马铃薯蛋白提取方法综述

江洪波 徐鑫 覃瑞 李刚 熊海容 张丹丹

摘要马铃薯是人们喜爱的块茎类蔬菜之一，马铃薯蛋白质含量也很丰富。阐述了马铃薯蛋白的组成特点，对马铃薯蛋白的各种经典和最新的分离提取方法进行了综述，以期对进一步研究马铃薯蛋白提供理论依据。

关键词马铃薯;蛋白质;提取

中图分类号TS201.2+1文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）03-0009-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.03.003

马铃薯（Solanum tuberosum L.）又名土豆、洋芋、荷兰薯等，属于茄科茄属多年生块茎草本植物，在我国大量种植已经有500多年的历史。2015年我国马铃薯播种面积和产量均居世界第一位，分别达 552.36万hm2和 9 708万t。然而我国马铃薯主要以鲜食为主，仅约 15% 用于加工业[1-3]。马铃薯一般作为淀粉生产的主要原料，其蛋白成为副产品。但马铃薯蛋白由于其功能特性良好，必需氨基酸含量高，营养价值丰富，因此极具开发潜力。随着食品工业的发展，如何合理开发利用马铃薯蛋白质资源，对于减少环境污染、适应国家马铃薯主粮化战略需求具有重要的指导意义。笔者对马铃薯蛋白的分离提取方法进行了综述，以期为进一步研究马铃薯蛋白提供理论依据。

1马铃薯蛋白的组成

新鲜马铃薯块茎蛋白质含量为1.7%～2.1%，马铃薯蛋白质按分子量大小分为高分子量蛋白质、糖蛋白、蛋白酶抑制剂3部分[4-9] 。目前后两者研究较多，而前者研究较少。糖蛋白约占马铃薯块茎总蛋白含量的40%，不仅必需氨基酸含量较高，而且兼具抗氧化活性和酯酰基水解活性，在防御害虫和真菌病原体方面起重要作用，也可作为具有乳酯酶和β-1，3-葡聚糖酶活性的佐证。此外马铃薯糖蛋白还具有凝胶性、起泡性、乳化性等其他优良功能特性，同时，糖蛋白具有加工功能特性，比较适用于食品加工业，成为近几十年来植物蛋白研究的热点之一。

蛋白酶抑制剂约占马铃薯块茎总可溶性蛋白的50%[10]。目前，编码马铃薯蛋白酶抑制剂的核苷酸序列已经发布了100多种。根据组成蛋白的不同，马铃薯蛋白酶抑制剂可分为羧肽酶抑制剂、丝氨酸蛋白酶抑制剂、半胱氨酸蛋白酶抑制剂与天冬氨酸蛋白酶抑制剂等。以前长期把马铃薯蛋白酶抑制剂当做抗营养因子探讨，但通常可以采用简单的热处理而使蛋白酶抑制剂失活，只有不恰当的烹饪方式或当摄入生的马铃薯时才会发生严重的抗营养反应。近年来发现其兼具抗癌和调节饮食等功效，进一步提高了其在制药和食品工业中的应用范围[11]。

马铃薯蛋白属于完全蛋白质，包含19种氨基酸（表1），其中非必需氨基酸含量为21.92%，必需氨基酸含量为20.13%，其必需氨基酸含量占氨基酸总量的47.9%，和鸡蛋蛋白（49.7%）相近，明显高于FAO/WHO的标准蛋白（360%）[12]。因此，马铃薯蛋白是一种优质的植物蛋白源，在食品工业中具有广阔的应用前景[13]。

2马铃薯蛋白的分离提取

采用各种分离提取技术对马铃薯蛋白液进行处理，以获得高纯度的马铃薯蛋白产品，这是当前马铃薯蛋白研究的热点。与大豆浓缩蛋白和分离蛋白类似，马铃薯浓缩蛋白中的蛋白质含量在70%左右，而马铃薯分离蛋白中的蛋白含量必须在90%以上[14]。由于马铃薯蛋白质的应用价值较大，在生产中根据实际应用的需要来选择恰当的提取技术，避免马铃薯淀粉厂的资源浪费，可同时取得经济效益和环保效益。

2.1酸热沉淀法

从马铃薯淀粉加工废水中回收蛋白质的研究已有近100年历史，最常用的方法是酸热沉淀法。酸热沉淀法回收马铃薯蛋白的过程是对淀粉加工分离汁水进行酸热处理将蛋白质絮凝沉淀下来。首先调节pH至3.5～55，再将分离汁水加热至90 ℃以上，然后离心分离收集蛋白质沉淀并烘干，得到马铃薯浓缩蛋白。中国科学院兰州化学物理研究所建立了类似的生产技术并已推广应用[15]。

