综述：浮萍（Lemnaceae）蛋白回收的可持续加工：保藏策略与新兴绿色提取技术

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Sustainable Processing of Duckweed (Lemnaceae) for Protein Recovery: Preservation Strategies and Emerging Green Extraction Technologies

　　

浮萍（Lemnaceae）是生长速度最快的水生植物之一，近年来作为一种可持续的植物基蛋白替代来源受到广泛关注。浮萍生物质干重通常含20%–35%的蛋白质，其必需氨基酸组成均衡，可与大豆相媲美，且不含大豆、小麦、豌豆等常见植物蛋白的主要欧盟（EU）通报过敏原。尽管具备上述优势，浮萍蛋白回收的高效、环境友好型加工方法仍发展不足。本综述评估了用于浮萍蛋白回收的保藏策略、预处理方法及新兴绿色提取技术，涵盖太阳能干燥、对流干燥、冷冻干燥与真空干燥等保藏方式，重点分析了其对蛋白稳定性及加工效率的影响。研究表明，真空干燥因可最大限度减少组氨酸等氧敏感氨基酸的氧化降解，是最适宜的保藏方法。同时，微波辅助提取、超声辅助提取、脉冲电场处理、高压处理、酶辅助提取及亚临界水提取等新兴预处理与提取技术被纳入评估，以探究其在降低化学与能源投入的同时提高蛋白回收率的潜力。其中，超声辅助提取结合低共熔溶剂（DES）的方案最具前景——该技术可在温和加工条件下实现高效细胞破壁，同时以可回收、低毒性的溶剂替代传统碱性试剂。此外，综述进一步强调了浮萍综合生物炼制的潜力：蛋白提取后的残余生物质可用于生产生物燃料及其他生物基产品。总体而言，真空干燥与超声辅助低共熔溶剂提取的集成工艺，为未来浮萍蛋白加工提供了一条极具前景的可持续路径。

