微波辅助提取蛋白质的研究进展

＊陈丽云 李佳奇 商辉 张文慧

（中国石油大学（北京）化学工程与环境学院 北京 102249）

近年来，由于世界人口的增加和人们对蛋白质消费的高度重视，食品蛋白质需求有所增加，目前动物蛋白消费量占全球总量的60%[1]。由于对动物蛋白的健康关注不断增加，植物蛋白的优势受到了更加广泛的关注，例如与动物蛋白相比，植物蛋白的温室气体排放量更低，成本较低，更容易获得。因此，植物蛋白的利用对于满足全球不断增长的人口对蛋白质的需求至关重要。然而由于植物细胞和动物细胞的差异使得细胞破壁成为获取其中蛋白的关键。常规的植物蛋白质提取方法包括盐沉淀、溶剂沉淀、碱沉淀等，但存在提取时间长，蛋白质提取率低，溶剂消耗高等缺点[1]。而基于微波加热的选择性和体积性的特点，微波萃取可显著降低萃取时间和溶剂消耗，获得更高的产率并有效改善萃取质量。自1986年匈牙利学者Ganzler K等[2]首次提出利用微波进行萃取，其萃取率、萃取时间和成本等方面均优于其他传统的萃取方法，萃取物的潜在降解可能大大减少。Chew等[3]在研究微波辅助萃取微藻蛋白的实验中发现，微波辅助萃取使蛋白质的提取率由常规法的24.9%提高到63.2%，提高了约2.54倍。微波的加入极大地破坏了微藻的细胞壁，导致有价值的蛋白质和其他生物分子的释放。因此，微波辅助提取植物蛋白质的研究具有很大潜力。

1.微波萃取的理论基础

微波是一种电磁波，波长在1mm至1m之间，频率为300MHz至300GHz，为避免对雷达和通讯造成干扰，国家规定微波加热的民用频率为2450MHz和915MHz。微波加热主要通过偶极极化和离子传导直接作用于分子，其加热具有选择性、体积性及瞬时性的特点。微波对物质分子的作用主要体现在其热效应和非热效应两种。

(1)微波热效应

植物细胞内H2O等极性分子在微波电磁场中快速转向并以特定频率排列成永久偶极和感应偶极，分子旋转和运动产生的摩擦和碰撞产生热量，从而产生强烈的热效应[4]，同时细胞内部压力增大，当内部压力增大到一定程度时，会造成细胞壁破裂，此时细胞内蛋白质等有效成分自由流出，转移到周围的溶剂中被溶解[5]。

(2)微波非热效应

微波非热效应是指不受热量影响的各种反应过程的性质、进程及传质特性等各方面的变化。一般除了热效应以外的其他效应都称为微波的非热效应，如电场效应、磁场效应等。在电磁场作用下，细胞中的极性分子振动，促使细胞壁破裂[6]。

微波萃取过程中，微波热效应和非热效应共同作用，萃取剂的种类很大程度上决定了哪种效应占主导地位。一般来说，当萃取剂为非极性物质时，细胞吸收绝大部分微波能量，细胞内温度急剧升高而造成破壁，此时微波的热效应占主导地位。相反，如果萃取剂是极性很强的物质，萃取剂会强烈吸收微波能量，只有少部分微波能量能到达细胞，萃取剂和细胞同时受热，不利于微波破壁效果，此时非热效应可能占主导地位[7]。

2.微波萃取特点

(1)加热均匀，热效率高

传统的热萃取方式是通过热传导和热辐射等方式，将能量从外部传递到内部，而微波萃取是一种“体加热”过程，即内外同时加热，加热均匀，热效率高。

(2)选择性好

微波可以选择性地加热提取物中的不同成分，使目标成分直接从基质中分离出来，提取效率高，产品纯度高。

(3)节能省时

极性分子更容易吸收微波能量并转化为热能，而金属材料不吸收微波，从根本上保证了能量的快速传导和充分利用，节能省时。

此外还具有设备简单，易于控制以及安全环保的特点。微波设备使用方便，无热惯性，操作方便，微波功率和传输速度都可以调节。微波提取过程中不排放有害气体，无余热和粉尘污染。

