猕猴桃与刺果仙人掌果皮中污染物及细胞毒性潜力的综合分析：基于脉冲电场的增值利用方法

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Integrated analysis of contaminants and cytotoxic potential in kiwi and prickly pear peels: A valorization approach using pulsed electric fields

　　

# 摘要

水果皮等农食品副产物的资源化利用因其富含生物活性化合物而有利于促进循环经济，但在将其作为食品配料使用前，需要进行全面的毒理学和微生物学风险评估。本研究对干猕猴桃（*Actinidia deliciosa*）皮和仙人掌果（*Opuntia ficus-indica*）皮进行了评估，重点关注重金属、真菌毒素、农药残留、微生物负载以及体外细胞毒性（Caco-2细胞）。此外，还分析了常温水提物和脉冲电场（PEF；2.5 kV/cm，50–300 kJ/kg）处理后的水提物，以评估PEF在污染物共提取中的作用。采用QuEChERS/DLLME和UHPLC-MS/MS方法测定真菌毒素和农药残留，采用ICP-MS定量分析重金属含量。结果表明，猕猴桃皮的重金属污染程度显著高于仙人掌果皮（砷：258 ± 11 μg/kg；铅：359 ± 13 μg/kg），而仙人掌果皮中砷含量为15.9 ± 0.9 μg/kg，铅含量为43.9 ± 0.6 μg/kg。两种基质中的真菌毒素均超过了欧盟关于水果中真菌毒素的法规限值，且猕猴桃皮中检测到含杀菌剂。在微生物学方面，猕猴桃皮的微生物负载较高（好氧菌 >3.0 × 10? CFU/g，酵母菌/霉菌亦呈高负载），而仙人掌果皮计数较低，但检出金黄色葡萄球菌。重要的是，常规水提和PEF辅助水提均有效限制了重金属的迁移。PEF并未促进污染物共提取，且未观察到细胞毒性效应（0.78–25% v/v）。最终，这些干果皮中检测到的真菌毒素和微生物水平偏高，表明在其作为安全食品配料进行再资源化之前，亟需实施有效的去污技术。

# 引言

食品的生产与加工产生大量废弃物和副产物，构成了经济和生态挑战。在水果行业尤其如此，大量的果皮、种子和果渣被丢弃，加剧了温室气体排放和资源损失（Nirmal等，2023）。因此，对这些残留物进行有效利用或资源化利用可以显著降低食品供应链的碳足迹，符合循环经济和可持续发展目标（FAO，2013；Nirmal等，2023）。值得注意的是，一些农业工业副产物富含营养和生物活性化合物，如多酚类抗氧化剂、膳食纤维和维生素，其含量在某些情况下甚至比主要可食用部分更高，然而大多被当作废弃物处理（Rodrigues等，2022；Yadav等，2024）。这些发现进一步激发了将食品废弃物转化为高附加值产品的兴趣，以改善环境和营养价值。

猕猴桃（*Actinidia deliciosa*）皮是一种未被充分利用的副产物，具有高生物活性和促进健康的化合物，包括叶绿素色素、维生素（C和E）、多酚类（类黄酮），赋予其强抗氧化能力（Cairone等，2022；Dias等，2020）。近期研究表明，猕猴桃皮中的酚类化合物含量和抗氧化活性均高于果肉（Y. Wang等，2018）。这些结果表明，猕猴桃皮可以作为功能性食品配料和生物活性植物化学物质的来源应用于产品配方中，从而减少农业工业废弃物。尽管猕猴桃皮完全可以食用，但因其质地粗糙且表面有绒毛，在工业加工过程中通常会被去除，因此大部分进入废弃物流（Boghossian等，2023a）。同样，仙人掌果皮（*Opuntia ficus-indica*）是占果实重量33–35%的副产物，尽管富含膳食纤维、蛋白质和甜菜红素、多酚类等生物活性化合物（Alexandre等，2021；De Wit等，2020），赋予其高抗氧化活性和抗菌特性（Coronado-Contreras等，2023），但在加工过程中通常被丢弃。这凸显了从这些基质中安全回收目标化合物的策略需求。

