江洪波 徐鑫 覃瑞 李剛 熊海容 張丹丹

摘要馬鈴薯是人們喜愛的塊莖類蔬菜之一，馬鈴薯蛋白質(zhì)含量也很豐富。闡述了馬鈴薯蛋白的組成特點，對馬鈴薯蛋白的各種經(jīng)典和最新的分離提取方法進行了綜述，以期對進一步研究馬鈴薯蛋白提供理論依據(jù)。

關鍵詞馬鈴薯;蛋白質(zhì);提取

中圖分類號TS201.2+1文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）03-0009-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.03.003

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）又名土豆、洋芋、荷蘭薯等，屬于茄科茄屬多年生塊莖草本植物，在我國大量種植已經(jīng)有500多年的歷史。2015年我國馬鈴薯播種面積和產(chǎn)量均居世界第一位，分別達 552.36萬hm2和 9 708萬t。然而我國馬鈴薯主要以鮮食為主，僅約 15% 用于加工業(yè)[1-3]。馬鈴薯一般作為淀粉生產(chǎn)的主要原料，其蛋白成為副產(chǎn)品。但馬鈴薯蛋白由于其功能特性良好，必需氨基酸含量高，營養(yǎng)價值豐富，因此極具開發(fā)潛力。隨著食品工業(yè)的發(fā)展，如何合理開發(fā)利用馬鈴薯蛋白質(zhì)資源，對于減少環(huán)境污染、適應國家馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略需求具有重要的指導意義。筆者對馬鈴薯蛋白的分離提取方法進行了綜述，以期為進一步研究馬鈴薯蛋白提供理論依據(jù)。

1馬鈴薯蛋白的組成

新鮮馬鈴薯塊莖蛋白質(zhì)含量為1.7%～2.1%，馬鈴薯蛋白質(zhì)按分子量大小分為高分子量蛋白質(zhì)、糖蛋白、蛋白酶抑制劑3部分[4-9] 。目前后兩者研究較多，而前者研究較少。糖蛋白約占馬鈴薯塊莖總蛋白含量的40%，不僅必需氨基酸含量較高，而且兼具抗氧化活性和酯酰基水解活性，在防御害蟲和真菌病原體方面起重要作用，也可作為具有乳酯酶和β-1，3-葡聚糖酶活性的佐證。此外馬鈴薯糖蛋白還具有凝膠性、起泡性、乳化性等其他優(yōu)良功能特性，同時，糖蛋白具有加工功能特性，比較適用于食品加工業(yè)，成為近幾十年來植物蛋白研究的熱點之一。

蛋白酶抑制劑約占馬鈴薯塊莖總可溶性蛋白的50%[10]。目前，編碼馬鈴薯蛋白酶抑制劑的核苷酸序列已經(jīng)發(fā)布了100多種。根據(jù)組成蛋白的不同，馬鈴薯蛋白酶抑制劑可分為羧肽酶抑制劑、絲氨酸蛋白酶抑制劑、半胱氨酸蛋白酶抑制劑與天冬氨酸蛋白酶抑制劑等。以前長期把馬鈴薯蛋白酶抑制劑當做抗營養(yǎng)因子探討，但通?？梢圆捎煤唵蔚臒崽幚矶沟鞍酌敢种苿┦Щ睿挥胁磺‘?shù)呐腼兎绞交虍敂z入生的馬鈴薯時才會發(fā)生嚴重的抗營養(yǎng)反應。近年來發(fā)現(xiàn)其兼具抗癌和調(diào)節(jié)飲食等功效，進一步提高了其在制藥和食品工業(yè)中的應用范圍[11]。

馬鈴薯蛋白屬于完全蛋白質(zhì)，包含19種氨基酸（表1），其中非必需氨基酸含量為21.92%，必需氨基酸含量為20.13%，其必需氨基酸含量占氨基酸總量的47.9%，和雞蛋蛋白（49.7%）相近，明顯高于FAO/WHO的標準蛋白（360%）[12]。因此，馬鈴薯蛋白是一種優(yōu)質(zhì)的植物蛋白源，在食品工業(yè)中具有廣闊的應用前景[13]。

