综述：植物源性农业食品副产物在功能饮料中的增值化：基质工程、微生物群调节与转化挑战

《Beverages》：Valorization of Plant-Derived Agri-Food Byproducts in Functional Beverages: Matrix Engineering, Microbiota Modulation, and Translational Challenges

　　

尽管植物源性农业食品副产物在饮料配方中的应用日益增多，但将其生物活性潜力转化为一致的生理学结果仍具挑战性。功能性表现不仅取决于生物活性成分的组成，还取决于饮料基质工程(Matrix Engineering)、加工条件、理化稳定性、胃肠生物可及性(bioaccessibility)以及监管就绪度。本综述批判性地考察了植物源性农业食品副产物在功能饮料应用中的增值化，特别强调增强生物活性化合物稳定性、分散性、感官质量和递送的基质工程策略。综述进一步讨论了饮料基质组成如何影响pH稳定性、相行为、风味特征和胃肠相互作用，从而塑造生物学性能。此外，从机制视角评估了植物源性副产物来源的生物活性成分调节肠道微生物群(gut microbiota)能力的现有证据。同时还批判性地讨论了与工业实施相关的转化挑战，包括配方可行性、储存期间理化稳定性、安全性评估、可扩展性、监管批准和消费者接受度。现有证据表明，许多报道的健康益处源自受控实验模型，而这些模型仅部分代表商业饮料系统。因此，未来研究应优先考虑整合配方策略，将可持续的副产物增值化与饮料基质优化、机制验证和转化评估相结合，以弥合实验证据与商业相关功能饮料应用之间的差距。

**1. 引言**
植物源性农业食品副产物的增值化被视为提高食品系统可持续性和资源效率的重要路径。这些副产物可加工为提取物或功能成分，但当前研究多集中于成分表征和提取效率，对功能表现、生物学相关性及转化一致性关注不足。功能饮料因配方灵活和适合递送植物源活性成分而成为理想平台，但受稳定性、生物可及性、感官特性和原料变异等因素制约。谷物和水果残渣因来源丰富、成分多样而尤为适合。本综述采用叙述性综述方法，整合副产物增值化、饮料基质工程和微生物群驱动的功能性研究，以推动功能饮料的可持续发展。

**2. 植物源性农业食品副产物作为功能饮料成分的来源**
**2.1 主要来源**
水果加工产生果皮、果渣和种子，富含酚类化合物、色素和膳食纤维；谷物加工产生麸皮等纤维相关残渣。这些材料可作为提取物、浓缩物、发酵底物或纤维强化成分，但其适用性取决于回收效率、稳定性、感官特性以及与饮料基质的相互作用，而非仅取决于化学组成。

**2.2 生物活性化合物**
副产物中含有酚类、类黄酮、类胡萝卜素、维生素、肽和可发酵多糖等。回收成分为复杂的植物化学混合物，组分间相互作用可影响稳定性、溶解度、释放行为和生物可及性。总酚含量和抗氧化能力只是化学指标，不能直接证明生理功效。膳食纤维和可发酵多糖经微生物发酵产生短链脂肪酸（SCFAs），但效果受纤维特性、菌群组成和个体差异影响。

**2.3 生物活性与机制见解**
酚类化合物可通过调节核因子E2相关因子2（Nrf2）通路和核因子κB（NF-κB）信号，影响肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）等炎症介质。膳食纤维经微生物发酵产生的SCFAs涉及G蛋白偶联受体激活和组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制。然而，这些机制大多来自简化实验系统，外推至实际饮用场景需谨慎。

**3. 饮料基质工程与功能表现**
**3.1 多酚稳定性、基质相互作用与功能可及性**
多酚在饮料中易发生氧化、聚合、沉淀，并与蛋白质、多糖等基质组分相互作用，从而改变其溶解度、稳定性和释放特性。酚类化合物常与细胞壁碎片或膳食纤维网络结合，影响胃肠道消化中的释放。加工条件也会改变酚类含量。提高酚类浓度并不总能改善稳定性或生物可及性，反而可能引发沉淀和涩感。因此，应优化酚类成分与基质的兼容性，而非单纯追求高浓度。

