馬鈴薯蛋白制備及應(yīng)用研究進展

楊 琦，程述震，杜 明

（大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，國家海洋食品工程技術(shù)研究中心，遼寧大連 116034）

馬鈴薯是一年生的茄科草本植物，它與小麥、玉米和稻子被人們評為全球四大重要的糧食作物。馬鈴薯含有豐富的熱量，是因為淀粉占馬鈴薯塊莖成分中的絕大部分，并且有研究表明馬鈴薯營養(yǎng)豐富，尤其是其中的馬鈴薯蛋白質(zhì)，因其具有高營養(yǎng)特性和良好的人體消化吸收率而倍受關(guān)注[1]。中國是世界馬鈴薯總產(chǎn)量最多的國家，“馬鈴薯主糧化”戰(zhàn)略在2015年被明確提出，目的是推進馬鈴薯主食產(chǎn)品開發(fā)和促進馬鈴薯深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，當時預(yù)計2020 年全國馬鈴薯種植面積將突破1 億畝，將30%以上的馬鈴薯加工成主食[2]。就我國馬鈴薯產(chǎn)量來看，近年來是持續(xù)增長的狀態(tài)，我國2021 年的馬鈴薯產(chǎn)量近1800 萬噸，與2011 年相比，增量近兩百萬噸，增幅達12.22%。我國馬鈴薯產(chǎn)量增長率在2014 年、2015年、2019 年有一定程度的下滑，其它年份我國馬鈴薯產(chǎn)量均保持較為穩(wěn)定的增長態(tài)勢。2016～2021 年中國馬鈴薯播種面積及產(chǎn)量如圖1[3]。

圖1 2016～2021 年中國馬鈴薯播種面積及產(chǎn)量Fig.1 Sown area and yield of potato in China from 2016 to 2021

馬鈴薯淀粉的競爭力要遠高于其他淀粉，有很多國家的馬鈴薯產(chǎn)量很高，所用于淀粉加工的馬鈴薯大約總產(chǎn)量的40%，全世界有25%的淀粉來自馬鈴薯[4]。但是據(jù)統(tǒng)計，在馬鈴薯淀粉生產(chǎn)過程中，平均6.5 噸的馬鈴薯可以生產(chǎn)出1 噸的馬鈴薯淀粉，還會產(chǎn)生1 噸的廢渣和9 噸的廢水。近幾年我國馬鈴薯淀粉年需求量維持在70 萬噸水平，產(chǎn)量保持在40～70 萬噸，由此可推算出我國馬鈴薯淀粉工業(yè)中每年產(chǎn)生廢水和廢渣的量。馬鈴薯淀粉加工過程是以馬鈴薯為原料，經(jīng)過銼磨、提取、濃縮、清洗、干燥、篩分和精制等步驟而成。在淀粉生產(chǎn)的粉碎、濃縮和脫水等步驟會產(chǎn)生很多的廢水，它是一種濃度很高、成分多樣的有機廢水。淀粉廢水中蛋白質(zhì)的含量在2000～8000 mg/L 之間，化學(xué)耗氧量（COD）約為6000～30000 mg/L，還有8500～10000 mg/L 的固體懸浮物（SS）。馬鈴薯淀粉加工分離汁水的化學(xué)成分見表1[5]，相較于其他物質(zhì)來說，加工廢水中蛋白含量占比較高，有較好的回收價值。若不對廢水進行二次加工處理，不僅浪費水資源和很多有用物質(zhì)，還會污染環(huán)境，所以檢測廢水中成分并利用合適的方法對其進行回收和利用可以提高副產(chǎn)物利用率，有助于提高我國食品蛋白資源儲量，具有重要的社會和經(jīng)濟價值。

表1 馬鈴薯淀粉加工廢水的化學(xué)組成[5]Table 1 Chemical composition of potato starch processing wastewater[5]

目前馬鈴薯蛋白可應(yīng)用于營養(yǎng)型乳飲料、風(fēng)味冰淇淋等食品中，并且其在食品保鮮材料和動物飼料的應(yīng)用也非常廣泛，其天門冬氨酸的含量顯著，還可以將其應(yīng)用于治療高血壓和心臟病，或添加于各種清涼飲料。但馬鈴薯蛋白在食品中的應(yīng)用種類較少，開發(fā)力度不大。因此應(yīng)進一步對馬鈴薯蛋白制備及應(yīng)用進行研究，擴大馬鈴薯蛋白的市場。本文對馬鈴薯蛋白各種提取方法及其應(yīng)用進行了綜述，同時結(jié)合現(xiàn)有研究和生產(chǎn)工藝流程，擬設(shè)計了從馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)回收生產(chǎn)設(shè)備流程，以期解決蛋白質(zhì)得率低及超濾法不能連續(xù)生產(chǎn)的問題，提高蛋白回收率，降低生成成本。

