徐夢婷,李俊,郝艷賓,齊建勛,張赟齊,吳吉生,丁保淼,陳永浩*

1(北京市農林科學院林業(yè)果樹研究所,北京,100093)2(長江大學 生命科學學院,湖北 荊州,434025) 3(北京市園林綠化科學研究院 綠化植物育種北京市重點實驗室,北京,100102) 4(河北樂活植物油有限公司,河北 邢臺,054000)

我國核桃總產量位居世界首位,占世界核桃總產量的50%以上,年產量約479.6萬t[1-2]。據(jù)聯(lián)合國糧農組織數(shù)據(jù)顯示,2020年中國帶殼核桃出口量約7.3萬t,核桃仁出口量約2.3萬t,不到核桃總產量的2%。據(jù)不完全統(tǒng)計,近幾年我國每年用于加工的核桃用量僅為全年產量的20%～30%,大部分核桃仍以帶殼堅果形式消費,導致在部分地區(qū)出現(xiàn)核桃堅果供大于求的局面,核桃初加工與深加工成為解決核桃堅果滯銷問題的重要途徑。而另一方面,在核桃加工企業(yè)中,僅生產核桃油或核桃飲料等單品的企業(yè)比例相對較多,核桃資源利用率有待提高,核桃加工技術方案是決定核桃仁能否全利用的重要因素。

脂肪和蛋白質是核桃仁最主要的組成成分,含量分別為63%和15%。核桃仁中單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸比例平衡適宜,并富含多種營養(yǎng)素及各種生物活性化合物,對人類健康具有多重有益影響[3]?，F(xiàn)有較多研究報道了核桃仁對健康的有益作用,如ROCK等[4]發(fā)現(xiàn)經常食用核桃與肥胖呈負相關,可以調節(jié)食欲和促進膳食補償。CORTéS等[5]發(fā)現(xiàn)在高脂肪膳食中添加核桃可顯著改善流動介導的擴張(flow-mediated dilation,FMD),對血管活性產生急性有利影響。此外,核桃膳食還會對血脂水平、炎癥、血糖控制、神經系統(tǒng)疾病和脂質過氧化等產生有益的健康改善[6-9]。但由于核桃仁含油率較高,直接食用核桃仁會產生油膩感,對風味敏感的人存在一定排斥,從而限制了單次核桃仁食用量。而通過適宜技術工藝分離核桃仁中的脂肪和蛋白等主要組分,對核桃仁各組分進行定向利用,使核桃營養(yǎng)以多種產品形態(tài)促進人體膳食結構平衡,從而實現(xiàn)“核桃膳食化”,對于充分利用核桃資源、促進核桃產業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

“核桃膳食化”是根據(jù)核桃仁的營養(yǎng)組成特點,將油脂和蛋白等主要組分分離,便于補充膳食需求,促進膳食結構平衡?！昂颂疑攀郴睆臐M足消費者膳食結構需求的角度探究核桃仁全利用的價值,在已有的研究和論述中尚不多見。本文擬對核桃膳食化的內涵、核桃膳食化在人群膳食結構中的潛在作用以及核桃膳食化實現(xiàn)路徑和技術方案進行綜述,以期為核桃加工提供參考。

1 核桃膳食化的內涵

核桃營養(yǎng)豐富,富含油脂、蛋白質、多糖、維生素、礦物質以及多酚等多種營養(yǎng)成分,是世界四大干果之一[10-11],具有健腦、養(yǎng)胃、黑發(fā)等健康功能。但由于核桃所含油脂較高、油膩感強、夏季易變質、種皮苦澀等原因,人們無法單次過多食用核桃仁。核桃膳食化主要強調將核桃仁各組分分開食用,進入膳食,解決核桃仁營養(yǎng)價值高但單次無法足量食用的問題,主要從膳食結構需求角度探討核桃仁的資源化利用。

