综述：发酵辅助增值：将水果副产物转化为高附加值食品补充剂的可持续策略

《Food Frontiers》：Fermentation-Assisted Valorization: A Sustainable Strategy for Turning Fruit By-Products Into Value-Added Food Supplements

这篇综述系统阐述了发酵技术如何将水果加工副产物（FBPs）转化为高价值食品补充剂。文章指出，发酵能通过微生物代谢增强FBPs的微生物安全性、营养特性和感官品质，释放更多生物可利用的酚类化合物，并降低抗营养因子和有毒化合物。该策略契合循环经济理念，为开发新型功能食品、饮料和营养保健品提供了可持续路径。

　　

摘要

水果加工过程中产生的大量副产物（FBPs）富含膳食纤维和生物活性化合物，但长期以来未被充分利用。近年来，发酵辅助增值策略通过微生物过程显著提升了FBPs的微生物学、营养学和感官属性，使其成为传统食品的可行替代品。

1 引言

水果在人类饮食和生活方式中扮演着关键角色，是健康营养素、营养保健品和生物活性分子的丰富来源。全球新鲜水果产量持续增长，随之而来的是大量水果加工副产物的产生。这些副产物主要包括果皮、种子、果渣、叶子和茎秆，富含酚类化合物、类胡萝卜素、水溶性维生素和膳食纤维等生物活性物质。有效管理和增值这些副产物，对于实现环境可持续发展和推动循环经济至关重要。

2 FBPs作为功能性食品中营养保健品的来源

FBPs是必需营养素和生物活性化合物的宝库。研究表明，FBPs中含有丰富的膳食纤维、脂质、萜类化合物和酚类化合物。这些化合物具有强大的抗氧化特性，有助于降低慢性疾病风险，如心血管疾病和某些癌症。将FBPs直接纳入功能性食品（如烘焙食品和肉制品）中可以解决膳食缺陷，但需要仔细的配方优化以保持感官特性和消费者接受度。

3 通过发酵辅助转化实现FBPs的增值

发酵技术为从FBPs中回收增值化合物提供了一种创新且环保的方法。与传统的提取技术相比，发酵辅助提取能够利用微生物酶更有效地释放结合型酚类化合物，并合成新的生物活性物质，如维生素、有机酸和肽。

3.1 生产具有增强微生物学特性的补充剂

发酵技术可以通过增强FBPs的安全性、保质期和益生菌含量来生产新型食品补充剂。乳酸菌（LAB）发酵是延长易腐食品保质期的经典技术。LAB产生的有机酸、细菌素等抗菌化合物能抑制病原体和腐败微生物的生长。利用益生菌发酵各种FBPs的趋势日益增长，因为这些益生菌可以成功定植宿主，提供增强免疫功能、降低胆固醇水平、改善矿物质吸收等益处。例如，利用Lactobacillus casei发酵菠萝皮可生产益生菌饮料，促进有益肠道菌群生长。

3.2 生产具有增强营养特性的食品

发酵通常有助于增强FBPs的营养特性。微生物可以产生或释放一系列生物活性化合物，如维生素、肽、酚类化合物和氨基酸。发酵还能减少或消除FBPs中的抗营养因子（如植酸盐、单宁和草酸盐），并通过分解复杂聚合物和破坏木质纤维素生物质结构来增强营养素的消化率和生物可利用性。

3.2.1 具有增强生物可利用性和消化率的FBPs补充剂

3.2.1.1 FBPs基质中的酚类谱

FBPs是多酚的丰富来源，根据其与植物细胞壁成分的相互作用和可提取性，可分为游离酚、可溶性结合酚（共轭酚）和不溶性结合酚（NEPs）。发酵过程中，微生物产生的一系列酶（如糖苷酶、酯酶、纤维素酶、木聚糖酶和漆酶）可以水解结合键，释放出更多生物可利用的酚类化合物，从而增强其抗氧化活性。

3.2.1.2 抗氧化能力的增强

碳水化合物活性酶（CAZymes）在FBPs的生物转化中起着至关重要的作用。糖苷水解酶（GHs）、多糖裂解酶（PLs）、碳水化合物酯酶（CEs）和辅助活性（AA）酶协同作用，分解复杂的植物细胞壁成分，增强更简单、生物可利用性更高的酚类化合物的释放。例如，β-葡萄糖苷酶不仅完成纤维素降解，还通过去糖基化促进糖基化多酚的生物转化。

3.2.1.3 抗营养因子的减少

FBPs中主要的抗营养因子包括单宁、植酸盐和草酸盐。某些微生物菌株产生的单宁酶、植酸酶以及草酰辅酶A脱羧酶（OXC）-甲酰辅酶A转移酶（FCR）系统可以降解这些抗营养因子，从而提高矿物质的生物可利用性并降低潜在毒性。

3.2.1.4 筛选用于安全高效发酵FBPs的微生物

进行全面的筛选以选择最合适的微生物发酵剂对于确保FBPs发酵过程的安全和高效至关重要。应采用多级筛选方法，考虑微生物的安全状况（优选公认安全（GRAS）菌株）、与水果基质的相容性、酶活性、抗生素敏感性以及抗菌和抗真菌特性。筛选能够高效生产相关酶（如CAZymes、益生菌衍生酶和解毒酶）的分离株，对于识别有价值的候选菌株以增强后续生物加工效率和功能性食品开发至关重要。

