微波輔助提取蛋白質(zhì)的研究進(jìn)展

＊陳麗云 李佳奇 商輝 張文慧

（中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院 北京 102249）

近年來，由于世界人口的增加和人們對蛋白質(zhì)消費(fèi)的高度重視，食品蛋白質(zhì)需求有所增加，目前動物蛋白消費(fèi)量占全球總量的60%[1]。由于對動物蛋白的健康關(guān)注不斷增加，植物蛋白的優(yōu)勢受到了更加廣泛的關(guān)注，例如與動物蛋白相比，植物蛋白的溫室氣體排放量更低，成本較低，更容易獲得。因此，植物蛋白的利用對于滿足全球不斷增長的人口對蛋白質(zhì)的需求至關(guān)重要。然而由于植物細(xì)胞和動物細(xì)胞的差異使得細(xì)胞破壁成為獲取其中蛋白的關(guān)鍵。常規(guī)的植物蛋白質(zhì)提取方法包括鹽沉淀、溶劑沉淀、堿沉淀等，但存在提取時間長，蛋白質(zhì)提取率低，溶劑消耗高等缺點(diǎn)[1]。而基于微波加熱的選擇性和體積性的特點(diǎn)，微波萃取可顯著降低萃取時間和溶劑消耗，獲得更高的產(chǎn)率并有效改善萃取質(zhì)量。自1986年匈牙利學(xué)者Ganzler K等[2]首次提出利用微波進(jìn)行萃取，其萃取率、萃取時間和成本等方面均優(yōu)于其他傳統(tǒng)的萃取方法，萃取物的潛在降解可能大大減少。Chew等[3]在研究微波輔助萃取微藻蛋白的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，微波輔助萃取使蛋白質(zhì)的提取率由常規(guī)法的24.9%提高到63.2%，提高了約2.54倍。微波的加入極大地破壞了微藻的細(xì)胞壁，導(dǎo)致有價(jià)值的蛋白質(zhì)和其他生物分子的釋放。因此，微波輔助提取植物蛋白質(zhì)的研究具有很大潛力。

1.微波萃取的理論基礎(chǔ)

微波是一種電磁波，波長在1mm至1m之間，頻率為300MHz至300GHz，為避免對雷達(dá)和通訊造成干擾，國家規(guī)定微波加熱的民用頻率為2450MHz和915MHz。微波加熱主要通過偶極極化和離子傳導(dǎo)直接作用于分子，其加熱具有選擇性、體積性及瞬時性的特點(diǎn)。微波對物質(zhì)分子的作用主要體現(xiàn)在其熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)兩種。

(1)微波熱效應(yīng)

植物細(xì)胞內(nèi)H2O等極性分子在微波電磁場中快速轉(zhuǎn)向并以特定頻率排列成永久偶極和感應(yīng)偶極，分子旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦和碰撞產(chǎn)生熱量，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱效應(yīng)[4]，同時細(xì)胞內(nèi)部壓力增大，當(dāng)內(nèi)部壓力增大到一定程度時，會造成細(xì)胞壁破裂，此時細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)等有效成分自由流出，轉(zhuǎn)移到周圍的溶劑中被溶解[5]。

(2)微波非熱效應(yīng)

微波非熱效應(yīng)是指不受熱量影響的各種反應(yīng)過程的性質(zhì)、進(jìn)程及傳質(zhì)特性等各方面的變化。一般除了熱效應(yīng)以外的其他效應(yīng)都稱為微波的非熱效應(yīng)，如電場效應(yīng)、磁場效應(yīng)等。在電磁場作用下，細(xì)胞中的極性分子振動，促使細(xì)胞壁破裂[6]。

