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蓝莓果渣开发利用研究进展

2017-11-17雷良波陈军李赵漫漫周剑丽

中国酿造 2017年10期
关键词:果渣花青素蓝莓

雷良波,杨 浩*,陈军李,赵漫漫,陈 笔,周剑丽

(1.贵州茅台(集团)生态农业产业发展有限公司,贵州 丹寨 557500;2.贵州茅台(集团)贵州茅台酒股份有限公司,贵州 仁怀 564501;3.贵州理工学院 食品药品制造工程学院,贵州 贵阳 550007)

蓝莓果渣开发利用研究进展

雷良波1,杨 浩2*,陈军李1,赵漫漫1,陈 笔1,周剑丽3

(1.贵州茅台(集团)生态农业产业发展有限公司,贵州 丹寨 557500;2.贵州茅台(集团)贵州茅台酒股份有限公司,贵州 仁怀 564501;3.贵州理工学院 食品药品制造工程学院,贵州 贵阳 550007)

蓝莓果渣为蓝莓加工过程中的副产物,富含天然水溶性抗氧化剂花青素,还含有多酚和膳食纤维等物质。合理利用蓝莓果渣对企业提高经济效益和解决环境污染有积极的意义,该文对近几年国内外关于蓝莓果渣研究进展进行了综述和展望。

蓝莓果渣;综合利用;活性成分;花青素

蓝莓为杜鹃花科(Ericaceae)越橘属(Vacciniumspp.)植物[1],含有极为丰富的天然水溶性色素花青素[2]、有机酸、黄酮醇等特殊营养成分,被称为“浆果之王”[3]。贵州野生蓝莓资源较为丰富,2013年种植面积增加至3 880 hm2,产量为3 000 t,产值超亿元[4]。蓝莓除了鲜食外,多被加工成果汁和果酒等,生产过程中产生大量副产物果渣,而蓝莓果实中花青素含量最丰富的部分是其特有的紫色果皮部位[5],因此,蓝莓果渣可以作为抗氧化活性化合物的来源[6]。合理利用蓝莓果渣对提高企业经济效益和解决环境污染有积极的意义,论文综述了近年来国内外关于蓝莓果渣研究的进展。

1 蓝莓果渣的主要活性成分和功能

蓝莓果渣作为一种蓝莓果汁生产过程的副产物,富含多酚类化合物[7]和膳食纤维素[8],是天然抗氧化剂和天然色素的丰富来源[9],可作为很好的功能性保健食品的配料。蓝莓果渣中多酚类化合物,花青素最具研究和应用价值。

1.1 蓝莓果渣的常规成分

杨培青[10]的研究表明,蓝莓果渣中水分含量最高,为76.20%,膳食纤维含量丰富,其中纤维素含量为13.32%,半纤维素含量为6.53%,蛋白质含量为2.88%,还含有少量的脂肪和碳水化合物,蓝莓果渣中的矿物质约为0.41%,其中K的含量为3 010.40 μg/g,Na的含量为653.02 μg/g,矿物质元素中Fe、Mg含量远远高于蓝莓鲜果中的含量。

1.2 蓝莓果渣的多酚物质

多酚类化合物因分子结构中具有多个酚羟基而得名,广泛存在于水果、蔬菜中,是人们每天从膳食中获取的最多的抗氧化物质。蓝莓多酚以花青素最为丰富,酚酸次之,黄酮类化合物的含量也相对较高[11],蓝莓果渣中多酚含量丰富且种类较多,具有较高的利用价值[12]。

已经报道的酚类化合物的功效有抗氧化、清除自由基、降低正常细胞被氧自由基破坏的程度[13-15]、抗炎症等[16],对非菌性炎症(如关节炎等疾病)有防治作用[17-19],抗恶性细胞增生[20-24],有利于降低血浆胆固醇和减少腹部脂肪[25],维持心血管健康,防止冠心病[26],防止II型糖尿病[27],治疗肥胖[28-29],增强免疫力[30]等。

