将农业废弃物转化为功能性成分：利用天然蛋白质载体和酶改性的蛋白质载体对番茄渣提取物进行喷雾干燥微胶囊化处理

《Journal of Agriculture and Food Research》：Valorization of agricultural waste into functional ingredients: Spray-drying microencapsulation of tomato pomace extract using native and enzymatically modified protein carriers

本研究通过对比乳清蛋白浓缩物（WPC）、明胶（GEL）及杏核蛋白（AKP）的原态和酶解形态（H-WPC、H-GEL、H-AKP），评估其微胶囊化番茄渣提取物（TPE）的性能。发现H-WPC包封效率最高（85.16%），H-AKP次之（81.07%），均优于传统动物基载体。FTIR证实TPE成功包封于蛋白基质，酶解显著提升载体溶解性（H-WPC达97.42%）和流动性（HR 1.85）。研究提出农业废弃物（番茄渣、杏核）双资源化策略，验证杏核蛋白作为可持续替代载体的可行性，为食品工业提供零废弃解决方案。

　　这项研究旨在评估三种蛋白质载体在原生和水解形式下对番茄渣提取物（TPE）进行喷雾干燥微胶囊化的效果。研究中涉及的载体包括动物源性蛋白质载体如乳清蛋白浓缩物（WPC）和明胶（GEL），以及来源于农业废弃物的杏仁核蛋白（AKP）。通过对比分析，研究验证了AKP作为新型植物来源载体是否能够在喷雾干燥过程中实现与传统动物源性载体相媲美的微胶囊化性能。同时，该研究还展示了将两种农业废弃物——番茄加工废料（作为生物活性成分来源）和杏仁加工废料（作为载体）转化为高附加值功能性成分的双重农业废弃物增值策略，这不仅有助于减少环境污染，还支持了循环经济的理念。

番茄（*Solanum lycopersicum* L.）是富含矿物质、维生素和生物活性物质的作物，如番茄红素、酚类化合物和天然抗氧化剂。全球番茄产量在2021年达到了约1.9亿吨，并预计到2030年将增加至2.22亿吨。在加工过程中，会产生大量废弃物（称为番茄渣），占加工番茄重量的10-30%，包括果肉、果皮和种子。这些废弃物传统上被丢弃或用作肥料和动物饲料，给环境带来负担，但同时也蕴含着丰富的生物活性成分，如番茄红素（果皮中可达864 mg/kg）、酚类化合物和植物甾醇。这些生物活性物质具有抗毒性、抗菌性和疾病预防等特性，但一旦被提取，它们在加工和储存过程中容易因光照、热和氧化等因素发生降解。

因此，将这些生物活性成分进行微胶囊化是保护其活性、增强其输送效率的一种有效策略。喷雾干燥是一种广泛应用的微胶囊化方法，因其过程简单、高效且成本较低，适合大规模转化液态提取物为粉末形式。然而，该过程涉及高温，可能会对热敏性化合物造成损害。因此，选择合适的载体至关重要，以确保在喷雾干燥过程中保护生物活性成分。通常，喷雾干燥助剂如麦芽糊精因其低成本和高溶解性而被广泛使用，但它们在表面活性和成膜性能方面往往存在不足，难以有效保护敏感化合物。

相比之下，蛋白质如乳清蛋白和明胶则具有增强的表面活性，能迅速迁移至颗粒表面形成保护膜，从而改善乳化和成膜能力。然而，随着可持续发展需求的增加，研究者开始关注源自农业废弃物的蛋白质载体。杏仁核蛋白（AKP）作为一种特别有前景的可持续替代品，不仅具有潜在的低致敏性，还能通过农业废弃物增值策略实现资源再利用。近期研究表明，AKP在功能性方面表现出色，具有优异的乳化能力，其在pH 7时的溶解度为89.2%，乳化活性为82.3 m2/g，泡沫稳定性为85.7%。此外，AKP的微胶囊化效率（82.2%）与乳清蛋白浓缩物（85.9%）相当，显示出作为生物活性成分载体的潜力。尽管如此，AKP在喷雾干燥应用中的使用仍较为有限，研究其作为生物活性化合物微胶囊化载体的潜力尚属初步阶段。

为了提升植物蛋白的性能，酶解水解是一种可行的方法。酶解能改善其溶解性、表面活性和成膜能力，从而增强其作为微胶囊化材料的水溶性，这是实现有效微胶囊化的重要因素。酶解过程中，选择合适的酶至关重要，因为不同的蛋白酶会生成不同的肽谱，这可能影响功能性和感官特性。例如，胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶（存在于胰蛋白酶中）分别切割含有碱性（如赖氨酸、精氨酸）和芳香族（如苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸）氨基酸的肽键，生成具有增强表面活性的肽，同时策略性地减少其他蛋白酶（如胃蛋白酶或碱性蛋白酶）可能导致的苦味化合物生成。这种酶的特异性对于食品应用尤为重要，因为苦味肽可能会影响消费者的接受度。

