植物蛋白提取技術研究進展

◎ 李 超，馬 航，吳 冉，唐春蘭，趙雪龍

（云南云天化股份有限公司研發(fā)中心，云南 昆明 650228）

隨著世界人口的不斷增長及人們對物質(zhì)生活的追求越來越高，動物蛋白的需求量日益增加，與此同時引發(fā)了諸多問題。據(jù)統(tǒng)計，近25%的世界人口缺乏足夠的蛋白質(zhì)供應[1]，這意味著約20億人無法從食物中攝取充足的營養(yǎng)來維持自身需要，伴隨著人口增長，這一情況將進一步惡化。動物蛋白不僅與淡水枯竭、氣候變化、生物多樣性喪失直接相關，過度食用動物蛋白更增加了人們罹患各種病癥的風險[2]。植物蛋白以其綠色、健康、可持續(xù)等特點成為研究熱點，其能改善蛋白攝入不足的現(xiàn)狀以及維持生命活動的穩(wěn)態(tài)。

1 植物蛋白的概述

蛋白質(zhì)是生命活動的物質(zhì)基礎，對人體健康以及生理代謝都起著重要的作用。從食源來分，蛋白質(zhì)可分為動物蛋白和植物蛋白。營養(yǎng)學上普遍認為動物蛋白的營養(yǎng)價值高于植物蛋白，源于動物蛋白大都富含人體所需的全部氨基酸，且吸收率顯著高于植物蛋白，但近年來研究發(fā)現(xiàn)，植物蛋白對人體健康發(fā)揮著動物蛋白無可比擬的性能優(yōu)勢。植物蛋白的生產(chǎn)成本遠低于動物蛋白，對環(huán)境的影響更小。植物蛋白具有降低膽固醇含量、預防心血管疾病等作用，可以降低過多食用動物蛋白導致的肥胖、高血壓、心臟病等病癥的風險[3]。因此，更多地利用優(yōu)質(zhì)植物蛋白資源、加快植物蛋白開發(fā)意義重大。

2 植物蛋白的廣泛來源

2.1 油粕

油粕作為油料作物榨油的副產(chǎn)品，含有豐富的蛋白質(zhì)，是植物蛋白提取的優(yōu)質(zhì)原料。大豆、菜籽、花生、芝麻、棉籽和葵花籽等是重要的油料作物，也是蛋白提取的主要來源。其中，豆粕以其蛋白含量高且包含人體所需的全部8種必需氨基酸的特點，被國內(nèi)外學者廣泛研究。魯洋等[4]利用堿溶酸沉法從低溫豆粕中提取大豆分離蛋白，在料液比1∶10、溫度50 ℃、pH值9.0的條件下可以達到79.01%的提取率。油菜作為僅次于大豆的油料作物，其餅粕產(chǎn)量豐富，不僅富含粗纖維、鈣、磷等人體所需營養(yǎng)元素，而且粗蛋白含量占比約40%，是優(yōu)質(zhì)的植物蛋白提取原料。NIU等[5]采用酶法對冷榨雙低菜籽餅中的蛋白進行提取，在料液比1∶6、堿性蛋白酶濃度1%、酶解時間80 min的條件下，所提蛋白產(chǎn)率達到82.10%。ROMMI等[6]進一步在單酶提取的基礎上，采用三酶聯(lián)用的方式，利用果膠水解酶、木聚糖水解酶和纖維素水解酶制劑對甘藍型菜籽壓榨餅進行酶解處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蛋白提取率比未添加酶的處理組提高了1.7倍。此外，花生[7]、棉籽[8]、芝麻[9]、葵花籽[10]等傳統(tǒng)油料作物以及辣木籽[11]、油莎豆[12]等新型油料作物在植物蛋白提取領域均有應用。合理利用油粕進行植物蛋白提取，不僅可以有效降低我國油料作物對進口的依賴性，還能加快我國在植物蛋白領域的研究。