2馬鈴薯蛋白的分離提取

采用各種分離提取技術對馬鈴薯蛋白液進行處理，以獲得高純度的馬鈴薯蛋白產(chǎn)品，這是當前馬鈴薯蛋白研究的熱點。與大豆?jié)饪s蛋白和分離蛋白類似，馬鈴薯濃縮蛋白中的蛋白質(zhì)含量在70%左右，而馬鈴薯分離蛋白中的蛋白含量必須在90%以上[14]。由于馬鈴薯蛋白質(zhì)的應用價值較大，在生產(chǎn)中根據(jù)實際應用的需要來選擇恰當?shù)奶崛〖夹g，避免馬鈴薯淀粉廠的資源浪費，可同時取得經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

2.1酸熱沉淀法

從馬鈴薯淀粉加工廢水中回收蛋白質(zhì)的研究已有近100年歷史，最常用的方法是酸熱沉淀法。酸熱沉淀法回收馬鈴薯蛋白的過程是對淀粉加工分離汁水進行酸熱處理將蛋白質(zhì)絮凝沉淀下來。首先調(diào)節(jié)pH至3.5～55，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。中國科學院蘭州化學物理研究所建立了類似的生產(chǎn)技術并已推廣應用[15]。

黃闖等[16]研究表明，利用活性污泥法處理馬鈴薯淀粉廢水時產(chǎn)生的剩余污泥為原料，通過酸法水解提取蛋白，最佳提取條件為pH 1.00、反應時間2 h、固液比1∶25、反應溫度55 ℃。在此條件下，水解蛋白質(zhì)的提取率為57.0%。通過酸水解提取蛋白質(zhì)。此種方法充分利用活

性污泥又減少了污泥的隨意排放污染環(huán)境。由于酸解植物蛋白工藝中，水解速度較快、不易染菌和不易使水解液變質(zhì)等優(yōu)點，且經(jīng)堿中和處理、減壓濃縮等以減少氯丙醇的殘留，此工藝適合規(guī)?；a(chǎn)。另外，馬鈴薯分離蛋白溶液屬于非牛頓流體，影響其液流體性能的主要因素有分離蛋白溶液濃度、體系溫度、剪切時間和溶液的配制時間等，其濃度越大，溶液流動產(chǎn)生的阻力越大，其活化能越高。而且加工和干燥溫度對其特性也有顯著影響[17]。

荷蘭、丹麥等歐洲國家已經(jīng)實現(xiàn)了從馬鈴薯淀粉加工廢水中工廠化回收蛋白質(zhì)，且已有馬鈴薯濃縮蛋白的相關產(chǎn)品標準。歐盟關于馬鈴薯濃縮蛋白及其水解物的質(zhì)量標準中明確規(guī)定了馬鈴薯濃縮蛋白及其水解物的糖苷生物堿和賴氨酸、丙氨酸的含量。馬鈴薯濃縮蛋白及其水解物的質(zhì)量標準見表2。

馬鈴薯塊莖中主要含有α-卡茄堿和α-茄堿2種糖苷生物堿，占總糖苷生物堿的95%。馬鈴薯濃縮蛋白生產(chǎn)過程中，這2種糖苷生物堿隨著蛋白質(zhì)一起絮凝沉淀下來，因此馬鈴薯濃縮蛋白糖苷生物堿的含量較高（1.5～2.5 mg/g）。將這種濃縮蛋白作為飼料喂食虹鱒魚，結(jié)果糖苷生物堿會降低虹鱒魚的食欲。Refstie等[18]將除掉糖苷生物堿的馬鈴薯濃縮蛋白替代40%魚粉蛋白喂養(yǎng)大西洋鮭魚，結(jié)果具有較好的消化效果。因此作為動物飼料的馬鈴薯濃縮蛋白，有必要將糖苷生物堿水解以降低其毒性。

2.2擴張床吸附法擴張床吸附技術是劍橋大學Chase等[19]率先提出的，是一種經(jīng)過精心設計的、穩(wěn)定的、返混很少的離子交換層析技術。將澄清、濃縮和純化集成操作，減少操作步驟，提高了成品得率，減少了經(jīng)濟投入，被稱為近幾十年來出現(xiàn)的新型單元操作。與固定床類似，擴張床吸附只是進料方向由下往上，柱床處于膨脹擴張狀態(tài)[20]。Strtkvern等[21]首次報道了擴張床吸附提取具有天然活性的馬鈴薯蛋白，并進行了中試，為采用這種方法規(guī)?；a(chǎn)馬鈴薯蛋白奠定了基礎。Zeng等[22]以Amberlite XAD7HP為填料，利用擴張床吸附技術從馬鈴薯淀粉加工廢水中選擇性回收蛋白酶抑制劑，得到的蛋白酶抑制劑具有較好的溶解性和較高的胰蛋白酶抑制活性，這種具有較高生物活性的蛋白酶抑制劑有望用于制藥行業(yè)。