本研究旨在通过对比评估三种蛋白质载体在原生和水解形式下对番茄渣提取物进行喷雾干燥微胶囊化的效果，以解决农业废弃物增值和生物活性成分保护的双重挑战。研究假设酶解能提升所有蛋白质体系的功能性，其中水解AKP可能表现出与传统动物源性载体相当或更优的性能。研究目标包括：1）对比评估WPC、明胶和AKP三种蛋白质载体在原生和水解形式下对TPE的喷雾干燥微胶囊化效果；2）评估酶解对不同蛋白质体系的微胶囊化效率和功能性的影响；3）将AKP微胶囊与WPC和明胶体系进行基准比较，分析其在物理化学特性、形态特征和生物活性成分保留方面的表现。

在材料和方法部分，研究使用了DL-薄荷醇（95%）、乳酸、DPPH、ABTS、硫代巴比妥酸、三氯乙酸、过硫酸钾、正己烷、Folin-Ciocalteu试剂和碳酸钠等化学试剂。这些试剂分别从Merck和Sigma-Aldrich公司购买。实验中还使用了食用级牛皮明胶，其规格包括凝胶强度265 Bloom、蛋白质含量≥88%、水分含量≤12%、灰分含量≤2%和pH值5.5-7.0（1%水溶液）。WPC从Sachsenmilch GmbH获得，其规格包括蛋白质含量≥80%、水分含量≤5%、乳糖含量≤8%、脂肪含量≤8%和灰分含量≤3%。此外，胰蛋白酶从Novo Nordisk A/S购买，用于水解WPC、明胶和AKP。该酶是标准化的猪源性混合酶，包含胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶，具有稳定的蛋白酶活性，适用于食品级蛋白质修饰。

在实验设计中，研究人员首先通过系统提取获得了番茄渣中的酚类化合物和天然抗氧化剂。新鲜的番茄渣，由约70%的种子和30%的果皮组成，从Saina Co（Marand, Iran）获得。根据供应商数据，番茄渣的组成（干基）为：19.3%蛋白质、11.5%脂肪、21.1%总糖、44.2%粗纤维和3.9%灰分。番茄渣在实验室中被手动清洗，然后在-48°C和0.100 mbar的条件下进行冷冻干燥48小时（Free Zone 4.5, Labconco, Kansas City, MO, USA），随后使用刀片磨机（Grindomix GM 200, Retsch GmbH, Düsseldorf, Germany）将其研磨成粒径为350 μm的均匀粉末，并通过700 μm筛网筛选，以获得最佳的表面积进行提取。该粉末在-20°C下保存，避免光照。

在提取TPE的过程中，50克粉末与1000毫升正己烷（1:20, w/v比）混合，基于初步试验和文献优化后的条件进行番茄红素的回收。混合物在25°C ± 2°C下搅拌2小时，因为动力学研究表明在此时间范围内回收率最高，且延长搅拌时间不会带来进一步的提升。之后，混合物在2150 × g的离心力下离心15分钟，以防止类胡萝卜素的降解，然后通过Whatman No. 1滤纸过滤。通过目视检查确认完全过滤，确保溶液的澄清度和悬浮颗粒的消失。

为了去除残留的油脂，研磨后的番茄渣与正己烷按1:5（w/v）混合6小时，持续搅拌。然后进行离心分离，得到脱脂的番茄渣。蛋白质提取通过将脱脂的番茄渣分散在0.017 M NaCl溶液（0.1% w/v，pH调整至9.5）中进行，比例为1:10（w/v，番茄渣:溶液），并在25°C下搅拌1小时。随后再次离心以收集含有溶解蛋白质的上清液。为了沉淀蛋白质，上清液通过加入1 M HCl缓慢酸化至pH 4.2。沉淀的蛋白质通过离心分离，用0.5 M NaOH将pH调整至7.0，最后进行冷冻干燥。由于使用的NaCl浓度较低（0.017 M），未进行盐的去除，以避免影响蛋白质功能或后续处理。

蛋白质的酶解水解使用胰蛋白酶进行，酶解参数基于食品级蛋白质修饰的协议，目标为中等水解程度（10-15%）。通过初步优化试验，确定了酶与底物的比为1:50（w/w）。每种蛋白质分别悬浮在0.1 M磷酸盐缓冲液（pH 7.4）中，浓度为5%（w/v），并在37°C下搅拌120分钟，以确保酶与底物的均匀接触和防止蛋白质在水解过程中的聚集。反应通过加热至95°C持续20分钟以失活酶，随后迅速冷却至室温（25°C）以保护水解产物的品质，防止热降解。获得的水解产物通过2150 × g的离心力在4°C下离心30分钟，然后在-60°C下冷冻干燥72小时，并在-20°C下保存，避免光照。