1 馬鈴薯蛋白的組成、結(jié)構(gòu)及特性

1.1 馬鈴薯蛋白的組成

馬鈴薯中蛋白質(zhì)含量為2.6%～3.8%。馬鈴薯蛋白質(zhì)有三個部分分別是：高分子量蛋白質(zhì)、糖蛋白和蛋白酶抑制劑，其中高分子量蛋白質(zhì)的分子量最高，蛋白酶抑制劑最低[6]。很少有學(xué)者對高分子量蛋白質(zhì)進行研究。馬鈴薯總蛋白大概含有40%的糖蛋白，其中含有32%的糖和64%的蛋白質(zhì)。研究表明，馬鈴薯貯藏蛋白也可以分為酸性組分和堿性組分，馬鈴薯塊莖酸性蛋白組分和堿性蛋白組分的得率分別為0.535%和0.741%，純度分別為92.5%和89.2%；酸性蛋白組分有較好的表面疏水性、吸油能力以及乳化性，而堿性蛋白組分有較高的總巰基含量以及起泡性[7]。

蛋白酶抑制劑含量很高，馬鈴薯塊莖總可溶性蛋白的50%都是蛋白酶抑制劑。近年來發(fā)現(xiàn)蛋白酶抑制劑可以抗癌和調(diào)節(jié)飲食，針對這一功能特性可以進一步開發(fā)其在制藥和食品工業(yè)中的應(yīng)用。馬鈴薯蛋白是包含19 種氨基酸的完全蛋白質(zhì)，其中含有20%左右的必需氨基酸，和雞蛋蛋白相近，明顯高于FAO/WHO 的標準蛋白（36.0%）。馬鈴薯蛋白的氨基酸組成如表2[8]。

表2 馬鈴薯蛋白的氨基酸組成[8]Table 2 Amino acid composition of potato protein

現(xiàn)在馬鈴薯蛋白的生產(chǎn)主要是從馬鈴薯淀粉廢水中進行提取，國外對馬鈴薯蛋白的廢水回收并沒有過多的研究，其主要研究在于馬鈴薯蛋白的應(yīng)用，例如研究其水解物對心臟的保護作用或?qū)⑵鋺?yīng)用于3D 打印、飲料和面包的制作中等。馬鈴薯塊莖當中各種蛋白組分共同組成了馬鈴薯濃縮蛋白，但是在加工過程中需要加熱，這導(dǎo)致馬鈴薯濃縮蛋白已經(jīng)變性。馬鈴薯濃縮蛋白及其水解物的質(zhì)量標準見表3[9]。

表3 馬鈴薯濃縮蛋白及其水解物的質(zhì)量標準[9]Table 3 Quality standards for potato protein concentrate and its hydrolysates[9]

1.2 馬鈴薯蛋白的結(jié)構(gòu)

分離純化馬鈴薯粗球蛋白以后就可以得到馬鈴薯球蛋白，它的相對分子量是22 kDa。通過氨基酸成分等結(jié)構(gòu)分析表明，含硫氨基酸是馬鈴薯球蛋白的限制性氨基酸，其二級結(jié)構(gòu)主要是無規(guī)則卷曲，占85%以上，β-折疊和α-螺旋含量接近，β-轉(zhuǎn)角含量最低[10]。

二聚體是自然狀態(tài)下的馬鈴薯糖蛋白形態(tài)有相似的結(jié)構(gòu)特性和熱穩(wěn)定性，馬鈴薯糖蛋白最穩(wěn)定的構(gòu)象存在于pH 6～8 之間。362 個氨基酸殘基組成了馬鈴薯糖蛋白非常穩(wěn)定的一級結(jié)構(gòu)，不會受到外界環(huán)境因素影響。而二、三級結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易受外界環(huán)境因素影響。不同條件下馬鈴薯蛋白的二級結(jié)構(gòu)也不同，馬鈴薯糖蛋白是一種高熱穩(wěn)定性蛋白；而尿素、DDT 等變性劑會對其二級結(jié)構(gòu)造成巨大破壞，使其結(jié)構(gòu)由有序變成無序[11]。

1.3 馬鈴薯蛋白的營養(yǎng)特性

新鮮馬鈴薯的蛋白資源并不被人們所重視。但其營養(yǎng)豐富，產(chǎn)量大，很好的滿足人體對蛋白營養(yǎng)的需求。蛋白質(zhì)的日推薦攝食量為0.8 g/kg 體重/d，成年人蛋白質(zhì)的可接受宏量營養(yǎng)素分布范圍占能量總需求的10%～35%[12]。馬鈴薯蛋白的營養(yǎng)價值高是因為它必需氨基酸含量高，例如賴氨酸的含量為6.7%～10.10%；蘇氨酸的含量為4.6%～6.5%[13]。賴氨酸含量高使得馬鈴薯作為主食非常具有吸引力，谷物蛋白如作為主食的大米和小麥缺乏賴氨酸，因此用馬鈴薯作為主糧正好能彌補水稻和小麥等的缺陷。

