综述：从马铃薯皮中回收蛋白质和生物活性肽

本文全面综述了马铃薯皮中蛋白质及生物活性肽的回收策略与功能特性，系统阐述了其提取纯化技术（酶解、膜分离、色谱等）、多种生物活性（抗氧化、抗炎、ACE抑制及抗糖尿病等）及其在功能性食品开发中的应用潜力，同时深入探讨了糖苷生物碱（α-solanine、α-chaconine）和蛋白酶抑制剂等安全性问题，为马铃薯加工副产物的高值化利用与循环经济发展提供重要理论依据。

2 马铃薯皮的组成

马铃薯皮富含多种宏量和微量成分，其物理化学特性对开发环保型利用方法至关重要。如表1所示，马铃薯皮的组成因品种、种植地区和生长条件而异。其主要宏量成分包括碳水化合物（68.70%干重）、膳食纤维（16.73%）、蛋白质（8%-17.1%）以及脂质（2.60%）和灰分（6.34%）。微量成分包括矿物质（如钾2764.39 mg/100g、钙200.80 mg/100g）、维生素（如抗坏血酸76.31 mg/100g）和酚类化合物（4.3 mg GAE/g）。值得注意的是，马铃薯皮中的酚类物质浓度显著高于马铃薯肉，这为其在功能性食品中的应用提供了潜力。

3 马铃薯皮的蛋白质与生物活性肽

3.1 马铃薯皮蛋白质

新鲜马铃薯块茎含有约1.5%-4.0%的蛋白质，主要分为三类：patatin（占可溶性蛋白的30%-60%）、蛋白酶抑制剂（20%-50%）和其他蛋白质（10%-30%）。Patatin是一种糖蛋白，分子量为40-43 kDa，具有非特异性脂质酰基水解酶、磷脂酶A2和脂质酰基转移酶活性。蛋白酶抑制剂包括马铃薯抑制剂-I、抑制剂-II、半胱氨酸蛋白酶抑制剂、天冬氨酸蛋白酶抑制剂、Kunitz蛋白酶抑制剂和其他丝氨酸蛋白酶抑制剂以及羧肽酶抑制剂，这些抑制剂在分子量（5-25 kDa）和等电点上表现出异质性。其他蛋白质包括凝集素、多酚氧化酶、脂氧合酶以及参与淀粉合成的酶和磷酸化酶。

3.2 马铃薯蛋白的提取与分离

从马铃薯块茎或副产品中提取蛋白质的主要原料是马铃薯汁（PJ），每吨土豆加工可产生5-12立方米马铃薯汁，其中含有300-410 g/kg总固体的蛋白质。工业上常用的蛋白质回收方法包括热凝聚和酸沉淀，但这些方法可能导致蛋白质变性，从而丧失其功能特性。为保持蛋白质的天然功能特性，研究人员探索了多种温和的提取方法，如盐沉淀（如CaCl₂、FeCl₃、(NH₄)₂SO₄）、乙醇沉淀、羧甲基纤维素（CMC）复合、色谱技术（离子交换、疏水相互作用、膨胀床吸附等）、膜过滤（超滤、反渗透）以及酶法分离。这些方法在产量、纯度和功能特性保持上各有优劣（详见表2）。例如，酶法分离结合淀粉去除和细胞壁果胶降解可显著提高蛋白质回收率（63%-75%），并改善技术功能性（如乳化活性指数）。

3.3 马铃薯蛋白的生物活性肽

3.3.1 生物活性肽的生产与提取

生物活性肽主要是由2-20个氨基酸组成、分子量小于3 kDa的小片段，通过酶水解、发酵或胃肠道消化从母体蛋白质中释放出来。马铃薯蛋白生物活性肽的生产方法包括酶法合成（使用Alcalase、Flavourzyme、Pancreatin等多种酶）、化学合成和自溶。近年来，酶水解常与高压处理、微波、热加工、超声波和射频处理等技术联用，以提高水解度和低分子量肽的产量。化学合成法用于生产特定序列的肽，如Snakin-1、FGER、FDRR和FGERR。自溶和发酵法因成本较低但应用较少。

