牦牛(Bos grunniens)是青藏高原地区重要的经济动物,在青藏高原及其周边地区的生态系统和人类生活中有着不可或缺的作用[1],其适应性强,能在极端的低氧环境中生存,在当地生态环境和经济效益方面均具有重要地位。牦牛产业也成为青藏高原地区经济发展的支柱产业之一。近年来,随着对牦牛多元化开发和精深加工技术的深入研究,牦牛产业逐渐呈现出新的发展动能。特别是牦牛副产物的综合利用,已经成为提升产业链整体附加值、推动生态可持续发展的关键因素,对产业增值、牧民增收以及推动高原地区经济社会发展具有重要意义。
牦牛常年生活在寒冷且海拔较高的区域,并以自然生长的牧草为食。这种特殊的生态环境赋予了牦牛肉低脂、高蛋白质以及富含矿物质的特点,其总氨基酸、必需氨基酸、呈味氨基酸、单不饱和及多不饱和脂肪酸的含量均显著高于普通黄牛肉,并且含有对健康有益的二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid,EPA)和二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)等重要脂肪酸[2-3]。
但目前牦牛产业链的构成主要包括育种、养殖、屠宰、加工以及相关产品副产物综合利用等环节,主要集中在肉类、奶制品、皮革等初级产品的生产。虽然牦牛肉、牦牛奶以及牦牛皮具备显著市场价值,但由于加工技术的滞后与产业体系的薄弱,牦牛资源的整体利用率不高,特别是副产物的处理仍停留在粗放型管理阶段。本文系统梳理牦牛加工与副产物综合利用的研究现状,旨在总结技术进展与实际应用,分析当前存在的挑战,并提出未来研究方向。
牦牛主要分布于我国西部的青海、西藏、甘肃、四川等地,以及印度、尼泊尔、不丹等周边国家的高原地区。其分布区域跨越了海拔3 000~5 000 m的高原带,适应于寒冷、低氧且昼夜温差大的极端环境。在我国,青海和西藏是牦牛的主要养殖区域,存栏量和出栏量均位居前列[4]。近年来,牦牛养殖规模总体呈现稳中有升的态势,但受制于对草原资源的直接依赖、较长的生长周期及较低的繁殖率。牦牛产业在一定程度上受到生态环境条件的约束,增长速度相对较为平缓。当前,牦牛养殖仍以传统牧民家庭式管理为主,养殖技术水平参差不齐,疫病防控与遗传改良工作薄弱,致使牦牛的生产性能、肉奶品质与育种效率亟待提升[5]。
牦牛作为高原地区的重要经济支柱,其价值主要体现在肉类、奶制品、皮毛、骨角等多个方面。牦牛肉是该地区重要的肉类来源,具有较高的市场需求。牦牛肉不仅被当地居民作为重要的蛋白质来源,还因其低脂肪、高蛋白、富含不饱和脂肪酸和微量元素等优点,逐渐获得了国内外市场的认可。除了牦牛肉作为主要的食用产品,牦牛的皮、毛、骨以及内脏等副产物也具有广泛的用途,可用于皮革制品、纺织、工艺品、医药、饲料等行业。牦牛产业的发展不仅直接带动了当地牧民的增收致富,还促进了相关产业的协同发展,在推动高原地区乡村振兴和区域经济发展方面发挥着关键作用[6]。
牦牛肉作为高原地区的主要动物蛋白来源,其营养成分与常见的家畜肉类(如猪肉、羊肉)有所不同,具有独特的优势。牦牛肉富含优质蛋白质,氨基酸组成均衡且比例适宜,接近人体需求模式,必需氨基酸(如赖氨酸、色氨酸)含量丰富[7]。同时,牦牛肉含有适量脂肪,其中不饱和脂肪酸含量较高(如油酸、亚油酸等),有助于降低胆固醇,对心血管健康有益。此外,还富含铁、锌、硒等多种矿物质及维生素 B族等营养成分,具有较高的营养价值。
蛋白质是构成机体组织细胞结构的关键成分,为人体生长提供氨基酸、参与基础代谢、维持机体正常秩序,被称为一切生命体的物质基础。牦牛肉富含优质蛋白质,氨基酸组成丰富且均衡。研究表明,牦牛肉蛋白质含量在 20%~25%,且肌纤维较细,肉质鲜嫩多汁,易于人体消化吸收,在维持人体正常生理功能、促进生长发育与组织修复等方面具有重要作用。亚本勤等[8]研究发现,川西牦牛肉的干基蛋白含量为 (86.18±0.06)%,显著高于普通黄牛肉[(70.46±0.14)%],而当雄牦牛肉中蛋白质含量为 22.89 g/100 g,显著高于市售西门塔尔牛肉[9]。
