我国核桃总产量位居世界首位,占世界核桃总产量的50%以上,年产量约479.6万t[1-2]。据联合国粮农组织数据显示,2020年中国带壳核桃出口量约7.3万t,核桃仁出口量约2.3万t,不到核桃总产量的2%。据不完全统计,近几年我国每年用于加工的核桃用量仅为全年产量的20%～30%,大部分核桃仍以带壳坚果形式消费,导致在部分地区出现核桃坚果供大于求的局面,核桃初加工与深加工成为解决核桃坚果滞销问题的重要途径。而另一方面,在核桃加工企业中,仅生产核桃油或核桃饮料等单品的企业比例相对较多,核桃资源利用率有待提高,核桃加工技术方案是决定核桃仁能否全利用的重要因素。
脂肪和蛋白质是核桃仁最主要的组成成分,含量分别为63%和15%。核桃仁中单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸比例平衡适宜,并富含多种营养素及各种生物活性化合物,对人类健康具有多重有益影响[3]。现有较多研究报道了核桃仁对健康的有益作用,如ROCK等[4]发现经常食用核桃与肥胖呈负相关,可以调节食欲和促进膳食补偿。CORTÉS等[5]发现在高脂肪膳食中添加核桃可显著改善流动介导的扩张(flow-mediated dilation,FMD),对血管活性产生急性有利影响。此外,核桃膳食还会对血脂水平、炎症、血糖控制、神经系统疾病和脂质过氧化等产生有益的健康改善[6-9]。但由于核桃仁含油率较高,直接食用核桃仁会产生油腻感,对风味敏感的人存在一定排斥,从而限制了单次核桃仁食用量。而通过适宜技术工艺分离核桃仁中的脂肪和蛋白等主要组分,对核桃仁各组分进行定向利用,使核桃营养以多种产品形态促进人体膳食结构平衡,从而实现“核桃膳食化”,对于充分利用核桃资源、促进核桃产业可持续发展具有重要意义。
“核桃膳食化”是根据核桃仁的营养组成特点,将油脂和蛋白等主要组分分离,便于补充膳食需求,促进膳食结构平衡。“核桃膳食化”从满足消费者膳食结构需求的角度探究核桃仁全利用的价值,在已有的研究和论述中尚不多见。本文拟对核桃膳食化的内涵、核桃膳食化在人群膳食结构中的潜在作用以及核桃膳食化实现路径和技术方案进行综述,以期为核桃加工提供参考。
1 核桃膳食化的内涵
核桃营养丰富,富含油脂、蛋白质、多糖、维生素、矿物质以及多酚等多种营养成分,是世界四大干果之一[10-11],具有健脑、养胃、黑发等健康功能。但由于核桃所含油脂较高、油腻感强、夏季易变质、种皮苦涩等原因,人们无法单次过多食用核桃仁。核桃膳食化主要强调将核桃仁各组分分开食用,进入膳食,解决核桃仁营养价值高但单次无法足量食用的问题,主要从膳食结构需求角度探讨核桃仁的资源化利用。
在新发布的《中国居民膳食指南2022》指出,随着人类社会文明和生活水平的提高,人们的膳食状况得到了明显改善,但由于部分人群膳食结构不合理及运动量减少,也引发了如肥胖、高血压、糖尿病、高血脂等生活方式病。比如过量摄入膳食脂肪会导致动脉粥样硬化、其他心血管疾病以及癌症等[12]。中国营养学会建议青少年每日摄入80～85 g蛋白质,成年男女每日分别摄入75～90 g和65～80 g蛋白质。同时在膳食指南中建议每日的油脂摄入量为25～30 g,其中每日反式脂肪酸摄入量不超过2 g[13]。由于各种食物中营养素不同,为了满足不同人群对膳食结构平衡的需求,将核桃油脂、蛋白、多酚等营养素分开利用,从膳食结构需求的角度分析对核桃仁的全利用,提出了“核桃膳食化”的概念。
核桃膳食化以核桃仁全利用为基础,以核桃各营养组成的分离为手段,以人群膳食结构平衡为目标,可以较好地解决核桃油脂含量高,人们日常不能多吃核桃仁的矛盾,同时也把核桃仁营养充分发挥出来,有效补充人体膳食需求。
2 核桃膳食化产品的种类
