植物蛋白提取技术研究进展

◎ 李 超，马 航，吴 冉，唐春兰，赵雪龙

（云南云天化股份有限公司研发中心，云南 昆明 650228）

随着世界人口的不断增长及人们对物质生活的追求越来越高，动物蛋白的需求量日益增加，与此同时引发了诸多问题。据统计，近25%的世界人口缺乏足够的蛋白质供应[1]，这意味着约20亿人无法从食物中摄取充足的营养来维持自身需要，伴随着人口增长，这一情况将进一步恶化。动物蛋白不仅与淡水枯竭、气候变化、生物多样性丧失直接相关，过度食用动物蛋白更增加了人们罹患各种病症的风险[2]。植物蛋白以其绿色、健康、可持续等特点成为研究热点，其能改善蛋白摄入不足的现状以及维持生命活动的稳态。

1 植物蛋白的概述

蛋白质是生命活动的物质基础，对人体健康以及生理代谢都起着重要的作用。从食源来分，蛋白质可分为动物蛋白和植物蛋白。营养学上普遍认为动物蛋白的营养价值高于植物蛋白，源于动物蛋白大都富含人体所需的全部氨基酸，且吸收率显著高于植物蛋白，但近年来研究发现，植物蛋白对人体健康发挥着动物蛋白无可比拟的性能优势。植物蛋白的生产成本远低于动物蛋白，对环境的影响更小。植物蛋白具有降低胆固醇含量、预防心血管疾病等作用，可以降低过多食用动物蛋白导致的肥胖、高血压、心脏病等病症的风险[3]。因此，更多地利用优质植物蛋白资源、加快植物蛋白开发意义重大。

2 植物蛋白的广泛来源

2.1 油粕

油粕作为油料作物榨油的副产品，含有丰富的蛋白质，是植物蛋白提取的优质原料。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来源。其中，豆粕以其蛋白含量高且包含人体所需的全部8种必需氨基酸的特点，被国内外学者广泛研究。鲁洋等[4]利用碱溶酸沉法从低温豆粕中提取大豆分离蛋白，在料液比1∶10、温度50 ℃、pH值9.0的条件下可以达到79.01%的提取率。油菜作为仅次于大豆的油料作物，其饼粕产量丰富，不仅富含粗纤维、钙、磷等人体所需营养元素，而且粗蛋白含量占比约40%，是优质的植物蛋白提取原料。NIU等[5]采用酶法对冷榨双低菜籽饼中的蛋白进行提取，在料液比1∶6、碱性蛋白酶浓度1%、酶解时间80 min的条件下，所提蛋白产率达到82.10%。ROMMI等[6]进一步在单酶提取的基础上，采用三酶联用的方式，利用果胶水解酶、木聚糖水解酶和纤维素水解酶制剂对甘蓝型菜籽压榨饼进行酶解处理，结果发现蛋白提取率比未添加酶的处理组提高了1.7倍。此外，花生[7]、棉籽[8]、芝麻[9]、葵花籽[10]等传统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领域均有应用。合理利用油粕进行植物蛋白提取，不仅可以有效降低我国油料作物对进口的依赖性，还能加快我国在植物蛋白领域的研究。

2.2 谷物加工副产物

随着生活水平的提高，谷物的加工愈发精细化，随之而来的是副产物产量的不断攀升。研究发现，谷物加工副产物中含有蛋白质、油脂、多糖、维生素以及膳食纤维等多种营养物质，随着人们对蛋白质的需求量越来越大，谷物加工副产物将是非常有潜力的植物蛋白提取原料。米糠是糙米去壳过程中的副产物，蛋白质含量12%～15%，米糠蛋白具有低致敏性、抗氧化等特点，在食品、护肤品、保健品领域均有较好的应用前景[13]。BERNARDI等[14]利用碱法和搅拌对脱脂米糠进行蛋白提取工艺优化，结果表明在pH值10.0、转速80 r·min-1、搅拌时间300 min、搅拌温度52 ℃的条件下，提取的蛋白含量最高可达48.53%。除传统的化学提取方法外，新兴的物理辅助提取法也更多地应用于植物蛋白提取领域。LY等[15]采用超声辅助提取法对脱脂米糠中的蛋白进行提取，利用超声可直接破坏植物细胞壁的原理，使蛋白可以更好地溶出，研究发现超声辅助提取法的提取率及得率均显著高于常规的碱法提取。随着谷物蛋白提取研究的不断深入，越来越多谷物的加工副产物被用作提取原料，包括粳稻[16]、玉米[17]、大麦[18]、小麦[19]和藜麦[20]等。谷物加工副产物的蛋白提取研究将进一步提高谷物深加工的附加值，提高粮食的利用率。