在新發(fā)布的《中國居民膳食指南2022》指出,隨著人類社會文明和生活水平的提高,人們的膳食狀況得到了明顯改善,但由于部分人群膳食結構不合理及運動量減少,也引發(fā)了如肥胖、高血壓、糖尿病、高血脂等生活方式病。比如過量攝入膳食脂肪會導致動脈粥樣硬化、其他心血管疾病以及癌癥等[12]。中國營養(yǎng)學會建議青少年每日攝入80～85 g蛋白質,成年男女每日分別攝入75～90 g和65～80 g蛋白質。同時在膳食指南中建議每日的油脂攝入量為25～30 g,其中每日反式脂肪酸攝入量不超過2 g[13]。由于各種食物中營養(yǎng)素不同,為了滿足不同人群對膳食結構平衡的需求,將核桃油脂、蛋白、多酚等營養(yǎng)素分開利用,從膳食結構需求的角度分析對核桃仁的全利用,提出了“核桃膳食化”的概念。

核桃膳食化以核桃仁全利用為基礎,以核桃各營養(yǎng)組成的分離為手段,以人群膳食結構平衡為目標,可以較好地解決核桃油脂含量高,人們日常不能多吃核桃仁的矛盾,同時也把核桃仁營養(yǎng)充分發(fā)揮出來,有效補充人體膳食需求。

2 核桃膳食化產品的種類

結合核桃仁的營養(yǎng)組成和人群膳食需求情況,核桃膳食化產品主要包括核桃油脂、核桃蛋白粉和其他富含多營養(yǎng)組分的核桃膳食產品等三大類。核桃油脂,既可供應給食品加工工業(yè)作為生產原料,亦可作為高級食用油,代替其他油脂食用,尤其適用于嬰幼兒、孕產婦、中老年人及腦力勞動者。去除油脂和種衣的核桃蛋白粉是非常好的營養(yǎng)補充劑,為體弱多病者和體力劇烈消耗者,補充身體能量,增強體力,緩解疲勞,通常包括核桃粕粉、核桃蛋白粉、脫衣核桃蛋白粉、核桃蛋白肽等。其他富含多營養(yǎng)組分的核桃膳食產品,包括但不限于以核桃餅粕為原料制成的饅頭、掛面、面包等主食等,更易于人體對核桃營養(yǎng)的充分利用和消化吸收。在食物品類更豐富、食物結構更優(yōu)化的“大食物觀”正日益深入人心的時代,挖掘食物供給潛力,開發(fā)豐富多樣的食物種類,實現(xiàn)各類食物供求平衡,才能更好滿足人們日益全面、多元、均衡的營養(yǎng)需求。近年來核桃加工產品種類方面的研究文獻數(shù)量如圖1所示。

2.1 核桃油脂類

植物油是人類飲食中不可或缺的組成部分,也是可食用脂質的主要來源[14]。隨著人口增長和經濟發(fā)展,食用植物油除滿足飲食需求外,在健康保護和疾病預防方面的功能作用日益凸顯。核桃油作為一種新型植物油,富含油酸、亞油酸、亞麻酸、多酚、生育酚、角鯊烯和甾醇[15],與市場的主要食用植物油(大豆油、菜籽油和花生油)相比,多不飽和脂肪酸含量最高,高達總脂肪酸含量的78%,并且亞油酸與α-亞麻酸比例接近4∶1的黃金比例,具有很高的營養(yǎng)價值,對人體健康有益[16-17]。國內外研究表明,核桃油中的α-亞麻酸是合成腦黃金二十二碳六烯酸的前體,對嬰幼兒大腦發(fā)育和延緩老年人大腦衰老,減少炎癥和心肌梗塞的發(fā)生發(fā)揮著重要作用。核桃油對心腦血管疾病具有一定的預防和緩解作用,能減少患癌癥的機會,有效降低骨質疏松癥的發(fā)生。例如,ZIBAEENEZHAD等[18]發(fā)現(xiàn)在Ⅱ型糖尿病患者的日常膳食中添加核桃油可以改善他們的血脂狀況,即核桃油可作為高血脂癥Ⅱ型糖尿病患者的天然藥物。BATIREL等[19]報道短期高劑量服用核桃油可降低食管癌細胞的細胞活力和轉移能力,同時通過抑制核因子kappa B通路誘導G0/G1期細胞壞死和細胞周期停滯而表現(xiàn)出抗癌作用,即核桃油可能有益于食管癌的治療。因此,核桃油是一種保健價值很高的特種油脂,也是人們日常生活中理想的高級食用油。