SALAHEEN S等[31]利用高效液相色谱-质谱分析浆果(黑莓和蓝莓)果渣提取物,结果显示浆果果渣提取物所包含的酚类物质包括但不限于:黄烷、黄烷酮、黄酮类化合物、葡萄糖醛酸苷、葡糖苷类、喹诺酮类、儿茶酚、香豆素、酚类、鞣质、槲皮素、绿原酸、鞣花酸、没食子酸等物质。AN X T等[32]优化乙醇提取蓝莓渣多酚物质的最佳工艺条件为乙醇体积分数60%,液料比20∶1(mL/g),提取温度80℃,pH2,此条件下蓝莓渣多酚提取率为97.01%。安晓婷[12]鉴定兔眼蓝莓(Vaccinium asheiReade)果渣中含有16种多酚,分别为飞燕草色素-3-半乳糖苷、B型原花青素二聚体、飞燕草色素-3-葡萄糖苷、飞燕草色素-3-阿拉伯糖苷、矢车菊色素-3-半乳糖昔、牵牛花色素-3-半乳糖苷、牵牛花色素-3-葡萄糖苷、牵牛花色素-3-阿拉伯糖昔、A型原花青素二聚体、锦葵色素-3-半乳糖苷、锦葵色素-3-葡萄糖苷、芦丁、槲皮素-葡萄糖醛酸、槲皮素和两种未知多酚。

1.2.1 黄酮类

黄酮类化合物(flavonoids)泛指两个具有有酚羟基的苯环(A与B环)通过中央三碳原子相互连接而成的一系列化合物,即由C6-C3-C6单位组成的化合物,其结构见图1。传统上黄酮类化合物主要包括二氢黄酮(醇)类、黄酮(醇)类、异黄酮类、查耳酮类、黄烷(醇)类、花青素类等。

图1 黄酮类化合物C6-C3-C6结构Fig.1 Structure of flavonoids compounds C6-C3-C6

表1 蓝莓果渣中发现的花色苷结构Table 1 Structure of anthocyanins found in blueberry pomace

黄酮类化合物具有较强的抗氧化、抗肿瘤、调节机体免疫及炎症反应,改善毛细血管的脆化与渗透性,保护心血管系统,影响体内酶系统,抗菌抗病毒等多种生理活性及功效[33]。

刘玮等[34]研究了从蓝莓果渣中提取纯化总黄酮的工艺,纯化后总黄酮纯度达53.5%,QIAN H B等[35]优化了用乙醇提取蓝莓果渣总黄酮的工艺,最佳提取条件:60%乙醇为提取溶剂,按照1∶18(g∶mL)的料液比例,在80 ℃条件下回流提取3h,此条件下蓝莓果渣的总黄酮提取率可达5.8%。

1.2.2 花青素

目前对蓝莓果渣营养成分的研究最多也最重要的生物活性物质是果渣中的花青素,是黄酮类化合物中有抗氧化性能的一个重要亚组[36],在植物中花青素类多与糖结合形成花色苷类(anthocyanins)[37],赋予水果、鲜花、蔬菜等红色、紫色、蓝色的色泽[38]。花青素类(anthocyanidins)的结构母核为2-苯基苯骈吡喃钅羊盐或黄钅羊盐。其母核结构见表1。

花青素是迄今为止所发现的最有效的天然水溶性自由基清除剂,其淬灭自由基的能力是维生素C的20倍,维生素E的50倍[39]。因人体内环境为水,花青素在人体内的生物活性是其他抗氧化剂无法比拟的[40]。蓝莓果渣花青素对防止视网膜光损伤有很好的保护作用,其保健机理在于保护眼睛的微血管,加速视紫质(visualpurple)的再生能力,而视紫质正是良好视力不可或缺的东西[41];花青素具有防止神经疾病,延缓因年龄增长引起的大脑认知下降功能[42];此外蓝莓花青素还有镇痛作用[43]和抗辐射损伤作用[44];提纯的蓝莓花青素比蓝莓果实及果渣对改善肥胖更有效[45]。