黏體蛋白是一種多糖蛋白的混合物，它在馬鈴薯蛋白中含量豐富。黏體蛋白含有12 種清除自由基的氨基酸，包括半胱氨酸、蛋氨酸、酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸和組氨酸。黏體蛋白中的色氨酸和半胱氨酸可能與測定的抗氧化活性有關(guān)。黏體蛋白具有較高的DPPH 自由基清除活性，其清除活性與強抗氧化劑阿魏酸相當。黏體蛋白還是ACE-和腎素抑制肽的良好前體[14]。并且它的脂肪酶活性可以在巴氏殺菌條件下滅活，而不會產(chǎn)生過量的副產(chǎn)物。因此，將黏體蛋白添加到奶酪或其他發(fā)酵產(chǎn)品中，以形成源于短鏈脂肪酸的風(fēng)味是很有前景的[15]。黏體蛋白的另一大特點是對心血管系統(tǒng)脂肪沉積進行預(yù)防，防止動脈粥樣硬化，并對肝臟、腎臟中結(jié)締組織的萎縮有一定預(yù)防作用，這使得它在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[16]。馬鈴薯蛋白可明顯促進動物的生長發(fā)育。因此，馬鈴薯蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值非常值得開發(fā)利用，它可以作為一種天然的優(yōu)良蛋白質(zhì)應(yīng)用于食品和醫(yī)藥等行業(yè)。

1.4 馬鈴薯蛋白的加工功能特性

市場上馬鈴薯蛋白主要被用于制成動物飼料。蛋白的功能性質(zhì)主要包括水合性質(zhì)，如持水力、溶解度；蛋白質(zhì)分子間的相互作用，如沉淀作用、凝膠作用和表面性質(zhì)如乳化性、起泡性。環(huán)境因素以及成分間的相互作用均會影響蛋白的功能特性。

在pH2.0～10.0、NaCl 濃度0～1.0 mol/L、溫度4～80 ℃范圍內(nèi)，馬鈴薯蛋白的溶解性會隨著pH 的增加呈先降低后升高的趨勢，而隨NaCl 濃度和溫度的升高變化趨勢相反。在pH 10.0、NaCl 濃度為0.2 mol/L和溫度為40 ℃時，馬鈴薯蛋白的溶解度最好[17]。

蛋白的持水能力在等電點處最差。馬鈴薯蛋白在等電點pH4.0 時乳化性和乳化穩(wěn)定性最差，在遠離等電點條件下乳化能力得到提高；在低鹽（＜0.2 mol/L）環(huán)境中，鹽濃度的增加其乳化性和穩(wěn)定性也會升高，溶液中鹽濃度繼續(xù)增大，則乳化能力降低；隨著溫度的升高，蛋白的乳化性和穩(wěn)定性均會先上升后下降，分別在60 和40 ℃時達到最大值[18]。

馬鈴薯蛋白在等電點pH4.0 附近起泡性最差，但泡沫穩(wěn)定性較好；NaCl 濃度的增加，馬鈴薯蛋白的起泡性和泡沫穩(wěn)定性均有先增加后降低的趨勢[19]。

2 馬鈴薯蛋白回收技術(shù)

2.1 塊莖中馬鈴薯蛋白的提取

有五種從馬鈴薯塊莖中提取蛋白質(zhì)的常用方法，分別是丙酮沉淀法、酚提取法、三氯乙酸（TCA）法、磷酸緩沖液法以及直接提取法。丙酮沉淀法、TCA 法和酚提取法都是提取蛋白質(zhì)的常用方法，丙酮會降低介電常數(shù)，使相反電荷的吸引力增強，然后利用其親水特質(zhì)，使馬鈴薯蛋白表面的水化層被破壞從而達到提取蛋白的目的。在酸性環(huán)境中，TCA 可以與馬鈴薯蛋白結(jié)合成不溶性鹽，并且TCA 還可以使蛋白的疏水性基團大量暴露，進而分離。

有研究人員認為丙酮沉淀法、TCA 法、酚法等幾種方法提取率均不甚理想[20]。但李萌萌等[21]采用不同方法提取馬鈴薯塊莖中的蛋白質(zhì)，結(jié)果顯示TCA 法和酚法效果較差，采用改良酚法后結(jié)果也并不理想，而直接提取法所得結(jié)果較理想。但是得到的蛋白質(zhì)中純度很低。另有研究表明TCA 沉淀法和丙酮沉淀提取法蛋白質(zhì)損失較少，分離效果好。缺點就是蛋白質(zhì)純度不高，雜質(zhì)偏多[22]。醇提取法適用于電泳分析技術(shù)，但提取的蛋白含量很少。酚提法較其他方法而言，可最大程度降低對環(huán)境的污染。鹽提取法提取的蛋白質(zhì)含量雖高，但是操作復(fù)雜，條件苛刻。