3.3.2 纯化与表征进展

生物活性肽的纯化和表征是确保其有效性和安全性的关键步骤。蛋白质水解在受控条件下进行，水解产物通过超滤和液相色谱等技术进行分馏和纯化。为避免繁琐的纯化过程，可采用生物信息学方法（如肽组学分析和计算机模拟）来预测和评估肽的生物活性。尽管体外生物活性研究为识别新肽序列奠定了基础，但其生物活性仍需通过人体或动物模型研究验证。

3.3.3 马铃薯蛋白衍生生物活性肽的潜在健康益处

生物活性肽的生物活性取决于氨基酸的类型、序列和分子量。马铃薯肽具有多种健康益处（详见表3），包括抗氧化、抗高血压、抗糖尿病、抗炎、抗菌、抗高血脂和抗癌活性。

3.3.3.1 抗氧化活性

自由基如活性氧和活性氮会导致细胞损伤，与多种慢性疾病相关。马铃薯肽通过自由基清除、金属离子螯合、与体内抗氧化酶相互作用以及特定氨基酸（如蛋氨酸）还原氢过氧化物等机制发挥抗氧化作用。研究表明，马铃薯蛋白水解物具有Fe(III)还原能力、Fe(II)螯合能力以及保护和再生谷胱甘肽的能力。细胞模型（如C2C12和Caco-2细胞）显示，马铃薯肽能抵抗H₂O₂氧化损伤，提高内源性抗氧化酶（如过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶）的活性。动物模型进一步证实，马铃薯肽（如IF肽）通过激活Nrf2转录调节因子，上调抗氧化蛋白表达，保护肾脏免受高血压相关损伤。

3.3.3.2 抗高血压活性

高血压是全球性的健康问题，血管紧张素转换酶（ACE）抑制剂是常用的治疗药物。马铃薯肽（如从自溶消化中获得的肽）在高血压动物模型（如Goldblatt大鼠）中显示出降压效果。从甘薯蛋白水解物中鉴定出的肽（如ITP、IIP、GQY、STYQT）具有ACE抑制活性，能降低自发性高血压大鼠的血压。

3.3.3.3 抗糖尿病活性

糖尿病发病率不断上升，医学营养疗法是管理糖尿病的重要策略。马铃薯蛋白水解物及其组分在体外能抑制α-淀粉酶活性，从而延缓多糖水解。 identified肽（如DIKTNKPVIF）在链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠中能降低糖化血红蛋白（HbA1c）和口服葡萄糖耐量试验中的血糖水平。

3.3.3.4 抗炎活性

慢性炎症与多种慢性疾病相关。马铃薯肽在肠道上皮细胞（IEC-6）模型中能抑制肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的释放以及环氧合酶-2（COX-2）和诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的表达。动物模型中，马铃薯肽（如IF和DIKTNKPVIF）能下调Toll样受体4（TLR-4）、磷酸化核因子κB（p-NFκB）、TNF-α和白细胞介素-6（IL-6）等炎症标志物的蛋白表达。

3.3.3.5 其他健康促进特性

此外，马铃薯肽还具有抗菌、抗高血脂和抗癌活性。例如，Potide-G肽具有抗菌和抗真菌活性；马铃薯肽能降低血清非高密度脂蛋白胆固醇，增加粪便中性固醇排泄；蛋白酶抑制剂-I和-II能抑制紫外线诱导的AP-1活性。

3.3.4 马铃薯生物活性肽商业化面临的挑战

尽管马铃薯生物活性肽具有潜在健康益处，但其商业化仍面临诸多挑战，包括肽的苦味、生物利用度低、生产成本高以及法规安全问题。未来研究需要优化提取和水解条件，改善肽的感官特性和生物利用度，并利用计算模型等工具理解构效关系，设计更有效的生物活性肽。

