲料开发应用最多的为笋壳，Liu等[47]研究发现，在氨化秸秆饲料中添加笋壳可以增加牛的每日膳食总摄取量、提高牛的生长性能和饲料转化率[47]。

孙晓燕等[48]研究发现，青贮麻竹产品加工剩余物代替断奶犊牛饲料中部分稻草后可以促进犊牛的生长性能。Zhao等[49]评价了不同比例竹笋壳(BSS)代替全株玉米(WPC)对全株青贮饲料发酵品质、化学成分、好氧稳定性及其体外消化率的影响，结果表明，全株青贮饲料BSS15(15%BSS+30%WPC)以及BSS25(25%BSS+20%WPC)替代WPC对青贮全混合日粮(TMR)的发酵质量和体外消化率无不良影响，同时还提高了TMR的好氧稳定性。这表明竹笋壳代替全株玉米制成饲料不仅起到了废物利用的作用，还提高了饲料的品质，使得竹产品加工剩余物的应用开发更加全面。

3.6 生物炭方面的应用

生物炭是一种低成本、高碳的材料，由木质纤维素生物质在可忽略或有限的O2条件下热解而来，由于其对水环境中各种污染物的强亲和力，近年来引起了越来越多的关注[50]。生物炭的产生主要是利用热解、燃烧和气化等热化学转化技术[51-53]，在特定的温度和压力下，在没有或限制O2供应的情况下使得生物质的物理状态和化学组成不可逆转地改变，从而生成生物炭[54]。目前生物炭主要应用于改善土壤特性、吸附废水中有机燃料以及作为电极材料等。

Luo等[55]研究证实竹笋壳的主要成分与其他含纤维素、半纤维素、木质素的木质生物质非常相似，是生产碳材料的理想原料。因此，利用竹笋壳生产生物炭且将其应用在土壤改良、废水处理、超级电容器等方面具有很大的研究价值。如Ye等[56]在400 ℃含N2条件下热解得到竹笋壳生物炭(BSSBC)，添加2.5%的BSSBC后，土壤对Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)和Cd(Ⅱ)的吸附能力分别提高了约27%、21%和29%，这说明竹笋壳生物炭具有改善土壤密度、酸度、持湿性和重金属离子稳定性等特性，具有成为土壤改良剂的潜力。Hou等[57]在800 ℃热解温度下得到的竹笋壳生物炭(BHC-800，表面积为513 m2/g)孔隙发育良好，罗丹明B在BHC-800上的吸附平衡时间约为20 min，与拟二级动力学数据拟合较好。这说明生物炭是一种有效去除水中罗丹明B 染料的吸附剂。Huang等[58]以竹笋壳为原料，三聚氰胺为氮源，采用水热炭化、KOH温和活化的方法合成了N-分级碳(表面积为3 300 m2/g)，该生物炭表现出优异的电容性能(10 A/g下电容仍保持在188 F/g)以及良好的循环稳定性(10 A/g下循环10 000)，表明竹笋废弃物笋壳的有效碳转化在储能超级电容器的资源回收利用方面潜力巨大。

综上所述，竹产品加工剩余物应用十分广泛：可作为天然抗氧化剂使用，提高饮品风味；具有成为辅助治疗人体疾病生物药品的潜力，有一定的研究价值，在医药方面有应用前景；可应用于化妆品中，安全性强且具有美白、抗衰老等作用；还可作为饲料、生物炭等应用在各个方面。这表明竹产品剩余物具有非常广阔的应用前景及利用价值，值得人们更深入地研究它的各种作用机制等。

4 结论

1)对竹产品加工剩余物中的多糖来说，采用生物酶法、超声-微波辅助法提取多糖要比传统的水提法效率更高；剩余物中黄酮的提取方法多采用乙醇浸提外加超声或微波等辅助以优化黄酮提取效率，在纯化时，聚酰胺树脂分离纯化效果要好于大孔树脂；其他有效成分(挥发油、叶绿素、茶多酚等物质)的提取方法有水蒸气蒸馏法、超声萃取技术等。

2)对竹产品加工剩余物的应用，主要从食品、药品、化妆品等方面进行了简述。由于竹加工剩余物中各类有效成分的存在，使得其在许多方面都能加以利用。在食品方面，它们可以作为食品级防腐剂被使用，主要依据于其抗氧化性，可以防止食品褐变，延长食品货架期；化妆品方面，它们均可以作为添加剂起到辅助作用如美白、抗衰老、抗过敏等。植物类多糖和黄酮作为药物更加安全、无毒副作用。除此之外，其他有效成分也因香气成分、抗氧化、抑菌等作用被应用到香精香料、食品保鲜、饲料、生物炭等方面。

3)从体外研究到体内研究技术的不断改进，使得竹加工剩余物中有效成分的生物活性得到了更好的利用。无论是提取还是应用上，对竹产品加工剩余物的研究开发既可减少废弃物的产生，使其得到更好的利用，又可保护环境，节约资源，充分响应绿色可持续发展的战略。但不可否认的是，为了迎合更加快速发展的市场需求，竹产品加工剩余物中有效成分的提取还需要更快速有效的方法，生物应用不仅体现在预防方面，还要研究其在治疗方面更成熟的应用。因此，这类研究仍有许多问题待解决，还需要我们去探索发现。