此外,目前研究表明,核桃中含有較高的酚類物質,生物活性酚類物質的攝入量與心血管疾病、代謝綜合征、癌癥以及與年齡相關的認知衰退的發(fā)生率降低有關[20-21]。然而,由于人們膳食中不同食物組成和個別食物的比例不同,生物活性酚類的每日攝入量變化很大。因此,提供含有生物活性多酚的富集油,是確保通過膳食獲得適宜多酚攝入量的重要策略。核桃仁種皮富集了核桃仁中98%以上的多酚,多酚種類多達20種以上,其中胡桃醌、丁香酸和鞣花酸3種酚類化合物的濃度比核桃仁中的濃度高出20倍以上[22],因此,將核桃仁種皮中的天然多酚保存在核桃油中,對于促進生物活性酚類物質充分進入膳食,提高核桃油品質將發(fā)揮重要作用。核桃油作為重要的木本油料,有著獨特的營養(yǎng)價值,在未來食品營養(yǎng)組分補充、特醫(yī)食品方面應用前景廣闊,在特殊人群食用油、高級食用油和日常飲食用油方面也有廣闊的發(fā)展空間。

2.2 核桃蛋白類

2.2.1 核桃蛋白粉

健康人群的未來糧食安全需要開發(fā)低碳、可持續(xù)生產的蛋白質食品,以補充傳統(tǒng)的膳食蛋白質(肉類、家禽、雞蛋和乳制品)來源[23]。核桃蛋白作為新型膳食蛋白來源,資源豐富,在核桃制油后的餅粕中含量高達53.89%[24],是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ闹参锏鞍?。核桃蛋白主要由清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白組成,在人體內的消化率超過85%,含有18種氨基酸,其中人體必需氨基酸含量較高,是補充膳食蛋白的良好來源[25-27]。核桃蛋白中谷氨酸含量最高,精氨酸次之,谷氨酸已被證明對青少年智力和記憶發(fā)育有重要影響。此外,精氨酸已被證實具有免疫調節(jié)活性,對調控腸道免疫反應以及改善心血管功能具有重要作用[28]。另外,核桃蛋白中的賴氨酸/精氨酸比例低于其他常見植物蛋白中的比例[29],這一事實進一步表明核桃蛋白對減少動脈粥樣硬化有積極作用。近幾年對核桃蛋白功能活性的研究更加深入,表明核桃蛋白具有廣泛的營養(yǎng)和生物功能,例如,WANG等[30]在體外研究中展示了核桃蛋白的抗氧化和抗高血壓特性。LI等[31]發(fā)現(xiàn)核桃蛋白在體內可有效降低由氧酸鉀誘導的高尿酸血癥大鼠的血清尿酸水平,從而改善大鼠腎功能。此外,核桃蛋白還會對免疫系統(tǒng)產生積極作用,并通過誘導脾臟腫大來發(fā)揮其免疫調節(jié)功能[32]。因此,核桃蛋白作為膳食蛋白的重要來源,有著突出的營養(yǎng)和功能活性,是核桃功能活性的重要載體。

核桃蛋白粉一般是由低溫核桃粕經脫脂后篩分或分離制得。核桃蛋白根據(jù)蛋白濃度分為核桃蛋白粉、核桃濃縮蛋白和核桃分離蛋白。然而,不同工藝制得的核桃蛋白加工特性差異較大,需要根據(jù)蛋白特性研制適宜產品,或通過對蛋白改性以優(yōu)化核桃蛋白加工特性,從而使核桃蛋白更易加工成適宜形態(tài)的核桃蛋白產品,滿足人們對膳食蛋白的需求。通過適宜工藝開發(fā)制備不同蛋白含量的脫脂核桃蛋白粉,研制專粉專用產品,充分發(fā)揮核桃蛋白的營養(yǎng)價值和加工特性,是核桃蛋白在未來膳食開發(fā)中的重要方向。