2.2 谷物加工副產(chǎn)物

隨著生活水平的提高，谷物的加工愈發(fā)精細化，隨之而來的是副產(chǎn)物產(chǎn)量的不斷攀升。研究發(fā)現(xiàn)，谷物加工副產(chǎn)物中含有蛋白質(zhì)、油脂、多糖、維生素以及膳食纖維等多種營養(yǎng)物質(zhì)，隨著人們對蛋白質(zhì)的需求量越來越大，谷物加工副產(chǎn)物將是非常有潛力的植物蛋白提取原料。米糠是糙米去殼過程中的副產(chǎn)物，蛋白質(zhì)含量12%～15%，米糠蛋白具有低致敏性、抗氧化等特點，在食品、護膚品、保健品領域均有較好的應用前景[13]。BERNARDI等[14]利用堿法和攪拌對脫脂米糠進行蛋白提取工藝優(yōu)化，結(jié)果表明在pH值10.0、轉(zhuǎn)速80 r·min-1、攪拌時間300 min、攪拌溫度52 ℃的條件下，提取的蛋白含量最高可達48.53%。除傳統(tǒng)的化學提取方法外，新興的物理輔助提取法也更多地應用于植物蛋白提取領域。LY等[15]采用超聲輔助提取法對脫脂米糠中的蛋白進行提取，利用超聲可直接破壞植物細胞壁的原理，使蛋白可以更好地溶出，研究發(fā)現(xiàn)超聲輔助提取法的提取率及得率均顯著高于常規(guī)的堿法提取。隨著谷物蛋白提取研究的不斷深入，越來越多谷物的加工副產(chǎn)物被用作提取原料，包括粳稻[16]、玉米[17]、大麥[18]、小麥[19]和藜麥[20]等。谷物加工副產(chǎn)物的蛋白提取研究將進一步提高谷物深加工的附加值，提高糧食的利用率。

2.3 新型植物蛋白來源

2.3.1 豆科植物

豆科植物蛋白具有蛋白質(zhì)含量高、價格低、不含膽固醇等特點，而且其活性肽具有良好的抗氧化、抗炎、免疫調(diào)節(jié)等生物活性，因而在食品工業(yè)中得到了廣泛應用。豆科植物來源的蛋白質(zhì)主要由球蛋白（70%）和白蛋白（10%～20%）組成。球蛋白是一種鹽溶性蛋白質(zhì)，主要包含11S和7S。其中11S球蛋白是分子量為300～400 kDa的六聚體蛋白，7S球蛋白是分子量為150～180 kDa的三聚體蛋白。白蛋白是一種水溶性蛋白質(zhì)，分子量為16～483 kDa。這些豆類蛋白質(zhì)來源主要包括豌豆[21]、鷹嘴豆[22]、綠豆[23]、扁豆[24]和蠶豆[25]等，提取方法主要有堿提、鹽提、酶提、超聲輔助提取等。

2.3.2 果蔬

果蔬作為高附加值產(chǎn)品，不僅種類繁多，而且可以為人類提供多種營養(yǎng)元素。近年研究發(fā)現(xiàn)，果蔬在食用或加工過程中的副產(chǎn)物皮、種子等同樣含有蛋白質(zhì)等豐富的營養(yǎng)物質(zhì)。PARNIAKOV等[26]以富含抗氧化物和蛋白的芒果皮為提取原料，采用脈沖電場輔助提取法，在pH值為11.0、電場強度13.3 kV·cm-1的條件下，蛋白產(chǎn)量顯著提高。除了經(jīng)濟價值更高的水果外，部分產(chǎn)量較高的蔬菜同樣被作為研究對象。WAGLAY等[27]利用(NH4)2SO4飽和沉淀從馬鈴薯加工副產(chǎn)物中分離蛋白，最終蛋白產(chǎn)量達到86.5%，回收率相較工業(yè)傳統(tǒng)方法提高27.2%。

2.3.3 植物莖葉

植物葉蛋白是以綠色植物的莖葉為提取原料，經(jīng)提取制備得到的蛋白質(zhì)濃縮物[28]。構(gòu)成植物葉蛋白的氨基酸比例均衡，不僅包含人體所需的8種必需氨基酸，還富含葉黃素、胡蘿卜素以及多種微量元素，在食品添加劑、動物飼料等領域研究較廣。目前，研究對象主要有苜蓿[29-30]、苧麻[31-32]，隨著相關研究的不斷深入，煙草[33]、菠菜[34]等都已成為提取的原料。植物葉蛋白總量豐富、來源廣泛，對植物葉蛋白提取進行深入研究，能提高作物附加值，彌補我國蛋白質(zhì)資源缺口。

