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核桃副产物的综合利用

  • 分类:新闻中心
  • 作者:朱凯阳,马骥,丛君钊,张婷,雷宏杰,徐怀德,罗自生,李梅
  • 来源: 油泳圈
  • 发布时间:2024-06-24 09:37
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【概要描述】核桃具有经济、营养和药用价值。它在世界各地广泛种植,特别是在亚洲(中国、印度、阿富汗、伊朗、土耳其和韩国)、北美(美国和墨西哥)和南美(阿根廷、巴西和智利)、南欧(希腊、保加利亚、捷克共和国、匈牙利、波兰、法国、意大利、瑞士和西班牙)、南非、澳大利亚和新西兰。根据联合国粮食及农业组织 2021 年发布的统计数据,全球种植核桃 113 万公顷,产量 350 万吨。特别是,中国、美国和智利占总产量的 80%以上。与此同时,核桃产生的废物急剧增加。因此,迫切需要利用这些废弃物来增加核桃的价值。

核桃副产物的综合利用

【概要描述】核桃具有经济、营养和药用价值。它在世界各地广泛种植,特别是在亚洲(中国、印度、阿富汗、伊朗、土耳其和韩国)、北美(美国和墨西哥)和南美(阿根廷、巴西和智利)、南欧(希腊、保加利亚、捷克共和国、匈牙利、波兰、法国、意大利、瑞士和西班牙)、南非、澳大利亚和新西兰。根据联合国粮食及农业组织 2021 年发布的统计数据,全球种植核桃 113 万公顷,产量 350 万吨。特别是,中国、美国和智利占总产量的 80%以上。与此同时,核桃产生的废物急剧增加。因此,迫切需要利用这些废弃物来增加核桃的价值。

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  • 作者:朱凯阳,马骥,丛君钊,张婷,雷宏杰,徐怀德,罗自生,李梅
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核桃具有经济、营养和药用价值。它在世界各地广泛种植,特别是在亚洲(中国、印度、阿富汗、伊朗、土耳其和韩国)、北美(美国和墨西哥)和南美(阿根廷、巴西和智利)、南欧(希腊、保加利亚、捷克共和国、匈牙利、波兰、法国、意大利、瑞士和西班牙)、南非、澳大利亚和新西兰。根据联合国粮食及农业组织 2021 年发布的统计数据,全球种植核桃 113 万公顷,产量 350 万吨。特别是,中国、美国和智利占总产量的 80%以上。与此同时,核桃产生的废物急剧增加。因此,迫切需要利用这些废弃物来增加核桃的价值。

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一般来说,核桃含有核桃青皮、核桃壳、分心木和核桃仁。除核桃仁外,其他部分通常被视为核桃副产物。核桃青皮和核桃壳约占鲜核桃重量的 60∼70%,被认为是核桃的主要副产物。据报道,核桃副产物中存在多种有用物质。核桃青皮含有多酚、类黄酮、萜类和蒽醌等化合物。核桃壳主要由纤维素、木质素和半纤维素组成。此外,核桃粕是核桃仁压榨提取核桃油后的残留物,含有大量的核桃蛋白。这些副产品有不同的用途类型。
1. 核桃副产品主要成分及生物活性
1.1 核桃青皮
        核桃青皮的主要成分:在过去的核桃生产过程中,核桃青皮被认为是一种没有食用价值的农业废弃物,在核桃果实收获后被随机丢弃,这不仅造成了资源浪费,而且对环境造成了污染。然而,在越来越多的研究中,核桃青皮是天然酚类抗氧化剂或其他有益化合物的重要来源。它含有多酚类化合物、黄酮类化合物、胡桃酮、单宁、葡聚糖和果胶等。另一方面,葡聚糖和果胶都是核桃青皮中的多糖,具有一定的生理活性和功能。核桃青皮可能是葡聚糖的极好来源。核桃青皮具有良好的乳化性能、自由基清除活性和保水保油能力。因此,核桃青皮也可以作为果胶的来源之一。使用核桃青皮作为天然植物化合物的来源将增加核桃种植的价值,并为产生的大量农业废弃物确定新的用途。