微波萃取過程中，微波熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)共同作用，萃取劑的種類很大程度上決定了哪種效應(yīng)占主導(dǎo)地位。一般來說，當(dāng)萃取劑為非極性物質(zhì)時，細(xì)胞吸收絕大部分微波能量，細(xì)胞內(nèi)溫度急劇升高而造成破壁，此時微波的熱效應(yīng)占主導(dǎo)地位。相反，如果萃取劑是極性很強(qiáng)的物質(zhì)，萃取劑會強(qiáng)烈吸收微波能量，只有少部分微波能量能到達(dá)細(xì)胞，萃取劑和細(xì)胞同時受熱，不利于微波破壁效果，此時非熱效應(yīng)可能占主導(dǎo)地位[7]。

2.微波萃取特點(diǎn)

(1)加熱均勻，熱效率高

傳統(tǒng)的熱萃取方式是通過熱傳導(dǎo)和熱輻射等方式，將能量從外部傳遞到內(nèi)部，而微波萃取是一種“體加熱”過程，即內(nèi)外同時加熱，加熱均勻，熱效率高。

(2)選擇性好

微波可以選擇性地加熱提取物中的不同成分，使目標(biāo)成分直接從基質(zhì)中分離出來，提取效率高，產(chǎn)品純度高。

(3)節(jié)能省時

極性分子更容易吸收微波能量并轉(zhuǎn)化為熱能，而金屬材料不吸收微波，從根本上保證了能量的快速傳導(dǎo)和充分利用，節(jié)能省時。

此外還具有設(shè)備簡單，易于控制以及安全環(huán)保的特點(diǎn)。微波設(shè)備使用方便，無熱慣性，操作方便，微波功率和傳輸速度都可以調(diào)節(jié)。微波提取過程中不排放有害氣體，無余熱和粉塵污染。

基于此，將微波電磁場加熱用于植物細(xì)胞破壁提取其中的蛋白質(zhì)具有顯著潛力。

3.影響萃取效果的主要因素

對微波萃取效果的影響因素主要有微波作用時間、微波功率、操作溫度、萃取劑pH值及料液比。目前，蛋白質(zhì)萃取過程所用微波頻率一般為2450MHz，功率較低，一般在1kW之內(nèi)，作用時間一般小于5min，環(huán)境大多數(shù)為堿性，微波作用時間和功率取決于所用微波腔體及物料體系。

(1)微波作用時間對蛋白質(zhì)提取率的影響

微波作用時間直接影響到體系的溫度，因此會對蛋白質(zhì)萃取產(chǎn)生較大的影響。研究表明，微波作用時間存在最佳值，時間不足會導(dǎo)致溫度低，只能部分水解蛋白質(zhì)，而微波輻射時間過長會導(dǎo)致溫度太高，蛋白質(zhì)變性，造成蛋白質(zhì)提取率降低[8]。如李遠(yuǎn)虎等[9]研究了微波功率為500W，萃取劑pH值為10.0，料液比1:20的條件下，微波作用時間對紅橘種子蛋白質(zhì)提取率的影響。結(jié)果表明，紅橘種子蛋白質(zhì)的提取率隨時間的延長先增大后下降，當(dāng)微波處理時間達(dá)到50s時，提取率達(dá)到最佳值73%。

(2)微波功率對蛋白質(zhì)提取率的影響

隨微波功率增大，物料所在處的電磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，分子運(yùn)動加劇，加速了有效成分的溶解和釋放，蛋白質(zhì)提取效率提高；當(dāng)微波功率達(dá)到一定程度時，會造成溫度過高，改變蛋白質(zhì)的構(gòu)型，從而暴露其疏水單元，導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚集體的形成，降低蛋白質(zhì)的提取率[10]。因此微波功率與作用時間類似存在最佳值。

(3)溫度對蛋白質(zhì)提取率的影響

萃取過程微波的熱效應(yīng)將導(dǎo)致體系升溫，溫度是微波輔助提取蛋白質(zhì)中的一個關(guān)鍵因素，蛋白質(zhì)在高溫條件下會變性。隨著溫度的升高，蛋白質(zhì)提取率會增加，其原因是溫度的升高導(dǎo)致表面張力和粘度下降，蛋白質(zhì)的溶解性提高。當(dāng)溫度達(dá)到最佳時，蛋白質(zhì)會全部溶解，提取率達(dá)到最大。超過最佳溫度，提取率會有所下降，這是因?yàn)闇囟冗^高易使蛋白質(zhì)聚集，降低溶解度，導(dǎo)致提取率下降[11]。

