植物蛋白泡沫分離技術(shù)研究現(xiàn)狀

張可可，胡楠，李會(huì)珍，張志軍

(中北大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，山西 太原，030051)

隨著“植物蛋白基食品”發(fā)展熱潮的不斷興起，植物蛋白資源的高效利用成為全球食品行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。植物蛋白廣泛存在于植物的種子、果實(shí)和葉子中，是人類攝入蛋白的主要來(lái)源之一，與動(dòng)物蛋白相比具有抗高血壓、降膽固醇、抗腫瘤、抗微生物、預(yù)防慢性疾病等優(yōu)異功效[1]。居民膳食蛋白質(zhì)[2]研究表明未來(lái)的飲食方向是減少肉類蛋白質(zhì)而增加植物來(lái)源的蛋白質(zhì)在飲食中的比重，所以開(kāi)發(fā)高效分離植物蛋白的工藝和方法具有重要意義。

1 植物蛋白的分離方法

目前植物蛋白的分離方法主要有堿溶酸沉法[3-4]、鹽溶酸沉法[5-6]、生物酶法[7-8]、超聲破碎法[9-10]、熱水浸提法[11-12]、超聲波輔助提取法[13-14]、泡沫分離法[15-16]、色譜分離法[17-18]、超濾法[19-20]和大孔樹(shù)脂吸附法[21-22]，各方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。其中，泡沫分離是一種利用氣體為分離介質(zhì)以達(dá)到分離和濃縮目的的新興技術(shù)，針對(duì)植物浸提液中的低濃度蛋白質(zhì)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)其的高度富集和回收，降低其后續(xù)純化和產(chǎn)品化難度；其次，泡沫分離設(shè)備簡(jiǎn)單，易于放大，操作條件溫和，對(duì)蛋白質(zhì)的活性影響小，因此在降低植物蛋白分離成本和保證蛋白功能性方面具有巨大潛力。本文將綜述泡沫分離在濃縮回收植物蛋白質(zhì)方面的應(yīng)用情況，包括分離純蛋白和蛋白混合體系工藝研究?jī)煞矫妗?/p>

表1 植物蛋白質(zhì)濃縮回收方法的匯總Table 1 Summary of the methods for enriching and recovering plant protein

2 泡沫分離植物純蛋白的研究進(jìn)展

2.1 工藝條件對(duì)泡沫分離植物蛋白的影響

植物蛋白浸提液的溶液性質(zhì)是影響其泡沫分離效果的重要因素，溶液初始濃度、溫度[23]、離子濃度[24]和pH是研究者經(jīng)?？疾斓年P(guān)鍵因素，除此之外，進(jìn)液量、氣速、氣體分布器孔徑大小[23]和鼓泡時(shí)間[25]等操作條件同樣不可忽視。

(1)蛋白初始濃度。蛋白初始濃度通過(guò)影響溶液的表面張力影響泡沫起泡性，蛋白濃度越高表面張力越低，泡沫的發(fā)泡能力越強(qiáng)，排液速率越慢，回收率升高而富集比降低。為了形成穩(wěn)定的泡沫層，蛋白質(zhì)的濃度要在臨界膠束濃度以下進(jìn)行[26]。

(2)pH值。pH值通過(guò)改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)來(lái)影響蛋白質(zhì)集聚，在pH等于等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)所帶靜電荷為零，蛋白質(zhì)分子周圍的雙電層消失，氣泡表面液膜的厚度減小，泡沫排液速率加快，蛋白質(zhì)分離效果最好[27]。李軒領(lǐng)[28]在提取亞麻籽蛋白時(shí)，富集比和回收率在其等電點(diǎn)pH等于3時(shí)達(dá)到最大。

(3)進(jìn)氣速度。隨著氣速的增加，泡沫在分離柱內(nèi)的時(shí)間縮短，減少了排水的時(shí)間所以富集比降低，泡沫量隨之增加，使得回收率升高。

(4)裝液量。在泡沫分離過(guò)程中，裝液量不同，其液相壓力就不同，壓力對(duì)氣泡的大小和分布都有影響，分離效果隨著液相壓力的增大先明顯增大，進(jìn)而增加平緩，當(dāng)壓力增大到一定值，分離效果降低[29]。

(5)溫度。溫度是影響液相吸附和泡沫相排液的因素之一，吸附是放熱過(guò)程，而溫度升高，則阻礙放熱的進(jìn)行，溶液的黏度隨溫度的升高而下降，有利于泡沫層排液[30]。

(6)氣體分布器。氣體分布器孔徑是控制氣泡大小的重要因素，小的氣泡有利于增大氣液傳質(zhì)的比表面積，且在液相中上升的速度慢，有利于蛋白質(zhì)的吸附，使得富集比增大[31]。

(7)離子強(qiáng)度。增大離子強(qiáng)度可以改善蛋白在氣-液界面處的吸附，提高排液，增加泡沫的穩(wěn)定性，加大泡沫產(chǎn)量提高回收率。