3 植物蛋白的提取

植物蛋白雖相比動物蛋白更健康，但其被纖維薄膜包裹，不能直接被人體消化，導致其吸收率低，需使用蛋白提取技術處理以便于消化吸收。傳統(tǒng)植物蛋白提取方法多為化學方法，隨著研究規(guī)模的不斷擴大，各種新型提取方法涌現(xiàn)，主要以酶法及物理輔助提取法為主。

3.1 化學法

3.1.1 堿溶酸沉法

堿溶酸沉法是植物蛋白提取中最常用的方法，利用蛋白質(zhì)的溶解度隨溶液pH值的增加而增加且在等電點下析出的特點，用堿維持溶液的高pH值，同時破壞蛋白質(zhì)中的二硫鍵以提高蛋白質(zhì)的回收率，最后用酸調(diào)節(jié)到等電點使蛋白析出。堿溶酸沉法成本低、操作簡便、提取率高，被廣泛應用于各種植物蛋白的提取。ZHANG等[8]利用堿法對棉籽分離蛋白進行提取，采用正交實驗設計，發(fā)現(xiàn)在料液比1∶12、pH值12.5、溫度60 ℃、提取時間40 min時，蛋白提取率最高可達70%。大量研究發(fā)現(xiàn)，影響堿溶酸沉法的主要因素有料液比、堿溶pH值、堿溶時間及堿溶溫度。翟曉娜等[35]以菜籽粕蛋白為研究對象，利用方差分析探究出堿提因素的主次順序為堿溶溫度＞堿溶pH值＞堿溶時間，而料液比的變化對該蛋白提取無明顯影響。高麗等[36]運用單因素試驗和正交試驗探究堿法提取大豆分離蛋白的最佳工藝條件，最后得出4個因素對提取率影響的主次順序依次為料液比＞堿溶溫度＞堿溶pH值＞堿溶時間。通過對比兩組實驗結(jié)果可進一步發(fā)現(xiàn)，原料不同，影響提取率的因素也可能會發(fā)生變化。

隨著研究的深入，堿溶酸沉法的缺陷逐漸凸顯，即高濃度的堿液會使蛋白質(zhì)發(fā)生不可逆變性，從而失去營養(yǎng)價值，因而提取所得蛋白質(zhì)的功能特性及安全性成為研究重點。HOU等[37]對不同堿濃度提取米渣蛋白的功能、結(jié)構(gòu)特性進行研究，以評價其營養(yǎng)特性和安全性。研究發(fā)現(xiàn)，當堿濃度高于0.03 mol·L-1時，蛋白質(zhì)溶解度增加，而蛋白質(zhì)表面疏水性下降，蛋白質(zhì)的乳化活性和乳化穩(wěn)定性呈下降趨勢；結(jié)構(gòu)特性研究表明，當堿濃度高于0.03 mol·L-1時，亞基變淺、變窄，有的甚至消失，堿變性主要引起α-螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊結(jié)構(gòu)，且堿處理造成的最大損害是賴氨酸、半胱氨酸、絲氨酸和蘇氨酸含量的降低。綜合看來，堿溶酸沉法可提高蛋白的提取效率，但嚴重影響蛋白質(zhì)的消化率，破壞氨基酸的結(jié)構(gòu)，降低提取蛋白質(zhì)的整體質(zhì)量和可接受性。因此，使用堿法提取蛋白時，應依據(jù)蛋白質(zhì)來源制定堿濃度和用量，在不影響其功能特性的情況下回收高質(zhì)量蛋白質(zhì)。

