从实验室到中试规模的大麻籽蛋白分离放大：可重复性、下游加工挑战与规模依赖性功能变化

《Journal of Food Engineering》：Scaling hempseed protein isolation from laboratory to pilot scale: Reproducibility, downstream processing challenges, and scale-dependent functionality shifts

　　

研究人员通过多个独立中试试验对大麻籽蛋白分离从实验室到中试规模的放大过程进行了可重复性感知评估；发现提取后的下游加工成为核心工程挑战；生产规模对蛋白质变性的影响强于干燥方式；规模依赖性变性改变了蛋白质的再溶解性和持水性；喷雾干燥比冷冻干燥产生更小、更轻的粉末。

工业大麻籽（hempseed）蛋白的碱提-等电沉淀分离过程在实验室规模已被广泛研究，但其向中试及工业化放大时存在显著的工程与功能性质不确定性。为填补这一空白，研究人员采用同一批脱壳工业大麻籽（Cannabis sativa L., USO 31品种）榨饼粉（HPC），在实验室（6 L和16 L）及中试（1000–1500 L，额外P5为900 L）规模下开展了2次实验室与4次独立中试试次，另增P5用于干燥路线比较。所有工艺基于pH 10.5碱提、pH 6等电沉淀；中试标准路线直接放大，P3/P4采用30 min缩短提取并增加碟片分离机澄清步骤。实验室样品冷冻干燥（freeze-drying, FD），中试样品采用工业喷雾干燥（spray-drying, SD），并设小规模喷雾干燥（SDs）和冷冻干燥对照。研究人员通过杜马斯燃烧法测定蛋白含量（氮-蛋白换算系数5.7），结合SDS-PAGE、激光衍射粒径分析、差示扫描量热法（DSC）以及再溶性、溶解度指数、最低胶凝浓度（LGC）、持水性（WHC）和持油性（OHC）等指标评估过程鲁棒性与产品功能。

### 3.1 工艺性能与组成后果
#### 3.1.1 产物回收率、蛋白分布与分离损失
中试最大产物产率（44.1% dw）与实验室（44.1–46.2% dw）相当，但中试整体范围更宽（34.2–44.1% dw），表明鲁棒性下降。提取后蛋白回收率在中试甚至略高（标准过程86.4–94.9%，改进过程89.3–99.8%，实验室86.2–87.8%），然而总体蛋白回收率中试（53.8–69.0%）明显低于实验室（76.1–77.3%）。两者差异表明蛋白损失主要发生在提取后的下游加工环节，包括沉淀后分离、输送系统沉积及喷雾干燥粘结。设备中观察到不可忽略的物料滞留和沉积，需每2小时中断清洗。

#### 3.1.2 化学组成作为规模依赖分离效率的指标
中试蛋白产品脂肪含量（14.4–17.0% dw）高于实验室（11.2–13.0% dw），粗蛋白含量相应较低（82.8–84.4% vs 89.2–92.0% dw）。这主要归因于中试长时间碱性环境下的脂质乳化、皂化及剪切诱导的脂质携带，导致碟片分离无法有效除脂。改进的澄清过程未提高纯度，反而产生最高脂肪含量（16.6–17.0% dw）。对P2不溶性残渣的分析显示其含19.7%粗蛋白、37.0%脂肪和26.3%灰分，具备副产物增值潜力。

#### 3.1.3 蛋白分子量分布跨规模保守
非还原SDS-PAGE显示所有样品均含有主要贮藏蛋白（11S麻仁球蛋白和2S白蛋白），还原条件下11S占总条带强度61.2–65.1%。中试样品非还原条件下高分子量拖尾更明显，提示可能形成更多二硫键介导的聚集体，但总体蛋白分子量分布基本一致，说明放大未改变分离过程的蛋白选择性。

### 3.2 规模依赖加工的结构与功能后果
#### 3.2.1 粒径分布
喷雾干燥产品的D_v(90)为22–61 μm，远小于冷冻干燥样品（245–470 μm）。小规模喷雾干燥的粒径分布窄于中试喷雾干燥。粒径差异主要由干燥方式决定，而非上游工艺差异。