2.2 淀粉廢液中馬鈴薯蛋白的提取

當前馬鈴薯蛋白研究的熱點是在馬鈴薯淀粉廢水中提取高純度馬鈴薯蛋白的各種方法，若能研究出蛋白質(zhì)得率高，適合于工業(yè)生產(chǎn)的方法非常有利于擴大馬鈴薯蛋白的應(yīng)用。而馬鈴薯蛋白無論是在食品行業(yè)還是醫(yī)藥領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用價值，所以在實際生產(chǎn)中定要采用恰當?shù)姆椒ㄌ幚眈R鈴薯淀粉廢水，實現(xiàn)資源利用最大化。馬鈴薯蛋白質(zhì)的提取方法小結(jié)如表4。

2.2.1 酸熱沉淀法 現(xiàn)在工業(yè)上從淀粉廢水中提取馬鈴薯蛋白最常用的方法就是酸熱沉淀法。酸熱沉淀法主要原理就是利用酸熱處理沉淀蛋白質(zhì)。具體操作是首先將pH 調(diào)節(jié)至3.5～5.5，再將分離汁水加熱至90 ℃以上，然后離心分離收集蛋白質(zhì)沉淀并烘干，得到馬鈴薯濃縮蛋白。

黃闖等[23]利用酸熱沉淀法處理淀粉廢水，得到最佳提取條件為pH1.0、反應(yīng)時間2 h、固液比1:25、反應(yīng)溫度55 ℃。此時蛋白質(zhì)得率為57.0%。劉婷婷等[24]優(yōu)化了酸熱沉淀法的工藝，蛋白質(zhì)得率62.39%的條件為堿沉pH9.2、酸沉pH3.5、酸沉溫度42 ℃，此條件下實際回收率也可達61.82%。但張亞軍等[25]得到的結(jié)果為堿沉淀pH 應(yīng)在8.0～8.5 之間，酸提取pH 應(yīng)在4.6～5.0 之間，回收效果最佳。酸熱沉淀法經(jīng)優(yōu)化后的蛋白質(zhì)得率有一定提升，但是總體得率不高，若要將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，則可以將其與其他方法共用以提高得率。

2.2.2 超濾法 超濾法原理是物理篩分作用。利用超濾膜的多孔性，來阻止如蛋白質(zhì)或膠體等物質(zhì)的通過。張澤俊等[26]使用切割分子量1.5 萬的醋酸纖維素膜對馬鈴薯廢水進行處理，發(fā)現(xiàn)它對蛋白質(zhì)的截留率為85%；呂建國等[27]使用相對切割分子量2 萬的PE 膜對馬鈴薯廢水進行處理可回收其中約90%的蛋白。顧文芬等[28]研究分析了超濾法在馬鈴薯蛋白回收當中的應(yīng)用，準確地得出結(jié)論：在實驗條件下，濃縮比為5 的情況下，分子截留量分別為10000 MWCO和30000 MWCO 的超濾膜包的濃縮液蛋白濃度分別增加到原來的4.35 和3.90 倍，蛋白質(zhì)回收率分別為67.61%和62.98%。SDS-PAGE 結(jié)果表明兩個超濾膜包回收的蛋白組成沒有什么差異，但30000MWCO 的超濾膜包孔徑較大，濃縮效率高，更加適合于回收馬鈴薯總蛋白。還有研究人員采用自制的中空纖維超濾膜和納濾分離膜回收馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白，截留率分別為85.62%和92.1%[29]。超濾法對蛋白質(zhì)的得率較高，但由于其并不能連續(xù)生產(chǎn)，且膜極易堵塞，導(dǎo)致這種方法較難應(yīng)用于實際的工業(yè)生產(chǎn)中。

2.2.3 酶解法 酶解法應(yīng)用前景廣闊，原理是利用合適的酶降解部分蛋白質(zhì)，改變蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)?，F(xiàn)在工廠主要是利用單酶或多酶法來處理馬鈴薯蛋白。

高丹丹等[30]用木瓜蛋白酶水解馬鈴薯渣中的蛋白，最佳的水解條件為：酶與底物濃度比為6000 U/g，溫度64.70 ℃、pH7.41、反應(yīng)3.12 h。此時馬鈴薯蛋白的水解度是20.19%。甘雨等[31]優(yōu)化了木瓜蛋白酶的水解工藝。得到最優(yōu)條件為：pH6.0、酶解時間3 h、0.7%的酶、酶解溫度55 ℃，在這種條件下的水解率為28.23%。趙晶等[32]確定了胰蛋白酶水解馬鈴薯蛋白的最佳水解條件是：pH8.0、水解時間2 h、水解溫度55 ℃、酶用量為650 U/g、固液比為1:5，此條件下的蛋白質(zhì)水解度為39.9%。單一酶處理蛋白的水解度很低，并且此法對于廢液溫度有一定要求，并不適用于工業(yè)生產(chǎn)。