牦牛肉不同部位的蛋白质含量存在差异。美仁牦牛肉不同部位的蛋白质含量为22.97%~23.07%,其中股二头肌蛋白质含量最低,背最长肌最高[10],西藏那曲牦牛不同部位牦牛肉的蛋白质含量为 19.30%~24.20%,其中腹肉中蛋白质含量最低,外脊中最高[11]。在对阿里地区改则县半野血牦牛与家养普通牦牛鲜肉氨基酸成分分析中发现,半野血牦牛与家养牦牛必需氨基酸与总量氨基酸的比值分别为 40.69和 40.75,均高于联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization,FAO)与世界卫生组织(World Health Organization,WHO)模式提出的标准(40%),说明这两个品种牦牛肉内蛋白质均为优质蛋白质,营养价值显著[12]。
除此之外,牦牛蛋白质的含量也受加工过程影响。生物价是衡量蛋白质营养价值的一个重要指标,它反映了蛋白质被人体吸收利用的程度[13]。牦牛肉中的蛋白质具有较高的生物价和消化率,能够为人体提供更多的有效氨基酸,从而更好地满足人体的营养需求。在传统风干牦牛肉加工过程中,脂质氧化产物促进了蛋白质氧化,蛋白质的羰基化和交联导致蛋白酶对蛋白质的水解率降低[14-15]。在加工初期适度的氧化和交联可能有助于形成特定的蛋白质结构,提高蛋白质的稳定性和生物价,但随着加工时间的延长,过度的氧化和交联会降低蛋白质的消化率。
牦牛脂肪主要由中链脂肪酸和长链脂肪酸构成,其中中链脂肪酸在牦牛脂肪中的比例较高,具有较高的代谢效率,可以迅速转化为能量,适合高原地区的高能量需求,也使得牦牛脂肪相较于其他牛肉的脂肪更加易于被人体吸收和利用。同时,牦牛脂肪中的不饱和脂肪酸(如亚油酸、亚麻酸等)比例较高,有助于改善血脂水平,降低心血管疾病风险。
牦牛肉中的脂肪含量受性别、部位、年龄及饮食习惯等因素的影响。研究表明,雌性牦牛背最长肌中脂肪的绝对含量及大多数脂肪酸总量高于雄性牦牛,但其肌肉组织中的多不饱和脂肪酸比例较低[16]。在皮下脂肪中,雌性牦牛的不饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的绝对含量也更高[17]。而年龄也是影响牦牛肉脂肪含量的重要因素之一。随着牦牛年龄的增长,其脂肪沉积通常会逐渐增加。幼年牦牛通常脂肪含量较低,随着牦牛生长发育,身体逐渐成熟,脂肪沉积也会相应增加[18-19]。柏琴等[20]的研究中也证实了此观点,研究者选取不同年龄段(0.5、1.5、2.5、3.5、4.5岁)健康麦洼公牦牛各 6头进行实验,结果显示牦牛肌内脂肪 (intramuscular fat,IMF) 含量随着年龄的增长逐渐增加,4.5岁牦牛显著高于 0.5、1.5、2.5岁牦牛。
研究发现,蛋白质和脂肪含量在牦牛肉中呈现出一定的负相关关系。甘南牦牛肉较当地黄牛肉蛋白质含量高6.14%、脂肪含量低13.54%[21]。甘南牦牛肉较中国西门塔尔牛肉蛋白质含量高2.05%、脂肪含量低0.47% [22]。
牦牛体内富含多种矿物质元素,其在牦牛肉中的含量和形态直接影响食品风味、口感及加工特性。不同地区牦牛肉矿物质含量差异较大。在对西藏7个地市牦牛肉和牧草中的矿质元素进行分析显示,牦牛肉中矿质元素含量由高到低表现为K>Na>Mg>Ca>Fe>Zn>Cu>Mn>Se[23-24]。不同饲养方式下牦牛肉矿物质元素含量差异较大。在谷饲条件下,背最长肌中各种矿物质含量相对较高,在草饲条件下,半腱肌中各种矿物质含量相对较高。在谷饲条件下,牦牛各部位肌肉中Na含量比草饲条件下高,而 Ca、Fe含量比草饲条件下低[25]。