2.3 新型植物蛋白来源

2.3.1 豆科植物

豆科植物蛋白具有蛋白质含量高、价格低、不含胆固醇等特点，而且其活性肽具有良好的抗氧化、抗炎、免疫调节等生物活性，因而在食品工业中得到了广泛应用。豆科植物来源的蛋白质主要由球蛋白（70%）和白蛋白（10%～20%）组成。球蛋白是一种盐溶性蛋白质，主要包含11S和7S。其中11S球蛋白是分子量为300～400 kDa的六聚体蛋白，7S球蛋白是分子量为150～180 kDa的三聚体蛋白。白蛋白是一种水溶性蛋白质，分子量为16～483 kDa。这些豆类蛋白质来源主要包括豌豆[21]、鹰嘴豆[22]、绿豆[23]、扁豆[24]和蚕豆[25]等，提取方法主要有碱提、盐提、酶提、超声辅助提取等。

2.3.2 果蔬

果蔬作为高附加值产品，不仅种类繁多，而且可以为人类提供多种营养元素。近年研究发现，果蔬在食用或加工过程中的副产物皮、种子等同样含有蛋白质等丰富的营养物质。PARNIAKOV等[26]以富含抗氧化物和蛋白的芒果皮为提取原料，采用脉冲电场辅助提取法，在pH值为11.0、电场强度13.3 kV·cm-1的条件下，蛋白产量显著提高。除了经济价值更高的水果外，部分产量较高的蔬菜同样被作为研究对象。WAGLAY等[27]利用(NH4)2SO4饱和沉淀从马铃薯加工副产物中分离蛋白，最终蛋白产量达到86.5%，回收率相较工业传统方法提高27.2%。

2.3.3 植物茎叶

植物叶蛋白是以绿色植物的茎叶为提取原料，经提取制备得到的蛋白质浓缩物[28]。构成植物叶蛋白的氨基酸比例均衡，不仅包含人体所需的8种必需氨基酸，还富含叶黄素、胡萝卜素以及多种微量元素，在食品添加剂、动物饲料等领域研究较广。目前，研究对象主要有苜蓿[29-30]、苎麻[31-32]，随着相关研究的不断深入，烟草[33]、菠菜[34]等都已成为提取的原料。植物叶蛋白总量丰富、来源广泛，对植物叶蛋白提取进行深入研究，能提高作物附加值，弥补我国蛋白质资源缺口。

3 植物蛋白的提取

植物蛋白虽相比动物蛋白更健康，但其被纤维薄膜包裹，不能直接被人体消化，导致其吸收率低，需使用蛋白提取技术处理以便于消化吸收。传统植物蛋白提取方法多为化学方法，随着研究规模的不断扩大，各种新型提取方法涌现，主要以酶法及物理辅助提取法为主。

3.1 化学法

3.1.1 碱溶酸沉法

碱溶酸沉法是植物蛋白提取中最常用的方法，利用蛋白质的溶解度随溶液pH值的增加而增加且在等电点下析出的特点，用碱维持溶液的高pH值，同时破坏蛋白质中的二硫键以提高蛋白质的回收率，最后用酸调节到等电点使蛋白析出。碱溶酸沉法成本低、操作简便、提取率高，被广泛应用于各种植物蛋白的提取。ZHANG等[8]利用碱法对棉籽分离蛋白进行提取，采用正交实验设计，发现在料液比1∶12、pH值12.5、温度60 ℃、提取时间40 min时，蛋白提取率最高可达70%。大量研究发现，影响碱溶酸沉法的主要因素有料液比、碱溶pH值、碱溶时间及碱溶温度。翟晓娜等[35]以菜籽粕蛋白为研究对象，利用方差分析探究出碱提因素的主次顺序为碱溶温度＞碱溶pH值＞碱溶时间，而料液比的变化对该蛋白提取无明显影响。高丽等[36]运用单因素试验和正交试验探究碱法提取大豆分离蛋白的最佳工艺条件，最后得出4个因素对提取率影响的主次顺序依次为料液比＞碱溶温度＞碱溶pH值＞碱溶时间。通过对比两组实验结果可进一步发现，原料不同，影响提取率的因素也可能会发生变化。