基于此，将微波电磁场加热用于植物细胞破壁提取其中的蛋白质具有显著潜力。

3.影响萃取效果的主要因素

对微波萃取效果的影响因素主要有微波作用时间、微波功率、操作温度、萃取剂pH值及料液比。目前，蛋白质萃取过程所用微波频率一般为2450MHz，功率较低，一般在1kW之内，作用时间一般小于5min，环境大多数为碱性，微波作用时间和功率取决于所用微波腔体及物料体系。

(1)微波作用时间对蛋白质提取率的影响

微波作用时间直接影响到体系的温度，因此会对蛋白质萃取产生较大的影响。研究表明，微波作用时间存在最佳值，时间不足会导致温度低，只能部分水解蛋白质，而微波辐射时间过长会导致温度太高，蛋白质变性，造成蛋白质提取率降低[8]。如李远虎等[9]研究了微波功率为500W，萃取剂pH值为10.0，料液比1:20的条件下，微波作用时间对红橘种子蛋白质提取率的影响。结果表明，红橘种子蛋白质的提取率随时间的延长先增大后下降，当微波处理时间达到50s时，提取率达到最佳值73%。

(2)微波功率对蛋白质提取率的影响

随微波功率增大，物料所在处的电磁场强度增强，分子运动加剧，加速了有效成分的溶解和释放，蛋白质提取效率提高；当微波功率达到一定程度时，会造成温度过高，改变蛋白质的构型，从而暴露其疏水单元，导致蛋白质聚集体的形成，降低蛋白质的提取率[10]。因此微波功率与作用时间类似存在最佳值。

(3)温度对蛋白质提取率的影响

萃取过程微波的热效应将导致体系升温，温度是微波辅助提取蛋白质中的一个关键因素，蛋白质在高温条件下会变性。随着温度的升高，蛋白质提取率会增加，其原因是温度的升高导致表面张力和粘度下降，蛋白质的溶解性提高。当温度达到最佳时，蛋白质会全部溶解，提取率达到最大。超过最佳温度，提取率会有所下降，这是因为温度过高易使蛋白质聚集，降低溶解度，导致提取率下降[11]。

(4)萃取剂pH值对蛋白质提取率的影响

萃取剂的pH值是影响蛋白质提取的一个重要因素，极大影响蛋白质的溶解度。碱性环境中，随萃取剂pH增大，蛋白质提取率存在最佳值。究其原因认为在碱性环境物料结构变疏松，同时对蛋白质分子的次级键，尤其是氢键产生破坏作用，并使得某些极性基团发生解离，蛋白质分子表面带相同电荷，从而使蛋白质易于溶出，但是过高的pH会引起蛋白质变性，导致蛋白质提取率下降[12-13]。

(5)料液比对蛋白质提取率的影响

料液比是指萃取过程中所添加的溶剂与待处理物料的量之比，不同的料液比对蛋白质提取率的影响不同，亦存在最佳值。当料液比过大时，溶剂太少，浸提不够充分，可能有部分蛋白质没有溶解，影响提取率，而随着溶剂的增加，体系中的粘度降低，便于蛋白质溶解，因此蛋白质的提取率会逐渐增加；达到最佳料液比之后，提取率会随着料液比的下降而降低，可能是因为溶剂量过大，导致蛋白浓度下降[14]。

4.微波萃取对蛋白质功能性质的影响

(1)蛋白质的吸水性和吸油性

蛋白质的吸水性反映了蛋白质分子通过直接吸附和松散结合在分子周围形成水化层的能力。蛋白质的吸油性是指蛋白质与游离脂肪结合的能力，在许多食品配方及加工中起着非常重要的作用。

霍金杰等[15]研究发现经过微波处理提取出的青稞蛋白质吸水性提高了15.5%，究其原因，可能是微波处理后，蛋白质分子的构象略有改变，分子的立体结构被延伸，埋藏在球状分子中的亲水基暴露出来，促进了蛋白质分子与水分子的相互作用，提高了蛋白质的吸水性。吸油性提高了13.6%，原因可能是由于微波处理使得分子内部的亲油基暴露，促进了蛋白质和游离脂肪的相互作用，提高了蛋白质的吸油性。