2.2.2 核桃蛋白肽

生物活性肽是由2～20個氨基酸殘基組成的蛋白質片段,可以發(fā)揮多種有益生物活性,如抗高血壓、抗氧化、抗病毒、抗菌和抗血栓以及提高免疫力等[33],主要通過酶解、發(fā)酵、體內或體外消化從蛋白質(植物蛋白、動物蛋白和微生物蛋白)中釋放出來[34]。核桃蛋白作為一種優(yōu)質的植物蛋白,具有良好的必需氨基酸平衡,是生物活性肽的主要來源之一。

核桃蛋白肽通過提純、生物酶解技術,把核桃蛋白大分子切成小分子。其中,酶特異性對產生的肽的特性(大小、組成和氨基酸序列)至關重要[35]。用于生產核桃源生物活性肽的商業(yè)蛋白酶主要包括某些植物蛋白酶(如木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶)、動物蛋白酶(如胃蛋白酶、胰蛋白酶)和微生物蛋白酶(如堿性蛋白酶、中性蛋白酶、風味蛋白酶)。同時,生產的核桃肽氨基酸組成合理,不含膽固醇,分子質量小,易吸收,能有效改善蛋白質能量營養(yǎng)不良,具有良好的抗高血壓、抗癌、抗疲勞、提高記憶力、提高免疫力等功能。

目前由于社會老齡化嚴重,許多老年人受到記憶障礙、癌癥、高血壓、高血脂、消化吸收能力差等疾病的威脅。此外,還有許多人因食用高脂肪食品、過度加工食品而導致營養(yǎng)不良,而受到高血壓、高血脂等疾病的困擾。在膳食結構中補充以核桃蛋白為來源的核桃肽,在保護和提高特殊人群健康水平方面可以發(fā)揮有益作用。因此,開發(fā)功能活性明確、附加值高的核桃蛋白肽類產品,滿足人們對健康、多元、均衡的營養(yǎng)需求,將對通過合理膳食促進人群健康形成有益補充。

2.3 多組分核桃膳食類

核桃仁在適宜工藝脫脂后,所得副產物富含蛋白、多酚、粗纖維等多組分,可以較好地滿足當前人們對膳食營養(yǎng)的需求,同時結合制作加工過程中組分和感官特性等方面的變化獲得人們可以接受的膳食特性,下面以核桃膳粉和核桃膳面為例進行說明。

2.3.1 核桃膳粉

核桃膳粉由80%的小麥粉與20%的核桃蛋白粉混合而成,可用于手工面、水餃、饅頭、面包等主食的制作。核桃蛋白粉除含有核桃蛋白外,還含有核桃仁種皮多酚、膳食纖維等組分,與小麥粉以特定比例混合后,可使核桃蛋白營養(yǎng)大量進入膳食,同時有效增加核桃膳粉的營養(yǎng)價值,尤其總酚含量的增加可以顯著提高核桃膳粉的抗氧化活性。如POP等[39]用10%、25%、50%核桃蛋白粉代替杏仁粉制作馬卡龍,發(fā)現(xiàn)馬卡龍中總酚含量和抗氧化能力顯著提高。同時,核桃膳粉可以通過小麥粉的添加得以彌補核桃蛋白粉的一些加工特性的不足。有報道發(fā)現(xiàn),小麥粉中添加20%、30%、40%、50%核桃蛋白粉后,蛋白質、脂肪含量顯著增加,并會顯著影響吸水率、面團穩(wěn)定性和軟化程度。面團的高吸水能力代表了稠度,是面包制作中吸引人的特征之一。實驗中發(fā)現(xiàn),添加50%核桃蛋白粉后,面團吸水率從對照的60%增加到65%[40],從而有利于面包的生產?？梢?核桃膳粉在生產核桃膳食主食類產品中有較大應用空間。