水解度（DH）通过显色法（Ninhydrin方法）测定，使用分光光度计在570 nm波长下进行。DH值分别为：WPC（12.4 ± 0.3%）、明胶（13.2 ± 0.4%）和AKP（13.8 ± 0.2%），表明水解过程成功且适中，适合喷雾干燥应用，同时保持成膜能力，这是微胶囊化效率的关键因素。

在喷雾干燥微胶囊化过程中，使用了实验室规模的喷雾干燥器（Maham Sanat, Neyshabur, Iran），优化了进料温度（150–190°C）、进料速率（3–7 mL/min）和空气流量（40–60 m3/h）等参数，以最大化产率（>80%）并最小化生物活性成分的降解。最终优化的条件为：进料温度170°C ± 5°C，出口温度80°C ± 5°C，热空气流量50 m3/h，进料速率5 mL/min，通过蠕动泵输送。在干燥过程中，进料溶液通过磁力搅拌以防止沉淀。喷雾干燥颗粒在玻璃瓶中收集，这些瓶子连接到干燥室和旋风分离器的末端。获得的粉末进行称重，并立即密封在Ziplock聚乙烯袋中，用铝箔包裹，存放在含有硅胶的干燥器中，温度保持在25°C。

产率的计算遵循标准协议，其中产率代表回收粉末与初始进料固体的比率。产率计算公式为：产率（PY）= 收集的粉末质量 / 进料溶液中的总固体质量。通过初步试验（n=3）和文献指南优化了操作参数，以确保产率超过80%并减少生物活性成分的降解。通过实验得出的产率范围为52.90%（明胶）到85.16%（H-WPC），表明载体选择和修饰对喷雾干燥效率和材料回收具有深远影响。

在封装效率（EE）的测定中，研究采用了一种经过验证的两步提取法，以量化喷雾干燥微粒中总和未封装的番茄红素含量。总番茄红素的测定方法是将10毫克微粒溶解在5毫升乙醇/二甲基亚砜（1:1 v/v）中，以确保番茄红素的完全释放。该溶剂组合的选择是因为DMSO能够有效破坏蛋白质-基质相互作用，而乙醇可以溶解番茄红素，从而提供比单一溶剂更高的提取效率。混合物在超声波处理15分钟后，通过3350 × g的离心力在4°C下离心10分钟，以去除未溶解的载体材料。上清液在470 nm波长下进行分析（Analytik Jena, Berlin, Germany）。

表面番茄红素的测定则是通过将10毫克微粒用5毫升正己烷轻轻洗涤5分钟，进行温和摇晃以选择性提取表面结合的番茄红素，而不破坏封装基质。离心后收集含有表面番茄红素的上清液进行分析。校准和质量控制通过使用不同溶剂系统（乙醇/DMSO用于总番茄红素，正己烷用于表面）的线性校准曲线进行，范围为0.5-25 μg/mL，R2≥0.99。所有样品均进行三重分析，变异系数<5%。标准质量控制样品被包含在每批分析中，以确保方法性能和数据质量。EE通过公式计算，其中EE值越高，表明核心材料的保护和保留效果越好。

物理、流动性和形态特性是喷雾干燥粉末的重要指标，影响其稳定性、储存质量和工业应用性。通过标准方法测定水分含量和水活度，这些参数是评估粉末稳定性和储存质量的关键。研究还评估了粉末的物理特性，包括松散密度、紧密密度、吸湿性、溶解度、Hausner比（HR）、Carr指数（CI）和休止角（AR）。通过ImageJ软件对数字图像进行分析，以确定L*、a*和b*值。总颜色差异（ΔE）、白度指数（WI）和黄度指数（YI）通过相应的公式计算。

颜色参数的变化与不同的蛋白质载体和喷雾干燥条件密切相关。研究发现，水解后的载体具有更高的水分含量和水活度，这与酶解过程中暴露的更多亲水性氨基酸残基有关。高水分含量和水活度可能导致非酶促褐变反应和脂质氧化的加速，这在长期储存中可能影响产品的质量。然而，水解后的载体通常表现出更高的溶解性，这有助于形成更均匀的进料溶液，减少喷嘴堵塞，从而提升生产效率。

流动特性由Hausner比和Carr指数评估，其中较低的Hausner比和较高的Carr指数表明较差的流动性。AKP和H-AKP表现出较差的流动特性，其Hausner比最低（1.15和1.21），而Carr指数最高（0.55和0.48）。这与SEM图像中观察到的不规则、皱缩的颗粒形态直接相关，深表面褶皱和严重凹陷增加了颗粒间的接触面积，促进机械互锁，从而阻碍颗粒的顺畅流动。相比之下，WPC和H-WPC表现出更好的流动性，其Hausner比和Carr指数均高于AKP和GEL系统。H-WPC的Hausner比达到最高（1.85），而Carr指数最低（0.11），表明其流动性最佳。这一优异的流动性归因于H-WPC能够形成非常光滑、规则的球形颗粒，从而减少颗粒间的接触面积和粘附力。