结合核桃仁的营养组成和人群膳食需求情况,核桃膳食化产品主要包括核桃油脂、核桃蛋白粉和其他富含多营养组分的核桃膳食产品等三大类。核桃油脂,既可供应给食品加工工业作为生产原料,亦可作为高级食用油,代替其他油脂食用,尤其适用于婴幼儿、孕产妇、中老年人及脑力劳动者。去除油脂和种衣的核桃蛋白粉是非常好的营养补充剂,为体弱多病者和体力剧烈消耗者,补充身体能量,增强体力,缓解疲劳,通常包括核桃粕粉、核桃蛋白粉、脱衣核桃蛋白粉、核桃蛋白肽等。其他富含多营养组分的核桃膳食产品,包括但不限于以核桃饼粕为原料制成的馒头、挂面、面包等主食等,更易于人体对核桃营养的充分利用和消化吸收。在食物品类更丰富、食物结构更优化的“大食物观”正日益深入人心的时代,挖掘食物供给潜力,开发丰富多样的食物种类,实现各类食物供求平衡,才能更好满足人们日益全面、多元、均衡的营养需求。近年来核桃加工产品种类方面的研究文献数量如图1所示。
图1 2010—2020年核桃加工研究文献数量图
Fig.1 Quantity of research literature on walnut processing from 2010 to 2020
2.1 核桃油脂类
植物油是人类饮食中不可或缺的组成部分,也是可食用脂质的主要来源[14]。随着人口增长和经济发展,食用植物油除满足饮食需求外,在健康保护和疾病预防方面的功能作用日益凸显。核桃油作为一种新型植物油,富含油酸、亚油酸、亚麻酸、多酚、生育酚、角鲨烯和甾醇[15],与市场的主要食用植物油(大豆油、菜籽油和花生油)相比,多不饱和脂肪酸含量最高,高达总脂肪酸含量的78%,并且亚油酸与α-亚麻酸比例接近4∶1的黄金比例,具有很高的营养价值,对人体健康有益[16-17]。国内外研究表明,核桃油中的α-亚麻酸是合成脑黄金二十二碳六烯酸的前体,对婴幼儿大脑发育和延缓老年人大脑衰老,减少炎症和心肌梗塞的发生发挥着重要作用。核桃油对心脑血管疾病具有一定的预防和缓解作用,能减少患癌症的机会,有效降低骨质疏松症的发生。例如,ZIBAEENEZHAD等[18]发现在Ⅱ型糖尿病患者的日常膳食中添加核桃油可以改善他们的血脂状况,即核桃油可作为高血脂症Ⅱ型糖尿病患者的天然药物。BATIREL等[19]报道短期高剂量服用核桃油可降低食管癌细胞的细胞活力和转移能力,同时通过抑制核因子kappa B通路诱导G0/G1期细胞坏死和细胞周期停滞而表现出抗癌作用,即核桃油可能有益于食管癌的治疗。因此,核桃油是一种保健价值很高的特种油脂,也是人们日常生活中理想的高级食用油。
此外,目前研究表明,核桃中含有较高的酚类物质,生物活性酚类物质的摄入量与心血管疾病、代谢综合征、癌症以及与年龄相关的认知衰退的发生率降低有关[20-21]。然而,由于人们膳食中不同食物组成和个别食物的比例不同,生物活性酚类的每日摄入量变化很大。因此,提供含有生物活性多酚的富集油,是确保通过膳食获得适宜多酚摄入量的重要策略。核桃仁种皮富集了核桃仁中98%以上的多酚,多酚种类多达20种以上,其中胡桃醌、丁香酸和鞣花酸3种酚类化合物的浓度比核桃仁中的浓度高出20倍以上[22],因此,将核桃仁种皮中的天然多酚保存在核桃油中,对于促进生物活性酚类物质充分进入膳食,提高核桃油品质将发挥重要作用。核桃油作为重要的木本油料,有着独特的营养价值,在未来食品营养组分补充、特医食品方面应用前景广阔,在特殊人群食用油、高级食用油和日常饮食用油方面也有广阔的发展空间。
2.2 核桃蛋白类
2.2.1 核桃蛋白粉