2.2.4 絮凝法 絮凝法的原理是指將液體中蛋白質(zhì)逐漸聚集，然后形成絮團，最終將其從溶液中分離出來。通常把絮凝法分為加熱絮凝法和絮凝劑法，根據(jù)使用的絮凝劑不同又將絮凝劑法分為有機絮凝劑法和無機絮凝劑法。在上世紀九十年代時國外已經(jīng)有研究者用絮凝劑法將馬鈴薯蛋白從淀粉廢水中提取出來。對于我國來說，早期人們并沒有意識到絮凝劑有提取蛋白的功能，只是用它來降低水中的COD 含量。但近些年來，人們的環(huán)保理念增強，加工企業(yè)也逐漸重視加工廢物的處理和排放。

加熱絮凝法的原理是通過提高溫度使蛋白質(zhì)發(fā)生絮凝反應(yīng)，然后達到回收蛋白質(zhì)的目的。陳鈺等[33]首先模擬工廠利用加熱絮凝法回收廢水中蛋白的過程，確定最佳條件為時間2.5 h，pH5.2，此時可以回收到43.95%的蛋白質(zhì)。金虹等[34]研究了不同因素對加熱絮凝法對蛋白質(zhì)提取率的影響，結(jié)果顯示對提取率影響最大的是NaCl 濃度，pH 與溫度影響較小，浸提時間幾乎無影響。然后確定了加熱絮凝法的最優(yōu)條件為0.025 mmol/L 的NaCl、pH4.0、溫度25 ℃、浸提1.0 h，最終得率為66.9%。

無機絮凝劑可以分為無機高分子絮凝劑和無機低分子絮凝劑，無機高分子絮凝劑它的效果要更好一些。潘亮等[35]用聚合硫酸鐵（PFS）處理馬鈴薯淀粉廢水，結(jié)果表明，當聚合硫酸鐵的濃度為1.4 mL/L時，可去除廢水中51.27%的蛋白質(zhì)。在實際絮凝劑的使用中，通常將無機高分子絮凝劑與其他搭配一起使用，以提高蛋白質(zhì)的去除率。張亞群等[36]用將聚合氯化鋁（PAC）與聚丙烯酰胺（PAM）搭配一起去除蛋白質(zhì)，研究了不同因素對蛋白質(zhì)去除效果的影響。結(jié)果表明，pH 為5，6 g/L PAC，0.4 g/L PAM，可去除廢水中82.8%的蛋白。

PAM 是效果非常好的合成有機高分子絮凝劑。高潔[37]在廢水中添加6 mg/mL 的聚丙烯酰胺、pH4.0、溫度60 ℃、保持30 min，就可以得到57.55%蛋白質(zhì)，純度為72.33%。劉玉峰等[38]添加了70 mg/L 的聚丙烯酰胺，pH 為5，溫度20 ℃，反應(yīng)40 min，在這樣的條件下，蛋白質(zhì)的去除率可以達到45%～55%。但是在實際工業(yè)生產(chǎn)中不建議使用合成丙烯酰胺，因為它不僅危害人體健康，還會污染環(huán)境。

合成有機高分子絮凝劑由于其自身缺陷，不能廣泛應(yīng)用，人們又發(fā)掘出了更加安全的天然有機高分子絮凝劑。張亞軍等人以海藻酸鈉提取馬鈴薯蛋白質(zhì)，當海藻酸鈉濃度為0.15%，pH 為4.2 時蛋白回收率最高。裴兆意[39]經(jīng)實驗得出最佳絮凝條件為：50 mg/L 的殼聚糖，pH4.5，體系溫度50 ℃，初始攪拌80 r/min 攪拌10 s，再30 r/min 攪拌60 min，在這種條件下蛋白質(zhì)回收率可達到62.7%。張軼等[40]將絮凝劑法與磁分離技術(shù)相結(jié)合，并研究了磁性殼聚糖微球微球的吸附效果。結(jié)果表明：微球粒徑為20～50 μm；在加入2 mg/mL 磁性殼聚糖，吸附30 min，溫度40 ℃，pH7 時，可以吸附80%的蛋白質(zhì)。在絮凝法中，不同絮凝劑對于蛋白質(zhì)的去除率不同，無機絮凝劑中去除率最好的是PAC 與PAM 混合物，而合成有機高分子絮凝劑有毒，不適合于工業(yè)生產(chǎn)，天然有機高分子絮凝劑是一種新型的技術(shù)，對蛋白質(zhì)的去除率高且安全環(huán)保，有較高的應(yīng)用價值。

2.2.5 等電點沉淀法 在蛋白質(zhì)等電點處，其凈電荷為零，減少了蛋白質(zhì)分子之間的作用力，導(dǎo)致他們極易發(fā)生碰撞，進而凝聚產(chǎn)生沉淀，所以此時蛋白質(zhì)的溶解度最小，最易凝聚，然后就可以將其分離。