随着研究的深入，碱溶酸沉法的缺陷逐渐凸显，即高浓度的碱液会使蛋白质发生不可逆变性，从而失去营养价值，因而提取所得蛋白质的功能特性及安全性成为研究重点。HOU等[37]对不同碱浓度提取米渣蛋白的功能、结构特性进行研究，以评价其营养特性和安全性。研究发现，当碱浓度高于0.03 mol·L-1时，蛋白质溶解度增加，而蛋白质表面疏水性下降，蛋白质的乳化活性和乳化稳定性呈下降趋势；结构特性研究表明，当碱浓度高于0.03 mol·L-1时，亚基变浅、变窄，有的甚至消失，碱变性主要引起α-螺旋结构转变为β-折叠结构，且碱处理造成的最大损害是赖氨酸、半胱氨酸、丝氨酸和苏氨酸含量的降低。综合看来，碱溶酸沉法可提高蛋白的提取效率，但严重影响蛋白质的消化率，破坏氨基酸的结构，降低提取蛋白质的整体质量和可接受性。因此，使用碱法提取蛋白时，应依据蛋白质来源制定碱浓度和用量，在不影响其功能特性的情况下回收高质量蛋白质。

3.1.2 有机溶剂法

部分具有脂质结合能力、极性侧链及含有芳香族氨基酸的蛋白质，易溶于乙醇、丙酮等有机溶剂，因此常用有机溶剂法来提取蛋白。EMBABY等[38]将脱脂金合欢种子粉与95%乙醇以1∶20混合，在pH值4.5、搅拌时间2 h条件下进行蛋白提取，得到了富含多种人体必需氨基酸的浓缩蛋白，可作为一种食用蛋白质的来源。CHEN等[39]开发了一种同时提取和分离油、蛋白质和硫代葡萄糖苷的方法：将粉碎后的辣木籽装入石油醚与乙醇比例为8∶2的柱中洗脱，后续再用70%乙醇分离；结果表明，95%以上的油、蛋白质和硫代葡萄糖苷被提取出来。

3.1.3 盐溶液法

少量中性盐会增加蛋白质表面电荷，使得蛋白质分子与水分子的相互作用增强，在溶液中的溶解度增大，通过超滤除去盐分，从而实现蛋白质沉淀，盐溶液法正是基于该原理实现蛋白提取。FEYZI等[40]研究了NaCl溶液浓度对葫芦巴种子蛋白质提取的影响，通过对氨基酸组成、乳化稳定性、油水结合能力等功能性质进行测定，结合响应面研究法确定了NaCl溶液浓度为0.33 mol·L-1、pH值为9.25时蛋白得率最高，且盐溶液浓度过高过低都会使蛋白产量显著下降。

3.1.4 反胶束萃取法

表面活性剂在水中的浓度超过临界胶束浓度会形成聚集体，称为反胶束。反胶束萃取法利用水-表面活性剂-有机溶剂构成的三相系统，与亲水溶液接触时，亲水物质会进入反胶束的极性核内，在水层和极性基团的保护下，蛋白不会发生变性。反胶束萃取法提取植物蛋白的过程包括正向提取和反向提取两个步骤，在正向提取过程中，蛋白质溶解到反胶束溶液中；而在反向提取过程中，溶解的蛋白质从反胶束溶液中恢复。ZHAO等[41]研究了反胶束法分离得到的大豆蛋白的功能、营养和风味特性，反胶束法分离的大豆蛋白的吸油能力、发泡能力、发泡稳定性、乳化能力和乳化稳定性均高于碱法分离得到的大豆蛋白，但持水能力、风味化合物种类下降；结果表明，反胶束萃取法可在一定程度上改善大豆蛋白的功能、营养和风味特征。