维生素是一类对人体正常生命活动至关重要的有机化合物,在人体的生长、代谢和发育过程中起着不可替代的作用。研究表明,母牦牛肉中维生素 A含量高于公牦牛[26]。在日粮中添加不同水平的 β-胡萝卜素可以影响牦牛皮下脂肪、心脏、肝脏、脾脏及空肠等组织器官中维生素 A的含量,且维生素 A含量随 β-胡萝卜素添加量的增加呈上升趋势[27]。与维生素 A和维生素E相反,随着海拔的升高,牦牛牛奶中维生素 B₁和维生素 B₂的含量呈下降趋势。这可能是由于高海拔地区的饲料资源相对匮乏,导致牦牛摄入的B族维生素减少[28]。
维生素的稳定性是食品研发中的一大难点。在牦牛加工中,传统的高温处理方法往往会导致大量维生素的流失。研究水煮、微波、烘烤和油炸加热方法对牦牛背最长肌和后小腿肉维生素含量的影响发现,烘烤加热对维生素保留率最高[29]。
传统牦牛肉加工以腌制、干燥(风干)和烟熏为主。腌制过程通常涉及使用盐、糖、香料及其他添加剂对牦牛肉进行浸泡或按摩,从而改善其风味和延长保存期[30]。脂肪氧化产生的挥发性化合物会直接影响牦牛肉的风味。羟基自由基系统结合气相色谱-离子迁移谱(gas chromatography-ion mobility spectrometry,GCIMS)与代谢组学研究发现,氧化会促进牦牛肉中挥发性化合物的形成。2,3-戊二酮和 3-羟基-2-丁酮等可能对牦牛肉的整体香气贡献最大,而辛醛、壬醛和苯甲醛可能与异味或酸败的形成有关[31]。食盐、葡萄糖、松肉粉等腌制料的比例会直接影响腌制效果。腌制时间过长可能导致牦牛肉过咸,口感变差,腌制时间过短则可能无法充分发挥腌制料的作用。温度对腌制过程中的化学反应和微生物生长也有重要影响。适宜的温度可以促进腌制料的渗透,提高腌制效率,但过高的温度可能会导致牦牛肉变质[32]。按摩时间对腌制也有影响,当按摩时间达到 60 min时,肌肉纤维增加且蛋白质质量均匀化;若持续到 120 min,肉中的细胞膜开始塌陷,肌膜破裂[33]。
风干牦牛肉是将牦牛肉切成条状,悬挂在通风良好的地方自然风干。以甘肃省甘南州公牦牛半膜肌为研究对象,通过自然风干的方式加工传统风干牦牛肉。随着风干时间的延长,肉中的酪氨酸、亮氨酸及苯丙氨酸对氧化作用非常敏感,同时,酪氨酸、亮氨酸及苯丙氨酸对氧化作用非常敏感,氧化前后其含量变化显著。干燥后的牦牛肉水分含量低,不易滋生细菌和霉菌,可长期保存,较好地保留了牦牛肉中的蛋白质、氨基酸等营养成分[34]。
烟熏加工作为一种传统的肉类加工方法,主要通过不同的烟熏材料(如木材、果木等)来产生不同的烟熏风味。烟熏材料的选择应考虑其安全性和对牦牛肉品质的影响。烟熏过程中的湿度也会影响牦牛肉的品质。适宜的湿度可以促进烟熏物质的吸附,提高烟熏效果。烟熏能够在一定程度上保留肉类的营养成分,特别是维生素B族、矿物质等,烟熏过程中的高温和烟雾中的化学成分也可能导致某些营养成分的流失或改变。研究表明,烟熏过程中产生的某些化学物质(如多环芳香烃)可能具有潜在的健康风险,因此在烟熏过程中,需要对温度和时间进行严格控制,以最大限度地保留肉类中的营养成分,并确保制品的安全性。
然而传统加工方法大多凭借经验,缺乏精准的科学配比和规范操作流程,容易出现盐分不均匀等问题,影响产品品质的稳定性,而且同样存在生产效率不高、难以形成标准化大规模生产的局限。为提高牦牛肉的食用价值、附加值和拓宽应用场景,Ma等[35]采用真空恒温烹饪技术构建了牦牛肉的生产工艺流程,并对其保色、增嫩及口感改善方面进行初步研究。微波烹饪可以有效、快速地使牦牛肉蛋白变性并缩短烹饪时间,并且能够通过降低肉的剪切力和减轻对肌肉纤维结构的热损伤来改善其质地品质。低温慢煮技术能有效避免传统高温烹饪中出现的营养成分流失,尤其是水溶性维生素(如维生素 B群、维生素 C)和热敏感脂肪酸的降解[36]。
