我國菠蘿皮渣綜合利用的研究進(jìn)展

楊眉，遲曉君

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東濟(jì)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(qū)廣泛種植。由于生命力旺盛，易存活，產(chǎn)量大，近年來菠蘿的種植面積不斷擴(kuò)大。菠蘿外皮多硬質(zhì)果槽，果肉還有刺根，在生產(chǎn)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(zhì)與發(fā)酵性能良好的乳酸菌菌株，扔掉會造成浪費(fèi)，而且污染環(huán)境。針對目前大量產(chǎn)生的菠蘿皮渣問題，許多實(shí)驗室開展了相關(guān)研究，以提高植物資源的附加值和利用率，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

1 菠蘿皮渣利用現(xiàn)狀

我國是世界十大菠蘿主生產(chǎn)國之一，自17 世紀(jì)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(qū)，目前菠蘿已成為我國重要的熱帶經(jīng)濟(jì)作物。菠蘿生產(chǎn)加工過程中，會產(chǎn)生大量的皮渣廢棄物，據(jù)統(tǒng)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(yè)原料，如提取蛋白酶、分離纖維素和半纖維素等；在發(fā)酵方面主要是生產(chǎn)酒精、開發(fā)醋酸飲料[1～4]等。總的來說，當(dāng)前對菠蘿皮渣的利用多處于試驗階段，產(chǎn)業(yè)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(xì)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(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 2760-2014）中規(guī)定：生產(chǎn)中可適量使用果膠。根據(jù)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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，凝膠條件寬泛，對糖濃度、pH 要求不嚴(yán)格，在多價金屬離子交聯(lián)下可凝膠，且有更低的含糖量，約為30%[7]，可滿足消費(fèi)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(yù)處理后的干皮渣→機(jī)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(shù)：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(jīng)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(zhì)和增加食品的穩(wěn)定性。鄭振峰等[9]對乳酸輔助提取果膠的方法進(jìn)行優(yōu)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(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)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(dá)8.73%。以上實(shí)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(jìn)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(lián)方式形成的具有強(qiáng)親水保水性的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[12]，具有生物相容性和生物可降解性[13]，可應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化妝品等領(lǐng)域，是一種應(yīng)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(lián)劑最終通過交聯(lián)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(zhì)。納米纖維素水凝膠在菠蘿皮渣領(lǐng)域中的報道為相關(guān)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(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，菠蘿皮中富含黃酮等酚類抗氧化活性物質(zhì)[16-19]。

隨著學(xué)者們在菠蘿皮渣提取黃酮領(lǐng)域研究的深入，關(guān)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(jìn)行單因素實(shí)驗。數(shù)據(jù)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(dá)到5.34%[20]。林麗靜等[21]將菠蘿干皮渣粗粉碎后繼續(xù)超微粉碎，相關(guān)數(shù)據(jù)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(lǐng)域未見有超微粉碎輔助提取黃酮優(yōu)化實(shí)驗的報道，有關(guān)科研人員可以此為突破點(diǎn)進(jìn)行深入的探究。

2.4 發(fā)酵畜禽飼料

2.4.1 單一乳酸菌青貯發(fā)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(fā)酵而成，乳酸菌通過自身代謝活動將植物中的糖類變?yōu)槿樗?，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(fā)酵過程中秸稈等物料含糖量稍低，供乳酸發(fā)酵可利用的營養(yǎng)物質(zhì)有限，故在實(shí)際生產(chǎn)中會配合其他底物發(fā)酵。雖然應(yīng)用乳酸進(jìn)行飼料發(fā)酵優(yōu)勢諸多，但是也有限制因素，如菌種培養(yǎng)設(shè)備投資大、菌種保存條件嚴(yán)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(zhì)單一，飼料品質(zhì)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(yīng)用于輔助稻草青貯發(fā)酵便顯得很有必要。全林發(fā)等[22]嘗試在鮮稻草青貯發(fā)酵時添加不同含量的菠蘿皮渣，研究發(fā)現(xiàn)添加菠蘿皮渣之后，乳酸菌數(shù)量增多，青貯效果好，同時飼料品質(zhì)提高。香換玲等[23]以此為切入點(diǎn)從菠蘿皮渣中分離出生長性能良好的乳酸菌菌株。目前關(guān)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(fā)酵所需菌株量、溫度、濕度、水分等環(huán)境因素的控制、增效多少等。

2.4.2 復(fù)合發(fā)酵飼料

為進(jìn)一步提高菠蘿皮渣的發(fā)酵效能，研究人員采用多菌種進(jìn)行復(fù)合發(fā)酵。如龔霄等[24]通過復(fù)合菌種發(fā)酵菠蘿皮渣的試驗發(fā)現(xiàn)，菠蘿皮渣中的鈣、磷元素由無機(jī)態(tài)轉(zhuǎn)化為有機(jī)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(jīng)測定發(fā)現(xiàn)，復(fù)合發(fā)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(fā)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(tài)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(jìn)一步解釋了發(fā)酵飼料中蛋白質(zhì)吸收率高的原因。鐘燦樺等[26]混合綠色木霉和產(chǎn)朊假絲酵母進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，對粗蛋白理化分析后得出, 復(fù)合菌發(fā)酵菠蘿皮渣所得粗蛋白含量高于單一菌種發(fā)酵。梁耀開等[27]在既有研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究菠蘿皮渣生產(chǎn)蛋白飼料的發(fā)酵條件，最終確定當(dāng)根霉和產(chǎn)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(tài)發(fā)酵培養(yǎng)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(dá)18.72%。

2.5 吸附重金屬

我國工業(yè)迅速發(fā)展的同時帶來了重金屬污染問題，科研人員發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(jìn)行Zn2+吸附對比實(shí)驗，即制備3 組15 mL 的40、60、80、100、120 mg/L 的Zn2+標(biāo)準(zhǔn)溶液，將pH 調(diào)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?。?、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(guān)測定數(shù)據(jù)表明，在低濃度范圍內(nèi)，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(shí)驗數(shù)據(jù)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(xué)官能團(tuán)進(jìn)行分析，研究后發(fā)現(xiàn)有吸附能力的化學(xué)基團(tuán)為-OH、C=O、C-O，皮渣表面有大量的褶皺和細(xì)微小孔，這說明皂化菠蘿皮渣對鋅的吸附是化學(xué)吸附和物理吸附共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)語

目前對菠蘿皮渣中物質(zhì)的提取大多數(shù)仍停留在試驗室優(yōu)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(yīng)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(shù)據(jù)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(chǎn)業(yè)化程度低，效益轉(zhuǎn)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(yè)優(yōu)化自身結(jié)構(gòu)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展，增進(jìn)與院校、科研機(jī)構(gòu)合作，促進(jìn)技術(shù)攻關(guān)不斷引進(jìn)新技術(shù)，積極試點(diǎn)，取得更好效果[30,31]。