3.1.5 亚临界水法

亚临界水法是一种通过控制温度与压力使高压热水的极性发生变化，实现天然产物有效成分从水溶性转变为脂溶性的提取技术。在高压热水中，水的解离常数相较于环境温度下的解离常数大几个数量级，此时水在化学反应中充当酸或碱催化剂，无需额外催化剂便可以溶解大分子物质。食源性植物蛋白具有较高的营养价值和优良的功能特性，采用绿色、高效、无害的提取方法是一大研究热点。LU等[42]采用亚临界水法提取热变形豆粕中的大豆分离蛋白，研究发现，亚临界水法提取所得大豆分离蛋白相比天然大豆分离蛋白表现出更高的表面疏水性、乳化能力以及物理稳定性。

3.2 酶法

酶法提取是利用碳水化合物酶（包含纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶等）以及蛋白酶的特异性、高效性，对植物细胞壁进行降解，并使大分子蛋白分解为易溶的小分子，从而为植物蛋白提取创造条件。酶法提取加工时间长、操作成本高，但与传统碱法提取相比，其提取率高且不会对蛋白造成损害，被认为是一种更温和的提取方式。FETZER等[43]采用碱法以及酶法对菜籽压榨饼中蛋白进行提取，并考察了料液比、提取时间、温度、pH值、提取循环次数等因素对提取率的影响；研究发现，使用酶法提取的蛋白得率高于碱法，且采用多次预榨并逐步提高pH值的方式可进一步提升蛋白得率。

随着酶法提取的广泛应用，越来越多的实验结果显示酶法与其他提取方法联用的方式可以显著提高蛋白得率。GÖRGÜÇ等[9]利用新兴的真空超声法与酶法联用对芝麻麸皮中的植物蛋白进行提取，采用响应面中心复合设计对真空操作参数进行研究，结果表明在酶浓度1.82 AU/100 g、真空时间8 min、恢复时间68 min、真空压力238 mmHg的条件下，提取蛋白得率相较标准碱法提取提高了41.6%。

随着研究的进一步深入，更多种类的酶应用在酶法提取上，逐渐出现了双酶提取、三酶提取等多酶联合提取的方式。HOUDE等[18]研究了常规碱法、双酶法、三酶法对脱脂大麦面粉中浓缩蛋白的提取率、结构和功能性质的影响，结果表明利用α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶以及β-1,3,4-葡聚糖酶三酶联合的提取方式得到了最高的蛋白质回收率（78.3%），所得大麦浓缩蛋白具有较好的泡沫稳定性，市场潜力较大。

3.3 物理法

3.3.1 超声辅助提取法

超声辅助提取法是利用超声波的空化现象，诱导微缝和通道的形成来增加基质的孔隙率，使细胞膜和细胞壁被破坏，从而使溶剂可以渗透到细胞内，并将细胞内的蛋白质释放到溶剂中。超声辅助提取法无需高温，可减少蛋白质的降解和变性，但长时间和大功率的超声可能会导致蛋白质聚集，降低蛋白质的产量，因而提取参数优化以及蛋白特性变化是研究的重点。DABBOUR等[10]采用Box-Behnken设计优化向日葵粕中蛋白质的超声提取工艺，研究发现在功率密度220 W·L-1、温度45 ℃和提取时间15 min的条件下，蛋白产量可达54.26%，耗电量为0.13 kW·h；对提取蛋白的功能性质进行研究，发现超声辅助提取的向日葵蛋白具有良好的持油能力、蛋白质溶解度、乳化活性及乳化稳定性。

超声辅助提取法常与其他提取方法联用，超声波的机械作用和空化作用可以促进蛋白质更好地溶解，同时通过优化超声工艺参数可以改善蛋白质的功能特性，从而提高蛋白质的提取率以及营养价值。WANG等[44]研究了超声辅助碱法提取对豌豆蛋白的影响，结果表明联合提取法的蛋白提取率最高可达82.6%，蛋白的热稳定性、溶解度、持水/持油能力、发泡能力、乳化能力以及凝胶形成能力均有显著提高；深入探究发现，超声可在一定程度上改变酶的构象，使酶的活性中心暴露出来，从而增大底物与酶结合位点的结合，大大加快反应进程。