(4)萃取劑pH值對蛋白質(zhì)提取率的影響

萃取劑的pH值是影響蛋白質(zhì)提取的一個重要因素，極大影響蛋白質(zhì)的溶解度。堿性環(huán)境中，隨萃取劑pH增大，蛋白質(zhì)提取率存在最佳值。究其原因認(rèn)為在堿性環(huán)境物料結(jié)構(gòu)變疏松，同時對蛋白質(zhì)分子的次級鍵，尤其是氫鍵產(chǎn)生破壞作用，并使得某些極性基團(tuán)發(fā)生解離，蛋白質(zhì)分子表面帶相同電荷，從而使蛋白質(zhì)易于溶出，但是過高的pH會引起蛋白質(zhì)變性，導(dǎo)致蛋白質(zhì)提取率下降[12-13]。

(5)料液比對蛋白質(zhì)提取率的影響

料液比是指萃取過程中所添加的溶劑與待處理物料的量之比，不同的料液比對蛋白質(zhì)提取率的影響不同，亦存在最佳值。當(dāng)料液比過大時，溶劑太少，浸提不夠充分，可能有部分蛋白質(zhì)沒有溶解，影響提取率，而隨著溶劑的增加，體系中的粘度降低，便于蛋白質(zhì)溶解，因此蛋白質(zhì)的提取率會逐漸增加；達(dá)到最佳料液比之后，提取率會隨著料液比的下降而降低，可能是因?yàn)槿軇┝窟^大，導(dǎo)致蛋白濃度下降[14]。

4.微波萃取對蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的影響

(1)蛋白質(zhì)的吸水性和吸油性

蛋白質(zhì)的吸水性反映了蛋白質(zhì)分子通過直接吸附和松散結(jié)合在分子周圍形成水化層的能力。蛋白質(zhì)的吸油性是指蛋白質(zhì)與游離脂肪結(jié)合的能力，在許多食品配方及加工中起著非常重要的作用。

霍金杰等[15]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過微波處理提取出的青稞蛋白質(zhì)吸水性提高了15.5%，究其原因，可能是微波處理后，蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象略有改變，分子的立體結(jié)構(gòu)被延伸，埋藏在球狀分子中的親水基暴露出來，促進(jìn)了蛋白質(zhì)分子與水分子的相互作用，提高了蛋白質(zhì)的吸水性。吸油性提高了13.6%，原因可能是由于微波處理使得分子內(nèi)部的親油基暴露，促進(jìn)了蛋白質(zhì)和游離脂肪的相互作用，提高了蛋白質(zhì)的吸油性。

(2)蛋白質(zhì)的持水性和持油性

蛋白質(zhì)的持水性是指蛋白質(zhì)在一定條件下經(jīng)過熱處理后還保持水分的能力。其持油性通常反映了它們與脂質(zhì)相互作用的能力。

李忍等[16]研究發(fā)現(xiàn)微波處理前，龍米糧1號、龍雜13號和紅糯高粱3種高粱粉的持水性分別為1.30g/g、1.35g/g 和1.50g/g，微波處理后3種高粱的持水性分別提高了0.34g/g、0.40g/g和0.32g/g。原因是微波處理可導(dǎo)致谷物表面出現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，谷物內(nèi)部聚合物減少，從而增加谷物粉的持水力。而微波處理前龍米糧1號、龍雜13號和紅糯高粱3種高粱粉的持油性別為1.27g/g、1.35g/g和1.20g/g，微波處理后3種高粱的持油性分降低了0.11g/g、0.18g/g和0.08g/g。原因可能與微波處理過程中氨基酸極性的改變有關(guān)。