4 马铃薯皮的其他成分

马铃薯皮含有约2.5%的总膳食纤维，主要为不溶性纤维（40 g/100g），包括纤维素、半纤维素和木质素。这些纤维在胃肠道中抵抗降解，在结肠中发酵产生短链脂肪酸（SCFAs），有益于肠道健康和抗炎细胞因子生产。马铃薯皮纤维还具有降胆固醇、抗糖尿病和抗癌作用。此外，马铃薯皮是酚类化合物的丰富来源，其浓度远高于马铃薯内部组织，这些酚类化合物具有抗氧化和抗菌特性。

5 马铃薯皮在食品加工中的升级循环

马铃薯皮作为功能性成分已广泛应用于各种食品中，如烘焙产品、零食、饮料和植物基肉制品替代品（详见表4）。在烘焙产品中，马铃薯皮粉能提高膳食纤维含量，并提供必需的矿物质和植物营养素，但也会影响产品的质地、颜色和感官属性，需要优化配方。研究表明，添加4%的马铃薯纤维能改善面包的质地特性并延长货架期；添加4%-8%的马铃薯皮粉能提高蛋糕的高度、重量和体积，并改善感官特性；马铃薯皮副产物还能用于丰富面食、减少丙烯酰胺含量、降低脂肪含量、增加蛋白含量以及提高抗氧化活性。此外，马铃薯皮提取物还可用于功能性饮料、可食用膜涂层材料等，减少浪费并支持可持续食品系统创新。

6 马铃薯皮蛋白分离物的食品安全性评价

6.1 糖苷生物碱

糖苷生物碱是马铃薯皮中的主要生物活性化合物，也是毒性关注点，主要为α-茄碱（α-solanine）和α-查茄碱（α-chaconine）（结构见图2）。其浓度因马铃薯品种、光照、储存条件和机械损伤而异，范围在84-3526 ppm之间。摄入过量糖苷生物碱（超过3-5 mg/kg体重）会引起腹痛、腹泻、呕吐和胃肠炎等中毒症状。欧洲食品安全局（EFSA）建议每日摄入量限量为1 mg/kg体重。尽管具有毒性，糖苷生物碱在安全剂量下也表现出健康益处，如抑制癌细胞增殖、抗炎、抗过敏、抗菌、降胆固醇和调节血糖等。提取和加工过程中需采用酸性介质防止水解，并利用超声波辅助提取、微波辅助提取和超临界流体提取等先进技术提高效率。同时，需监测糖苷生物碱水平以确保符合安全标准，并通过加热处理（如烹饪、漂烫或油炸）或选育低糖苷生物碱品种来降低风险。

6.2 蛋白酶抑制剂

蛋白酶抑制剂是马铃薯块茎中的储存蛋白，能抑制胰蛋白酶和/或胰凝乳蛋白酶等消化酶，可能引起消化问题，但也具有抗癌和刺激胆囊收缩素产生的特性。在食品安全方面，马铃薯皮蛋白分离物必须仔细评估糖苷生物碱和蛋白酶抑制剂的含量，确保糖苷生物碱摄入量不超过3-5 mg/kg体重，并通过适当加工技术减少或灭活蛋白酶抑制剂。

7 结论

马铃薯皮的利用为可持续食品系统和创新健康解决方案提供了有前景的途径。其富含优质蛋白质、生物活性肽、膳食纤维和酚类化合物，显示出开发功能性食品和营养保健品的巨大潜力。本综述总结了在马铃薯皮衍生组分的提取、纯化和表征方面的显著进展，但仍面临生产方法可扩展性、肽的苦味和生物利用度以及安全性和法规合规性等重大挑战。未来研究应优先考虑成本效益高且可扩展的方法，如优化酶水解条件、改进肽纯化策略以及评估构效关系。计算工具可通过计算机模拟酶-底物相互作用和肽生物活性来支持这些努力。通过关注实用和可持续的解决方案，可以更现实地实现马铃薯皮蛋白的全部治疗和经济潜力，为人类健康和循环生物经济目标做出贡献。