健康人群的未来粮食安全需要开发低碳、可持续生产的蛋白质食品,以补充传统的膳食蛋白质(肉类、家禽、鸡蛋和乳制品)来源[23]。核桃蛋白作为新型膳食蛋白来源,资源丰富,在核桃制油后的饼粕中含量高达53.89%[24],是一种极具发展潜力的植物蛋白。核桃蛋白主要由清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白组成,在人体内的消化率超过85%,含有18种氨基酸,其中人体必需氨基酸含量较高,是补充膳食蛋白的良好来源[25-27]。核桃蛋白中谷氨酸含量最高,精氨酸次之,谷氨酸已被证明对青少年智力和记忆发育有重要影响。此外,精氨酸已被证实具有免疫调节活性,对调控肠道免疫反应以及改善心血管功能具有重要作用[28]。另外,核桃蛋白中的赖氨酸/精氨酸比例低于其他常见植物蛋白中的比例[29],这一事实进一步表明核桃蛋白对减少动脉粥样硬化有积极作用。近几年对核桃蛋白功能活性的研究更加深入,表明核桃蛋白具有广泛的营养和生物功能,例如,WANG等[30]在体外研究中展示了核桃蛋白的抗氧化和抗高血压特性。LI等[31]发现核桃蛋白在体内可有效降低由氧酸钾诱导的高尿酸血症大鼠的血清尿酸水平,从而改善大鼠肾功能。此外,核桃蛋白还会对免疫系统产生积极作用,并通过诱导脾脏肿大来发挥其免疫调节功能[32]。因此,核桃蛋白作为膳食蛋白的重要来源,有着突出的营养和功能活性,是核桃功能活性的重要载体。
核桃蛋白粉一般是由低温核桃粕经脱脂后筛分或分离制得。核桃蛋白根据蛋白浓度分为核桃蛋白粉、核桃浓缩蛋白和核桃分离蛋白。然而,不同工艺制得的核桃蛋白加工特性差异较大,需要根据蛋白特性研制适宜产品,或通过对蛋白改性以优化核桃蛋白加工特性,从而使核桃蛋白更易加工成适宜形态的核桃蛋白产品,满足人们对膳食蛋白的需求。通过适宜工艺开发制备不同蛋白含量的脱脂核桃蛋白粉,研制专粉专用产品,充分发挥核桃蛋白的营养价值和加工特性,是核桃蛋白在未来膳食开发中的重要方向。
2.2.2 核桃蛋白肽
生物活性肽是由2～20个氨基酸残基组成的蛋白质片段,可以发挥多种有益生物活性,如抗高血压、抗氧化、抗病毒、抗菌和抗血栓以及提高免疫力等[33],主要通过酶解、发酵、体内或体外消化从蛋白质(植物蛋白、动物蛋白和微生物蛋白)中释放出来[34]。核桃蛋白作为一种优质的植物蛋白,具有良好的必需氨基酸平衡,是生物活性肽的主要来源之一。
核桃蛋白肽通过提纯、生物酶解技术,把核桃蛋白大分子切成小分子。其中,酶特异性对产生的肽的特性(大小、组成和氨基酸序列)至关重要[35]。用于生产核桃源生物活性肽的商业蛋白酶主要包括某些植物蛋白酶(如木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶)、动物蛋白酶(如胃蛋白酶、胰蛋白酶)和微生物蛋白酶(如碱性蛋白酶、中性蛋白酶、风味蛋白酶)。同时,生产的核桃肽氨基酸组成合理,不含胆固醇,分子质量小,易吸收,能有效改善蛋白质能量营养不良,具有良好的抗高血压、抗癌、抗疲劳、提高记忆力、提高免疫力等功能。
目前由于社会老龄化严重,许多老年人受到记忆障碍、癌症、高血压、高血脂、消化吸收能力差等疾病的威胁。此外,还有许多人因食用高脂肪食品、过度加工食品而导致营养不良,而受到高血压、高血脂等疾病的困扰。在膳食结构中补充以核桃蛋白为来源的核桃肽,在保护和提高特殊人群健康水平方面可以发挥有益作用。因此,开发功能活性明确、附加值高的核桃蛋白肽类产品,满足人们对健康、多元、均衡的营养需求,将对通过合理膳食促进人群健康形成有益补充。
2.3 多组分核桃膳食类
核桃仁在适宜工艺脱脂后,所得副产物富含蛋白、多酚、粗纤维等多组分,可以较好地满足当前人们对膳食营养的需求,同时结合制作加工过程中组分和感官特性等方面的变化获得人们可以接受的膳食特性,下面以核桃膳粉和核桃膳面为例进行说明。
2.3.1 核桃膳粉
谷物类食物是膳食能量的主要来源,含有大量的碳水化合物和蛋白质。然而,精制谷物类食品缺乏膳食纤维、不饱和脂肪酸和抗氧化成分。因此,许多食品成分或有价值的副产物被添加到谷物类食品中,以增加其多样性、营养价值和产品吸引力[36]。例如,BEN等[37]用5%的马铃薯皮粉代替小麦粉可以生产出具有良好感官品质的富含蛋白质和膳食纤维的蛋糕,且面团弹性和延展性也随之增加。