3.1.2 有機溶劑法

部分具有脂質(zhì)結(jié)合能力、極性側(cè)鏈及含有芳香族氨基酸的蛋白質(zhì)，易溶于乙醇、丙酮等有機溶劑，因此常用有機溶劑法來提取蛋白。EMBABY等[38]將脫脂金合歡種子粉與95%乙醇以1∶20混合，在pH值4.5、攪拌時間2 h條件下進行蛋白提取，得到了富含多種人體必需氨基酸的濃縮蛋白，可作為一種食用蛋白質(zhì)的來源。CHEN等[39]開發(fā)了一種同時提取和分離油、蛋白質(zhì)和硫代葡萄糖苷的方法：將粉碎后的辣木籽裝入石油醚與乙醇比例為8∶2的柱中洗脫，后續(xù)再用70%乙醇分離；結(jié)果表明，95%以上的油、蛋白質(zhì)和硫代葡萄糖苷被提取出來。

3.1.3 鹽溶液法

少量中性鹽會增加蛋白質(zhì)表面電荷，使得蛋白質(zhì)分子與水分子的相互作用增強，在溶液中的溶解度增大，通過超濾除去鹽分，從而實現(xiàn)蛋白質(zhì)沉淀，鹽溶液法正是基于該原理實現(xiàn)蛋白提取。FEYZI等[40]研究了NaCl溶液濃度對葫蘆巴種子蛋白質(zhì)提取的影響，通過對氨基酸組成、乳化穩(wěn)定性、油水結(jié)合能力等功能性質(zhì)進行測定，結(jié)合響應面研究法確定了NaCl溶液濃度為0.33 mol·L-1、pH值為9.25時蛋白得率最高，且鹽溶液濃度過高過低都會使蛋白產(chǎn)量顯著下降。

3.1.4 反膠束萃取法

表面活性劑在水中的濃度超過臨界膠束濃度會形成聚集體，稱為反膠束。反膠束萃取法利用水-表面活性劑-有機溶劑構(gòu)成的三相系統(tǒng)，與親水溶液接觸時，親水物質(zhì)會進入反膠束的極性核內(nèi)，在水層和極性基團的保護下，蛋白不會發(fā)生變性。反膠束萃取法提取植物蛋白的過程包括正向提取和反向提取兩個步驟，在正向提取過程中，蛋白質(zhì)溶解到反膠束溶液中；而在反向提取過程中，溶解的蛋白質(zhì)從反膠束溶液中恢復。ZHAO等[41]研究了反膠束法分離得到的大豆蛋白的功能、營養(yǎng)和風味特性，反膠束法分離的大豆蛋白的吸油能力、發(fā)泡能力、發(fā)泡穩(wěn)定性、乳化能力和乳化穩(wěn)定性均高于堿法分離得到的大豆蛋白，但持水能力、風味化合物種類下降；結(jié)果表明，反膠束萃取法可在一定程度上改善大豆蛋白的功能、營養(yǎng)和風味特征。

3.1.5 亞臨界水法

亞臨界水法是一種通過控制溫度與壓力使高壓熱水的極性發(fā)生變化，實現(xiàn)天然產(chǎn)物有效成分從水溶性轉(zhuǎn)變?yōu)橹苄缘奶崛〖夹g。在高壓熱水中，水的解離常數(shù)相較于環(huán)境溫度下的解離常數(shù)大幾個數(shù)量級，此時水在化學反應中充當酸或堿催化劑，無需額外催化劑便可以溶解大分子物質(zhì)。食源性植物蛋白具有較高的營養(yǎng)價值和優(yōu)良的功能特性，采用綠色、高效、無害的提取方法是一大研究熱點。LU等[42]采用亞臨界水法提取熱變形豆粕中的大豆分離蛋白，研究發(fā)現(xiàn)，亞臨界水法提取所得大豆分離蛋白相比天然大豆分離蛋白表現(xiàn)出更高的表面疏水性、乳化能力以及物理穩(wěn)定性。

3.2 酶法

酶法提取是利用碳水化合物酶（包含纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶等）以及蛋白酶的特異性、高效性，對植物細胞壁進行降解，并使大分子蛋白分解為易溶的小分子，從而為植物蛋白提取創(chuàng)造條件。酶法提取加工時間長、操作成本高，但與傳統(tǒng)堿法提取相比，其提取率高且不會對蛋白造成損害，被認為是一種更溫和的提取方式。FETZER等[43]采用堿法以及酶法對菜籽壓榨餅中蛋白進行提取，并考察了料液比、提取時間、溫度、pH值、提取循環(huán)次數(shù)等因素對提取率的影響；研究發(fā)現(xiàn)，使用酶法提取的蛋白得率高于堿法，且采用多次預榨并逐步提高pH值的方式可進一步提升蛋白得率。

