食品工业副产物作为植物化学物可持续来源：绿色提取（UAE、MAE、PLE、SFE）与包封技术整合驱动功能性食品开发

《International Journal of Molecular Sciences》：Food-Grade By-Products as Sustainable Sources of Phytochemicals: Green Extraction Strategies, Encapsulation Technologies, and Applications in Functional Food Development

　　

食品工业副产物，包括果蔬渣、果皮和种子，日益被认为是生物活性化合物的可持续来源，特别是酚类化合物和类胡萝卜素，包括花青素和番茄红素。这些植物化学物表现出一系列生物活性；然而，其在食品体系中的应用常受稳定性差、生物利用度低和易受环境降解的限制。本综述总结了从食品工业副产物中回收和稳定生物活性化合物的近期进展。特别关注绿色提取技术，包括超声辅助提取（UAE）、微波辅助提取（MAE）、加压液体提取（PLE）和超临界流体提取（SFE），这些技术可提高提取效率，同时减少溶剂消耗和环境影响。此外，讨论常规和新兴包封方法，如喷雾干燥、离子凝胶化、纳米乳液、Pickering乳液、脂质体和脂质纳米颗粒，作为改善回收植物化学物稳定性、生物可及性和递送的策略。绿色提取与包封技术的整合为食品加工残余物的价值化和创新功能性食品配料的开发提供了有前景的策略。此类整合方法可能有助于减少废弃物、提高资源效率，并在食品生产中实施循环经济原则。

1. 引言
论文指出膳食在慢性非传染性疾病（NCDs）预防和管理中具有重要作用，功能性食品因可提供超出基础营养的健康益处而受到关注。生物活性化合物包括酚类化合物、类胡萝卜素、生物碱、生物活性肽、多糖、ω-3脂肪酸、维生素和酶等，具有抗氧化、抗炎、抗菌、免疫调节、心脏保护、神经保护和抗癌等活性。传统上植物材料是主要来源，但食品加工副产物如果皮、种子和果渣等，在循环生物经济框架下日益被视为可持续和高值替代来源。酚类（包括花青素）和类胡萝卜素（包括番茄红素）备受关注，但其水溶性低、化学稳定性差，并对光、氧、温度、金属离子和pH变化敏感；全-E/Z异构化（all-E/Z isomerization）和基质依赖的生物可及性（bioaccessibility）可限制其到达靶组织。包封技术可提高稳定性、生物可及性和掩蔽不良感官。绿色提取与包封整合是副产物价值化和功能食品配料的潜在策略。

2. 包封技术用于稳定生物活性化合物
2.1 定义和作用机制
包封是将固态、液态或气态活性物质包埋于食品级载体中，形成保护屏障。按粒径可分为微包封和纳米包封。被包埋物称为核心、活性成分或内相，保护材料称为壳、壁、涂层或基质，体系可为储库型（core-shell）或整体基质型。包封可物理隔离氧、光、水分和高温等不利因素，改善理化稳定性，降低加工和储藏中的降解，增强生物可及性，并在部分情况下改善生物利用度；还可掩蔽苦味和涩味，实现pH、温度、离子强度或酶活性响应的控制释放。

2.2 食品工业应用
包封在食品领域应用广泛，尤其适用于稳定性差、水溶性低、易热氧化或光降解以及生物利用度有限的化合物，如多酚、类胡萝卜素、精油、多不饱和脂肪酸、维生素、酶和益生菌。果蔬加工副产物如果渣是重要应用对象，葡萄渣酚类可用麦芽糊精或果胶等生物聚合物载体稳定；黑胡萝卜渣富含花青素，微包封可制得较稳定粉末；苹果渣生物活性物包封可改善储藏稳定性。食品用包封材料受严格法规限制：欧盟（EU）2015/2283新食品法规和美国GRAS要求限制合成聚合物及戊二醛等交联剂，研究转向海藻酸盐、果胶和淀粉等食品级天然多糖。微包封市场和升级食品市场增长表明该技术对可持续循环食品体系具有重要意义。

3. 食品加工副产物：来源和植物化学成分
欧盟是果蔬主要生产地区，2022年蔬菜产量约6000万吨，水果超过4100万吨，番茄、洋葱、胡萝卜和苹果占重要地位。果蔬加工产生大量果渣、果皮和种子，常未充分利用或作为废弃物。番茄加工每年产生430万至1020万吨湿果渣，苹果渣主要由果皮和果肉组成，葡萄酒业葡萄渣约占加工果实质量的30%。这些副产物富含酚类等植物化学物，但组成变异大、原料异质且易生物降解，需要质量标准和加工策略。苹果渣含酚酸、黄酮醇、花青素、二氢查耳酮和黄烷-3-醇，根皮苷、绿原酸和槲皮素糖苷是主要酚类。苹果多酚提取物在细胞模型中显示DNA保护和肠道屏障调节作用，但体外结果不能证明膳食消费后的生理益处。

