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菜籽饼(粕)中抗营养因子检测方法的研究进展

2010-02-11浙江大学饲料科学研究所黄辉龙邹晓庭

中国饲料 2010年17期
关键词:芥酸比色法植酸

浙江大学饲料科学研究所 黄辉龙 邹晓庭*

油菜籽是我国主要油料作物之一,年产量在1100万吨以上。油菜籽经榨油之后产生的菜籽饼(粕)是优质的蛋白资源。但由于菜籽饼(粕)中存在一些抗营养因子从而使其利用受到限制。菜籽中主要的抗营养因子包括硫代葡萄糖甙 (硫甙)、芥酸、植酸和单宁。菜籽中的硫甙本身毒性不大,但在芥子酶的作用下可水解生成异硫氰酸酯(ITC)、 唑烷硫酮(OZT)和腈等多种有毒物质。这几类物质的毒性非常大,一旦进入动物体内,会引起动物甲状腺肿大,抑制动物生长,损坏动物肝肾等器官,甚至造成动物死亡。芥酸、植酸和单宁等则影响动物消化和吸收。因此,了解菜籽饼(粕)中抗营养因子检测方法,对充分合理地利用菜籽饼(粕)蛋白资源有着重要意义。本文就菜籽饼(粕)中主要的抗营养因子的检测方法进行了综述。

1 硫代葡萄糖甙的测定

根据测定原理、测定条件和测定方式,可把硫甙的测定方法分为直接法和间接法两大类。

1.1 直接法

1.1.1 葡萄糖试纸法 葡萄糖试纸法采用美国进口的葡萄糖试纸,利用菜籽自身的酶解反应释放出葡萄糖的原理进行测定。分析时每份样品随机取3~5粒菜籽置于葡萄糖试纸上,锤子击碎,然后每份样品上加几滴蒸馏水,几分钟后试纸即显色,显色按规定记载相应的标准。最后,根据颜色的深浅,判断硫甙含量的多少。该方法简单快捷,不需试管和水电,分析结果较为可靠,适于育种初世代材料的快速筛选(安风云等,2006)。

1.1.2 氯化钯法 氯化钯法是目前测定硫甙总量的常用方法之一。此法由原来的硫化钯半定量比色法发展而来,其原理是钯离子与硫甙生成一种有色络合物,然后通过比色定量硫甙。该法的优点是操作简单、快速、可大量分析;缺点是不同烃基的硫甙和钯的络合物最大吸收和吸收系数稍有差异,难以准确定量,需用同品种含量经准确定量的硫甙作校正曲线进行校正。

魏晓飞等(2009)研究表明,在波长540 nm处氯化钯显色液出现最佳吸收波长。硫甙样液在33~35℃放置4~12 h均不影响硫甙含量的测定,在加入氯化钯试剂后,宜在20~27℃的温度下显色,过高的温度会导致测定结果偏高 (甘莉等,1999)。故利用氯化钯法时必须控制好测定条件,该法适合于硫甙的精确定量测定。

1.1.3 高效液相色谱法 (HPLC)HPLC测定硫甙是利用反相高效液相色谱(RP-HPLC)技术,通过测定脱硫硫甙而测出硫甙的含量。该法的主要步骤是:经去杂和粉碎的菜籽饼(粕)样品用沸腾的甲醇溶液提取硫甙,提取液加入到预先制备好的凝胶柱中净化,然后加入经纯化制备的硫酸酯酶溶液脱硫,以淋洗液将已脱硫的硫代葡萄糖苷洗脱后,选择合适的淋洗梯度,用配备紫外检测器的RP-HPLC仪测定。

该法已被国际标准化组织(ISO)采纳为国际标准方法,因它能准确定量各种脱硫硫甙成分,采用内标法,最大限度地减少实验误差,是目前最为精确的分析方法。不过该法对测定硫代葡萄糖苷总量的要求难以满足,且使用仪器昂贵,样品前处理过程繁琐,分析时间长,不易推广。

1.1.4 反相离子对色谱法(RILC)RILC分离硫甙的基本原理是通过加入合适的反离子同提取液中的硫甙形成离子对,硫甙离子和反离子均易溶于水相,而组成的离子对复合物则易溶于有机相,离子对在两相之间经过多次分配而得到分离。