**3.2 饮料系统中纤维功能的结构决定因素**
膳食纤维的功能受分子结构、溶解度、粒径分布和水合能力等结构属性影响，进而影响粘度、悬浮稳定性、可发酵性及结合化合物的释放。热处理、均质、酶处理和发酵可改变纤维组织。单纯增加纤维浓度可能导致粘度过大、沉淀或不良口感，因此需平衡浓度与理化稳定性、感官质量。

**3.3 发酵作为增强功能的策略**
发酵通过微生物代谢改变植物基质的化学组成，释放结合态化合物并生成有机酸、酚类衍生物等新代谢物。其功能结果依赖于菌株、底物和工艺条件。可提取性提高或化学组成改变并不等于生理效应增强，相关证据主要来自体外发酵模型和动物实验，人体证据有限。标准化和感官一致性是产业化主要挑战。

**3.4 货架期、储存稳定性与功能保留**
储存过程中可能发生氧化、聚集、沉淀、酶降解和基质成分间相互作用。含副产物的饮料因含悬浮颗粒和纤维成分，稳定性问题更为复杂。生物活性化合物在储存中的保留并不等于其可及性和生物学相关性保持不变。应在实际消费条件下综合评估理化稳定性、生物可及性和功能指标。封装和优化基质设计有助于保护敏感化合物。

**4. 加工技术与饮料系统中的功能表现**
**4.1 热处理：功能增益还是受控降解？**
热加工可确保微生物安全并延长货架期，但可能降解花青素、维生素和部分多酚等热敏化合物。中等热处理可破坏细胞壁结构，释放基质结合化合物，提高生物可及性。工业巴氏灭菌需在微生物安全与功能保留之间权衡。挤压、浓缩等机械-热操作可改善分散性和稳定性，但过度加工可能促进氧化和美拉德反应。热处理的适宜条件因基质和成分而异。

**4.2 发酵：功能增强与可控不稳定性**
发酵中微生物代谢和酶活性可产生有机酸、生物活性肽、转化酚类等产物，其种类和浓度受菌株、底物组成、温度、pH和氧条件影响。过度酸化和不良代谢物（如生物胺）积累会损害产品质量。工业化生产时原料波动、菌种差异和工艺变化导致产品标准化困难，需严格过程控制以实现可重复的功能表现。

**4.3 非热技术：精确性而不具鲁棒性**
高静水压（HHP）可保留热敏化合物，但可能改变蛋白质相互作用和胶体稳定性；脉冲电场（PEF）可增强微生物灭活和胞内物质释放，但效率受电导率和粘度制约；超声波可强化提取和乳化，但过度空化会加速氧化；冷等离子体具有表面灭菌潜力，但其与复杂饮料成分的相互作用尚不明确。非热技术设备成本高、放大困难，宜作为热加工的补充，而非完全替代。

**5. 转化挑战与未来展望**
核心挑战是实验验证的生物活性能否在实际饮料消费中转化为可测量的生理效应。体外模型外推需考虑剂量、消化、微生物转化和个体差异。监管批准需遵循新食品法规和健康声明证据要求，例如欧盟新食品法规和欧洲食品安全局（EFSA）评估框架。可持续性创新应同时关注成分回收效率和后续稳定性。代谢组学和微生物组测序等方法有助于解析个体化响应，但必须与人类干预研究结合，才能避免分析复杂性增加而生理解释不足。

**6. 结论**
植物源性农业食品副产物是功能饮料生物活性成分的重要来源，但成功开发取决于成分与饮料基质的一体化整合，包括维持稳定性、支持生物利用度和保护全链条功能。目前没有单一加工或配方策略能同时满足所有要求，未来需整合食品工程、微生物组科学、分析技术和监管评价，并通过标准化方法和高质量人体研究，提升功能饮料的科学基础与商业可行性。