2.3.2 核桃膳面

核桃多酚在一定條件下會引起產品的褐變,因此,當核桃蛋白粉中存在一定比例的核桃內種皮多酚時,產品加工過程中發(fā)生褐變也難以避免,即使是核桃蛋白比例不高的核桃膳粉也會出現(xiàn)這種情況。但將富含多酚類物質的核桃蛋白粉應用在對色澤要求不高,對澀味有緩解作用的食品中,是解決上述矛盾的途徑之一。比如加入掛面這類對色澤要求不高,甚至需要色澤變化來體現(xiàn)其營養(yǎng)特點的食品中能有效彌補掛面在營養(yǎng)上的不足。因此,核桃膳面在核桃膳粉的基礎上應運而生。核桃膳面是由20%的核桃蛋白粉與80%的小麥高筋粉混合,加入適宜比例的輔料低溫低速制作的高級營養(yǎng)掛面。

目前研究表明,掛面通常缺乏一種人體必需氨基酸——賴氨酸,而核桃蛋白粉的主要成分是核桃蛋白,含有賴氨酸等8種人體必需氨基酸,且賴氨酸含量可達(2.71±0.06) g/100 g[41],能有效補充膳食結構中的賴氨酸含量。同時,在加工特性方面,核桃多酚可溶于水,生成水解單寧,而水解單寧的收斂性與疏水基含量相關,含有多酚類物質較多的掛面,經水煮后部分多酚類物質溶解到湯水中,消除了部分縮合單寧抗營養(yǎng)因素,可以在很大程度上減弱多酚物質的苦澀味,并且賦予了核桃膳面獨特的色澤和風味[42]。同時,因其含有高含量的蛋白質、多酚和膳食纖維以及較低含量的脂肪,強化了核桃蛋白的營養(yǎng)性,使得核桃膳面口感清香,勁道爽滑,易消化,食用后能夠補充能量,愉悅心情,適合幼年、兒童、中老年等人群食用。核桃膳面作為主食化產品之一,可以有效促進消費者對核桃營養(yǎng),特別是核桃蛋白、多酚等有益成分的充分攝入。

3 核桃膳食化的主要路徑和適宜技術方案

3.1 主要路徑和技術路線圖

3.1.1 主要路徑

核桃加工以核桃仁全利用為導向,工藝技術圍繞核桃仁全利用展開,使核桃仁分開食用。在制油工藝上,采用液壓冷榨,在獲得高品質核桃油的同時,核桃餅粕得以綜合利用,核桃仁帶種皮進行壓榨制油,核桃種皮多酚得以保存在餅粕中,再進行常溫干法分離,保證核桃膳食化的需求。

3.1.2 技術路線圖

技術路線圖如圖2所示。

圖2 技術路線圖

3.2 適宜技術方案

3.2.1 制油方式選擇

制油方式選擇需以核桃蛋白的利用為前提,篩選適宜的制油工藝,對于蛋白變性嚴重、導致核桃粕無法食用的工藝技術,不予考慮。例如機械壓榨法中的螺旋壓榨法,會導致核桃粕嚴重變性,并且部分設備還需放入核桃殼等物質防止出現(xiàn)滑膛的情況,從而影響核桃蛋白的制備和利用。另外,如有機溶劑浸提法和水代法會造成多酚的損失和破壞。最終通過工藝技術對比,選擇液壓冷榨工藝。

液壓冷榨工藝通過調控壓榨速度、壓力等方式,控制榨膛溫度,使核桃在特定的溫度下進行制油,有效避免核桃蛋白變性,為核桃蛋白的再利用奠定基礎。同時,核桃仁可帶種皮壓榨制油,核桃仁種皮多酚可部分溶于核桃油中,發(fā)揮抗氧化作用,部分存在于核桃餅粕中,可供后續(xù)開發(fā)利用。液壓冷榨制得的核桃油,營養(yǎng)組分因升溫帶來的破壞也會隨之減少,有效避免營養(yǎng)成分的損失。液壓冷榨制油具有工序少、膠質少、酸值低、色澤淺、品質高和維生素E、甾醇等有益成分完整保留的優(yōu)點[43],與其他制油方式相比,其最主要特點就是核桃餅粕可以實現(xiàn)再利用。在原料階段,需嚴格控制核桃堅果質量,破殼后,通過色選等方式對核桃仁進行篩選,去除霉變、蟲蛀果,為核桃油和后續(xù)產品質量奠定基礎。