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        核桃青皮的生物活性:核桃青皮富含天然化合物。虽然不同国家的核桃种类不同,但每个核桃都鉴定出相同的酚类化合物,如胡桃醌 、原儿茶酸、丁香酸、香草酸、咖啡酸、阿魏酸、绿原酸、儿茶素、表儿茶素、杨梅素、槲皮素、芦丁等。然而,由于品种、采摘期、果园位置(纬度)以及分析方法的不同,不同核桃品种核桃青皮中酚类化合物的含量存在差异。在核桃青皮提取物的化合物中,胡桃醌是含量较大、应用前景较好的一种。在核桃生长过程中,产生的胡桃醌可以杀死或破坏周围的树木(尤其是苹果树)、灌木、草药和一些昆虫。然而,胡桃醌提取物具有抗菌和抗病毒活性,尤其是很强的抗肿瘤活性。

 
1.2 核桃壳
  核桃壳的主要成分:核桃壳 是介于核桃青皮和核桃仁之间的硬质生物质。木质素、纤维素和半纤维素是核桃壳 中最重要的化学成分,它们在植物细胞中相互结合。木质素填充纤维素、半纤维素和果胶之间的空间,并与半纤维素共价连接,作为多种植物多糖的偶联剂,最终赋予植物细胞壁完整性。核桃壳 还富含酚类物质,脂肪酸,氨基酸和微量元素。此外,作为一种可再生资源,核桃壳 的消耗可以在不面临过度使用的情况下得到补充,这是其应用的一个优势。随着全球资源环境的日益紧张,核桃壳的加工和利用越来越受到重视。
        核桃壳的生物活性:木质素、纤维素和半纤维素具有良好的生物活性。它们具有很强的适应性,可以用作纳米材料,材料科学中的许多研究工作都集中在从农业残留物中提取的纳米颗粒和纳米结构材料的合成上,其中大多数研究与纳米纤维素、纳米半纤维素和纳米木质素有关。由于具有较高的生物降解性、碳中和、较低的环境风险和较高的人类安全性等优点,工业应用对植物纤维素、半纤维素和木质素的需求正在增加。研究表明,用不同来源的纤维素制成的纳米材料具有良好的生物医学优势,尤其是在组织和骨骼再生方面。核桃壳中酚类化合物的性质与从核桃青皮提取物中分离的类似化合物的性质相同。然而,核桃壳可以通过热解产生焦木酸,其中主要化合物是有机酸和酚类化合物。焦木酸具有良好的抗氧化活性、抑菌活性和抗毒能力。

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1.3 分心木

       分心木中主要的化学物质:分心木,核桃壳和核桃仁之间的木质隔膜,椭圆形或圆形片状,质量轻,易折断。分心木的表面通常呈棕色或浅棕褐色,略带苦味。在中国药典的记录中,分心木一直被用作营养保健品和药用材料。虽然核桃中分心木的含量少于其他副产品,但研究人员发现分心木含有多种活性物质,包括多酚、黄酮类、皂苷、生物碱、醌类和多糖,具有很强的生物活性和药理作用。

        分心木的生物活性:分心木具有多种生理功能。如分心木中具有降血糖作用的功能成分,有不同的生育酚(其中 α-生育酚含量最高),具有抗氧化作用,有止咳作用等。

1.4 核桃粕
        核桃粕主要成分:目前,核桃栽培的主要目的仍然是获取核桃仁。除了一小部分核桃直接作为干果出售食用外,大量核桃主要用于加工核桃油、核桃蛋白乳饮料和其他深加工产品。核桃粕中蛋白质含量超过 45%。提取物中主要的多酚类物质为龟甲素A、没食子酸、鞣花酸和鞣花酸 4-O-木糖苷,这些多酚类物质都具有良好的抗氧化活性。研究表明,核桃比任何其他坚果都表现出更大的抗氧化能力,核桃油对核桃总抗氧化能力的贡献小于5%,而核桃粕提供了最多的抗氧化能力。此外,核桃粕 是许多具有优异生物活性功能的肽的来源。然而,核桃粕的应用并没有得到相应的重视,它只作为饲料或肥料低价出售,甚至直接丢弃,这不仅会造成环境污染,还会降低核桃副产品的附加值。

        核桃粕的生物活性:膳食纤维,这里主要是可溶性膳食纤维,在人体中起着至关重要的作用,被称为益生元。研究还表明,核桃粕中的膳食纤维在控制癌症、糖尿病和心血管疾病等慢性疾病方面具有有益效果。核桃粕含有约45%的蛋白质,富含人体必需氨基酸。因此,核桃粕被认为是制备生物活性肽的良好原料。生物活性肽是具有多种人类代谢和生理调节功能的蛋白质片段。近年来,核桃粕 蛋白的利用和深加工越来越受到人们的关注。