有研究表明,RILC与目前常用的HPLC测定的结果基本一致。该法具有较好的准确度和精密度。相比于HPLC,运用RILC直接测定原始硫甙,在样品预处理过程中不需加入昂贵的硫酸酯酶脱去硫酸根,从而加快了分析速度 (彭爱娟等,2000)。

1.2 间接法

1.2.1 葡萄糖比色法 本法是采用酶解方式将硫甙中的葡萄糖解离,酶解反应具有专一性,保证测得的葡萄糖不含非硫甙葡萄糖。由于一分子硫甙解离得到一分子葡萄糖,只要准确测定葡萄糖含量,即可获得硫甙总量。根据此原理而制定的方法有3,5-二硝基水杨酸分光光度法 (印天寿和郑慧英,1984)、蒽酮比色法(王建清和陈曼玲,1994)。 这两种方法均有操作简便、分析结果准确,不需要昂贵酶制剂的优点,因此适合一般分析实验室应用。

1.2.2 硫酸根法 此法的原理是利用盐酸处理硫甙或用强氧化剂氧化硫甙,将硫转化为硫酸根,然后测出硫酸根含量,继而转化为硫甙含量。据此原理的方法有酸解法、重量法、碘量法、EDTA容量法和电位滴定法(Mcgregor等,1983)等。

酸解法主要是根据测定样品加热前后硫酸根的含量,然后计算两者的差值得出硫甙的含量。由于无法知道是否有其他物质在同样加热条件下解离出硫酸根,故有可能使结果偏高,此法误差较大。重量法是通过测定硫酸根以确定硫甙总量的一类典型方法。该法分析速度比较慢,沉淀分离步骤比较多,易使结果产生偏差。碘量法、EDTA容量法和电位滴定法操作繁杂,实验时间较长,试样用量大,难以进行大批量的样品测定,且重复性不太好。故目前硫酸根法已不再是硫甙的常用检测方法。

1.2.3 硫脲紫外分光光度法 硫甙在菜籽中芥子酶的作用下,水解后得到等当量的硫酸根、葡萄糖、ITC、硫氰酸酯及腈等产物,逐一分析这些产物就可得到硫甙的总量(张菊珍等,1992)。大多数硫甙在pH值为7的中性条件下能定量地转化为ITC,而ITC与氨反应后得到硫脲易于定量;另外,带有羟基的在极性条件下会自动环化生成OZT,利用硫脲及OZT在紫外区245 nm波长处均有最大吸收峰进行比色定量,从而测出硫甙的大约含量(余英等,1994)。

目前硫脲紫外法被认为是最简单快捷的方法,已被广泛地应用于常规检测中 (佘珠花,2003)。该法中最关键的一个环节是需要制备芥子酶来分解硫甙。所以,在实验中应彻底了解硫甙反应的复杂性,严格控制操作条件,提高操作质量,否则会直接影响到实验的准确性。

此外,对硫甙的测定还有色谱法、毛细管电泳法(CE)和毛细管电色谱法(CEC),然而这些方法往往都需要硫甙的标准品,而这些标准品在国内外市场上很难得到(黑芥子甙除外),因此这些方法难以普及。

2 硫甙分解产物的测定

2.1 异硫氰酸酯(ITC)的测定 硫甙在中性pH条件下,经硫苷酸酶作用后转化为1分子葡萄糖和1个不稳定的糖苷配基,该糖苷配基经Lossen反应生成ITC。ITC含量的检测方法可归为五大类,即重量法、氧化还原法、紫外分光光度法、比色法、气(液)相色谱法。

重量法是最早建立起来测定ITC的方法,该法的原理是利用水蒸汽将硫甙酶解的ITC蒸馏出来并与氨反应生成硫脲,再把硫脲中的硫转化为硫酸钡沉淀而定量,用该法可测定极为微量的ITC。但由于碳酸盐不溶物或蛋白质类物质的沉淀干扰,可能导致ITC的测定结果偏高。所以之后该法逐渐被银量法所代替。Raghavan等(1971)又将银量法改进成容量法。容量法可检测微量ITC,最小检出限为50 mg/kg以内,具有很好的重复性和准确性。我国在1989年将容量法列为测定ITC的国家标准之一,但该法操作步骤比较繁琐,所测批样数量小,不适合大批量的检测,而且由于在实验中加入的硝酸银会与检测液中的某些化合物发生反应,导致测定结果可能比实际量略高。