2007年，荷蘭的馬鈴薯淀粉集團公司AVBE在其全資子公司Solanic采用擴張床吸附技術以混合配基化學吸附填料制備了適合食品工業(yè)和制藥工業(yè)應用的高性能馬鈴薯蛋白[3]。將馬鈴薯蛋白分成2種類型：一是以馬鈴薯糖蛋白為主，呈粉末狀的蛋白食品原料（蛋白質(zhì)含量90%以上）。二是以馬鈴薯蛋白酶抑制劑為主，呈液態(tài)的制藥工業(yè)原料。該公司宣稱馬鈴薯蛋白質(zhì)量強于大豆蛋白，其營養(yǎng)價值與動物蛋白相當，成為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)食品級（藥品級）馬鈴薯蛋白的先驅(qū)。

利用2步泡沫分離技術回收馬鈴薯蛋白，其技術上還存在無法確定蛋白的生物活性、規(guī)模不大、效率不高等缺陷[23]。Ralla等[24] 分別以EXM 1753、EXM 1607和Puranit UF 3種不同的黏土作為交換劑，采用離子交換劑提取馬鈴薯蛋白。由于黏土價格較低廉，此種方法與其他色譜填料相比，經(jīng)濟成本小很多。研究表明，黏土EXM 1607和Puranit? UF帶有負電荷，在pH 7～9條件下主要吸附蛋白酶抑制劑，而不吸附糖蛋白。這對分離純化馬鈴薯蛋白研究方面具有很強的指導意義。且由于黏土廉價易得，因此具有潛在的產(chǎn)業(yè)化應用前景。

2.3超濾法

超濾膜分離技術在乳品等蛋白質(zhì)分離方面比較成熟，但采用超濾法提取馬鈴薯蛋白質(zhì)的報道較少。采用平板式超濾膜工藝回收馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中的蛋白質(zhì)是一種較高效的蛋白質(zhì)回收新工藝。此方法蛋白質(zhì)回收率高，濃縮效果明顯。經(jīng)過平板式超濾膜濃縮可將廢水中的馬鈴薯蛋白質(zhì)濃縮至半固態(tài)，對后期冷凍或烘干干燥十分便利。超濾膜對馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中蛋白質(zhì)的截留率超過90%，化學需氧量的截留率超過50%[25]。要得到最佳提取效果必須對超濾膜進行定期清洗。堿性蛋白酶0.05%是較好的清洗劑，其次是 NaOH 0.5%水溶液，恢復系數(shù)分別達99.55%和89.12%。顧文芬等[26]采用賽多利斯超濾膜回收馬鈴薯蛋白，馬鈴薯濃縮液蛋白的濃度增加至原來的4倍左右，得到的蛋白酶抑制劑活力達100 TIUs/mg以上。研究表明，超濾法對于回收馬鈴薯淀粉加工廢水中的蛋白質(zhì)，是一種較有效的方法[27-28]。但必須考慮超濾膜的清洗成本和方法的適用性。

2.4磁性殼聚糖微球吸附

磁性殼聚糖微球是指內(nèi)部含有磁性金屬或金屬氧化物（鐵、鈷、鎳及其氧化物）的超細粉末，且具有磁響應性的殼聚糖微球，可在外加磁場作用下迅速分離[29]。殼聚糖是一種優(yōu)良天然高分子絮凝劑，可與廢水中絕大部分帶負電荷的蛋白質(zhì)等物質(zhì)快速集結(jié)成沉淀而得以快速分離，被廣泛用于食品工業(yè)廢水處理中。磁性殼聚糖微球吸附這種優(yōu)良的技術為馬鈴薯淀粉廢水的蛋白質(zhì)回收提供了新方法。該方法利用該磁性殼聚糖微球?qū)︸R鈴薯淀粉廢水中的蛋白進行吸附，采用反向懸浮交聯(lián)法制備。對殼聚糖采用先進的磁分離技術得以回收，可以有效再生使用[30-31]。這種方法用于馬鈴薯淀粉廢水的蛋白質(zhì)回收，其合成的磁性微球外表呈球形，粒徑為20～50 μm，當馬鈴薯淀粉廢水中磁性殼聚糖用量為2 mg/mL（磁性殼聚糖微球∶馬鈴薯蛋白=4∶1），吸附時間為30 min，溫度為45 ℃，pH為7.0時，回收率最高達80%[32]。目前，這種磁性殼聚糖微球吸附法吸附效率較高，可以再生使用，比較環(huán)保，但在理論和技術上還有不太完善的地方，規(guī)模化生產(chǎn)還有很多困難。