4. 包封技术类型
副产物来源酚类、类胡萝卜素和精油常稳定性差、生物可及性低且与食品基质相容性有限。包封技术包括传统离子凝胶化、挤出、喷雾干燥、冷冻干燥，以及脂质基、分子和多层系统。选择取决于核心理化性质、释放曲线、加工条件和食品基质。

4.1 凝胶化和挤出基技术
离子凝胶化基于海藻酸盐等阴离子多糖与Ca²⁺等多价阳离子交联，条件温和，适合热敏植物化学物。海藻酸盐-果胶微胶囊可提高花青素包封效率，并在模拟胃肠条件中提供保护与肠道控释。挤出技术已用于葡萄渣提取物，静电挤出可形成较均匀颗粒，包封效率约20–30%；冻干可保持抗氧化性和酚类含量。

4.2 干燥技术用于包封体系稳定
4.2.1 喷雾干燥
喷雾干燥是食品工业最常用的包封和干燥技术，成本低、易放大，可生产稳定粉末。麦芽糊精、阿拉伯胶、蛋白质和改性淀粉常用作载体，已用于葡萄渣、石榴皮、柑橘皮和浆果残渣酚类，以及花青素和类胡萝卜素。该技术可改善储藏稳定性、减少氧化并便于加入饮料、乳制品和烘焙食品，但高热敏或挥发性化合物可能发生热降解。

4.2.2 冷冻干燥
冷冻干燥通过冰升华减少热应力，适合热敏生物活性物。研究表明，冻干微胶囊的酚类保留和抗氧化活性常高于热干燥产品；洋葱皮酚类冻干包封效率为66.6–78.0%，储存后黄酮保留可达98.8%。冻干也常用于离子凝胶化、复凝聚或挤出颗粒的后处理稳定，可提高玻璃化转变温度（T_g）并降低吸湿性，但能耗高、周期长、成本高。

4.2.3 流化床干燥
流化床干燥主要作为二级干燥和包衣技术，可同时干燥和包衣，改善粉末稳定性、流动性和储藏性。其作为独立包封方法不如喷雾干燥和冷冻干燥常用，但可提供额外保护屏障，用于酚类提取物和精油稳定及多层颗粒制备。

4.3 颗粒形成技术
颗粒形成技术通过控制微粒和纳米粒的尺寸、表面性质和内部结构，改善水溶性差植物化学物的分散性、稳定性和肠道生物可及性。
4.3.1 反溶剂沉淀
反溶剂沉淀通过溶剂-反溶剂混合诱导快速过饱和，形成亚微米或纳米颗粒，操作温和、热暴露有限。姜黄素和白藜芦醇等模型化合物显示其可改善分散和溶出。挑战包括残留有机溶剂、混合条件控制及食品级稳定剂防止聚集和重结晶。
4.3.2 超临界流体包封
超临界CO₂（scCO₂）临界温度31.1 °C、临界压力7.38 MPa，可作溶剂、反溶剂或雾化助剂。该技术适用于酚类、类胡萝卜素、精油和脂质，热暴露有限，并可通过压力、温度和流速调控颗粒。纯scCO₂非极性，可加乙醇共溶剂。超临界辅助雾化（SAA）已用于橄榄渣和苹果渣生物活性物包封。

4.4 乳液基包封系统
乳液体系可改善水分散性、化学稳定性和胃肠生物可及性，也可作为喷雾干燥、多层微胶囊和生物聚合物凝胶载体的前体。
4.4.1 常规乳液和纳米乳液
纳米乳液液滴通常小于200 nm，动力学稳定性较好，常提高胃肠生物可及性。葡萄渣和橄榄加工残渣酚类、柑橘副产物类胡萝卜素和精油均可制成纳米乳液并加入饮料和乳制品，但长期物理稳定性和环境应力仍是挑战。
4.4.2 Pickering乳液
Pickering乳液由固体颗粒稳定油水界面，物理稳定性高、减少合成乳化剂，适合清洁标签。蛋白质、多糖、纤维素纳米晶、淀粉和膳食纤维等食品级颗粒可用，副产物衍生颗粒可同时作为稳定剂和增值配料。该体系已用于酚类、类胡萝卜素和精油包封，但颗粒生产、可放大性和胃肠命运仍需研究。
4.4.3 双重乳液和乳液基复凝聚系统
水包油包水（W/O/W）双重乳液可在内水相包封亲水物，在油相包封亲脂物，并可作为复凝聚模板。蛋白和多糖静电作用可形成保护结构，用于花青素、酚类提取物和益生菌。局限是结构复杂、对配方和加工敏感。