隨著酶法提取的廣泛應用，越來越多的實驗結(jié)果顯示酶法與其他提取方法聯(lián)用的方式可以顯著提高蛋白得率。G?RGü?等[9]利用新興的真空超聲法與酶法聯(lián)用對芝麻麩皮中的植物蛋白進行提取，采用響應面中心復合設計對真空操作參數(shù)進行研究，結(jié)果表明在酶濃度1.82 AU/100 g、真空時間8 min、恢復時間68 min、真空壓力238 mmHg的條件下，提取蛋白得率相較標準堿法提取提高了41.6%。

隨著研究的進一步深入，更多種類的酶應用在酶法提取上，逐漸出現(xiàn)了雙酶提取、三酶提取等多酶聯(lián)合提取的方式。HOUDE等[18]研究了常規(guī)堿法、雙酶法、三酶法對脫脂大麥面粉中濃縮蛋白的提取率、結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的影響，結(jié)果表明利用α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶以及β-1,3,4-葡聚糖酶三酶聯(lián)合的提取方式得到了最高的蛋白質(zhì)回收率（78.3%），所得大麥濃縮蛋白具有較好的泡沫穩(wěn)定性，市場潛力較大。

3.3 物理法

3.3.1 超聲輔助提取法

超聲輔助提取法是利用超聲波的空化現(xiàn)象，誘導微縫和通道的形成來增加基質(zhì)的孔隙率，使細胞膜和細胞壁被破壞，從而使溶劑可以滲透到細胞內(nèi)，并將細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)釋放到溶劑中。超聲輔助提取法無需高溫，可減少蛋白質(zhì)的降解和變性，但長時間和大功率的超聲可能會導致蛋白質(zhì)聚集，降低蛋白質(zhì)的產(chǎn)量，因而提取參數(shù)優(yōu)化以及蛋白特性變化是研究的重點。DABBOUR等[10]采用Box-Behnken設計優(yōu)化向日葵粕中蛋白質(zhì)的超聲提取工藝，研究發(fā)現(xiàn)在功率密度220 W·L-1、溫度45 ℃和提取時間15 min的條件下，蛋白產(chǎn)量可達54.26%，耗電量為0.13 kW·h；對提取蛋白的功能性質(zhì)進行研究，發(fā)現(xiàn)超聲輔助提取的向日葵蛋白具有良好的持油能力、蛋白質(zhì)溶解度、乳化活性及乳化穩(wěn)定性。

超聲輔助提取法常與其他提取方法聯(lián)用，超聲波的機械作用和空化作用可以促進蛋白質(zhì)更好地溶解，同時通過優(yōu)化超聲工藝參數(shù)可以改善蛋白質(zhì)的功能特性，從而提高蛋白質(zhì)的提取率以及營養(yǎng)價值。WANG等[44]研究了超聲輔助堿法提取對豌豆蛋白的影響，結(jié)果表明聯(lián)合提取法的蛋白提取率最高可達82.6%，蛋白的熱穩(wěn)定性、溶解度、持水/持油能力、發(fā)泡能力、乳化能力以及凝膠形成能力均有顯著提高；深入探究發(fā)現(xiàn)，超聲可在一定程度上改變酶的構(gòu)象，使酶的活性中心暴露出來，從而增大底物與酶結(jié)合位點的結(jié)合，大大加快反應進程。

3.3.2 微波輔助提取法

微波是非電離電磁輻射，頻率在300 MHz到300 GHz。微波輔助提取法使用微波對樣品進行加熱，通過偶極旋轉(zhuǎn)和離子傳導的共同作用使植物基質(zhì)細胞壁中的氫鍵斷裂，進而增加細胞壁的孔隙度，有利于溶劑更好地滲透到細胞內(nèi)，最終釋放胞內(nèi)物質(zhì)。楊文敏等[45]證明了微波輔助堿法相較于堿法提取得到的巴旦木蛋白的溶解性、乳化性、起泡性、持水/持油性及蛋白提取率均得到較大提升，表明微波處理可有效提高蛋白提取率并改善功能性質(zhì)，可能原因是微波在分子層面上作用于物質(zhì)本身，改變了蛋白質(zhì)的構(gòu)象與活性。