劉海濱[32]、劉穎[33]對(duì)桑葉、紫花苜蓿葉、菠菜葉以及亞麻籽、甘薯等蛋白濃縮和回收工藝進(jìn)行了優(yōu)化(見(jiàn)表2)，表明泡沫分離能夠高效富集和回收植物蛋白，對(duì)充分開(kāi)發(fā)植物蛋白資源具有重要意義。

表2 泡沫分離植物蛋白的工藝研究進(jìn)展Table 2 Research progress of the foam fractionation of plant protein

2.2 裝置結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫分離植物蛋白的影響

裝置結(jié)構(gòu)直接影響泡沫分離植物蛋白的富集比。泡沫分離植物蛋白質(zhì)的富集比是決定蛋白質(zhì)后續(xù)純化的關(guān)鍵指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)蛋白分離效果的直接表征。強(qiáng)化液相吸附和泡沫相排液是提高植物蛋白質(zhì)的富集比的直接手段。在強(qiáng)化液相吸附方面，張哲等[35]開(kāi)發(fā)了一種液相安裝垂直篩板構(gòu)件的新型泡沫分離塔，能有效增加大豆蛋白的吸附密度并縮短平衡時(shí)間，與傳統(tǒng)液相無(wú)構(gòu)件的泡沫分離塔相比，大豆蛋白的密度提高了58.8%。王連杰[36]分離大豆乳清蛋白時(shí)，在泡沫分離塔中加入折流板來(lái)強(qiáng)化氣-液界面的吸附(圖1)，一方面增加了氣泡在液相中的停留時(shí)間，另一方面減小了蛋白質(zhì)分子在氣液界面的傳質(zhì)阻力，與對(duì)照塔相比，氣-液界面蛋白質(zhì)的質(zhì)量流率和氣-液表面過(guò)剩分別提高了153%和193%。

圖1 折流板構(gòu)件的三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 3D structure diagram of the baffle plate components

為了促進(jìn)泡沫相排液，孫景輝[37]設(shè)計(jì)了一種新型泡沫分離塔即泡沫相部分水平泡沫塔，如圖2所示，以牛血清蛋白為研究體系，得出泡沫相部分水平泡沫分離塔的富集比是對(duì)照直塔的1.8倍。李瑞[38]和楊全文等[39]以牛血清蛋白為研究體系，把螺旋內(nèi)構(gòu)件應(yīng)用到泡沫分離過(guò)程中來(lái)強(qiáng)化泡沫排液，富集比分別提高1.85倍和2.5倍。吳兆亮等[40]開(kāi)發(fā)了2種由截流板和導(dǎo)流筒組成的促進(jìn)泡沫排液的設(shè)備，以乳酸菌肽發(fā)酵液為研究體系，發(fā)現(xiàn)上口封閉帶小孔的導(dǎo)流筒Ⅱ能非常顯著的降低出口持液率，其富集比是簡(jiǎn)單泡沫塔的2.42倍。盧珂等[41]設(shè)計(jì)了一種在泡沫相加內(nèi)套筒的泡沫分離塔，以牛血清蛋白為研究體系，與沒(méi)有加內(nèi)套筒的對(duì)照塔相比，加內(nèi)套筒的實(shí)驗(yàn)塔降低了持液量，加速了泡沫的變大和聚并，提高了牛血清蛋白富集比，而且牛血清蛋白的富集比隨著加入內(nèi)套筒長(zhǎng)度的增加而增加。從簡(jiǎn)單泡沫分離塔到傾斜泡沫分離塔再到內(nèi)構(gòu)件泡沫分離塔，研究者不斷開(kāi)發(fā)在溫和條件下利于泡沫相排液的內(nèi)構(gòu)件，其中帶螺旋內(nèi)構(gòu)件的泡沫分離塔，由于螺旋離心力作用，氣泡和氣泡之間的液體逆流流動(dòng)阻力更小，富集比相較于其他構(gòu)件高。

圖2 部分水平泡沫分離塔Fig.2 Part of horizontal foam fractionation tower

2.3 操作方式對(duì)泡沫分離植物蛋白的影響

泡沫分離有間歇式、連續(xù)式和分級(jí)式3種操作方式，通過(guò)料液是否一次性加入、鼓泡時(shí)間是否連續(xù)和有無(wú)殘液排出來(lái)判斷間歇式和連續(xù)式；分級(jí)式是將回收的泡沫液再次鼓泡，有多塔多級(jí)和單塔多級(jí)2種形式。孫瑞娉等[42]設(shè)計(jì)的兩級(jí)泡沫分離提取大豆蛋白，如圖3所示，既能提高富集比又能增大回收率，第一級(jí)的泡沫分離使大豆蛋白質(zhì)的富集比盡可能高，具體數(shù)值為7.71，第二級(jí)的泡沫分離使蛋白質(zhì)的回收率盡可能高，總回收率為82.75%。表3總結(jié)了采用不同操作方式及其相應(yīng)回收率大小，可以發(fā)現(xiàn)兩級(jí)泡沫分離的采用能夠明顯提高單級(jí)(間歇或連續(xù))的蛋白質(zhì)分離效果。