在此背景下，猕猴桃皮和仙人掌果皮在重新引入食品链之前需要进行深入的风险评估。植物副产物可能从生长环境中积累化学污染物，尤其是重金属。铅、镉和汞等元素往往在土壤中富集，并可随时间被植物组织吸收（Zwolak等，2019）。这些有毒金属通常积聚在水果的外层部分（果皮）中，如果其浓度超过可接受水平，可能对消费者健康构成风险（Mahmood等，2026）。对常见食用水果的最新研究表明，果皮中的重金属浓度往往达到或超过食品安全限值。Mahmood等（2026）发表的研究显示，猕猴桃皮中的镍含量非常高，足以超过国际食品安全指南。农药污染也是水果皮的一个担忧问题。Alokail等（2024）报告称，在所分析的161个水果样本中，仅有6.2%未检出农药残留，而12%超过了最大残留限量（MRLs），其中包括杀菌剂、有机磷类和拟除虫菊酯类等。在此背景下，对食品供应日益增长的需求加剧了对农药的依赖，使其凌驾于其他害虫控制策略之上（Farha等，2017）。

这些发现凸显了在利用果皮时监测重金属的重要性，因为即使是营养丰富的副产物也必须不含有害元素才能被认为是安全的。

此外，生物性污染物是评估仙人掌果和特别是猕猴桃皮用于资源化利用时的另一个关键考量因素，因为土壤、灌溉水或操作过程中可能引入致病细菌，且猕猴桃皮表面的绒毛特别容易滋生微生物（Leff & Fierer，2013；Steele & Odumeru，2004；Zhao，2005）。大肠杆菌、沙门氏菌属和单核细胞增生李斯特菌等细菌已被证明可以在有绒毛的猕猴桃皮表面附着和存活，如果未经适当消毒处理，将带来疾病风险（Boghossian等，2023a）。真菌污染也是一个风险，在水果废弃物储存或干燥过程中同样可能发生。导致腐败的霉菌不仅会降解物料，还可能产生真菌毒素——一种有毒的次级代谢产物。展青霉素和 Alternaria 毒素是两种与水果及水果衍生物密切相关的显著真菌毒素。例如，展青霉素是一种致癌性霉菌毒素，主要见于腐烂的苹果，但也被检测出存在于其他腐烂水果中，包括猕猴桃（Bacha等，2023）。因此，拟用于食品用途的猕猴桃和仙人掌果皮生物质必须对生物性和化学性污染进行分析，并采取适当的去污措施，以确保符合安全标准。

在对固体基质进行风险评估的同时，开发绿色提取工艺对于以可持续方式利用猕猴桃皮中的有价值化合物至关重要。传统的溶剂提取方法往往效率低下且对环境有害：它们需要较长的处理时间、较高的温度和大量的溶剂，这些溶剂可能降解热敏性化合物。为克服这些局限性，已研究了几种新兴的绿色提取技术，包括超声辅助提取、微波辅助提取、超临界流体提取和加压液体提取（Bustamante-Bernedo等，2026）。在这些方法中，脉冲电场（PEF）处理对于热敏性食品副产物尤为相关，因为它在温和的热条件下增强传质，同时提供与微生物灭活和污染物去除相关的额外益处（Calleja-Gómez, Pallarés等，2024；Calleja-Gómez, Roig等，2024）。在PEF处理中，目标基质被置于电极之间并暴露于短时高压脉冲下，导致细胞膜上形成孔隙，从而显著增加胞内物质向提取溶剂中的释放（Athanasiadis等，2023）。此外，微生物可在最小化加热的情况下被灭活（Lytras等，2024），研究表明果汁和冰沙等水果产品中的真菌毒素含量可降低（Sebastià等，2023），同时生物活性物质的提取率显著增加。因此，PEF辅助提取与绿色化学和可持续性的原则相契合，将其应用于农业废弃物流正日益受到重视，作为从原本被丢弃的生物质中提取安全、有价值的成分的一种手段。