牦牛奶中含有多种生物活性成分,如乳铁蛋白、β-乳球蛋白、抗氧化肽等。这些成分具有抗氧化、抗菌、降血压、抗疲劳、缓解便秘等功能[37-38]。采用超高压低温连续灭菌法对牦牛液态奶进行加工,在灭菌压力200 MPa、灭菌温度60 ℃、灭菌时间10 min条件下,牦牛奶中菌落总数显著下降,灭菌率达到99.85%,液态奶保质期可达 90 d[39]。
牦牛骨富含多种营养成分,其中胶原蛋白含量较高,是制备抗骨质疏松功能食品的传统特色原料,在食品、制药等领域具备潜在的应用价值[40]。研究表明,从牦牛骨中提取的胶原蛋白具有完整的三股螺旋结构,未发生变性,并且对成纤维细胞有良好的黏附能力,可以显著促进其细胞增殖[41]。目前,牦牛骨胶原蛋白的提取技术主要包括酸法、碱法、酶法以及高温高压法等。其中,酶法提取具有条件温和、产品纯度高、活性好等优点,成为研究和应用的热点。通过酶解牦牛骨胶原蛋白产生的牦牛骨胶原蛋白肽有良好的抗氧化性,经过体外模拟胃肠消化后,对抗氧化性能起决定性作用的疏水氨基酸含量并无显著变化。这表明牦牛骨胶原蛋白肽在经过胃肠道消化后,仍然能较好地保持其抗氧化性能,适合应用于营养品和保健品[42]。在比较中性蛋白酶、菠萝蛋白酶和木瓜蛋白酶对牦牛骨的水解作用的实验中,结果表明木瓜蛋白酶是适合牦牛骨水解的催化剂[43];研究还发现,超声辅助预处理可以显著促进牦牛骨胶原蛋白在后续酶解过程中释放具有成骨活性的肽[44]。
此外,牦牛骨中的钙、磷等矿物质也可以通过超微粉碎、生物转化等技术制备成易于人体吸收的钙剂和营养补充剂[45]。骨炭具有吸附性强、孔隙结构发达等特点,可用于净化水质、空气以及制备活性炭等[46]。近年来,随着人们对环保和资源循环利用的重视,牦牛骨在生物材料、能源领域的应用研究也逐渐增多,利用牦牛骨制备生物陶瓷、生物燃料等,为牦牛骨的高值化利用开辟了新的途径。
牦牛角主要由角质和骨质两部分构成,其中角质部分占据了牦牛角的主要成分。角质是一种坚韧的高分子蛋白质,具有较强的耐磨性和弹性。此外,牦牛角的骨质部分含有丰富的矿物质成分,尤其是钙、磷、镁等元素。牦牛角质部分具有独特的生理作用。牦牛角具有清热解毒、凉血止血等功效[47]。牦牛角中可能含有特定的小分子多肽,研究证实牦牛角粗提取液有明显的解热和镇痛作用,在给药 30 min后能显著降低肛温,达到最大痛阈,并提高值到67%[48]。角蛋白是一种拥有多种活性基团的天然活性物质,不仅能够促进细胞黏附、增殖和组织再生,还可以为缺损组织的再生提供生物相容性基质,通过绿色的深度共晶溶剂来进行角蛋白的提取,可以提高牦牛角蛋白的提取效率[49]。
牦牛血中含有丰富的蛋白质、氨基酸、矿物质等营养成分,从中提取的活性成分可以作为营养补充剂添加到食品中,提高食品的营养价值。由于牦牛血抗氧化低聚肽具有良好的抗氧化活性,可以作为一种天然抗氧化剂应用于食品加工中,将其添加到油脂含量较高的食品中,可以延长食品的保质期,防止食品因氧化而变质[50]。
血红素是一种天然的色素,可以作为食品添加剂用于食品着色。它具有良好的稳定性和安全性,不会对人体健康造成危害,将牦牛血中的血红素添加到肉制品中,使其呈现出自然的红色,提高肉制品的外观品质。为了提高冷冻牦牛血液中血红素的得率,增加牦牛血液资源的利用价值,采用超声辅助提取法研究了超声温度、超声功率和超声时间3个因素对血红素得率的影响,通过响应面分析优化出超声辅助提取冷冻牦牛血液中血红素的最佳工艺,在此条件下血红素的得率为(0.296±0.021) g/100 mL[51]。