在生产产率方面，研究发现H-WPC的产率（61.23%）显著高于其他载体（如GEL的52.90%），表明水解后的乳清蛋白在喷雾干燥过程中表现最佳。高产率与H-WPC的优异成膜能力有关，其形成的强韧、弹性且连续的蛋白质膜能够有效抵抗颗粒破裂，减少壁材附着，从而实现完全的液滴固化。此外，H-WPC的高溶解性（97.42%）有助于进料溶液的均匀分散，减少过程中断和材料损失。H-WPC颗粒的光滑、球形形态和高产率表明其在微胶囊化过程中具有显著优势。

通过FT-IR分析，研究确认了TPE成功整合到蛋白质基质中。FT-IR光谱分析揭示了TPE和封装材料之间的化学相互作用。研究通过不同波数范围的吸收峰，对TPE和封装材料的化学组成和分子相互作用进行了分析。所有封装样品均表现出TPE的特征吸收峰，这些峰与蛋白质的特征吸收峰叠加，表明TPE被物理包裹在蛋白质基质中。TPE的吸收峰在光谱中几乎没有显著位移或强度变化，表明其与蛋白质之间的相互作用主要是物理性的，而非强化学键。这种物理包裹机制有助于保护生物活性成分，同时保持其功能特性。

在封装效率方面，研究发现H-WPC表现出最高的番茄红素封装效率（85.16%），显著高于其他载体（如H-GEL的72.87%和H-AKP的81.07%）。这一结果与H-WPC的高溶解性和优异成膜能力相关，其形成的光滑、球形且完整颗粒表明其对核心材料的包裹效果最佳。相比之下，GEL和AKP的封装效率较低，其颗粒形态更不规则，可能在干燥过程中导致核心材料的迁移和流失。研究还发现，水解对封装效率有显著影响，H-WPC的封装效率比其原生形式提高了4.09%，而H-AKP的封装效率比原生AKP提高了3.7%。

在总酚类含量（TPC）方面，研究发现H-WPC的TPC为1.69 mg GAE/g DM，而原生AKP和H-AKP的TPC分别为2.18-2.43 mg GAE/g DM。这表明尽管H-WPC表现出较高的封装效率，但其基质对酚类化合物的可及性较低，导致TPC测量值较低。这一现象可能与H-WPC基质的高完整性有关，它限制了提取溶剂对封装化合物的接触。相比之下，原生GEL的TPC为2.62 mg GAE/g DM，表明其基质对酚类化合物的保护能力适中，同时提供了较高的可及性。这表明，虽然H-WPC在封装效率方面表现优异，但其基质的高完整性可能对TPC的测量产生负面影响。

在抗氧化活性方面，研究通过DPPH和ABTS自由基清除实验评估了不同载体对TPE抗氧化能力的影响。H-WPC的抗氧化活性（DPPH: 48.73%，ABTS: 58.32%）低于原生AKP（DPPH: 48.73%，ABTS: 58.32%），但高于H-GEL（DPPH: 52.18%，ABTS: 52.18%）。这一结果表明，尽管H-WPC在封装效率和形态方面表现优异，但其基质对生物活性成分的可及性较低，从而影响了抗氧化活性的测量。相比之下，原生GEL的抗氧化活性较高，可能与其较弱的基质结构和较高的酚类化合物可及性有关。

研究结果表明，载体的选择对微粒的性能具有决定性影响。H-WPC在形态、流动性和封装效率方面表现出色，而AKP和GEL则在某些方面表现不佳，如流动性和抗氧化活性。这些结果不仅揭示了不同载体对微粒性能的影响，还强调了水解在提升蛋白质性能方面的作用。同时，研究也指出，尽管H-WPC在封装效率方面表现最佳，但其高完整性可能限制了TPC和抗氧化活性的测量。因此，在评估封装材料的性能时，需要综合考虑封装效率和生物活性成分的可及性。

本研究通过系统的实验设计和多维度的分析方法，验证了AKP作为农业废弃物衍生载体的潜力。同时，也展示了WPC和GEL在喷雾干燥微胶囊化中的优势。研究还强调了双重农业废弃物增值策略的重要性，通过将番茄加工废料和杏仁加工废料转化为高价值的功能性成分，不仅解决了废弃物处理问题，还促进了可持续食品加工的发展。这些发现为优化基于蛋白质的植物提取物微胶囊化提供了有价值的见解，并展示了农业废弃物向价值转化的可行性。