等[38]用高达8%的亚麻籽粉代替小麦粉与对照组相比,面包的酚类物质含量、对DPPH自由基清除活性分别增加了49%和28%。可见,改善谷物类食品膳食结构可有效增加食品的营养价值。
核桃膳粉由80%的小麦粉与20%的核桃蛋白粉混合而成,可用于手工面、水饺、馒头、面包等主食的制作。核桃蛋白粉除含有核桃蛋白外,还含有核桃仁种皮多酚、膳食纤维等组分,与小麦粉以特定比例混合后,可使核桃蛋白营养大量进入膳食,同时有效增加核桃膳粉的营养价值,尤其总酚含量的增加可以显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马卡龙,发现马卡龙中总酚含量和抗氧化能力显著提高。同时,核桃膳粉可以通过小麦粉的添加得以弥补核桃蛋白粉的一些加工特性的不足。有报道发现,小麦粉中添加20%、30%、40%、50%核桃蛋白粉后,蛋白质、脂肪含量显著增加,并会显著影响吸水率、面团稳定性和软化程度。面团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。实验中发现,添加50%核桃蛋白粉后,面团吸水率从对照的60%增加到65%[40],从而有利于面包的生产。可见,核桃膳粉在生产核桃膳食主食类产品中有较大应用空间。
2.3.2 核桃膳面
核桃多酚在一定条件下会引起产品的褐变,因此,当核桃蛋白粉中存在一定比例的核桃内种皮多酚时,产品加工过程中发生褐变也难以避免,即使是核桃蛋白比例不高的核桃膳粉也会出现这种情况。但将富含多酚类物质的核桃蛋白粉应用在对色泽要求不高,对涩味有缓解作用的食品中,是解决上述矛盾的途径之一。比如加入挂面这类对色泽要求不高,甚至需要色泽变化来体现其营养特点的食品中能有效弥补挂面在营养上的不足。因此,核桃膳面在核桃膳粉的基础上应运而生。核桃膳面是由20%的核桃蛋白粉与80%的小麦高筋粉混合,加入适宜比例的辅料低温低速制作的高级营养挂面。
目前研究表明,挂面通常缺乏一种人体必需氨基酸——赖氨酸,而核桃蛋白粉的主要成分是核桃蛋白,含有赖氨酸等8种人体必需氨基酸,且赖氨酸含量可达(2.71±0.06) g/100 g[41],能有效补充膳食结构中的赖氨酸含量。同时,在加工特性方面,核桃多酚可溶于水,生成水解单宁,而水解单宁的收敛性与疏水基含量相关,含有多酚类物质较多的挂面,经水煮后部分多酚类物质溶解到汤水中,消除了部分缩合单宁抗营养因素,可以在很大程度上减弱多酚物质的苦涩味,并且赋予了核桃膳面独特的色泽和风味[42]。同时,因其含有高含量的蛋白质、多酚和膳食纤维以及较低含量的脂肪,强化了核桃蛋白的营养性,使得核桃膳面口感清香,劲道爽滑,易消化,食用后能够补充能量,愉悦心情,适合幼年、儿童、中老年等人群食用。核桃膳面作为主食化产品之一,可以有效促进消费者对核桃营养,特别是核桃蛋白、多酚等有益成分的充分摄入。
3 核桃膳食化的主要路径和适宜技术方案
3.1 主要路径和技术路线图
3.1.1 主要路径
核桃加工以核桃仁全利用为导向,工艺技术围绕核桃仁全利用展开,使核桃仁分开食用。在制油工艺上,采用液压冷榨,在获得高品质核桃油的同时,核桃饼粕得以综合利用,核桃仁带种皮进行压榨制油,核桃种皮多酚得以保存在饼粕中,再进行常温干法分离,保证核桃膳食化的需求。
3.1.2 技术路线图
技术路线图如图2所示。
图2 技术路线图
Fig.2 Technology roadmap
3.2 适宜技术方案
3.2.1 制油方式选择