圖3 兩級(jí)泡沫分離大豆蛋白工藝流程圖Fig.3 Process Flow Chart of two-stage foam fractionation of soybean protein

3 泡沫分離植物蛋白混合體系的研究進(jìn)展

3.1 蛋白質(zhì)-糖混合體系

植物蛋白質(zhì)在提取過(guò)程中多糖往往也隨之提取出來(lái)，因此去除提取混合物中的多糖成為植物蛋白質(zhì)提純的關(guān)鍵步驟。理論上多糖不是表面活性物質(zhì)，泡

表3 泡沫分離植物蛋白過(guò)程中不同操作方式 對(duì)蛋白回收率的影響Table 3 Effect of different operating methods on protein recovery rate during foam fractionation plant protein

沫分離法可以得到高純度的蛋白質(zhì)并能使一同浸出的多糖不受破壞。實(shí)際上蛋白質(zhì)和多糖并不是獨(dú)立存在的，二者可發(fā)生復(fù)合反應(yīng)[46]。李軒領(lǐng)[28]以未脫膠的亞麻籽餅粕為原料提取亞麻籽蛋白時(shí)，提出了一種新的增加分離效果的策略，以CO2為載氣，降低溶液pH，使得亞麻膠水解，從而破壞酸性多糖和蛋白質(zhì)的結(jié)合，最終提高亞麻籽蛋白質(zhì)的回收率和富集比，超過(guò)空氣直接泡沫分離10%以上。通過(guò)弱化植物蛋白質(zhì)和多糖之間的相互作用，成為泡沫分離蛋白質(zhì)-糖混合體系的研究重點(diǎn)。

3.2 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)混合體系

植物蛋白質(zhì)多以混合蛋白的形式存在[47]，針對(duì)二元蛋白質(zhì)混合體系，寇倩云等[48]建立了牛血清白蛋白和溶菌酶混合溶液的初始泡沫高度、泡沫半衰期與其各自濃度的關(guān)系式[公式(1)以及公式(2)]，為分離蛋白質(zhì)二元體系提供了理論基礎(chǔ)。不過(guò)對(duì)于三元蛋白質(zhì)混合體系的泡沫分離機(jī)理還需進(jìn)一步研究[47]。此外，還可基于蛋白質(zhì)等電點(diǎn)不同的原則，加入陰離子或陽(yáng)離子表面活性劑與其中一種蛋白質(zhì)結(jié)合，來(lái)提高另一種蛋白質(zhì)的回收率。SUZUKI等[49]通過(guò)加入陰離子表面活性劑選擇性的分離卵蛋白和溶菌酶。TADASHI等[50]根據(jù)溶菌酶和α-淀粉酶的等電點(diǎn)不同，在不同pH條件下，選擇性的進(jìn)行了分離，圖4為不同pH條件下，溶菌酶和α-淀粉酶的SDS-PAGE圖譜。

(1)

t1/2=

(2)

圖4 溶菌酶和α-淀粉酶在不同pH下的 電泳圖Fig.4 Electrophoretogram of lysozyme and α-amylase at different pH values

4 結(jié)論

植物蛋白因其具有優(yōu)異的功效已引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的濃厚興趣，未來(lái)具備實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的潛能。但植物蛋白常用的濃縮回收方法存在許多局限性，泡沫分離在植物蛋白的濃縮和回收中展現(xiàn)了巨大的潛力，不僅可通過(guò)設(shè)計(jì)泡沫分離的操作條件、分離裝置來(lái)調(diào)控植物蛋白的分離，還可通過(guò)多級(jí)泡沫分離來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，充分利用泡沫分離的所有優(yōu)點(diǎn)，可以顯著促進(jìn)泡沫分離植物蛋白的工業(yè)化進(jìn)程。然而，大部分植物蛋白并不是獨(dú)立的存在，蛋白質(zhì)與其他物質(zhì)的結(jié)合使得泡沫分離在該領(lǐng)域還面臨諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。未來(lái)泡沫分離在植物蛋白富集和回收方面的研究可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行突破。

(1)優(yōu)化泡沫分離富集、回收蛋白的工藝條件。根據(jù)不同蛋白質(zhì)的特性選擇最優(yōu)的泡沫分離工藝，確定蛋白濃度、溫度、pH、進(jìn)液量、氣速等操作條件，解決分離過(guò)程中回收率、富集比不高的問(wèn)題，加速泡沫分離制備植物蛋白的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

(2)泡沫分離針對(duì)分離多種蛋白混合物和蛋白多糖混合物的數(shù)據(jù)偏少，對(duì)蛋白質(zhì)混合物的分離還需要深入研究，從而更有效地指導(dǎo)實(shí)際復(fù)雜植物蛋白體系的分離和回收。