2.5酶法

酶法提取植物蛋白是一種很有潛力的蛋白質(zhì)提取方法，它通過降解植物細胞壁組分，分離出蛋白質(zhì)，從而最大程度上維持了蛋白的功能性。Waglay等[33]研究發(fā)現(xiàn)采用 Ceremix 2XL和來自于里氏木霉的 Depol 670L 2 個多酶系統(tǒng)能夠分別高效地回收糖蛋白（高達60.0%）和蛋白酶抑制劑（高達 72.0%）。張澤生等[34]采用酶法對馬鈴薯淀粉廠廢水進行處理，得到馬鈴薯粗蛋白含量達80%以上的提取物，可制作成富含氨基酸的高營養(yǎng)動物飼料。

3小結(jié)

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。較經(jīng)典的方法是酸熱處理法，但工藝相對復雜，蛋白質(zhì)功能喪失嚴重。超濾法自動化程度高，穩(wěn)定可靠，但仍需開發(fā)簡單有效的超濾膜以降低成本。擴張床吸附法工藝簡單，成本低廉，既提取又分離，能有效減少對蛋白質(zhì)功能特性的破壞。磁性殼聚糖微球吸附法吸附效率較高，殼聚糖又可以再生使用，降低了生產(chǎn)成本，但在技術上還有待進一步完善。酶法處理淀粉廠廢液回收馬鈴薯蛋白，作用條件溫和，蛋白質(zhì)活性得以充分保留，但酶來源較單一，規(guī)模化工廠生產(chǎn)技術上仍不成熟。在實際生產(chǎn)中也可以多種方法混合使用，從而提高提取效率。

47卷3期江洪波等馬鈴薯蛋白提取方法綜述

參考文獻

[1]

杜連啟.馬鈴薯食品加工技術[M].北京：金盾出版社，2009：1-9.

[2] 王金秋，武舜臣.馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的動力、障礙與前景[J].農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，2018（4）：17-19.

[3] 曾凡逵，周添紅，劉剛.馬鈴薯淀粉加工副產(chǎn)物資源化利用研究進展[J].農(nóng)業(yè)工程技術（農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)），2013（11）：33-37.

[4] POTS A M，GRUPPEN H，VAN DIEPENBEEK R，et al.The effects of storage of whole potatoes of three culttivars on the patatin and protease inhibitor concent; a study using capillary electrophoresis and MALDI-TOF mass spectromrtry[J].Journal of the science of food and agriculture，1999，79（12）：1557-1564.

[5] POTS A M，GRUPPEN H，HESSING M，et al.Isolation and characterization of patatin isoforms[J].Journal of agricultural and food chemistry，1999，47（11）：4587-4592.

[6] PARK W D，BLACKWOOD C， MIGNERY G A， et al. Analysis? of? the? heterogeneity? of? the? 40000? molecular? weight? tuber glycoprotein of potatoes by immunological methods and by NH2-terminal sequence analysis [J].Plant physiology，1983，71（1）：156-160.

[7] BRTA J， BRTOV V， DIVISˇ J. Effect? of? lowmolecular? additives? on? percipitation? of? potato? fruit? juice? proteins? under different temperature regimesf [J].Journal of food process engineeing，2008，31（4）：533-547.

[8] LIU Y W，HAN C H，LEE M H，et al.Patatin，the tuber storage protein of potato （Solanum tuberosum L.），exhibits antioxidant activity in vitro[J].Journal of agricultural and food chemistry，2003，51（15）：4389-4393.

[9] PIHLANTO A，AKKANEN S，KORHONEN H J.ACE-inhibitory and antioxidant properties of potato （Solanum tuberosum）[J].Food chemistry，2008，109（1）：104-112.

[10] POUVREAU L，GRUPPEN H，PIERSMA S R，et al.Relative abundance and inhibitory distribution of protease inhibitors in potato juicefrom cv.Elkana[J].Journal of agricultural and food chemistry，2001，49（6）：2864-2874.

[11] KENNEDY A R.Chemopreventive agents：Protease inhibitors[J].Pharmacology and therapeutics，1998，78（3）：167-209.