制油方式选择需以核桃蛋白的利用为前提,筛选适宜的制油工艺,对于蛋白变性严重、导致核桃粕无法食用的工艺技术,不予考虑。例如机械压榨法中的螺旋压榨法,会导致核桃粕严重变性,并且部分设备还需放入核桃壳等物质防止出现滑膛的情况,从而影响核桃蛋白的制备和利用。另外,如有机溶剂浸提法和水代法会造成多酚的损失和破坏。最终通过工艺技术对比,选择液压冷榨工艺。
液压冷榨工艺通过调控压榨速度、压力等方式,控制榨膛温度,使核桃在特定的温度下进行制油,有效避免核桃蛋白变性,为核桃蛋白的再利用奠定基础。同时,核桃仁可带种皮压榨制油,核桃仁种皮多酚可部分溶于核桃油中,发挥抗氧化作用,部分存在于核桃饼粕中,可供后续开发利用。液压冷榨制得的核桃油,营养组分因升温带来的破坏也会随之减少,有效避免营养成分的损失。液压冷榨制油具有工序少、胶质少、酸值低、色泽浅、品质高和维生素E、甾醇等有益成分完整保留的优点[43],与其他制油方式相比,其最主要特点就是核桃饼粕可以实现再利用。在原料阶段,需严格控制核桃坚果质量,破壳后,通过色选等方式对核桃仁进行筛选,去除霉变、虫蛀果,为核桃油和后续产品质量奠定基础。
3.2.2 核桃饼粕残油的脱除
核桃饼粕脱除残油主要采用物理方法进行适度精炼。脱除饼粕残油的适宜方法包括超临界CO2萃取法、亚临界萃取法和有机溶剂浸提法。其中超临界CO2萃取法工艺简单、无有机溶剂残留并且操作条件温和,但存在核桃仁前处理工艺繁复、CO2气体损耗较大和成本较高等问题[44]。亚临界萃取法高效、环保[45],GAO等[46]研究发现用丁烷作溶剂脱除铁核桃饼粕残油时,亚临界萃取的提取率高达63.44%。此外,该方法在高生产率工业应用的适用性优于超临界CO2萃取法。有机溶剂浸提法具有生产效率高、残油率低、易大规模自动化生产,且通过负压处理降低有机溶剂沸点,可防止饼粕蛋白质变性等优点,但存在生产安全性差和溶剂残留的问题[47]。据报道,正己烷浸提法的提取率为58.11%,亚临界丁烷萃取的提取率为54.84%,超临界CO2萃取法的提取率为44.46%,即正己烷浸提法的提取率最高[48]。最终可根据核桃油的安全性标准选择适宜脱除残油的方法。
3.2.3 核桃饼粕的再利用
在前述工艺条件下,核桃蛋白未发生变性,核桃种皮多酚得以保存在饼粕中,后续可通过粉碎、过筛等一些常温干法手段获得相应的核桃膳粉,为核桃膳食化提供基础原料。
4 总结与展望
核桃膳食化从人群膳食结构平衡的角度,对核桃仁全利用做了进一步的解析。本文简述了核桃各组分在人群需求端的营养、保健价值,讨论了核桃仁各组分分开食用的必要性,从而为供给端的核桃仁全利用提供了理论依据。同时也提供了核桃仁全利用的相关产品类型及其实现的主要路径和适宜技术方案,认为不引起核桃蛋白热变性的低温压榨制油方案为较优的方案,同时带种皮制油可以将核桃仁种皮多酚部分溶入核桃油、大部分保留在核桃饼粕中,充分发挥核桃仁种皮多酚的功能活性,为进一步开发相应产品提供了新思路。核桃膳食化强调核桃仁高值化利用,尤其对制油副产物进行综合利用,从而增加核桃加工的附加值,相对降低核桃油的生产成本,对于缓解当前市场上核桃油价格居高不下,难以走入普通消费者餐桌的现状提供了新的解决方案。核桃膳食化产品的研究对于人体健康和核桃产业可持续发展具有重要意义,核桃膳食化产品在提高成年人体内脂肪利用率、减少高脂肪膳食相关的内皮功能障碍、降低心脑血管疾病及癌症的发生方面均具有可观的应用前景。在实现路径和适宜技术方案方面,随着新技术、新装备的发展,核桃膳食化原料的分离路径将更加简约、节能和高效,但无论技术装备如何发展,核桃仁各组分的全利用和高效保存是不变的前提和基础。在我国核桃产业发展到加工为引领的当下,核桃膳食化从人群膳食结构平衡的角度对核桃仁全利用的技术和理论进行了简述,为核桃产业链的进一步延伸和核桃产业的可持续发展提供了理论参考。
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