牦牛肝脏富含维生素A、B族维生素、铁、锌等营养成分,可提取肝精、肝粉等营养补充剂。新鲜牦牛肝脏中富含α-生育酚、VB12、各种氨基酸以及Ca、Mg、Fe、Zn、Cu等矿物质元素,是一种高蛋白、低脂肪、富含维生素和各种矿物质的健康食品[52]。传统的藏族医药中,牦牛肝及其浸提物作为一种常用药材使用已久,主要用于治疗贫血、营养不良等症状[53]。传统加工工艺包括清洗、去筋膜、蒸煮或煎制等步骤,以确保其安全性和食用性。现代加工技术则更加注重营养成分的保留和产品的多样化,如低温干燥技术可用于制作牦牛肝脏干制品,保持其营养成分的同时延长保质期。此外,牦牛肝脏还可以通过腌制、烟熏或发酵等方式制成风味独特的产品,既能提升其食用价值,又能满足不同消费者的需求。
牦牛肾脏可用于提取生物活性肽。采用酶解技术,利用胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等对牦牛肾组织进行水解,再经超滤、层析等分离纯化手段获得具有特定生理功能的生物活性肽。这些生物活性肽具有抗氧化、抗疲劳、降血压等生理活性,在功能性食品、保健品开发领域具有广阔应用前景。以牦牛肾为原料,研究者通过单因素和正交试验对其烧烤加工工艺进行优化。当食盐添加量为0.7%、料酒添加量为1.5%、食醋添加量为1.5% 时,经烧烤加工出的牦牛肾口感最好,感官评分为75.03。研究结果为牦牛肾的烧烤加工提供了参考[54]。
牦牛毛具有纤维长、弹性好、保暖性强等特点。牦牛毛富含蛋白质,尤其是角蛋白,是一种高质量的动物纤维资源。毛纤维中还含有少量的脂肪和微量元素,具有一定的营养功效,尤其是在中医中被认为具有温补作用。在纺织工业中,牦牛毛因其粗壮、坚韧且具有良好的保暖性,广泛用于制作毛纺织品、毛线、地毯等传统工艺品,可与羊毛、羊绒等混纺,制成毛毯、地毯、毛毡等产品。有研究对西藏半野血牦牛与普通牦牛的毛绒品质进行了分析与比较[55]。结果表明,半野血牦牛与普通牦牛在绒拉伸长度上存在显著差异,家养牦牛的绒拉伸长度更大,绒品质更为优异。
牦牛皮含有胶原蛋白、弹性蛋白等成分,具有很好的营养和滋补作用。剥离后的牦牛皮可以通过加工制成皮冻、明胶等产品,广泛应用于食品、医药和化妆品行业。通过酶水解法从牦牛皮中制备牦牛皮明胶水解物,并对其功能特性进行了研究。结果表明,胰蛋白酶在提高牦牛皮肤明胶水解产物(yak skin gelatin hydrolysates,YSGH)的水解度方面比中性蛋白酶、木瓜蛋白酶和胃蛋白酶更有效。牦牛皮明胶水解物具有一定的抗氧化活性,可用于预防和治疗心血管疾病等[56]。
牦牛作为具有高原适应性的特色畜种,在我国及周边地区具有重要的经济和生态价值。牦牛产业作为高原地区的特色优势产业,也具有广阔的发展前景。近年来,随着科研技术的不断进步,牦牛精深加工技术和副产物综合利用领域取得了大量基础性研究成果,推动了产业链的多元化发展和高附加值产品的创新。国内外研究主要集中在牦牛主要产品的加工技术优化及副产物功能成分的提取方面,但加工过程中的效率提升、资源利用率最大化以及副产物的高值化利用等问题仍需进一步突破。此外,牦牛加工过程中存在的环境污染、能耗较高及产品附加值较低等问题,也成为制约产业可持续发展的关键因素。牦牛产业未来的发展方向应聚焦于精深加工技术的创新与多元化副产物的高值化利用,进一步挖掘牦牛资源的潜在价值,推动牦牛产业向现代化、绿色化和可持续化方向发展。随着人工智能、物联网、大数据等先进技术的迅猛发展,牦牛产业的智能化转型也将成为重要的战略方向。通过引入自动化生产线、机器人、智能化管理系统及实时数据监控技术,可以实现牦牛食品加工过程的精确控制与优化管理,结合数字化技术和生物工程手段,推进加工工艺的精准优化、产品品质的智能检测以及功能成分的高效筛选,为牦牛资源的深度开发与高效利用提供科学依据。综上所述,通过开发高附加值产品、提升资源利用率以及推动智能化、数字化与生物技术的深度融合,牦牛产业有望实现资源的高效利用与全产业链的优化升级,推动牦牛产业更好地向现代化迈进,为畜牧业可持续发展和乡村振兴提供重要支撑。
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