(3)蛋白質(zhì)的溶解性

蛋白質(zhì)的溶解度取決于萃取劑的酸堿度，可以影響其他功能性質(zhì)。在許多以蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的配方中，如乳劑、泡沫和凝膠，通常需要良好的蛋白質(zhì)溶解性。蛋白質(zhì)中的氨基酸有一個帶正電荷的氨基和一個帶負(fù)電荷的羰基，在等電點(diǎn)時，蛋白質(zhì)沒有任何電荷，正電荷和負(fù)電荷被抵消。因此，蛋白質(zhì)由于在這一點(diǎn)上的疏水性而傾向于形成聚集體。但在堿性條件下，蛋白質(zhì)上的總電荷為負(fù)，增加了蛋白質(zhì)在較高pH下的溶解度。因此，與酸性或中性pH值相比，蛋白質(zhì)在堿性pH值下更易溶解。蛋白質(zhì)溶解度是不同變量的函數(shù)，如靜電相互作用、疏水相互作用和氫鍵，氫鍵導(dǎo)致蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)-溶劑相互作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)在提取溶劑中溶 解[17]。楊文敏等[18]研究發(fā)現(xiàn)微波輔助提取的巴旦木蛋白質(zhì)的溶解性相較于未經(jīng)微波處理的巴旦木蛋白質(zhì)的溶解性提高15.35%。微波加熱是一種快速加熱的方法，迅速升溫可以使蛋白質(zhì)在高溫下的時間減少，避免蛋白質(zhì)變性，蛋白質(zhì)的溶解度增加。

(4)蛋白質(zhì)的起泡性和乳化性

起泡性是指蛋白質(zhì)溶解擴(kuò)散到氣-水界面并在氣體周圍形成氣泡的能力，而泡沫穩(wěn)定性是指蛋白質(zhì)維持泡沫穩(wěn)定存在的能力。蛋白質(zhì)促進(jìn)水-油型乳狀液形成的能力由乳化性來衡量，而乳化穩(wěn)定性是指維持乳狀液穩(wěn)定存在的能力。

李永恒等[19]研究發(fā)現(xiàn)麥胚粉經(jīng)過微波預(yù)處理后，麥胚蛋白質(zhì)的起泡性提高了19.08%，乳化性提高了24.41%，但泡沫穩(wěn)定性和乳化穩(wěn)定性有所下降。影響蛋白質(zhì)的起泡性和乳化性的主要因素為蛋白質(zhì)溶解性，隨著蛋白質(zhì)溶解性的增大，蛋白質(zhì)分子更易向氣-水或水-油界面擴(kuò)散，起泡性和乳化性增強(qiáng)。而泡沫穩(wěn)定性和乳化穩(wěn)定性受蛋白質(zhì)表面活性的影響，同時也受其在不同環(huán)境下的構(gòu)象和折疊能力的影響。

(5)蛋白質(zhì)的體外消化率

蛋白質(zhì)體外消化率是反映食物蛋白質(zhì)在消化道內(nèi)分解和吸收的一項(xiàng)指標(biāo)，添加到食品中的蛋白質(zhì)在食用后應(yīng)該很容易被消化。一般來說，蛋白質(zhì)的體外消化率與蛋白質(zhì)溶解度成正比[20]。Behere Manali等[21]研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)法獲得的西瓜籽蛋白質(zhì)體外消化率為61.95%，而微波輔助提取獲得的蛋白質(zhì)體外消化率為80.43%。結(jié)果表明，微波輻射不會改變蛋白質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，但會影響蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)，使蛋白質(zhì)的體外消化率提高。

5.結(jié)論

隨著社會不斷發(fā)展，蛋白資源日益稀缺，加強(qiáng)對植物蛋白資源的開發(fā)和利用具有重要意義。采用微波輔助提取蛋白質(zhì)，提取時間斷，效率高，操作簡單，且能夠改善蛋白質(zhì)部分功能性質(zhì)。綜上所述，微波在促進(jìn)蛋白質(zhì)提取和提高蛋白質(zhì)質(zhì)量方面具有相當(dāng)大的潛力。