植物蛋白泡沫分離技術研究現狀

張可可，胡楠，李會珍，張志軍

(中北大學 化學工程與技術學院，山西 太原，030051)

隨著“植物蛋白基食品”發展熱潮的不斷興起，植物蛋白資源的高效利用成為全球食品行業關注的焦點。植物蛋白廣泛存在于植物的種子、果實和葉子中，是人類攝入蛋白的主要來源之一，與動物蛋白相比具有抗高血壓、降膽固醇、抗腫瘤、抗微生物、預防慢性疾病等優異功效[1]。居民膳食蛋白質[2]研究表明未來的飲食方向是減少肉類蛋白質而增加植物來源的蛋白質在飲食中的比重，所以開發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]和大孔樹脂吸附法[21-22]，各方法的優缺點如表1所示。其中，泡沫分離是一種利用氣體為分離介質以達到分離和濃縮目的的新興技術，針對植物浸提液中的低濃度蛋白質，該技術可實現其的高度富集和回收，降低其后續純化和產品化難度；其次，泡沫分離設備簡單，易于放大，操作條件溫和，對蛋白質的活性影響小，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方面的應用情況，包括分離純蛋白和蛋白混合體系工藝研究兩方面。

表1 植物蛋白質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展

2.1 工藝條件對泡沫分離植物蛋白的影響

植物蛋白浸提液的溶液性質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是研究者經常考察的關鍵因素，除此之外，進液量、氣速、氣體分布器孔徑大小[23]和鼓泡時間[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，泡沫的發泡能力越強，排液速率越慢，回收率升高而富集比降低。為了形成穩定的泡沫層，蛋白質的濃度要在臨界膠束濃度以下進行[26]。

(2)pH值。pH值通過改變蛋白質的結構來影響蛋白質集聚，在pH等于等電點時，蛋白質所帶靜電荷為零，蛋白質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，蛋白質分離效果最好[27]。李軒領[28]在提取亞麻籽蛋白時，富集比和回收率在其等電點pH等于3時達到最大。

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

(4)裝液量。在泡沫分離過程中，裝液量不同，其液相壓力就不同，壓力對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，進而增加平緩，當壓力增大到一定值，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，吸附是放熱過程，而溫度升高，則阻礙放熱的進行，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的比表面積，且在液相中上升的速度慢，有利于蛋白質的吸附，使得富集比增大[31]。

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

劉海濱[32]、劉穎[33]對桑葉、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行了優化(見表2)，表明泡沫分離能夠高效富集和回收植物蛋白，對充分開發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展Table 2 Research progress of the foam fractionation of plant protein

2.2 裝置結構對泡沫分離植物蛋白的影響

裝置結構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的富集比是決定蛋白質后續純化的關鍵指標，也是評價蛋白分離效果的直接表征。強化液相吸附和泡沫相排液是提高植物蛋白質的富集比的直接手段。在強化液相吸附方面，張哲等[35]開發了一種液相安裝垂直篩板構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間，與傳統液相無構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，在泡沫分離塔中加入折流板來強化氣-液界面的吸附(圖1)，一方面增加了氣泡在液相中的停留時間，另一方面減小了蛋白質分子在氣液界面的傳質阻力，與對照塔相比，氣-液界面蛋白質的質量流率和氣-液表面過剩分別提高了153%和193%。

圖1 折流板構件的三維結構圖Fig.1 3D structure diagram of the baffle plate components

為了促進泡沫相排液，孫景輝[37]設計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，把螺旋內構件應用到泡沫分離過程中來強化泡沫排液，富集比分別提高1.85倍和2.5倍。吳兆亮等[40]開發了2種由截流板和導流筒組成的促進泡沫排液的設備，以乳酸菌肽發酵液為研究體系，發現上口封閉帶小孔的導流筒Ⅱ能非常顯著的降低出口持液率，其富集比是簡單泡沫塔的2.42倍。盧珂等[41]設計了一種在泡沫相加內套筒的泡沫分離塔，以牛血清蛋白為研究體系，與沒有加內套筒的對照塔相比，加內套筒的實驗塔降低了持液量，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套筒長度的增加而增加。從簡單泡沫分離塔到傾斜泡沫分離塔再到內構件泡沫分離塔，研究者不斷開發在溫和條件下利于泡沫相排液的內構件，其中帶螺旋內構件的泡沫分離塔，由于螺旋離心力作用，氣泡和氣泡之間的液體逆流流動阻力更小，富集比相較于其他構件高。

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

2.3 操作方式對泡沫分離植物蛋白的影響

泡沫分離有間歇式、連續式和分級式3種操作方式，通過料液是否一次性加入、鼓泡時間是否連續和有無殘液排出來判斷間歇式和連續式；分級式是將回收的泡沫液再次鼓泡，有多塔多級和單塔多級2種形式。孫瑞娉等[42]設計的兩級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，第一級的泡沫分離使大豆蛋白質的富集比盡可能高，具體數值為7.71，第二級的泡沫分離使蛋白質的回收率盡可能高，總回收率為82.75%。表3總結了采用不同操作方式及其相應回收率大小，可以發現兩級泡沫分離的采用能夠明顯提高單級(間歇或連續)的蛋白質分離效果。

圖3 兩級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展

3.1 蛋白質-糖混合體系

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

表3 泡沫分離植物蛋白過程中不同操作方式 對蛋白回收率的影響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并能使一同浸出的多糖不受破壞。實際上蛋白質和多糖并不是獨立存在的，二者可發生復合反應[46]。李軒領[28]以未脫膠的亞麻籽餅粕為原料提取亞麻籽蛋白時，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的結合，最終提高亞麻籽蛋白質的回收率和富集比，超過空氣直接泡沫分離10%以上。通過弱化植物蛋白質和多糖之間的相互作用，成為泡沫分離蛋白質-糖混合體系的研究重點。

3.2 蛋白質-蛋白質混合體系

植物蛋白質多以混合蛋白的形式存在[47]，針對二元蛋白質混合體系，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系式[公式(1)以及公式(2)]，為分離蛋白質二元體系提供了理論基礎。不過對于三元蛋白質混合體系的泡沫分離機理還需進一步研究[47]。此外，還可基于蛋白質等電點不同的原則，加入陰離子或陽離子表面活性劑與其中一種蛋白質結合，來提高另一種蛋白質的回收率。SUZUKI等[49]通過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]根據溶菌酶和α-淀粉酶的等電點不同，在不同pH條件下，選擇性的進行了分離，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 結論

植物蛋白因其具有優異的功效已引起學術界和工業界的濃厚興趣，未來具備實現商業化的潛能。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了巨大的潛力，不僅可通過設計泡沫分離的操作條件、分離裝置來調控植物蛋白的分離，還可通過多級泡沫分離來實現。因此，充分利用泡沫分離的所有優點，可以顯著促進泡沫分離植物蛋白的工業化進程。然而，大部分植物蛋白并不是獨立的存在，蛋白質與其他物質的結合使得泡沫分離在該領域還面臨諸多問題和挑戰。未來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方面進行突破。

(1)優化泡沫分離富集、回收蛋白的工藝條件。根據不同蛋白質的特性選擇最優的泡沫分離工藝，確定蛋白濃度、溫度、pH、進液量、氣速等操作條件，解決分離過程中回收率、富集比不高的問題，加速泡沫分離制備植物蛋白的產業化進程。

(2)泡沫分離針對分離多種蛋白混合物和蛋白多糖混合物的數據偏少，對蛋白質混合物的分離還需要深入研究，從而更有效地指導實際復雜植物蛋白體系的分離和回收。