齊斌等[41]對實際工業(yè)生產(chǎn)淀粉的過程進行了模擬，利用等電點沉淀法從得到的廢水中提取馬鈴薯蛋白，最后得到的蛋白純度為85.38%。高潔等[37]經(jīng)過一系列實驗得出等電點法回收馬鈴薯蛋白質(zhì)的最佳工藝為pH4.5、溫度60 ℃、處理時間40 min，在此條件下馬鈴薯蛋白的回收率為51.19%，純度為84.49%。Yi 等[42]通過實驗優(yōu)化了蛋白質(zhì)的回收工藝條件，得出最優(yōu)回收工藝條件為：破碎液料比為2 mL/g，pH4.5，沉降時間為40 min 及沉降溫度35 ℃，這種條件下馬鈴薯淀粉廢液蛋白質(zhì)回收率可達79.21%。所以等電點沉淀法經(jīng)優(yōu)化后蛋白質(zhì)得率總體較高。

2.2.6 其他 現(xiàn)在我國工業(yè)發(fā)展速度飛快，人們對環(huán)境保護，合理開發(fā)及利用資源越來越關(guān)注，一些環(huán)保且成本低的方法不斷被研究出來。泡沫分離技術(shù)是利用表面吸附原理，將氣泡作為載體，對蛋白質(zhì)進行分離，被稱為泡沫吸附分離。有研究人員[43]開發(fā)了一種傾斜式泡沫分離柱，利用它從馬鈴薯淀粉廢液中提取蛋白，最終蛋白質(zhì)回收率為84.1%。

理化法回收蛋白質(zhì)的方法除了等電點沉淀法、酸熱法、超濾法等還有吸附法。馬健等[44]研究了蒙脫土吸附法的最佳條件，在蒙脫土加入量為0.7 g，溫度40 ℃，震蕩2 h 的條件下，馬鈴薯蛋白質(zhì)回收率可以達到50%。陳俠等[45]利用活性炭吸附法處理低濃度馬鈴薯淀粉廢水，研究了不同指標對淀粉廢水處理效果的影響。實驗得到最佳處理條件為：活性炭粒徑40 目，用量5 g，吸附時間為1 h，廢水溫度為27 ℃，pH 為5.0，此時，活性炭對馬鈴薯淀粉廢水的吸附效率最高達48%。

2.3 馬鈴薯淀粉廢水中蛋白回收工藝優(yōu)化

綜述各項蛋白提取方法，結(jié)合實際生產(chǎn)，本研究自行設(shè)計了以下工藝流程（圖2）從馬鈴薯淀粉廢水中提取蛋白質(zhì)，線路一是目前馬鈴薯淀粉的加工設(shè)備流程，線路二是將淀粉加工廢水收集起來后利用酸熱沉淀法和超濾法對其中的蛋白進行提取。我國工廠主要采用的是酸熱沉淀法，但是這種方法對蛋白的提取率不高，而單獨使用超濾法卻極容易造成膜堵塞，不能連續(xù)生產(chǎn)，所以本研究設(shè)計將兩種方法并用，先用酸熱沉淀法對廢液中蛋白質(zhì)進行初提取，然后在此基礎(chǔ)上利用超濾設(shè)備進一步提取蛋白，這樣可以將廢液中的蛋白進一步提取，還可以在廢水進入超濾設(shè)備之前對其進行“預(yù)處理”，以解決目前實驗生產(chǎn)過程中超濾法不能連續(xù)生產(chǎn)和膜壽命短以及酸熱沉淀法提取率低的問題，將兩種方法結(jié)合提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。馬鈴薯蛋白質(zhì)的提取方法不同，蛋白質(zhì)的得率、純度和功能特性也有所區(qū)別。

圖2 馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)回收生產(chǎn)設(shè)備流程圖Fig.2 Flow chart of protein production line equipment

3 馬鈴薯蛋白的應(yīng)用

3.1 在食品加工中的應(yīng)用

我國馬鈴薯蛋白主要來源于淀粉加工的副產(chǎn)物，然而蛋白的乳化性等易遭到破壞，尤其是在提取、純化等回收工藝中。這極大地限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。糖基化是一種綠色的蛋白改性方式，能夠改善蛋白乳化特性、持水性等功能特性，改性產(chǎn)物被廣泛應(yīng)用于食品中。

馮元春等[46]以馬鈴薯蛋白為原料，將其加入到低脂高蛋白營養(yǎng)型乳飲料中。姚佳等[47]為生產(chǎn)新型低脂高蛋白營養(yǎng)冰淇淋，以馬鈴薯濃縮蛋白為原料，代替部分奶粉及乳化劑。添加了馬鈴薯濃縮蛋白的冰淇淋細膩柔滑，抗融性好且膨脹率理想。趙晶等[48]用胰蛋白酶水解馬鈴薯蛋白，得到的水解物在一定條件下會發(fā)生熱反應(yīng)進而衍生特殊風(fēng)味。楊龍松[49]馬鈴薯蛋白-黃原膠共價復(fù)合物（PP-XG）對凍融過程中速凍餃子皮結(jié)構(gòu)的影響。PP-XG 的加入，增強了與蛋白、淀粉的相互作用，從而減少面筋網(wǎng)絡(luò)的破壞，減緩了凍融過程中蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)、巰基及二硫鍵的變化，降低了淀粉短鏈有序化程度。馬鈴薯蛋白還可以被用于與不同比例的小麥和米粉組成復(fù)合面粉，以改善低筋曲奇餅干的質(zhì)量屬性[50]。