氧化还原法种类较多,姜子涛等(1995)直接采用非水滴定(在油相中)进行测定,提出吗啉滴定法、哌啶滴定法、氯胺-T间接氧化法、哌嗪非水滴定法和二硫代碳氨酸形成法。吗啉滴定法是将ITC和已知浓度的过量吗啉丙酮溶液发生反应,生成相应的硫脲,过量的吗啉用标准盐酸滴定,通过消耗盐酸的体积数,最后计算ITC的量。哌淀滴定法的原理与吗啉滴定法基本相同,氯胺-T间接氧化法、哌嗪非水滴定法和二硫代碳氨酸形成法也都是根据返滴定原理制定的。在这些方法中,由于哌啶法简便、省时而较为常用。不过这些方法只适用于常量分析,不适用于低硫甙菜籽饼(粕)中ITC的分析。

紫外分光光度法与硫脲紫外分光光度法测定硫甙的原理基本相同。菜籽粕中硫甙在pH为7的条件下,可被芥子酶水解生成ITC、β-OH ITC在极性溶剂中可环化成OZT,ITC与氨作用生成的硫脲和OZT在紫外区245 nm处有最大吸收,通过测定此波长下的吸光度,计算出它们的含量。后来Wetter等(1976)对此方法进行了改进,免去了制备标准曲线的步骤,使该方法更加实用。潘雷等(2009)在硫脲紫外法的基础上,利用粗芥子酶,根据硫甙降解原理,推导出ITC含量的计算公式,可同时测定菜籽饼(粕)中硫甙、ITC和OZT含量。该法是一个较为简便、快速和经济有效的毒素检测方法。

比色法是根据菜籽饼(粕)中的硫甙在芥子酶的作用下生成相应的ITC,用二氯甲烷或氯仿提取后再用紫外分光光度计测定。比色法测定菜籽饼(粕)中的ITC,具有操作简便,测定时间较短,检测成本低,测定结果准确可靠,且重复性和稳定性好等优点(鲍英慧,1999)。

气(液)相色谱法测定快速,灵敏度较高,可定量到所有的单体ITC。气(液)相色谱法是目前我国测定菜籽粕中ITC的国标之一。气相色谱法适用于挥发性的ITC,对于一些难挥发的ITC如ω-甲基亚硫酰烃基异硫氰酸酯就需要用液相色谱法来分析。另外,高压液相色谱能用于快速定量微量的烯丙基异硫氰酸酯,检出限达0.2 μg/mL(Ye等,2002)。但色谱法的缺点是仪器设备昂贵,分析成本高。

2.2 OZT的测定 侧链上带有一羟基的硫甙经酶解产生的β-OH ITC是OZT的前体物质,在极性条件下转化成OZT。OZT分子中具有一定的共轭体系,物质结构中处于共轭的不饱和碳氢化合物和具有孤对电子的化合物在紫外区245 nm都有特征吸收峰,由此建立了OZT的检测方法。目前测定OZT的一般方法是将硫甙酶解产物过滤得滤液,用乙醚提取滤液,加入95%乙醇水浴生成OZT,然后在紫外235、245 nm和255 nm处分别测其吸光值,校正光密度,以5-乙烯基 唑烷硫酮分别表示OZT的含量(Leming等,2004)。

此外,如果有OZT标准化合物作参比,利用HPLC可以同时分离和定量菜籽饼粕中的OZT的含量。

2.3 腈化物的测定 硫甙在酸性(pH<5)或Fe2+存在条件下水解或非酶降解都会产生腈。目前,测定腈化物的方法有滴定法、比色法、离子色谱法、原子吸收法、气相色谱法等。其中以比色法和滴定法最为适用,方法简易、直观而且准确度高。

目前测定腈化物最常用的滴定法是硝酸银滴定法。菜籽饼(粕)中经硫甙分解产生的腈化物经水浸泡后,进行水蒸汽蒸馏,蒸出的氢氰酸被碱液吸收。然后在碱性条件下,以碘化钾为指示剂,用硝酸银标准溶液滴定定量。