3.3.2 微波辅助提取法

微波是非电离电磁辐射，频率在300 MHz到300 GHz。微波辅助提取法使用微波对样品进行加热，通过偶极旋转和离子传导的共同作用使植物基质细胞壁中的氢键断裂，进而增加细胞壁的孔隙度，有利于溶剂更好地渗透到细胞内，最终释放胞内物质。杨文敏等[45]证明了微波辅助碱法相较于碱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较大提升，表明微波处理可有效提高蛋白提取率并改善功能性质，可能原因是微波在分子层面上作用于物质本身，改变了蛋白质的构象与活性。

3.3.3 脉冲电场辅助提取法

脉冲电场技术在食品领域的应用涉及成分提取、冷冻、干燥等诸多方面。脉冲电场辅助提取法是将样品置于短时高振幅的脉冲电场中，细胞膜在高跨膜电压作用下渗透性增加，甚至发生破裂，使得胞内物质易于扩散，从而增加生物活性成分的提取率。YU等[46]深入研究了电场强度、脉冲时间等因素对脉冲电场技术提取菜籽蛋白的影响，研究发现在电场强度8 kV·cm-1、脉冲时间2 ms的条件下，脉冲电场预处理可使最终获得的总蛋白含量提高1倍，而进一步提高电场强度及增加脉冲次数无法显著提高蛋白得率，反而大大增加了能耗。

3.3.4 高静水压辅助提取法

高静水压处理作为一种新兴的非热加工技术，利用100～1000 MPa的流体压力对压力容器内的样品进行处理，高压环境会引起细胞变性及细胞壁损伤，使得溶剂进入受损细胞，从而使活性成分溶解于溶剂中。周一鸣等[47]探究了高静水压和热处理对荞麦蛋白功能性质的影响，研究发现在500 MPa、30 min的高静水压处理条件下，荞麦蛋白的乳化性、起泡性较热处理分别提高了61.5%、52.8%，证实了高静水压处理的优势；傅里叶红外光谱数据显示，高静水压处理后蛋白的α-螺旋和β-折叠相对含量减少，β-转角和无规卷曲相对含量增加，表明高静水压处理可直接改变蛋白质结构，从而影响蛋白质的功能特性。

3.3.5 静电分离法

静电分离法是一种新提出的干法分离技术，具有能耗低、可持续等优点，可满足工业上连续化生产的需要。静电分离技术提取植物蛋白主要包括磨粉、空分、电荷分离3个步骤，多利用摩擦起电原理，而后通过电场对带电粒子进行分离[48]。静电分离法具有很高的商业应用价值，但由于缺乏相关工业化设备，现多应用于豆科植物蛋白提取。XING等[49]采用静电分离技术对含淀粉的豆科植物进行了分选，研究表明静电分离技术相比传统的空气分级法获得的蛋白纯度更高；经分析，静电分离法可使蛋白得率和蛋白质回收率比现有方法提高约2.8倍。

4 结语

植物蛋白绿色健康、来源广泛、发展前景广阔，不仅可以替代动物蛋白为人体提供营养，还能有效缓解因过度开发动物蛋白而带来的健康及环境污染问题，是未来食品研究的重点。本文综述了现有植物蛋白提取技术的研究进展，包含了传统的化学提取技术以及新兴的酶法、物理法等提取技术。从研究结果可以看出，传统提取技术成本低、提取率较高，但提取方法易对蛋白造成损伤而使其失去营养价值，随着提取技术的发展正逐渐失去主体地位。新兴的提取技术多从微观层面出发，利用生物法及细胞破碎技术，对细胞内蛋白进行提取，不仅提取率较高，还能改善蛋白的功能特性，从而提高蛋白的食用性及营养价值；然而新型提取技术多伴随成本较高、操作烦琐的特点，还需进行更多的工艺优化及技术升级以满足工业化生产的需要。未来植物蛋白提取技术会更多以蛋白品质为出发点，兼顾生产成本，使用联合提取技术改善蛋白的功能特性，从而提高植物蛋白的商品属性，使之更容易被大众接受。