LEE J等[9]报道,压榨果汁的产率为74%~83%,但是在巴氏消毒后的果汁中只有13%~23%的花青素和36%~39%的多酚,超过42%的花青素与超过15%的多酚存留于果渣中。KHANAL R C等[46]报道,25%~50%的原花青素存留于蓝莓果渣中。陈成花等[3]调研了5名来自不同国家和中国不同地区的科研工作者对蓝莓果渣和蓝莓果实花青素含量研究,结果表明,虽然不同国家和地区蓝莓中花色苷含量不同,但是蓝莓果渣中花色苷含量超过了蓝莓果实中最低花色苷含量水平。果渣中花色苷含量的差异可能与蓝莓品种及果汁压榨方式有关。HE B等[47]将兔眼蓝莓果渣分别利用超声波辅助提取法和传统溶剂萃取法处理,在两种方法获得的蓝莓果渣提取物中均检出7种花青素,即飞燕草-3-葡萄糖苷、飞燕草色素-3-阿拉伯糖苷、矮牵牛-3-葡萄糖苷、矢车菊-3-阿拉伯糖苷、矢车菊-3-葡萄糖苷、锦葵-3-葡萄糖苷、锦葵-3-阿拉伯糖苷。安晓婷等[12]利用大孔树脂纯化“灿烂”蓝莓(Vaccinium asheiReade)果渣多酚,分析其中含有飞燕草色素-3-半乳糖苷、飞燕草色素-3-葡萄糖苷、飞燕草色素-3-阿拉伯糖苷、矢车菊色素-3-半乳糖苷、牵牛花色素-3-半乳糖苷、牵牛花色素-3-葡萄糖苷、牵牛花色素-3-阿拉伯糖苷、锦葵色素-3-半乳糖苷、锦葵色素-3-葡萄糖苷9种花色苷。BENERM等[48]利用pH 值分别为1、4、7的溶液进行浸提,然后煮沸酸解10 min,提取物中花青素含量分别为4.70 mg/g、3.94 mg/g、3.46 mg/g,提取物中检测出9种花青素,分别为飞燕草半乳糖苷、飞燕草葡萄糖苷、飞燕草阿拉伯糖苷、矢车菊葡糖苷、矢车菊阿拉伯糖苷、矮牵牛半乳糖苷、矮牵牛葡萄糖苷、锦葵半乳糖苷、芍药苷。目前已报道的在蓝莓果渣中发现的花青素有13种,根据花青素母核R2和R1的不同分为矢车菊色素、飞燕草色素、芍药素、矮牵牛色素、锦葵色素5类,在花青素母核3位上参与糖苷化的单糖为半乳糖、葡萄糖和阿拉伯糖,已发现的13种花色苷结构见表1。

1.3 膳食纤维

膳食纤维根据其溶水性一般分为可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)[49]。SDF存在于植物细胞液和细胞间质中,是可吸水膨胀、被大肠中微生物发酵降解的一类纤维,包括易溶于水的果胶和海藻多糖等物质。蓝莓果实中含有十分丰富的果胶,平均1 kg新鲜蓝莓果实中果胶含量可达4 g[50]。果胶可以影响胆固醇在人体内的聚集,调节人体内餐后血糖水平以及保持人体肠道微生态平衡。IDF是指不能溶于热水且不会被消化道酶消化的那一部分膳食纤维,包括纤维素、木质素、半纤维素、原果胶和壳聚糖等,不溶性膳食纤维易吸水溶胀,引起饱腹感,对机体消化吸收其他食物成分造成一定影响,因此对肥胖、便秘、肠癌等疾病有一定的预防作用,对人体的健康具有一定的生理功效[51]。

GOUW V P等[52]对比研究了苹果、蓝莓、红树莓、蔓越莓4种水果果渣中生物活性物质,主要是膳食纤维和酚类物质,发现苹果、蓝莓、蔓越莓果渣中含有较多的膳食纤维,且具有很好的吸油性和持水能力,蓝莓果渣的吸油能力为1.96 g/g干质量,蓝莓果渣作为丰富膳食纤维的来源和具有抗氧化功能的辅料可以选择性的应用于各种食品。杨桂霞[53]以蓝莓果渣为原料提取可溶性纤维素和不溶性纤维,平均得率分别为11.12%、41.06%,可溶性膳食纤维较不溶性膳食纤维具有较好的持水力、溶胀度和持油力,可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维对胆酸钠的吸附量在40mg/g左右,可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维吸附胆固醇的量在10 mg/g左右,且两者在中性条件下对胆固醇的吸附量高于酸性条件。

1.4 其他活性成分

DULF F V等[54]研究了罗马尼亚特兰西瓦尼亚5种野生或人工种植的蓝莓的果渣油成分,结果表明,其果渣油中多元不饱和脂肪酸含量在37%~69%,甾醇的总量为101.6~168.2 mg/100 g脂肪。

2 蓝莓果渣开发利用研究进展

蓝莓果渣的开发利用研究主要围绕蓝莓果渣所含有的多酚(尤其是花青素)、膳食纤维等具有保健功能的生物活性物质开展,根据对蓝莓果渣开发利用的程度大致可分为直接加工应用、将蓝莓果渣活性成分提取再应用、利用微生物进行生物转化等3种。

