植物蛋白泡沫分离技术研究现状

张可可，胡楠，李会珍，张志军

(中北大学 化学工程与技术学院，山西 太原，030051)

随着“植物蛋白基食品”发展热潮的不断兴起，植物蛋白资源的高效利用成为全球食品行业关注的焦点。植物蛋白广泛存在于植物的种子、果实和叶子中，是人类摄入蛋白的主要来源之一，与动物蛋白相比具有抗高血压、降胆固醇、抗肿瘤、抗微生物、预防慢性疾病等优异功效[1]。居民膳食蛋白质[2]研究表明未来的饮食方向是减少肉类蛋白质而增加植物来源的蛋白质在饮食中的比重，所以开发高效分离植物蛋白的工艺和方法具有重要意义。

1 植物蛋白的分离方法

目前植物蛋白的分离方法主要有碱溶酸沉法[3-4]、盐溶酸沉法[5-6]、生物酶法[7-8]、超声破碎法[9-10]、热水浸提法[11-12]、超声波辅助提取法[13-14]、泡沫分离法[15-16]、色谱分离法[17-18]、超滤法[19-20]和大孔树脂吸附法[21-22]，各方法的优缺点如表1所示。其中，泡沫分离是一种利用气体为分离介质以达到分离和浓缩目的的新兴技术，针对植物浸提液中的低浓度蛋白质，该技术可实现其的高度富集和回收，降低其后续纯化和产品化难度；其次，泡沫分离设备简单，易于放大，操作条件温和，对蛋白质的活性影响小，因此在降低植物蛋白分离成本和保证蛋白功能性方面具有巨大潜力。本文将综述泡沫分离在浓缩回收植物蛋白质方面的应用情况，包括分离纯蛋白和蛋白混合体系工艺研究两方面。

表1 植物蛋白质浓缩回收方法的汇总Table 1 Summary of the methods for enriching and recovering plant protein

2 泡沫分离植物纯蛋白的研究进展

2.1 工艺条件对泡沫分离植物蛋白的影响

植物蛋白浸提液的溶液性质是影响其泡沫分离效果的重要因素，溶液初始浓度、温度[23]、离子浓度[24]和pH是研究者经常考察的关键因素，除此之外，进液量、气速、气体分布器孔径大小[23]和鼓泡时间[25]等操作条件同样不可忽视。

(1)蛋白初始浓度。蛋白初始浓度通过影响溶液的表面张力影响泡沫起泡性，蛋白浓度越高表面张力越低，泡沫的发泡能力越强，排液速率越慢，回收率升高而富集比降低。为了形成稳定的泡沫层，蛋白质的浓度要在临界胶束浓度以下进行[26]。

(2)pH值。pH值通过改变蛋白质的结构来影响蛋白质集聚，在pH等于等电点时，蛋白质所带静电荷为零，蛋白质分子周围的双电层消失，气泡表面液膜的厚度减小，泡沫排液速率加快，蛋白质分离效果最好[27]。李轩领[28]在提取亚麻籽蛋白时，富集比和回收率在其等电点pH等于3时达到最大。

(3)进气速度。随着气速的增加，泡沫在分离柱内的时间缩短，减少了排水的时间所以富集比降低，泡沫量随之增加，使得回收率升高。

(4)装液量。在泡沫分离过程中，装液量不同，其液相压力就不同，压力对气泡的大小和分布都有影响，分离效果随着液相压力的增大先明显增大，进而增加平缓，当压力增大到一定值，分离效果降低[29]。

(5)温度。温度是影响液相吸附和泡沫相排液的因素之一，吸附是放热过程，而温度升高，则阻碍放热的进行，溶液的黏度随温度的升高而下降，有利于泡沫层排液[30]。

(6)气体分布器。气体分布器孔径是控制气泡大小的重要因素，小的气泡有利于增大气液传质的比表面积，且在液相中上升的速度慢，有利于蛋白质的吸附，使得富集比增大[31]。