核桃副产品的价值不仅来源于产量大、价格便宜。更重要的是,核桃及其副产品含有高水平的蛋白质、脂质、酚类化合物、类黄酮、矿物质和维生素。同时,流行病学和临床报告表明,核桃副产物有益于改善多种健康疾病,如肥胖、癌症、糖尿病、心血管疾病、阿尔茨海默病、慢性病等。此外,许多学者已经证明,核桃副产品在抗菌、抗炎、抗衰老等方面具有有益的性能。因此,核桃可用于保健应用,对改善人体健康起着至关重要的作用。另一方面,越来越多的研究表明,核桃及其副产品可用于食品、化妆品和生物医学行业。

2. 从核桃副产品中提取、分离和纯化天然产物

通常,不同的加工工艺会导致核桃油和核桃副产品的营养成分不同。例如,在提取核桃油之前对核桃进行烘焙,对核桃进行冷压或超临界提取,都会直接影响核桃油和核桃副产品的营养成分和颜色。提取技术对核桃副产品获得有益的化合物具有重要意义。一般来说,化学、物理和生物方法要么单独使用,要么与其他现代技术结合使用,以提高目标化合物的提取效率。
2.1 常规提取方法
2.1.1 溶剂萃取
溶剂是提取化学成分的关键。最近的研究表明,在不同的提取条件下,使用相同的溶剂,提取率会有所不同。在没有任何外部辅助条件的情况下,用水萃取获得最高产量(75.4 mg/g),其次是 60-70%的乙醇。此外,通过对革兰氏(+)菌(金黄色葡萄球菌、粪肠球菌、hirae 肠球菌)和革兰氏(-)菌(铜绿假单胞菌、大肠杆菌、嗜肺军团菌亚种、嗜肺菌)的抑菌试验,观察到提取物的最佳抗菌活性。一般来说,溶剂萃取遵循“相似相溶”的原则,即极性物质在极性溶剂中更好地溶解,非极性物质更好地在非极性溶剂中溶出。现在的大多数研究都使用不同比例的乙醇和水的混合物,这已被证明可以提供更高的提取率。此外,微波辅助萃取、超滤膜萃取、超声波萃取、超临界流体萃取、酶辅助萃取、脉冲电场辅助萃取、固相微萃取、加压液体萃取等都被认为是近年来的新技术。

2.1.2 酶水解

在核桃粕生物活性肽的制备中,酶水解法是常用的方法。蛋白酶具有特异性、发生反应条件温和、效率高、易于控制、营养损失低的优点。核桃蛋白水解常用的酶有木瓜蛋白酶、碱性蛋白酶、中性蛋白酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶和复合蛋白酶(胰酶)等。在水解过程中,需要对酶类型、蛋白质来源、酶特异性、酶消化程度、pH、时间、温度、酶与底物的比例等条件进行特殊控制。此外,可以在该过程中加入辅助手段以进一步提高酶的效率。研究表明,超声辅助显著改善了核桃粕生物活性肽的水解,其效率是对照组的1.43 倍。目前的研究仅将超声技术应用于核桃粕生物活性肽的制备,在未来的研究中,辅助技术的参与,如高压均化技术、微波技术和酶反应器技术,应协同提高酶消化效率。

2.1.3 发酵

发酵也是获得核桃粕生物活性肽的有效技术。目前,研究人员主要研究两种发酵方法:固体发酵和液体发酵。微生物在发酵过程中分泌的蛋白水解酶可以从前体蛋白结构的非活性形式中释放出加密的生物活性肽。这不仅可以降低生产生物活性肽的成本,而且可以有效地促进蛋白质资源的高效利用。例如,通过枯草芽孢杆菌固体发酵 WM 成功制备了血管紧张素 I 转化酶(ACE)抑制肽。
2.2 创新技术辅助提取
  超声波和微波辅助提取、超临界CO2 萃取、 微乳液与高压放电萃取相结合、电子束辐照辅助提取、Ultra-Turrax 提取等。
 
2.3 分离与纯化技术

  电泳技术、色谱技术和其他分析方法。考虑到不同的核桃副产品及其特殊特性,限制其规模和市场化的最大因素是提取技术的正确选择。传统的提取技术严重依赖溶剂,不仅不利于环境保护和资源节约,而且产品质量也较低。创新技术的广泛应用减少了萃取过程中有机溶剂的使用。这不仅保护了环境,而且促进了绿色和可持续的范式转变。然而,对这些新的提取技术和溶剂的技术经济评估相对缺乏,特别是在其能源消耗和经济成本方面。因此,应选择适当的方法来评估这些新兴技术对工业的经济影响,并尽量减少这种影响。另一方面,在核桃副产物提取物的分析中,现代分析技术在提高分析精度方面发挥着重要作用。