[12] 曾凡逵，許丹，劉剛.馬鈴薯營養(yǎng)綜述[J].中國馬鈴薯， 2015， 29（4）：233-243.

[13] 張澤生，劉素穩(wěn)，郭寶芹，等.馬鈴薯蛋白質(zhì)的營養(yǎng)評價[J].食品科技，2007（11）：219-221.

[14] 潘牧，彭慧元，鄧寬平，等.馬鈴薯蛋白的研究進展[J].貴州農(nóng)業(yè)科學，2012，40（10）：22-26.

[15] 邱銳.中科院蘭州化物所馬鈴薯淀粉工業(yè)廢水利用獲進展[N].中國科學報，2012-01-01（A4）.

[16] 黃闖，張澤生，王玉本，等.馬鈴薯蛋白酸水解工藝及氨基酸組分檢測[J].食品科技，2010，35（8）：317-321.

[17] 張文會.馬鈴薯分離蛋白溶液流變學特性及熱穩(wěn)定性研究[D].長春：吉林農(nóng)業(yè)大學，2011.

[18] REFSTIE S，TIEKSTRA H A J.Potato protein concentrate with low content of solanidine glycoalkaloids in diets for Atlantic salmon （Salmo salar）[J].Aquaculture，2003，216（1/2/3/4）：283-298.

[19] CHASE H A，DRAEGER N M.Expandedbed adsorption of proteins using ion-exchangers[J].Separation science and technology，1992，27（14）：2021-2039.

[20] 曾凡逵，劉剛.天然馬鈴薯蛋白的分離及氨基酸組成分析[J].食品科學，2014，35（9）：53-56.

[21] STRTKVERN K O，SCHWARZ J G，WIESENBORN D P，et al.Expanded bed adsorption for recovery of patatin from crude potato juice[J].Bioseparation，1999，7（6）：333-345.

[22] ZENG F K，LIU H，MA P J，et al.Recovery of native protein from potato root water by expanded bed adsorption with amberlite XAD7HP[J].Biotechnology and bioprocess engineering，2013，18（5）：981-988.

[23] LIU Z M，WU Z L，LI R，et al.Two-stage foam separation technology for recovering potato protein from potato processing wastewater using the column with the spiral internal component[J].Journal of food engineering，2013，114（2）：192-198.

[24] RALLA K，SOHLING U，SUCK K，et al.Separation of patatins and protease inhibitors from potato fruit juice with clay minerals as cation exchangers[J].Journal of separation science，2012，35（13）：1596-1602.

[25] 呂建國，安興才.膜技術回收馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)的中試研究[J].中國食物與營養(yǎng)，2008（4）：37-40.

[26] 顧文芬，曾凡逵，程錦春.超濾法從馬鈴薯淀粉加工分離汁水中回收蛋白質(zhì)的研究[J].現(xiàn)代食品科技，2018，34（3）：131-136.

[27] 陳鈺.馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白回收及表征[D].廣州：華南理工大學，2010.

[28] 陳鈺，潘曉琴，鐘振聲，等.馬鈴薯淀粉加工廢水中超濾回收馬鈴薯蛋白質(zhì)[J].食品研究與開發(fā)，2010，31（9）：37-41.

[29] 羅志敏，馬秀玲，陳盛，等.磁性殼聚糖-聚丙烯酸微球的制備及表征[J].化學通報，2005（7）：551-554.

[30] 陶冶，張曉茹，張書圣.殼聚糖在工業(yè)廢水處理中的應用[J].菏澤學院學報，2005，27（5）：36-40.

[31] 董海麗，任曉燕.磁性殼聚糖微球?qū)Υ蠖谷榍鍙U水中蛋白質(zhì)的吸 附 作 用[J].食品科學，2007，28（7）：205-207.

[32] 張軼，楊大林，韓杰，等.磁性殼聚糖微球吸附馬鈴薯淀粉廢水中蛋白的應用研究[J].食品工業(yè)科技，2010，31（9）：251-253.

[33] WAGLAY A，KARBOUNE S.A novel enzymatic approach based on the use of multi-enzymatic systems for the recovery of enriched protein extracts from potato pulp[J].Food chemistry，2017，220：313-323.

[34] 張澤生，郭寶芹，劉素穩(wěn).不同酶水解馬鈴薯蛋白技術的分析、評價[J].食品研究與開發(fā)， 2009，30（1）：112-114.