鉴于上述背景，本研究旨在将污染评估与PEF辅助提取相结合，以评估绿猕猴桃皮和仙人掌果皮的安全资源化利用。具体而言，本研究包括：（I）通过表征与重金属含量（As、Cd、Pb、Hg）相关的污染物图谱，以及真菌毒素（AFB?、AFB?、AFG?、AFG?、OTA、ENNA、EN-NA1、ENNB、ENNB?）、农药残留和食源性微生物负载的存在情况，评估猕猴桃和仙人掌果皮作为安全功能性配料资源化利用的可行性，以确定其是否符合食品安全要求；（II）评估脉冲电场（PEF）作为一种绿色提取方法，以减轻这些果皮中真菌毒素和重金属含量的存在，并研究提取物对人结肠腺癌（Caco-2）细胞的细胞毒性效应。通过同时解决提取的安全性和有效性，这种顺序设计确定了PEF能否在不促进污染物共提取的情况下产生安全提取物，为将猕猴桃和仙人掌果皮从加工副产物转变为可持续食品应用的安全、营养丰富的营养素和植物化学物质来源奠定基础。

## 实验设计

本研究的实验设计如图1所示。简要而言，绿猕猴桃皮和仙人掌果皮经过标准化的样品制备过程。包括去皮、筛分（<1 mm）和干燥，以获得均匀的粉末基质。对干果皮进行初步风险评估，评估微生物负载、真菌毒素、重金属和农药。随后，通过PEF和常规提取获得水提物，并进行第二次风险评估。

## 重金属

表3汇总了在干猕猴桃皮和仙人掌果皮及其相应的常规和PEF辅助水提物中检测到的重金属（As、Cd、Hg和Pb）浓度。在干果皮中，重金属浓度在果种类间差异显著。猕猴桃皮的砷和铅水平较高，分别达到258 ± 11和359 ± 13 μg/kg，而仙人掌果皮中砷含量为15.9 ± 0.9 μg/kg，铅含量为43.9 ± 0.6 μg/kg。

## 结论

本研究证明，水果皮资源的利用不能被视为内在安全的，因为成分丰富并不一定意味着应用安全。发现的主要限制是毒理学方面的，而非技术性的，真菌毒素超过法规限值，构成了直接使用干果皮粉末的主要障碍。同时，观察到的微生物高负载，尤其是在猕猴桃皮中，表明温和干燥条件旨在减少热敏性生物活性物质的降解，但无法有效降低微生物水平。本研究强调，在将这些副产物作为安全食品配料进行资源化之前，实施有效的去污技术至关重要。

## CRediT作者贡献声明

Mara Calleja-Gómez：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，可视化，验证，方法学，调查，形式化分析。Sergio Martínez-Terol：方法学。Albert Sebastià：撰写——审阅与编辑，监督。Hortensia Rico：撰写——审阅与编辑，监督。Houda Berrada：撰写——审阅与编辑，验证，监督，概念化。Francisco J. Barba：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源获取，项目管理，经费获取。

## 经费来源

本研究是MICIU/AEI/10.13039/501100011033/FEDER资助的PID2021-123628OB-C42项目的一部分。

## 未引用参考文献

European Commission, 2005

Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) and World Health Organization (WHO), 2015

Instituto Regional de Estudios de Sustancias Tóxicas (IRET), 2025

Microbiological hazards in spices and dried aromatic herbs: meeting report, 2026

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作的发表。

## 致谢

Mara Calleja-Gómez是瓦伦西亚自治区教育、大学与就业厅（CIACIF/2022/391）博士前资助项目的受益者。Albert Sebastià感谢瓦伦西亚大学"人才引进"计划（UV-INV-PREDOC-1916102）的博士后奖学金支持。作者感谢瓦伦西亚自治区的财政支持（IDIFEDER/2018/046——创新提取与保存工艺：脉冲电场和超临界流体）。

Mara Calleja-Gómez | Sergio Martínez-Terol | Albert Sebastià | Hortensia Rico | Houda Berrada | Francisco J. Barba

可持续食品创新技术研究小组（ALISOST），瓦伦西亚大学药学院与食品科学学院预防医学与公共卫生系、食品科学、毒理学与法医医学系，西班牙巴伦西亚堡哈索特市Avenida Vicent Andrés Estellés大道22号，邮编46100。