3. 核桃副产物的潜在应用

核桃副产品富含生物活性化合物。越来越多的研究人员发现,核桃副产品是宝贵的可持续资源,在获得大量功能性和物理性食品成分方面具有巨大优势。

3.1 食品应用

核桃副产品中的许多营养素和生物活性化合物使其成为食品配方的新兴候选者,以满足营养需求并提供额外的健康益处。主要是核桃副产品在食品添加剂、食品加工材料(酒精饮料原料)和保鲜方面(食品保鲜膜)的应用研究进展。无论是单独使用还是与其他食品联合使用,核桃副产品提取物都可以进一步促进新型功能性食品添加剂的开发。尽管食品应用前景广阔,但许多天然食品抗氧化剂和添加剂仍存在化学不稳定的缺点。因此,需要更多的研究来缓解这些挑战。

3.2 工业应用

由于可持续性仍然是一个全球性的挑战,循环经济的概念越来越受到关注。可持续资源作为工业生产的原材料非常重要。幸运的是,核桃副产品是高附加值和有价值材料的天然来源。其主要产品是废水吸附剂、电极材料、 染料、 除草剂、 化学添加剂和海水淡化。总的来说,核桃副产品在工业中有许多潜在的应用。它们可以作为新的化学材料、吸附剂、染色剂、生物除草剂等,具有高效、简单、低成本、环保等优点。所有这些好处将促进核桃副产品在危险废水处理和化工生产中的应用。在未来的研究中,研究人员应扩大研究范围,尝试将核桃副产品应用于不同领域,探索核桃副产品在粉末、炭化和提取物等不同状态下的价值。

3.3 生物医药应用

消费者对营养价值更高、富含促进健康的生物活性物质的食品的要求越来越高。核桃副产品含有多种生物活性成分,它们的营养潜力已被证明可以改善衰老、代谢紊乱、记忆丧失和癌症、口腔溃疡、糖尿病的治疗等等。主要产品有:抗菌剂、抗肿瘤活性、酶抑制剂、抗氧化活性、血糖调节、改善记忆力减退、改善细胞等。
总之,核桃副产物中的生物活性成分具有广阔的应用前景。尽管对核桃副产物的生物活性和化学成分进行了广泛的研究,但对其作用机制和药理毒性的了解有限。因此,下一步的研究应侧重于核桃副产物的安全性验证,更多地关注临床实验中核桃副产物消化、吸收和代谢的数据,以及不同核桃副产物提取物抗氧化、抗菌、抗癌和提高细胞活性等的分子机制,如有必要,需要在细胞和遗传水平上进行探索。此外,还应考虑保留化合物生物活性的新趋势,例如使用纳米封装和微胶囊技术来提高生物利用度和控制生物活性成分的释放。建议对其提取物的生物利用度、生物活性和毒理学评估进行进一步研究,以评估其与其他食品成分和身体器官的相互作用,确保其供人类食用的安全性和可靠性。

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4. 结论和未来展望

核桃副产品作为功能性成分在开发新型食品和药物配方方面具有巨大潜力,如抗氧化剂、着色剂、膳食补充剂、药物成分和可生物降解材料。然而,仍需要对其应用要求进行进一步研究,以确定这些核桃衍生成分在产品中的功效、稳定性和安全性。一方面,在扩大工业应用、开发基于其促进健康特性的创新食品和药物配方方面,仍需要做更多的工作。另一方面,还需要设计一种高效便捷的提取工艺,从核桃副产品中获得目标生物分子。令人兴奋的是,这些副产品的应用有助于食品、化工和生物医学行业的可持续生产,是减少资源浪费及其环境影响的解决方案。
核桃副产品作为一种生产量大的农业废弃物,近年来成为人们研究的热点。一方面,这些副产物的应用不仅扩大了优质生物活性成分的来源,也补充了自然资源的短缺。另一方面,全面研究核桃副产品的功能,可以拓宽其应用领域,缓解原料和能源的短缺。最重要的是,核桃副产品的综合利用不仅可以带动核桃产区的经济效益,还可以提高农业生产者的收入。这是未来研究和发展的主要方向。
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