3.2.2 核桃餅粕殘油的脫除

核桃餅粕脫除殘油主要采用物理方法進行適度精煉。脫除餅粕殘油的適宜方法包括超臨界CO2萃取法、亞臨界萃取法和有機溶劑浸提法。其中超臨界CO2萃取法工藝簡單、無有機溶劑殘留并且操作條件溫和,但存在核桃仁前處理工藝繁復、CO2氣體損耗較大和成本較高等問題[44]。亞臨界萃取法高效、環(huán)保[45],GAO等[46]研究發(fā)現(xiàn)用丁烷作溶劑脫除鐵核桃餅粕殘油時,亞臨界萃取的提取率高達63.44%。此外,該方法在高生產率工業(yè)應用的適用性優(yōu)于超臨界CO2萃取法。有機溶劑浸提法具有生產效率高、殘油率低、易大規(guī)模自動化生產,且通過負壓處理降低有機溶劑沸點,可防止餅粕蛋白質變性等優(yōu)點,但存在生產安全性差和溶劑殘留的問題[47]。據(jù)報道,正己烷浸提法的提取率為58.11%,亞臨界丁烷萃取的提取率為54.84%,超臨界CO2萃取法的提取率為44.46%,即正己烷浸提法的提取率最高[48]。最終可根據(jù)核桃油的安全性標準選擇適宜脫除殘油的方法。

3.2.3 核桃餅粕的再利用

在前述工藝條件下,核桃蛋白未發(fā)生變性,核桃種皮多酚得以保存在餅粕中,后續(xù)可通過粉碎、過篩等一些常溫干法手段獲得相應的核桃膳粉,為核桃膳食化提供基礎原料。

4 總結與展望

核桃膳食化從人群膳食結構平衡的角度,對核桃仁全利用做了進一步的解析。本文簡述了核桃各組分在人群需求端的營養(yǎng)、保健價值,討論了核桃仁各組分分開食用的必要性,從而為供給端的核桃仁全利用提供了理論依據(jù)。同時也提供了核桃仁全利用的相關產品類型及其實現(xiàn)的主要路徑和適宜技術方案,認為不引起核桃蛋白熱變性的低溫壓榨制油方案為較優(yōu)的方案,同時帶種皮制油可以將核桃仁種皮多酚部分溶入核桃油、大部分保留在核桃餅粕中,充分發(fā)揮核桃仁種皮多酚的功能活性,為進一步開發(fā)相應產品提供了新思路。核桃膳食化強調核桃仁高值化利用,尤其對制油副產物進行綜合利用,從而增加核桃加工的附加值,相對降低核桃油的生產成本,對于緩解當前市場上核桃油價格居高不下,難以走入普通消費者餐桌的現(xiàn)狀提供了新的解決方案。核桃膳食化產品的研究對于人體健康和核桃產業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,核桃膳食化產品在提高成年人體內脂肪利用率、減少高脂肪膳食相關的內皮功能障礙、降低心腦血管疾病及癌癥的發(fā)生方面均具有可觀的應用前景。在實現(xiàn)路徑和適宜技術方案方面,隨著新技術、新裝備的發(fā)展,核桃膳食化原料的分離路徑將更加簡約、節(jié)能和高效,但無論技術裝備如何發(fā)展,核桃仁各組分的全利用和高效保存是不變的前提和基礎。在我國核桃產業(yè)發(fā)展到加工為引領的當下,核桃膳食化從人群膳食結構平衡的角度對核桃仁全利用的技術和理論進行了簡述,為核桃產業(yè)鏈的進一步延伸和核桃產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了理論參考。