(7)离子强度。增大离子强度可以改善蛋白在气-液界面处的吸附，提高排液，增加泡沫的稳定性，加大泡沫产量提高回收率。

刘海滨[32]、刘颖[33]对桑叶、紫花苜蓿叶、菠菜叶以及亚麻籽、甘薯等蛋白浓缩和回收工艺进行了优化(见表2)，表明泡沫分离能够高效富集和回收植物蛋白，对充分开发植物蛋白资源具有重要意义。

表2 泡沫分离植物蛋白的工艺研究进展Table 2 Research progress of the foam fractionation of plant protein

2.2 装置结构对泡沫分离植物蛋白的影响

装置结构直接影响泡沫分离植物蛋白的富集比。泡沫分离植物蛋白质的富集比是决定蛋白质后续纯化的关键指标，也是评价蛋白分离效果的直接表征。强化液相吸附和泡沫相排液是提高植物蛋白质的富集比的直接手段。在强化液相吸附方面，张哲等[35]开发了一种液相安装垂直筛板构件的新型泡沫分离塔，能有效增加大豆蛋白的吸附密度并缩短平衡时间，与传统液相无构件的泡沫分离塔相比，大豆蛋白的密度提高了58.8%。王连杰[36]分离大豆乳清蛋白时，在泡沫分离塔中加入折流板来强化气-液界面的吸附(图1)，一方面增加了气泡在液相中的停留时间，另一方面减小了蛋白质分子在气液界面的传质阻力，与对照塔相比，气-液界面蛋白质的质量流率和气-液表面过剩分别提高了153%和193%。

图1 折流板构件的三维结构图Fig.1 3D structure diagram of the baffle plate components

为了促进泡沫相排液，孙景辉[37]设计了一种新型泡沫分离塔即泡沫相部分水平泡沫塔，如图2所示，以牛血清蛋白为研究体系，得出泡沫相部分水平泡沫分离塔的富集比是对照直塔的1.8倍。李瑞[38]和杨全文等[39]以牛血清蛋白为研究体系，把螺旋内构件应用到泡沫分离过程中来强化泡沫排液，富集比分别提高1.85倍和2.5倍。吴兆亮等[40]开发了2种由截流板和导流筒组成的促进泡沫排液的设备，以乳酸菌肽发酵液为研究体系，发现上口封闭带小孔的导流筒Ⅱ能非常显著的降低出口持液率，其富集比是简单泡沫塔的2.42倍。卢珂等[41]设计了一种在泡沫相加内套筒的泡沫分离塔，以牛血清蛋白为研究体系，与没有加内套筒的对照塔相比，加内套筒的实验塔降低了持液量，加速了泡沫的变大和聚并，提高了牛血清蛋白富集比，而且牛血清蛋白的富集比随着加入内套筒长度的增加而增加。从简单泡沫分离塔到倾斜泡沫分离塔再到内构件泡沫分离塔，研究者不断开发在温和条件下利于泡沫相排液的内构件，其中带螺旋内构件的泡沫分离塔，由于螺旋离心力作用，气泡和气泡之间的液体逆流流动阻力更小，富集比相较于其他构件高。

图2 部分水平泡沫分离塔Fig.2 Part of horizontal foam fractionation tower

2.3 操作方式对泡沫分离植物蛋白的影响

泡沫分离有间歇式、连续式和分级式3种操作方式，通过料液是否一次性加入、鼓泡时间是否连续和有无残液排出来判断间歇式和连续式；分级式是将回收的泡沫液再次鼓泡，有多塔多级和单塔多级2种形式。孙瑞娉等[42]设计的两级泡沫分离提取大豆蛋白，如图3所示，既能提高富集比又能增大回收率，第一级的泡沫分离使大豆蛋白质的富集比尽可能高，具体数值为7.71，第二级的泡沫分离使蛋白质的回收率尽可能高，总回收率为82.75%。表3总结了采用不同操作方式及其相应回收率大小，可以发现两级泡沫分离的采用能够明显提高单级(间歇或连续)的蛋白质分离效果。