(2)蛋白质的持水性和持油性

蛋白质的持水性是指蛋白质在一定条件下经过热处理后还保持水分的能力。其持油性通常反映了它们与脂质相互作用的能力。

李忍等[16]研究发现微波处理前，龙米粮1号、龙杂13号和红糯高粱3种高粱粉的持水性分别为1.30g/g、1.35g/g 和1.50g/g，微波处理后3种高粱的持水性分别提高了0.34g/g、0.40g/g和0.32g/g。原因是微波处理可导致谷物表面出现多孔结构，谷物内部聚合物减少，从而增加谷物粉的持水力。而微波处理前龙米粮1号、龙杂13号和红糯高粱3种高粱粉的持油性别为1.27g/g、1.35g/g和1.20g/g，微波处理后3种高粱的持油性分降低了0.11g/g、0.18g/g和0.08g/g。原因可能与微波处理过程中氨基酸极性的改变有关。

(3)蛋白质的溶解性

蛋白质的溶解度取决于萃取剂的酸碱度，可以影响其他功能性质。在许多以蛋白质为基础的配方中，如乳剂、泡沫和凝胶，通常需要良好的蛋白质溶解性。蛋白质中的氨基酸有一个带正电荷的氨基和一个带负电荷的羰基，在等电点时，蛋白质没有任何电荷，正电荷和负电荷被抵消。因此，蛋白质由于在这一点上的疏水性而倾向于形成聚集体。但在碱性条件下，蛋白质上的总电荷为负，增加了蛋白质在较高pH下的溶解度。因此，与酸性或中性pH值相比，蛋白质在碱性pH值下更易溶解。蛋白质溶解度是不同变量的函数，如静电相互作用、疏水相互作用和氢键，氢键导致蛋白质-蛋白质和蛋白质-溶剂相互作用，导致蛋白质在提取溶剂中溶 解[17]。杨文敏等[18]研究发现微波辅助提取的巴旦木蛋白质的溶解性相较于未经微波处理的巴旦木蛋白质的溶解性提高15.35%。微波加热是一种快速加热的方法，迅速升温可以使蛋白质在高温下的时间减少，避免蛋白质变性，蛋白质的溶解度增加。

(4)蛋白质的起泡性和乳化性

起泡性是指蛋白质溶解扩散到气-水界面并在气体周围形成气泡的能力，而泡沫稳定性是指蛋白质维持泡沫稳定存在的能力。蛋白质促进水-油型乳状液形成的能力由乳化性来衡量，而乳化稳定性是指维持乳状液稳定存在的能力。

李永恒等[19]研究发现麦胚粉经过微波预处理后，麦胚蛋白质的起泡性提高了19.08%，乳化性提高了24.41%，但泡沫稳定性和乳化稳定性有所下降。影响蛋白质的起泡性和乳化性的主要因素为蛋白质溶解性，随着蛋白质溶解性的增大，蛋白质分子更易向气-水或水-油界面扩散，起泡性和乳化性增强。而泡沫稳定性和乳化稳定性受蛋白质表面活性的影响，同时也受其在不同环境下的构象和折叠能力的影响。

(5)蛋白质的体外消化率

蛋白质体外消化率是反映食物蛋白质在消化道内分解和吸收的一项指标，添加到食品中的蛋白质在食用后应该很容易被消化。一般来说，蛋白质的体外消化率与蛋白质溶解度成正比[20]。Behere Manali等[21]研究发现常规法获得的西瓜籽蛋白质体外消化率为61.95%，而微波辅助提取获得的蛋白质体外消化率为80.43%。结果表明，微波辐射不会改变蛋白质的微观结构，但会影响蛋白质的二级结构，使蛋白质的体外消化率提高。

5.结论

随着社会不断发展，蛋白资源日益稀缺，加强对植物蛋白资源的开发和利用具有重要意义。采用微波辅助提取蛋白质，提取时间断，效率高，操作简单，且能够改善蛋白质部分功能性质。综上所述，微波在促进蛋白质提取和提高蛋白质质量方面具有相当大的潜力。