1. 1.
   引言
   浮萍科包含5属38种小型水生单子叶植物，广泛分布于湖泊、池塘及微咸水域。其生物质营养构成优异，干重中蛋白质含量为20%–35%，淀粉4%–10%，脂肪4%–7%，且氮积累能力强。其蛋白可提供人体所需的全部必需氨基酸，符合联合国粮农组织（FAO）参考标准，能够支持人体生长发育。不同浮萍物种的氨基酸组成存在差异，其中无根萍属（Wolffiella）和微萍属（Wolffia）的氨基酸含量通常最高。除蛋白外，浮萍还富含淀粉、纤维素、半纤维素、果胶，以及维生素、矿物质和叶黄素、β-胡萝卜素等植物化学物质，在饲料、食品及功能性配料领域均有应用历史。与大豆相比，温带海洋性气候下的浮萍年蛋白产量可达10–18吨/公顷，远高于大豆的0.6–1.2吨/公顷。提取所得蛋白主要为核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO），该酶是地球上含量最高的植物蛋白，易消化、无致敏性，兼具良好的溶解性、凝胶性及乳化特性。当前大豆、豌豆、小麦蛋白存在致敏性、市场价格波动大、碳足迹高等局限，而浮萍作为非致敏、可依托废水培养的快速生长作物，其可持续加工技术的开发仍存在明显研究空白。
2. 2.
   浮萍生物质保藏
   新鲜浮萍含水量高达91%–96%，极易发生微生物腐败与生化降解。现有保藏路径主要分为两类：脱水制备干粉，或直接对鲜样进行湿法分级提取。干燥虽可延长货架期，但属于高能耗单元操作。太阳能干燥成本最低，但开放式晾晒存在污染风险、受天气影响大、过程控制差，封闭式被动与主动太阳能干燥器可一定程度改善上述问题，其中主动式系统通过风机强制通风，传热传质效率显著提升。新型干燥前处理技术如超声、微波、渗透脱水、冻融处理可通过破坏细胞结构加速水分扩散，例如超声预处理可降低褐藻干燥时间并改善色泽保留，接触式超声相较于空气超声可减少能量损耗，还可与冷冻干燥、渗透脱水集成以提升效率，但多数技术仍处于实验室阶段。传统干燥方式中，对流干燥在70℃下处理120分钟可有效保留生物活性物质，冷冻干燥对生物活性成分保护效果最优但成本过高，仅适用于高附加值产品。青贮是另一种高湿生物质保藏方案，依赖厌氧发酵产酸抑制腐败菌，但浮萍本身含糖量低，需添加糖蜜等辅料提升发酵效率，且因缺乏木质化组织无法采用常规打捆包裹，需使用密闭容器，目前相关研究仍需优化发酵周期与底物适配性。综合来看，40–50℃低温对流干燥是当前规模化加工的实用选择，超声预处理可缩短干燥时间，真空干燥则更适合保护组氨酸等对氧敏感的必需氨基酸，保障蛋白原料品质。
3. 3.
   新型预处理技术
   植物细胞壁由纤维素、半纤维素、果胶及糖蛋白构成，是蛋白提取的主要屏障，预处理的核心目标是通过细胞破壁提升后续提取效率。微波辅助提取（MAE）利用微波的偶极旋转与离子传导效应产生内热，破坏细胞壁氢键结构，提升孔隙率与传质效率，已在红藻、米糠等体系中证实可将蛋白得率提升数倍，但过高功率易导致热敏蛋白变性，且针对浮萍软质组织的适用性尚未明确，需进一步评估低强度脉冲处理的效果。高压辅助提取（HPAE）通过100–1000 MPa静水压处理，再经快速减压诱导细胞壁破裂，属于非热技术，可较好保留蛋白结构与功能，在螺旋藻等藻类体系中已实现60%的可溶性蛋白提取率，但压力超过400 MPa可能导致蛋白变性，该技术在浮萍中的应用仍有待探索。超声辅助提取（UAE）通过空化气泡的剧烈溃灭产生微射流与冲击波，破坏细胞壁与膜结构，是目前研究最广泛的强化技术，在浮萍粉预处理中可结合Alcalase酶解获得具有抗菌活性的蛋白水解物，在褐藻中提取时间可从60分钟缩短至10分钟，酸提与碱提得率分别提升35个百分点与5个百分点，但需优化超声强度与时间以避免蛋白氧化。脉冲电场（PEF）处理通过短时高强度电脉冲诱导细胞膜形成可逆或不可逆穿孔，提升通透性，属于非热工艺，在小球藻、雨生红球藻中蛋白提取率可达80%–97%，且脉冲频率对效果影响大于场强，该技术在浮萍中的研究尚处于空白阶段。综合来看，超声与高压预处理因条件温和、工业化基础成熟，是最具规模化潜力的浮萍预处理方向。
4. 4.
   蛋白提取
   传统植物蛋白提取依赖酸碱调节溶解度，碱性提取因可破坏分子间二硫键应用最广，通常结合等电点沉淀回收蛋白，但该方法化学试剂消耗大、环境负荷高。亚临界水提取（SWE）在100–374℃、加压防蒸发的条件下改变水的介电常数，使其极性接近乙醇，可在无外加催化剂的情况下实现蛋白与碳水化合物的水解，在米糠体系中已验证其有效性，但高温易导致蛋白变性，且尚未应用于浮萍体系。反胶束（RM）提取利用表面活性剂形成的纳米级聚集体，将蛋白包裹于亲水内核中实现选择性分离，非热过程有利于功能保留，在脱脂核桃粉中提取率较碱法提升约14个百分点，但浮萍相关研究仍缺失。酶辅助提取（EAE）通过碳水化合物酶降解细胞壁多糖、蛋白酶水解蛋白为小肽提升溶解度，虽酶成本较高、处理时间较长，但环境友好性与产物功能性更优，在浮萍中超声辅助Alcalase提取可使蛋白得率较碱法提升5倍以上，多种蛋白酶的组合应用也显示出良好潜力。低共熔溶剂（DES）由氢键供体与受体形成的共晶混合物，具有低毒、可生物降解、成本低的特点，在石榴籽、南瓜籽、大豆等体系中提取率与碱法相当甚至更高，最高可达94%，但存在黏度大、选择性有限的问题，且尚未有浮萍应用的相关报道。整体而言，低共熔溶剂与超声等强化技术的结合，是替代传统酸碱提取的最具前景的绿色路径。
5. 5.
   提取后残余物的潜在用途
   浮萍综合生物炼制可实现组分梯级利用，蛋白提取后的残渣仍含有大量淀粉、纤维素等碳水化合物。浮萍淀粉峰值黏度低，适合高温加工场景，可作为造纸、增稠剂、黏合剂及可降解聚合物的原料。残余生物质经预处理后可发酵生产生物乙醇，其木质素含量低，酶解糖化效率高，不同物种的乙醇得率可达0.16–0.26 g/g干生物质，单位面积产能分别为小麦的4.6倍与玉米的2.4倍；也可通过酸发酵生产氢气与挥发性脂肪酸，或通过厌氧消化生产甲烷，同时回收氨、鸟粪石等营养物质制备肥料。目前多数研究针对全生物质转化，蛋白提取后残渣的增值利用研究仍较少，是未来提升浮萍加工经济性的重要方向。
6. 6.
   结论
   浮萍凭借高生长速率、高蛋白含量、均衡氨基酸谱及无主要致敏原的特性，是可持续食物系统的优质蛋白候选资源。真空干燥可在降低能耗的同时减少组氨酸等敏感氨基酸的氧化，是兼顾品质与成本的保藏方案。超声辅助提取结合低共熔溶剂的工艺，可在温和条件下实现高效细胞破壁与绿色溶剂替代，是当前最具前景的加工路径。未来研究需重点关注工艺放大、技术经济可行性、全生命周期环境影响评估，以及蛋白提取残渣的生物炼制增值，以推动浮萍蛋白的规模化商业化应用。