#### 3.2.2 热特性
DSC测得的变性起始温度（Ton）和峰值温度（Td）在各样品间相近。但中试产品的变性焓（ΔH）数值（9.9–11.9 J/g蛋白dw）低于实验室产品（14.0–14.3 J/g蛋白dw），表明中试样品中天然蛋白结构比例更低，即变性程度更高。P5批内三种干燥方式的ΔH相近（7.7–9.1 J/g蛋白dw），说明干燥方式对变性影响有限，而生产规模相关的碱性停留时间影响更强。

#### 3.2.3 蛋白质再溶性
所有样品在pH 6附近再溶性最低，酸性pH 2–4时溶解度升高。在pH 4下，实验室样品再溶性为68.3–75.2%，而中试样品仅为46.3–53.5%；P5三种干燥方式样品再溶性为18.1–34.5%，进一步显示干燥方式也有作用，但规模效应更显著。较低的中试再溶性与其较高的变性程度一致。

#### 3.2.4 溶解度指数
pH 4下实验室样品的溶解度指数（67.3–75.6%）与蛋白再溶性接近，而中试样品的溶解度指数（34.7–41.4%）低于其蛋白再溶性，反映了两方法对组成和结构差异的敏感性不同。P5-FD的溶解度指数高于蛋白再溶性，说明冻干粉的多孔结构促进水分吸收但未能改善蛋白分子溶解。

#### 3.2.5 凝胶特性
以总配料计的最低胶凝浓度（LGC）为12–16% (w/w)，蛋白归一化后各样品LGC为8.8–11.8% (w/w蛋白dw)，差异明显缩小。这表明尽管中试蛋白再溶性降低，但形成凝胶所需的核心蛋白相互作用机制仍得以保留。中试产品在配料级凝胶化稍弱，部分归因于蛋白纯度较低。

#### 3.2.6 持水性与持油性
中试样品的蛋白归一化WHC（2.0–2.6 g/g蛋白dw）高于实验室样品（1.6–1.8 g/g蛋白dw），与较高变性程度导致的蛋白基质持水增强一致，这可能有利于高水分挤压肉类似物等应用。OHC未呈现系统性规模差异，但P5中三种干燥方式的OHC存在差异，其中中试喷雾干燥样品低于小规模喷雾干燥和冷冻干燥样品，表明干燥设备与操作规模可影响持油性。

#### 3.2.7 颜色
喷雾干燥样品L*值为85.0–87.1，显著高于冷冻干燥样品的68.0–70.9；同时喷雾干燥样品色度（10.5–13.1）低于冷冻干燥样品（21.0–22.7），呈现更浅、更中性的颜色，有利于食品配方灵活性。

### 讨论与结论
讨论部分强调，提取后的下游加工（尤其是沉淀后分离）是放大过程中的主要瓶颈，需要针对性优化分离设备、减少脂质携带和物料沉积。研究还指出，生产规模导致的变性程度差异会转移产品功能图谱：酸性再溶性降低，而持水性增强；因此放大并未简单地降低功能，而是产生了与实验室样品不同的功能特征。结论部分可译为：本研究成功证明了大麻籽蛋白分离从实验室到中试规模放大的技术可行性，并通过多次独立中试试次提供了可重复性评估。中试总体蛋白回收率最高达到69.0% dw，且无需预先溶剂脱脂。提取后的下游加工是限制蛋白纯度、过程鲁棒性和总回收率的核心挑战。长时间碱性暴露与蛋白变性增加、酸性再溶性下降及蛋白归一化持水性升高相关；而蛋白归一化最低胶凝浓度在各规模间基本一致。主要贮藏蛋白的分子量分布跨规模保持守恒，说明分离原理的选择性未变。该研究为油料饼粕蛋白配料的工业转化提供了具有可重复性意识的工程框架，未来应聚焦分离技术优化、缩短碱性停留时间，并结合技术经济评估推动产业化。