4.5 复凝聚
复凝聚基于相反电荷生物聚合物（通常为蛋白和多糖）的静电相互作用，形成可包埋活性物的聚合物富集相。该技术条件温和、包封效率高，已用于酚类、花青素、精油和脂溶性生物活性物。明胶、乳清蛋白、阿拉伯胶、果胶、海藻酸盐和壳聚糖常用。挑战包括可放大性和环境稳定性。

4.6 脂质基递送系统
脂质载体可改善水溶性差和氧化敏感成分的溶解度、稳定性、胃肠生物可及性，有时改善生物利用度。
4.6.1 脂质体
脂质体为磷脂囊泡，可包封亲水和亲脂化合物。红葡萄渣多酚已成功纳入纳米脂质体，但工业应用受成本、氧化和泄漏限制。
4.6.2 固体脂质纳米粒（SLNs）
SLNs由室温及体温下呈固态的脂质组成，可保护敏感化合物并改善分散性和胃肠生物可及性。葡萄籽原花青素、橄榄叶橄榄苦苷、番茄副产物甾体糖生物碱和柑橘皮精油已有研究。其高度有序结晶结构可能限制载药并导致储藏中排出。
4.6.3 纳米结构脂质载体（NLCs）
NLCs由固液脂质混合组成，内部结构较无序，载药能力优于SLNs。番茄红素、胡萝卜皮来源类胡萝卜素及酚类提取物已纳入NLCs，改善稳定性、水分散性和胃肠生物可及性。应用前仍需食品级适用性、毒理学、胃肠命运和法规评估。

4.7 环糊精包合物
环糊精可改善溶解度、防止氧化并减少不良感官。β-环糊精已用于黑刺李果实等副产物酚类的同步提取和包封，也用于葡萄渣二苯乙烯、黄酮醇和黄烷-3-醇回收，以及柑橘精油和橄榄酚类稳定。复杂食品基质中的性能和工业可放大性仍需研究。

4.8 逐层系统
逐层（LbL）技术通过静电沉积构建多层乳液和脂质递送系统，可精确调控壳厚度、渗透性和机械强度。该技术已用于酚类、类胡萝卜素和精油包封，含水果加工副产物酚类的多层乳液显示储藏稳定性和生物可及性改善，但工业应用仍有限。应用选择取决于产品、加工限制、成本和生产规模，技术复杂并不必然代表实际优越。

5. 从食品加工副产物中提取植物化学物
皮、渣、种子和残渣是生物活性植物化学物的浓缩基质，许多酚类、类胡萝卜素和花青素富集于外层组织。其价值化不应仅视为废物管理，而是循环生物经济下的功能配料创新。提取效率取决于技术；酶辅助提取（EAE）可水解释放胞内和细胞壁结合物，但受成本、酶稳定性和法规限制，并可能改变酚类组成、感官及果胶等结构组分。级联生物炼制和亚临界水提取（SWE）可实现多组分顺序回收。化合物极性、基质结构和技术匹配决定性能。微波辅助提取（MAE）从胡萝卜副产物回收类胡萝卜素达77.48%，超临界CO₂从番茄皮回收番茄红素达60.85%。能量辅助和超临界技术适合脂溶性化合物，但需考虑选择性、溶剂去除、回收纯化、能耗和可放大性。酚类基质中，加压液体提取（PLE）、MAE和超声辅助提取（UAE）的总多酚分别为101.3、94.8和79.9 mg GAE/g dm，而总单体花青素分别为19.3、24.0和23.2 mg C3GE/g dm，说明最高总酚并不对应最高花青素。DPPH、ABTS和ORAC等抗氧化结果也随技术不同。天然低共熔溶剂（NADES）与UAE结合可提高特定酚酸回收。提取效率主要受溶剂极性、固液比、温度-时间关系和能量强度影响；环境可持续性需通过能量平衡和生命周期评价（LCA）等量化证据支持。

