《Sustainable Food Technology》：Harnessing non-thermal techniques for sustainable protein extraction from blue foods and their potential applications in circular food systems
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这篇综述聚焦于利用先进非热技术（如超声、脉冲电场、高压处理、酶辅助提取等）从水生资源（蓝色食物）中高效提取高品质蛋白质。文章系统评述了这些绿色技术相较于传统热加工或化学方法，在提高提取率、保持蛋白功能活性、减少废弃物和环境影响方面的优势，并深入探讨了所获蛋白质在功能性食品、营养保健品、动物饲料及医药等领域的应用潜力，旨在为推动循环生物经济、实现可持续食品系统提供见解。
1. 引言
全球人口增长和营养需求攀升，使得来自海洋和淡水环境、统称为“蓝色食物”的水产资源重要性日益凸显。它们不仅是优质蛋白质、脂肪酸和关键微量营养素的重要来源，更在应对全球饥饿、确保营养安全方面扮演着关键角色。然而，当前蓝色食品系统存在显著低效问题，加工过程中高达30-70%的生物质（如头、骨、皮、内脏和壳）成为未充分利用的副产品。传统线性加工模式常将这些残留物导向低价值用途或填埋，造成资源浪费和环境负担。因此，开发环境友好、高效且可持续的蛋白质提取技术，对于推动蓝色食物资源的高值化利用、减少污染、优化资源管理至关重要。本综述旨在批判性评估从蓝色食物中提取蛋白质的传统与非热技术，分析其可持续性影响，并探索其在循环生物经济框架下的整合路径。
2. 蓝色食物中的蛋白质来源
蓝色食物中的蛋白质来源丰富多样，主要可分为藻类和海洋动物两大类。
2.1. 藻类蛋白质来源
大型藻（海藻）中，绿藻和红藻的蛋白质含量显著高于许多陆生植物源（如大豆），部分红藻蛋白质含量可达干重的47%。微藻则是更为浓缩的蛋白质来源，某些物种（如螺旋藻Spirulina、小球藻Chlorella）的蛋白质含量可占生物质干重的70%左右，且其氨基酸谱与人体需求高度匹配。藻类蛋白不仅营养丰富，其衍生肽还具有抗氧化、免疫调节、抗高血压等多种生物活性。
2.2. 海洋动物蛋白质来源
鱼类（如金枪鱼、鲤鱼、罗非鱼）、甲壳类（虾、蟹）、软体动物（鱿鱼、章鱼）及其他无脊椎动物（海星、水母）是重要的蛋白质来源。鱼类蛋白质富含人体必需氨基酸，尤其是赖氨酸和蛋氨酸，并且具有高消化率。此外，海洋动物组织，特别是加工副产物（皮、骨、鳞），含有丰富的胶原蛋白，这是重要的结构性蛋白。鱼类水解产物中的生物活性肽，因其氨基酸组成和结构特性，展现出抗氧化、抗高血压和抗菌等显著生物活性。
3. 蓝色食物中蛋白质的提取技术
提取技术主要分为传统技术和先进非热技术。
3.1. 传统蛋白质提取技术
主要包括pH调节法、酸/碱提取法和溶剂提取法。pH调节法通过将环境pH调至蛋白质等电点之上或之下，利用电荷排斥作用使蛋白质结构展开，提高溶解度，再调回中性使其沉淀。酸提取法常用0.5 M醋酸等处理原料，溶解胶原蛋白等。碱提取法则利用高pH条件实现更高的蛋白质溶出率。溶剂提取法使用有机溶剂，但可能涉及有毒化学物质，且可能改变氨基酸谱，产生不良副产物。尽管这些方法有效，但通常需要高化学投入、大量用水，并可能产生需中和的废水，环境负荷较大。
3.2. 先进（非热）蛋白质提取技术
这些技术被视作更绿色、可持续的替代方案，能在较低温度下操作，减少能源需求，并更好地保持蛋白质功能特性。
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酶辅助提取：利用特异性蛋白酶或细胞壁降解酶，在温和条件下水解结构组分，提高蛋白质溶出。此法速度快，有害化学品使用少，并能生产具有生物活性的鱼蛋白水解物(FPH)或肽。
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超声波辅助提取：利用超声波空化效应产生的微射流、局部高温高压，破坏细胞结构，增强溶剂渗透和质量传递，从而显著提高胶原蛋白等物质的提取效率和速率，并可能改善蛋白质的功能特性（如溶解性）。
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高压处理(HPP)：在高达1000 MPa的压力下处理样品，可破坏蛋白质的次级、三级和四级结构，促进肽键释放，从而缩短明胶提取时间，提高得率。压力也能诱导肌球蛋白等蛋白展开和聚集，影响其凝胶特性，改善肉制品品质。
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脉冲电场(PEF)：施加高强度脉冲电场，引起细胞膜电穿孔（可逆或不可逆），导致细胞内含物（包括蛋白质）释放。电场强度、脉冲持续时间等参数影响提取效率。PEF可用于选择性提取完整蛋白质。