3.2.1.5 FBP发酵与食品发酵的整合

将FBP发酵与食品发酵过程融合，是创造新型功能性产品的一种创新方法。FBPs可以直接转化为发酵产品，也可以作为综合生物加工策略的一部分，融入现有的食品发酵过程中。后者中，经过生物加工的FBPs作为功能性添加剂可以显著影响最终产品的感官、营养和功能特性。例如，在酸奶中添加FBPs可以改善益生菌的存活率，并增强产品的抗氧化活性。

3.2.2 富含脂质和萜类化合物的FBPs补充剂

通过发酵可以富集FBPs中的脂质和萜类化合物，从而显著改善其营养属性。许多研究显示，FBPs的生物加工可以显著增加必需脂肪酸（包括Omega-6、Omega-9和n-3多不饱和脂肪酸）和类胡萝卜素的水平。例如，用自体酵母发酵苹果渣可使脂质含量增加17%–39%。

3.2.3 富含蛋白质的FBPs补充剂

多项研究表明，发酵FBPs可以显著提高其蛋白质含量，这为将这些副产物转化为有价值的营养成分提供了一种可持续的方法。例如，用自体酵母发酵苹果渣，蛋白质可增加23%–49%；用Bacillus subtilis发酵香蕉皮，蛋白质可增加115%。这些发现强调了发酵将FBPs升级为高蛋白成分的能力及其作为可持续废物增值关键策略的潜力。

3.2.4 富含必需微量营养素的FPBs补充剂

发酵可以通过两种主要机制来强化FBPs中的必需微量营养素。首先，它降解了螯合铁、锌、钙和镁等矿物质的抗营养因子，从而提高了这些矿物质的生物可利用性。其次，根据微生物菌株、加工条件和FBP基质的不同，发酵可以增加某些维生素（如核黄素、B12、叶酸和维生素C）的浓度。

3.3 具有增强感官特性的FPBs补充剂

直接发酵和整合策略都有可能增强FBPs的感官和功能属性。在直接发酵方法下，Saccharomyces cerevisiae和LAB菌株在改变流变特性、减少苦味以及增强香气和颜色方面发挥着关键作用。例如，酵母发酵可以改变葡萄和苹果渣中提取的果胶的热稳定性、剪切稀化行为和粘弹性。发酵还能通过水解黄酮苷（如柚皮苷和橙皮苷）来减轻柑橘渣的苦味。此外，某些微生物可以进一步通过柠檬苦素转化酶的作用降解柠檬苦素来减少苦味。

将FBPs的生物加工整合到食品发酵过程（尤其是乳制品）中，是另一种策略。在这种策略中，FBPs被用作添加剂，有助于最终产品的感官特性。这种整合可以带来类似的益处，包括在富含纤维性水果渣的酸奶配方中改善粘度、减少脱水收缩和增强持水性（WHC）。低水平的添加（如1.0%百香果皮粉或1%–2%瓜皮粉）对于最大化色彩吸引力、流变稳定性和消费者接受度尤其有效。

4 发酵FBPs的后处理

发酵完成后，对发酵后的FBPs进行后处理在增值链中至关重要，它将发酵产品转化或稳定成适合营销和消费的形式。发酵后的FBP可以是半固体基质（通常来自固态发酵（SSF））、干粉或发酵饮料。后处理方法的选择受发酵过程类型（液态发酵（SmF）与固态发酵（SSF））、市场需求和产品定位、成本限制、所需功能和感官品质、保质期要求以及监管考虑等因素的影响。一种方法是将发酵后的糊状物（通常来自SSF）直接加入烘焙食品、零食或涂抹酱中，以改变食品的质地、风味和营养 profile。干燥是另一种常见方法，可以产生稳定的粉末。此外，将发酵FBPs转化为增值酒精或非酒精饮料也是一个有前景的方向。

5 安全方面与潜在风险

FBPs通常包含一系列潜在危害，这些危害源于种植、收获和加工等多个环节。除了抗营养因子和天然存在的毒素外，这些副产物可能含有农药残留、微生物毒素和加工过程中产生的污染物。发酵在减轻FBPs中的各种危害方面发挥着关键作用，从而增强其安全性和营养质量。例如，发酵过程中，某些微生物群落可以降解或修饰抗营养因子和有毒化合物。微生物细胞壁结合、LAB诱导的pH下降以及结构改变可以减少霉菌毒素。此外，微生物可以利用农药作为碳源或磷源，从而降低其浓度。

6 未来展望

尽管在利用发酵过程增值FBPs方面取得了进展，但有几个方面需要进一步研究，以支持商业化应用并确保安全性、有效性和消费者接受度。未来的研究应侧重于精心设计的临床试验、生物可利用性评估和长期安全性评价，以加强健康声明的科学基础。建立清晰的监管框架对于确保产品安全和合规性至关重要。发酵FBPs的增值与消费者对可持续、健康导向和创新产品的需求相一致。成功的商业化需要优化和标准化工艺，通过与现有运营整合实现规模经济，并确保稳定的供应链。人工智能驱动的工具可以优化菌株选择，预测发酵结果。基因工程微生物提供了增强生物活性化合物、维生素和酶生产的潜力。多阶段发酵策略可以解锁协同代谢活性，从而产生具有卓越功能、感官和微生物学品质的产品。