從馬鈴薯蛋白中氨基酸成分分析可以看到，其中的天門冬氨酸的含量顯著，而其在醫(yī)藥，食品和化工等方面用途非常廣泛。在醫(yī)藥方面，它可以降低耗氧，對心肌的收縮有一定改善作用，還可以防止和恢復(fù)疲勞，所以可以將其應(yīng)用于治療高血壓和心臟病。它還可以和多種氨基酸一起，制成氨基酸輸液，用作氨解毒劑、肝功能促進劑以及疲勞恢復(fù)劑。在食品工業(yè)方面，天門冬氨酸是一種良好的營養(yǎng)增補劑，可以將其添加于各種清涼飲料；也是甜味素（阿斯巴甜）-天冬酰苯丙氨酸甲酯的主要原料，若將其應(yīng)用于甜味素的加工，就可以使甜味素加工生產(chǎn)線與馬鈴薯淀粉生產(chǎn)線相結(jié)合，節(jié)省成本，避免原料的浪費，還可以保證甜味素原料的安全性。

3.2 在食品保鮮中的應(yīng)用

食品的包裝材料要有一定的抗菌性能。張乾等[51]用馬鈴薯蛋白、納米氧化鋅和殼聚糖制備了一種復(fù)合膜，利用單因素實驗測定馬鈴薯蛋白含量、納米氧化鋅含量以及超聲時間對復(fù)合膜機械性能的影響，再通過Box-Behnken 響應(yīng)面設(shè)計試驗并進行優(yōu)

化和驗證。結(jié)果表明：在馬鈴薯蛋白添加量為0.32%、納米氧化鋅添加量為0.10%以及超聲時間為19.52 min的條件下，殼聚糖-馬鈴薯蛋白-納米氧化鋅復(fù)合膜的機械性能最好，并且加入一定量的馬鈴薯蛋白會提高復(fù)合膜韌性，最終使復(fù)合膜具有較好的機械性能，在新型食品包裝材料的開發(fā)利用中具有較高的應(yīng)用價值。殼聚糖和蛋白質(zhì)是常用的微膠囊壁材。張?zhí)炱娴萚52]以馬鈴薯蛋白、山茶籽油以及殼聚糖為主要原料，運用復(fù)合凝聚法通過乳化、冷凍干燥等制備出性質(zhì)穩(wěn)定的微膠囊，通過考察微膠囊制備過程中乳液形成和復(fù)凝聚效果獲得最佳制備條件。通過結(jié)構(gòu)與性質(zhì)表征發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯蛋白基微膠囊壁材成功包裹芯材山茶籽油。在開發(fā)基于殼聚糖-馬鈴薯蛋白-亞麻籽油-氧化鋅納米粒子的生物聚合物膜來維持原料肉的貯藏品質(zhì)過程中發(fā)現(xiàn)，這種膜可以很好的延緩微生物繁殖和減緩生鮮肉pH 的上升速度[53]。Wang 等[54]將馬鈴薯蛋白作為保護性納米載體用于在透明飲料溶液中遞送維生素D。研究者發(fā)現(xiàn)馬鈴薯蛋白在增溶、保護和提高親脂性生物活性物質(zhì)（如蝦青素）的生物利用度方面的巨大潛力[55]。

3.3 在動物飼料中的應(yīng)用

現(xiàn)在越來越多的天然高分子絮凝劑被人們發(fā)現(xiàn)，而超濾技術(shù)也在人們的研究中不斷改進、馬鈴薯蛋白受到廣泛關(guān)注，人們發(fā)現(xiàn)可以用回收的馬鈴薯蛋白代替魚粉加入到飼料中[56]。已有研究報道，馬鈴薯蛋白可被制作成水生動物與陸生動物的飼料。

馬鈴薯蛋白最顯著的特點就是必需氨基酸的含量很高，可以替代是魚餌料。左金龍等[57]研究發(fā)現(xiàn)，添加馬鈴薯蛋白的餌料喂養(yǎng)鮭魚，一段時間后鮭魚重量有明顯增長，這種餌料可以代替部分魚餌料。因鰤魚是肉食性魚類所以要保證飼料的高膳食蛋白質(zhì)水平，但是使用魚粉會大大增加成本，而馬鈴薯蛋白相對便宜且更易獲得。研究表明鰤魚體重、體重增加率和熱生長系數(shù)會隨馬鈴薯蛋白增加而降低，但馬鈴薯蛋白替代20%魚粉蛋白餌料不會對鰤魚的生長性能有影響，所以馬鈴薯蛋白代替部分魚粉是可行的。