图3 两级泡沫分离大豆蛋白工艺流程图Fig.3 Process Flow Chart of two-stage foam fractionation of soybean protein

3 泡沫分离植物蛋白混合体系的研究进展

3.1 蛋白质-糖混合体系

植物蛋白质在提取过程中多糖往往也随之提取出来，因此去除提取混合物中的多糖成为植物蛋白质提纯的关键步骤。理论上多糖不是表面活性物质，泡

表3 泡沫分离植物蛋白过程中不同操作方式 对蛋白回收率的影响Table 3 Effect of different operating methods on protein recovery rate during foam fractionation plant protein

沫分离法可以得到高纯度的蛋白质并能使一同浸出的多糖不受破坏。实际上蛋白质和多糖并不是独立存在的，二者可发生复合反应[46]。李轩领[28]以未脱胶的亚麻籽饼粕为原料提取亚麻籽蛋白时，提出了一种新的增加分离效果的策略，以CO2为载气，降低溶液pH，使得亚麻胶水解，从而破坏酸性多糖和蛋白质的结合，最终提高亚麻籽蛋白质的回收率和富集比，超过空气直接泡沫分离10%以上。通过弱化植物蛋白质和多糖之间的相互作用，成为泡沫分离蛋白质-糖混合体系的研究重点。

3.2 蛋白质-蛋白质混合体系

植物蛋白质多以混合蛋白的形式存在[47]，针对二元蛋白质混合体系，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、泡沫半衰期与其各自浓度的关系式[公式(1)以及公式(2)]，为分离蛋白质二元体系提供了理论基础。不过对于三元蛋白质混合体系的泡沫分离机理还需进一步研究[47]。此外，还可基于蛋白质等电点不同的原则，加入阴离子或阳离子表面活性剂与其中一种蛋白质结合，来提高另一种蛋白质的回收率。SUZUKI等[49]通过加入阴离子表面活性剂选择性的分离卵蛋白和溶菌酶。TADASHI等[50]根据溶菌酶和α-淀粉酶的等电点不同，在不同pH条件下，选择性的进行了分离，图4为不同pH条件下，溶菌酶和α-淀粉酶的SDS-PAGE图谱。

(1)

t1/2=

(2)

图4 溶菌酶和α-淀粉酶在不同pH下的 电泳图Fig.4 Electrophoretogram of lysozyme and α-amylase at different pH values

4 结论

植物蛋白因其具有优异的功效已引起学术界和工业界的浓厚兴趣，未来具备实现商业化的潜能。但植物蛋白常用的浓缩回收方法存在许多局限性，泡沫分离在植物蛋白的浓缩和回收中展现了巨大的潜力，不仅可通过设计泡沫分离的操作条件、分离装置来调控植物蛋白的分离，还可通过多级泡沫分离来实现。因此，充分利用泡沫分离的所有优点，可以显著促进泡沫分离植物蛋白的工业化进程。然而，大部分植物蛋白并不是独立的存在，蛋白质与其他物质的结合使得泡沫分离在该领域还面临诸多问题和挑战。未来泡沫分离在植物蛋白富集和回收方面的研究可从以下几个方面进行突破。

(1)优化泡沫分离富集、回收蛋白的工艺条件。根据不同蛋白质的特性选择最优的泡沫分离工艺，确定蛋白浓度、温度、pH、进液量、气速等操作条件，解决分离过程中回收率、富集比不高的问题，加速泡沫分离制备植物蛋白的产业化进程。

(2)泡沫分离针对分离多种蛋白混合物和蛋白多糖混合物的数据偏少，对蛋白质混合物的分离还需要深入研究，从而更有效地指导实际复杂植物蛋白体系的分离和回收。