3.3.3 脈沖電場輔助提取法

脈沖電場技術在食品領域的應用涉及成分提取、冷凍、干燥等諸多方面。脈沖電場輔助提取法是將樣品置于短時高振幅的脈沖電場中，細胞膜在高跨膜電壓作用下滲透性增加，甚至發(fā)生破裂，使得胞內(nèi)物質(zhì)易于擴散，從而增加生物活性成分的提取率。YU等[46]深入研究了電場強度、脈沖時間等因素對脈沖電場技術提取菜籽蛋白的影響，研究發(fā)現(xiàn)在電場強度8 kV·cm-1、脈沖時間2 ms的條件下，脈沖電場預處理可使最終獲得的總蛋白含量提高1倍，而進一步提高電場強度及增加脈沖次數(shù)無法顯著提高蛋白得率，反而大大增加了能耗。

3.3.4 高靜水壓輔助提取法

高靜水壓處理作為一種新興的非熱加工技術，利用100～1000 MPa的流體壓力對壓力容器內(nèi)的樣品進行處理，高壓環(huán)境會引起細胞變性及細胞壁損傷，使得溶劑進入受損細胞，從而使活性成分溶解于溶劑中。周一鳴等[47]探究了高靜水壓和熱處理對蕎麥蛋白功能性質(zhì)的影響，研究發(fā)現(xiàn)在500 MPa、30 min的高靜水壓處理條件下，蕎麥蛋白的乳化性、起泡性較熱處理分別提高了61.5%、52.8%，證實了高靜水壓處理的優(yōu)勢；傅里葉紅外光譜數(shù)據(jù)顯示，高靜水壓處理后蛋白的α-螺旋和β-折疊相對含量減少，β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲相對含量增加，表明高靜水壓處理可直接改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響蛋白質(zhì)的功能特性。

3.3.5 靜電分離法

靜電分離法是一種新提出的干法分離技術，具有能耗低、可持續(xù)等優(yōu)點，可滿足工業(yè)上連續(xù)化生產(chǎn)的需要。靜電分離技術提取植物蛋白主要包括磨粉、空分、電荷分離3個步驟，多利用摩擦起電原理，而后通過電場對帶電粒子進行分離[48]。靜電分離法具有很高的商業(yè)應用價值，但由于缺乏相關工業(yè)化設備，現(xiàn)多應用于豆科植物蛋白提取。XING等[49]采用靜電分離技術對含淀粉的豆科植物進行了分選，研究表明靜電分離技術相比傳統(tǒng)的空氣分級法獲得的蛋白純度更高；經(jīng)分析，靜電分離法可使蛋白得率和蛋白質(zhì)回收率比現(xiàn)有方法提高約2.8倍。

4 結(jié)語

植物蛋白綠色健康、來源廣泛、發(fā)展前景廣闊，不僅可以替代動物蛋白為人體提供營養(yǎng)，還能有效緩解因過度開發(fā)動物蛋白而帶來的健康及環(huán)境污染問題，是未來食品研究的重點。本文綜述了現(xiàn)有植物蛋白提取技術的研究進展，包含了傳統(tǒng)的化學提取技術以及新興的酶法、物理法等提取技術。從研究結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)提取技術成本低、提取率較高，但提取方法易對蛋白造成損傷而使其失去營養(yǎng)價值，隨著提取技術的發(fā)展正逐漸失去主體地位。新興的提取技術多從微觀層面出發(fā)，利用生物法及細胞破碎技術，對細胞內(nèi)蛋白進行提取，不僅提取率較高，還能改善蛋白的功能特性，從而提高蛋白的食用性及營養(yǎng)價值；然而新型提取技術多伴隨成本較高、操作煩瑣的特點，還需進行更多的工藝優(yōu)化及技術升級以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要。未來植物蛋白提取技術會更多以蛋白品質(zhì)為出發(fā)點，兼顧生產(chǎn)成本，使用聯(lián)合提取技術改善蛋白的功能特性，從而提高植物蛋白的商品屬性，使之更容易被大眾接受。