蛋白飼料的短缺是影響我國畜牧業(yè)發(fā)展的主要原因，馬鈴薯蛋白產(chǎn)量大、營養(yǎng)豐富，因此被研究者重視。有研究者以斷奶仔豬為研究對象，研究馬鈴薯濃縮蛋白所制成的飼料其進對其生長性能的影響。馬鈴薯蛋白可以很好的降低仔豬腹瀉的可能性，提高其生長性能[58]。李玉俠等[59]采用不同濃度的馬鈴薯蛋白以及純魚粉飼喂仔豬，結(jié)果表明，與魚粉組相比，馬鈴薯蛋白添加量不同的仔豬日均采食量無顯著差異；添加1%馬鈴薯蛋白的仔豬日均增重與料重比顯著優(yōu)于其他組。在肉仔雞的飲水中加入適量的馬鈴薯蛋白也可以一定程度上提高其生長性能[60]。

馬鈴薯蛋白粉應(yīng)用具有一定的局限性，因為在馬鈴薯蛋白粉中有一種成分為配糖生物堿，若在產(chǎn)品中的添加量過大會影響動物的適口性。實際應(yīng)用中需要格外注意馬鈴薯蛋白中糖苷生物堿的含量，進而確定添加水平，避免出現(xiàn)影響動物生產(chǎn)性能的情況。

3.4 在細胞培養(yǎng)中的應(yīng)用

馬鈴薯蛋白還可以應(yīng)用與細胞培養(yǎng)。研究證明，馬鈴薯蛋白水解物添加至低血清培養(yǎng)基，可替代部分血清進行細胞培養(yǎng)，能促犬腎細胞（MDCK）貼壁細胞生長[61]。研究馬鈴薯蛋白水解物（PPH）在細胞凍存的效果中，將添加PPH 培養(yǎng)的第10 代細胞培養(yǎng)至對數(shù)生長期以2×106cell·mL-1的密度凍存一周后復(fù)蘇發(fā)現(xiàn)細胞能正常生長傳代并且細胞形態(tài)良好；在PPH 代替血清進行細胞凍存效果評價結(jié)果表明，PPH 可以對MDCK 貼壁細胞在凍存過程中提供保護，且能達到替代5%～10%血清。馬鈴薯蛋白的應(yīng)用小結(jié)如表5。

表5 馬鈴薯蛋白的應(yīng)用Table 5 Application of potato protein

4 展望

我國提出馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，馬鈴薯淀粉的加工量逐漸增加，所產(chǎn)生的廢水量急劇增多，對其合理處理成為了急需解決的問題，但現(xiàn)如今我國對廢水中的資源再利用技術(shù)水平仍需提高，有待于進一步研發(fā)適合于工業(yè)生產(chǎn)的方法。未來的研究發(fā)展方向主要是：對于工廠來說要兼顧經(jīng)濟效益和節(jié)約資源。大部分工廠都是通過簡易手段去除馬鈴薯淀粉廢水中的污染物，造成大量成分的浪費以及嚴重的環(huán)境污染。所以未來應(yīng)將重點放在如何能夠在高效處理廢水的同時做到最大程度地回收有效資源或者是如何將馬鈴薯淀粉和蛋白一步式分離。并且現(xiàn)如今還沒有能夠根本解決馬鈴薯淀粉廢水污染問題，采用單一方法提取高濃度馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白質(zhì)效率也較低，效果不理想，未來研究者們應(yīng)將重心放在研發(fā)污水處理的同時實現(xiàn)有效成分提取的方法，并且將兩種或多種適用于工業(yè)生產(chǎn)的方法進行聯(lián)用和優(yōu)化，讓其優(yōu)劣互補，最大程度提高馬鈴薯蛋白的率。并將最優(yōu)方法廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。所以多種方法聯(lián)用的集成方法開發(fā)將是未來的發(fā)展趨勢。雖然目前我國馬鈴薯蛋白已應(yīng)用于食品加工、保鮮材料和動物飼料中，在一些化工材料、醫(yī)藥和化妝品等方面也有應(yīng)用，但是還應(yīng)加大對馬鈴薯蛋白在食品方面應(yīng)用的研究力度，例如，是否可將其作為主要原料添加入營養(yǎng)補充劑類食品，是否可將其添加入健身人群所需蛋白粉中。這樣可以擴大馬鈴薯蛋白的市場，進一步刺激研究者對馬鈴薯蛋白提取方法的優(yōu)化。

綜上所述，對馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白質(zhì)進行回收利用不僅踐行了綠色發(fā)展理念，解決馬鈴薯淀粉生產(chǎn)中的廢液污染問題，還提高了馬鈴薯副產(chǎn)物的利用率，避免了資源浪費。設(shè)計高得率、適于工業(yè)生產(chǎn)的馬鈴薯蛋白提取方法以及探索馬鈴薯蛋白的應(yīng)用是馬鈴薯蛋白未來研究的重中之重。