6. 副产物来源植物化学物的包封：效率、稳定性与生物可及性
喷雾干燥因可放大、成本较低而最常用，麦芽糊精、阿拉伯胶和蛋白质是常见壁材。红甘蓝花青素喷雾干燥包封效率（EE）达96.36%，产率99.4%，粒径约10.27 ± 2.8 μm。紫玉米提取物EE约95–98%。Lonicera caerulea果渣提取物酚类EE为86.53–97.27%，花青素为88.17–96.05%，25 °C储存90天保留约89.8–97.2%。但高EE不代表功能性能：糖枫叶酚EE超过95%，肠道生物可及性仅高于43%；豌豆-米蛋白/低聚果糖（FOS）包封黑胡萝卜花青素肠道生物可及性为50.34%。Saskatoon果渣共包封多酚EE为72.6%，益生菌为94.4%，总酚肠道生物可及性约63.6%。蔓越莓酚蛋白-海藻酸盐体系EE为53.2–71.8%，生物可及性为32.77–45.89%。酵母包封使葡萄渣酚类生物可及性提高34.96%和14.25%。蛋白-多糖复凝聚中静电作用和氢键重要；紫茶多酚离子凝胶化EE约84%。冻干洋葱皮黄酮EE为66.6–78.0%，高于同研究喷雾干燥。评价应整合EE、控释、胃肠生物可及性、储藏稳定性、可放大性和配方兼容性。

废弃/副产物来源生物活性微胶囊在食品中的设计与功能整合
酚类提取物常用碳水-蛋白壁材，通过喷雾干燥和复凝聚制备。百里香叶酚-麦芽糊精-乳清蛋白微胶囊加入面包可增加总酚和抗氧化活性；鼠尾草提取物阿拉伯胶-乳清蛋白复凝聚后加入冷冻酸奶；木槿提取物麦芽糊精、菊粉和榅桲籽黏液微胶囊加入海绵蛋糕，提高总酚和抗氧化且感官可接受。Vitex agnus-castus果实提取物和藏红花花副产物提取物包封后加入酸奶，改善功能并维持质量。胡萝卜皮类胡萝卜素NLCs强化酸奶在4 °C储藏28天保持质地、粘度和颜色，类胡萝卜素损失仅0.2–2.8%。昆虫蛋白-壳聚糖复凝聚稳定的β-谷甾醇Pickering乳液生物活性保留56–91%。总体而言，核心性质、壁材组成和包封技术共同决定保留和功能；蛋白-多糖组合常改善稳定性，脂质载体适合疏水物，但多组分壁材可能增加复杂性和成本。

7. 前景和挑战
副产物组成变异、提取和包封标准化、放大、长期储存和胃肠命运、感官兼容、安全法规及批次一致性仍限制工业应用。
7.1 技术和经济限制
生物活性物易受氧、光、温度和pH影响。电喷雾、微流控和部分纳米系统在实验室表现良好，但通量低、复杂且成本高。高纯壁材和冻干、喷雾干燥等能耗推高成本；石榴皮提取物包封的技术经济和生命周期评价显示成本强尺度依赖，冻干是环境热点。
7.2 法规和消费者接受
欧盟和美国分别涉及新食品法规和GRAS框架，并需关注污染物、可追溯性、标签和质量保证。包封可能影响食品质地、外观和感官，因此消费者接受度重要。
7.3 未来研究方向
需开发来自可再生资源和副产物的食品级包封材料，设计胃肠稳定和控释系统，整合活性与智能包装，并开展体内生物利用度、生物活性和长期安全评估；同时提高可放大性、经济性和生命周期可持续性。

8. 材料和方法
该文为结构化叙述性综述，检索Scopus、Web of Science、PubMed和Google Scholar，使用布尔运算符和包封技术、副产物来源、植物化学物及可持续性相关关键词。检索完成于2026年2月，修订时更新至2026年9月。纳入同行评议英文文章和综述，重点为2016–2026年研究，并选择性纳入早期经典文献。排除非同行评议、无法获取全文及非食品级应用研究。研究选择基于主题相关性、方法信息和定量或定性证据。非系统综述，未采用PRISMA流程。生成式人工智能仅用于英语编辑和图形优化，未用于数据收集、分析、解释或结论形成。

9. 结论
包封是改善功能食品中生物活性化合物稳定性、处理性和胃肠递送的重要策略。副产物是宝贵但未充分利用的生物活性物来源，其价值化符合循环经济和可持续发展。壁材和技术选择影响包封效率、释放、稳定性和食品基质兼容性。高EE不必然代表功能，需同时考虑胃肠生物可及性、系统生物利用度、生物活性及储存和消化稳定性。蛋白-多糖组合可提供互补的界面和基质稳定功能。在若干模型食品中，包封生物活性物加入烘焙、乳制品和糖果后未对感官或质构造成主要不良影响。工业实施需同时考虑技术性能、经济可行性、可放大性、法规合规、环境影响和消费者接受度。