黄闯等[16]研究表明，利用活性污泥法处理马铃薯淀粉废水时产生的剩余污泥为原料，通过酸法水解提取蛋白，最佳提取条件为pH 1.00、反应时间2 h、固液比1∶25、反应温度55 ℃。在此条件下，水解蛋白质的提取率为57.0%。通过酸水解提取蛋白质。此种方法充分利用活

性污泥又减少了污泥的随意排放污染环境。由于酸解植物蛋白工艺中，水解速度较快、不易染菌和不易使水解液变质等优点，且经碱中和处理、减压浓缩等以减少氯丙醇的残留，此工艺适合规模化生产。另外，马铃薯分离蛋白溶液属于非牛顿流体，影响其液流体性能的主要因素有分离蛋白溶液浓度、体系温度、剪切时间和溶液的配制时间等，其浓度越大，溶液流动产生的阻力越大，其活化能越高。而且加工和干燥温度对其特性也有显著影响[17]。

荷兰、丹麦等欧洲国家已经实现了从马铃薯淀粉加工废水中工厂化回收蛋白质，且已有马铃薯浓缩蛋白的相关产品标准。欧盟关于马铃薯浓缩蛋白及其水解物的质量标准中明确規定了马铃薯浓缩蛋白及其水解物的糖苷生物碱和赖氨酸、丙氨酸的含量。马铃薯浓缩蛋白及其水解物的质量标准见表2。

马铃薯块茎中主要含有α-卡茄碱和α-茄碱2种糖苷生物碱，占总糖苷生物碱的95%。马铃薯浓缩蛋白生产过程中，这2种糖苷生物碱随着蛋白质一起絮凝沉淀下来，因此马铃薯浓缩蛋白糖苷生物碱的含量较高（1.5～2.5 mg/g）。将这种浓缩蛋白作为饲料喂食虹鳟鱼，结果糖苷生物碱会降低虹鳟鱼的食欲。Refstie等[18]将除掉糖苷生物碱的马铃薯浓缩蛋白替代40%鱼粉蛋白喂养大西洋鲑鱼，结果具有较好的消化效果。因此作为动物饲料的马铃薯浓缩蛋白，有必要将糖苷生物碱水解以降低其毒性。

2.2扩张床吸附法扩张床吸附技术是剑桥大学Chase等[19]率先提出的，是一种经过精心设计的、稳定的、返混很少的离子交换层析技术。将澄清、浓缩和纯化集成操作，减少操作步骤，提高了成品得率，减少了经济投入，被称为近几十年来出现的新型单元操作。与固定床类似，扩张床吸附只是进料方向由下往上，柱床处于膨胀扩张状态[20]。Strtkvern等[21]首次报道了扩张床吸附提取具有天然活性的马铃薯蛋白，并进行了中试，为采用这种方法规模化生产马铃薯蛋白奠定了基础。Zeng等[22]以Amberlite XAD7HP为填料，利用扩张床吸附技术从马铃薯淀粉加工废水中选择性回收蛋白酶抑制剂，得到的蛋白酶抑制剂具有较好的溶解性和较高的胰蛋白酶抑制活性，这种具有较高生物活性的蛋白酶抑制剂有望用于制药行业。

2007年，荷兰的马铃薯淀粉集团公司AVBE在其全资子公司Solanic采用扩张床吸附技术以混合配基化学吸附填料制备了适合食品工业和制药工业应用的高性能马铃薯蛋白[3]。将马铃薯蛋白分成2种类型：一是以马铃薯糖蛋白为主，呈粉末状的蛋白食品原料（蛋白质含量90%以上）。二是以马铃薯蛋白酶抑制剂为主，呈液态的制药工业原料。该公司宣称马铃薯蛋白质量强于大豆蛋白，其营养价值与动物蛋白相当，成为产业化生产食品级（药品级）马铃薯蛋白的先驱。

利用2步泡沫分离技术回收马铃薯蛋白，其技术上还存在无法确定蛋白的生物活性、规模不大、效率不高等缺陷[23]。Ralla等[24] 分别以EXM 1753、EXM 1607和Puranit UF 3種不同的黏土作为交换剂，采用离子交换剂提取马铃薯蛋白。由于黏土价格较低廉，此种方法与其他色谱填料相比，经济成本小很多。研究表明，黏土EXM 1607和Puranit  UF带有负电荷，在pH 7～9条件下主要吸附蛋白酶抑制剂，而不吸附糖蛋白。这对分离纯化马铃薯蛋白研究方面具有很强的指导意义。且由于黏土廉价易得，因此具有潜在的产业化应用前景。