2.1 蓝莓果渣直接应用

GOUW V P等[55]以蓝莓果渣、蔓越莓果渣和苹果果渣作为纤维的来源取代了再生报纸来制造纸浆模塑,弥补了目前由于电子技术的进步而大大减少的纸张印刷造成的再生报纸的短缺。LUCHESE C L等[56]以蓝莓果渣粉、玉米淀粉和甘油为原料,经预处理后,用浇铸法生产智能包装薄膜。因蓝莓果渣富含花青素,而花青素在酸性条件下显现红色,在碱性条件下显现蓝色,具备智能食品包装的pH指示器的潜力,甚至可以用于检测食品变质。ŠARIC′B等[57]将蓝莓果渣替代低筋面粉生产无麸质饼干,优化配方后的营养成分可以与添加面粉的同类产品媲美,此外该种饼干酚类化合物,膳食纤维和矿物质含量增加,脂肪含量减少,有益健康;ROHM H等[58]报道,将蓝莓果渣加入不同的谷类食品中(即面包、蛋糕、饼干、挤压点心)以获得低能量的高纤维产品,有助于达到膳食纤维的推荐摄入量。

2.2 蓝莓果渣提取物再利用

SALAHEEN S等[59]报道,蓝莓渣提取物能显著减少空肠弯曲菌的生长,改变细胞表面细菌病原菌的疏水性和自聚集性,将空肠弯曲菌暴露于果渣提取物中可显著减少其游动和群集运动,果渣提取物作为饲料添加剂或水的补充可降低家禽空肠弯曲菌定殖水平,作为一种天然和有机防腐剂,可以控制肉及肉制品中的肠道病原菌的生长。瞿伟菁等[60]发明一种利用从蓝莓果渣提取的黄酮制备预防和治疗高脂血症的药物的方法,可有效增加高密度脂蛋白胆固醇(high-density lipoprotein cholesterol,HDL-C)水平,降低血清总胆固醇(serum total cholesterol,STC)水平;伍锦鸣等[61]报道在复合滤嘴中添加含花青素的提取物,可有效吸附焦油,降低烟气中的自由基、NO,花青素加入烟丝中能有效降低刺激、增加透发性及掩盖杂气,强化药草香风格、提升辛甜和果香香韵、提高香韵的层次感;FLORES F P等[62-63]将蓝莓果渣提取物和乳清蛋白粉喷雾干燥制备成直径为48.5μm的微胶囊,但花青素损失严重,经过贮存,多酚类物质有所增加,但总的抗氧化活性几乎不变;LI J等[64]在鳕鱼鱼肝油微胶囊制备的乳化、喷雾干燥和贮存过程中加入蓝莓果渣提取物可以减少或延缓鱼肝油的脂质氧化,可增加鱼油产品附加值,除富含ω-3长链多不饱和脂肪酸外还含有花青素和可溶性膳食纤维;许晓娟[50]报道了利用蓝莓果渣提取膳食纤维和多酚类物质;ZHAO L等[65]通过改进的超临界二氧化碳方法制备花色苷脂质体,在模拟胃液中缓慢释放花青素,花色苷脂质体有巨大的功能食品和保健品应用潜力。张盼盼[66]以蓝莓果渣提取的花青素和山楂粉为主料制备花青素咀嚼片,当花青素添加量50 mg/g、山植粉添加量50%、甘露醇与乳糖复配比3∶1、山梨糖醇添加量6%、纤维素钠添加量4%、乙醇体积分数60%、硬脂酸镁添加量1%时,得到的产品呈紫红色,表面光滑,色泽均匀,酸甜适口的咀嚼片,且每片中花青素含量17.763mg/g。

2.3 蓝莓果渣的微生物转化

FAN X等[67]利用一种名为Komagataeibacter xylinus的微生物发酵果渣来生产细菌纤维素,细菌纤维素是一种高纯度的纤维素,可用于医疗、消费和工业领域,该方法较传统方法更环保,更经济,这为蓝莓果渣的应用开发提供了新的思路。杨培青[10]优化了蓝莓果渣酵素发酵工艺,采用酵母菌和干酪乳杆菌两步法发酵获得的酵素粉中蛋白酶活力、超氧化物歧化酶(superoxidase dismutase,SOD)活力、脂肪酶活力较高;GUO L等[68]采用食用菌发酵蓝莓果渣,可提高代谢物的抗氧化剂含量;贵州一些企业还尝试用蓝莓果渣发酵生产果酒和白兰地。