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超临界流体(SCF)提取：主要使用超临界二氧化碳，是一种绿色技术，在胶原蛋白等特定成分提取上显示出潜力。
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栅栏技术：结合两种或多种技术以实现协同增效。例如PEF与酶解结合、PEF与机械压榨结合等，已被证明能获得比单一方法更高的蛋白质提取率。
4. 蓝色食物蛋白质的影响因素及缓解策略
尽管前景广阔，但其开发应用仍面临挑战：
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纯度杂质：藻类可能富集砷、镉等重金属，需监控以确保食品安全。
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食物致敏性：鱼类是主要过敏原之一，如小清蛋白。加工过程（如加热）可能改变蛋白质结构，影响其致敏性，但影响程度因蛋白和加工方式而异。
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经济视角：微藻培养的上游和下游加工成本较高，规模化生产和商业化需要开发更稳健、经济的工艺。
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环境可持续性：需对非热提取技术进行全生命周期评估，考量从原料获取到提取干燥过程的能源消耗和碳足迹，确保其整体环境效益优于传统方法。
5. 蓝色食物蛋白质的应用
提取的蛋白质及其衍生物拥有广泛的高价值应用前景：
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定制化/功能性食品：藻类蛋白、鱼蛋白可用于强化或开发新型食品，如富含蛋白质的酸奶、面包、面食、素食肉替代品等，改善产品营养和功能特性。
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营养保健品：从虾蟹废料中提取的虾青素，从鱼类水解获得的生物活性肽，可作为天然抗氧化剂、抗高血压成分用于膳食补充剂。
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海洋生物废料 valorization：将低值鱼类、加工副产物通过高效提取技术转化为高值蛋白质成分，实现变废为宝。
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可持续动物饲料与水产饲料：鱼蛋白水解物(FPH)和微藻蛋白可作为优质、可持续的饲料蛋白源，部分替代鱼粉，减轻对野生鱼类资源的压力，并可能促进动物生长和健康。
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潜在医疗应用：海洋胶原蛋白因其良好的生物相容性、低免疫原性和可生物降解性，在组织工程（如皮肤、骨骼再生）、药物递送系统和外科手术材料中具有广泛应用潜力。
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创新食品产品：海洋明胶用于制作甜点；藻胆蛋白用作天然食用色素；微藻蛋白作为食品添加剂或补充剂。
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残留物 valorization 与循环生物经济：蛋白质提取后的残留物（含脂质、矿物质、甲壳素等）可被进一步提取利用，形成多产品生物精炼模式，最大化资源利用率，最小化废弃物，真正支撑循环生物经济的发展。
6. 实际与工业应用挑战
尽管潜力巨大，但蓝色食物蛋白质的规模化应用仍面临一些挑战：原料成分的季节性和物种差异性导致产品质量和得率不稳定；非热技术的设备投资和放大可行性问题；提取和干燥过程可能改变蛋白质功能特性（如溶解性、乳化性）；与海洋来源相关的特殊风味、色泽可能影响消费者接受度；以及新食品成分的法规审批、致敏性评估和标签要求等。
7. 结论、局限与未来展望
非热提取技术为从蓝色食物中高效、绿色地获取高质量蛋白质提供了充满希望的途径。这些技术不仅能提高提取效率和产品功能活性，还能减少废弃物和环境足迹，有助于推动可持续食品系统和循环生物经济。然而，该领域仍面临缺乏大规模工业数据、标准化环境评估指标不一致、技术经济可行性有待验证等局限。未来的研究应侧重于开发集成的生物精炼工艺，进行中试规模验证和全面的生命周期评估，并深入探索提取蛋白质的长期储存稳定性和在复杂食品基质中的功能表现，以加速这些可持续蛋白质解决方案的商业化进程，为应对全球营养和安全挑战贡献力量。