2.3超滤法

超滤膜分离技术在乳品等蛋白质分离方面比较成熟，但采用超滤法提取马铃薯蛋白质的报道较少。采用平板式超滤膜工艺回收马铃薯淀粉生产废水中的蛋白质是一种较高效的蛋白质回收新工艺。此方法蛋白质回收率高，浓缩效果明显。经过平板式超滤膜浓缩可将废水中的马铃薯蛋白质浓缩至半固态，对后期冷冻或烘干干燥十分便利。超滤膜对马铃薯淀粉生产废水中蛋白质的截留率超过90%，化学需氧量的截留率超过50%[25]。要得到最佳提取效果必须对超滤膜进行定期清洗。碱性蛋白酶0.05%是较好的清洗剂，其次是 NaOH 0.5%水溶液，恢复系数分别达99.55%和89.12%。顾文芬等[26]采用赛多利斯超滤膜回收马铃薯蛋白，马铃薯浓缩液蛋白的浓度增加至原来的4倍左右，得到的蛋白酶抑制剂活力达100 TIUs/mg以上。研究表明，超滤法对于回收马铃薯淀粉加工废水中的蛋白质，是一种较有效的方法[27-28]。但必须考虑超滤膜的清洗成本和方法的适用性。

2.4磁性壳聚糖微球吸附

磁性壳聚糖微球是指内部含有磁性金属或金属氧化物（铁、钴、镍及其氧化物）的超细粉末，且具有磁响应性的壳聚糖微球，可在外加磁场作用下迅速分离[29]。壳聚糖是一种优良天然高分子絮凝剂，可与废水中绝大部分带负电荷的蛋白质等物质快速集结成沉淀而得以快速分离，被广泛用于食品工业废水处理中。磁性壳聚糖微球吸附这种优良的技术为马铃薯淀粉废水的蛋白质回收提供了新方法。该方法利用该磁性壳聚糖微球对马铃薯淀粉废水中的蛋白进行吸附，采用反向悬浮交联法制备。对壳聚糖采用先进的磁分离技术得以回收，可以有效再生使用[30-31]。这种方法用于马铃薯淀粉废水的蛋白质回收，其合成的磁性微球外表呈球形，粒径为20～50 μm，当马铃薯淀粉废水中磁性壳聚糖用量为2 mg/mL（磁性壳聚糖微球∶马铃薯蛋白=4∶1），吸附时间为30 min，温度为45 ℃，pH为7.0时，回收率最高达80%[32]。目前，这种磁性壳聚糖微球吸附法吸附效率较高，可以再生使用，比较环保，但在理论和技术上还有不太完善的地方，规模化生产还有很多困难。

2.5酶法

酶法提取植物蛋白是一种很有潜力的蛋白质提取方法，它通过降解植物细胞壁组分，分离出蛋白质，从而最大程度上维持了蛋白的功能性。Waglay等[33]研究发现采用 Ceremix 2XL和来自于里氏木霉的 Depol 670L 2 个多酶系统能够分别高效地回收糖蛋白（高达60.0%）和蛋白酶抑制剂（高达 72.0%）。张泽生等[34]采用酶法对马铃薯淀粉厂废水进行处理，得到马铃薯粗蛋白含量达80%以上的提取物，可制作成富含氨基酸的高营养动物饲料。

3小结

马铃薯蛋白质的提取方法不同，蛋白质的得率、纯度和功能特性也有所区别。较经典的方法是酸热处理法，但工艺相对复杂，蛋白质功能丧失严重。超滤法自动化程度高，稳定可靠，但仍需开发简单有效的超滤膜以降低成本。扩张床吸附法工艺简单，成本低廉，既提取又分离，能有效减少对蛋白质功能特性的破坏。磁性壳聚糖微球吸附法吸附效率较高，壳聚糖又可以再生使用，降低了生产成本，但在技术上还有待进一步完善。酶法处理淀粉厂废液回收马铃薯蛋白，作用条件温和，蛋白质活性得以充分保留，但酶来源较单一，规模化工厂生产技术上仍不成熟。在实际生产中也可以多种方法混合使用，从而提高提取效率。

47卷3期江洪波等马铃薯蛋白提取方法综述

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