3 蓝莓果渣高效利用途径探索

3.1 目前蓝莓果渣加工高效利用主要存在的问题

(1)活性物质的不稳定性

蓝莓果渣中最重要的具有生物活性的物质为花青素,纯花青素是不稳定的,在高pH、氧、热、光、金属离子存在时易降解[62,69-71]。花青素在酸性介质中能稳定存在,但在碱性介质中不能稳定存在,蓝莓汁中的花色苷在60℃以下的热稳定性较好,加热4 h后,其花色苷的残留率达80%以上,有报道对比了冷热浸提法生产果汁中花青素的活性,热浸提法可以获得较多的果汁,但冷浸提可以较好的保花青素的活性[72],40℃加热3 d对前花青素和总花青素的损失不明显[46]。此外,光对蓝莓汁中花色苷的稳定性影响较显著,在自然光直射下褪色快,在避光条件下褪色慢,因此蓝莓果渣加工过程应该尽量避免光、热、空气。

(2)活性物质生物利用度不高

花青素是对健康有利的生物活性物质,但ZHAO L等[65]报道在人体摄入富含花青素的食物后,花青素在血浆中的生物利用度<6%。因此,对蓝莓果渣的加工利用还应考虑如何提高蓝莓果渣中花青素的生物利用度。

3.2 高效利用途径研究

目前,花青素的提取方法主要有浸提法、酶解法、超声波提取法、微波辅助提取法、超临界流体萃取法等以及这几种方法联用的提取方法。溶剂提取法中水提法成本低,但提取率差,资源浪费严重;醇提法较水提法效率高,但醇溶剂易燃易爆,生产控制条件严格;超临界流体萃取法对设备要求较高,成本高;超声提取法的生产能力不高,不适合大规模生产。KERBSTADT S等[73]对比了在超临界CO2萃取前分别利用红外干燥技术、红外穿透干燥、微波辅助热风干燥、冷冻干燥4种技术对蓝莓果渣干燥至不同的含水量,结果在70℃条件下将蓝莓果渣干燥至含水量为20%,提取物中总花青素含量最高。综合考虑大规模生产条件控制、成本和花青素生物活性的保持等,对蓝莓果渣的综合开发利用应加大对蓝莓果渣预处理、提取工艺方法、产品形式等的研究。

4 蓝莓果渣深加工的研究展望

随着我国大规模引种蓝莓及人们的保健意识越来越强,合理开发利用蓝莓果渣可以增加蓝莓加工产业链经济效益,提高蓝莓资源利用率。美国、日本及欧洲等国在蓝莓保健系列产品的开发方面已进入了深层研究,目前在电商平台上销售的进口蓝莓产品较多,价格高昂,销量可观。由于我国蓝莓深加工产品的开发起步较晚,与国外相比有较大差距,多为初级常规加工,加工副产物果渣中富含多种营养物质,但其利用率低,保健功能明确的高附加值产品少且产业链条不完善[74],花青素为蓝莓果渣中最重要的具有生物活性的物质,目前关于蓝莓果实提取花青素的研究较多,但蓝莓鲜果价格高昂,不适合工业化直接提取花青素,而蓝莓果渣花青素含量高于蓝莓果实,同时蓝莓果渣花青素与合成抗氧化剂相比具有更高的效率和更低的生产成本[75],应加大在蓝莓果渣活性成分及天然色素的提取技术上的研究力度。

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Development and utilization of blueberry pomace:a review

LEI Liangbo1,YANG Hao2*,CHEN Junli1,ZHAO Manman1,CHEN Bi1,ZHOU Jianli3
(1.Kweichow Moutai(Group)Ecological Agriculture Industry Development Co.,Ltd.,Danzhai 557500,China;2.Kweichow Moutai Co.,Ltd.,Renhuai 564501,China;3.College of Food&Pharmaceutical Engineering,Guizhou Institute of Technology,Guiyang 550007,China)

Blueberry pomace as by-product of blueberry producing process,is rich in natural soluble antioxidants anthocyanin,and it also contains substances such as polyphenols and dietary fiber,etc.Reasonable utilization of blueberry pomace has positive significance on improving the economic efficiency and solving the environmental pollution.In this paper,the most recent advances in the utilization of blueberry pomace both at home and abroad,were summarized and the existing problems and the developing trend of blueberry pomace were discussed.

blueberry pomace;comprehensive utilization;bioactive compounds;anthocyanins

TS255.36;TS261.9

0254-5071(2017)10-0017-06

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.10.005

2017-08-03

雷良波(1981-),男,工程师,硕士,主要从事白酒品评、白酒工艺、果酒工艺及功能性保健食品的研究工作。

*通讯作者:杨 浩(1982-),女,工程师,本科,主要从事酒类分析与检测工作。

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