最常用的比色法有吡啶-巴比妥酸比色法、异烟酸-吡唑啉酮比色法和异烟酸-巴比妥酸比色法。这三种方法均是在一定条件下,通过腈化物转化成氯化腈,然后加入显色剂生成显色的化合物,而该种显色化合物在一定浓度范围内,其色度与氰化物含量成正比,最后进行光度测定定量。此三种比色法从精密度、重复性及准确度三方面比较,异烟酸-巴比妥酸比色法优于其他两种。周小洁等(2008)报道,这三种比色法的测定结果与硝酸银滴定法没有显著差异,但相比而言,比色法操作过程简单,试剂使用较少。

气相色谱法是一种测定痕量腈含量的最好方法,准确度高,灵敏度好,检出限为1~5 mg/kg,可分离定量每一种腈。不过此法要求特殊的色谱柱和检测器,使用仪器昂贵,成本高。国内外还有报道,红外光谱定量法测定腈的含量,该法受其他杂质成分的干扰小,但检出限为1000 mg/kg,仅适用于常量分析。

3 芥酸的测定

芥酸是菜籽饼(粕)中含量较高一种抗营养因子。目前测定芥酸的主要方法有化学滴定法、高效气(液)相色谱法和近红外光谱分析法等。

化学滴定法测定芥酸是利用芥酸的金属盐与一般饱和脂肪酸的金属盐性质相近而与油脂中的不饱和脂肪酸分离,从而通过碘量法测定芥酸的含量。不过此法滴定过程影响因素大,且操作繁琐,灵敏度低,重复性差,尤其不适用于低芥酸样品的检测。

HPLC是一种测定芥酸非常精确的方法,测定结果准确、可靠,回收率高,重复性好。气相色谱法使用仪器昂贵,且色谱周期长、操作过程复杂,一般适合于实验室的检测。气相色谱-质谱法测定芥酸,色谱峰分离好,无干扰,质谱定性,内标法定量,快速准确,灵敏度高,重复性好。然而质谱仪价格昂贵,难以推广。

近红外光谱分析法不需要对样品做任何预处理,测定结果准确,是一种值得推广的快速测定芥酸含量的方法(陈蛋等,2007)。但近红外分析模型的建立需要有大批量已知标准化学值的样品,对菜籽饼(粕)中芥酸测定模型的代表性和准确性等方面需作进一步研究。

4 植酸的测定

植酸,又名肌醇六磷酸(IP6,C6H18O24P6)。 一般菜籽饼(粕)中植酸含量为2%~5%。目前,对植酸的测定分析方法有很多,例如滴定法、比色法、沉淀法、毛细管等速电泳法(CITP)、高效离子色谱法(HPIC)、离子交换-分光光度法、HPLC和核磁共振法(NMR)等。

4.1 滴定法 滴定法测定植酸的原理是植酸与硫酸铜反应生成植酸铜沉淀,多余的硫酸铜与碘化钾反应析出游离碘,然后用硫代硫酸钠标准溶液滴定,根据耗用硫代硫酸钠的量,最后计算出样品中的植酸含量。该法操作简便、重复性好、准确性较高,是一种很好的定量植酸的方法。

4.2 比色法

4.2.1 磷钼黄比色法 磷钼黄比色法是结合喹钼柠铜重量法和离子交换-分光光度法两种方法的原理而制定的(李丽等,2008)。待测样品首先经硫酸钠-盐酸溶液浸提,再经阴离子交换树脂分离,将得到的植酸溶液经消解处理。然后在酸性条件下,用钒钼酸铵处理。最后,在波长420 nm下进行比色。

该法测定植酸含量精密度高,操作方便,测定结果准确可靠,而且使用的是常用的仪器和试剂,测定成本不高,是一种进行科研应用的可靠方法。

4.2.2 三氯化铁比色法 三氯化铁比色法也叫测铁分光光度法。此法测定菜籽饼(粕)中植酸含量的原理是紫红色试剂 (0.3%磺基水杨酸+0.03%FeCl3·6H2O)在波长500 nm处有最大吸收峰,当待测液在pH值6.0~6.5时,植酸与三氯化铁和磺基水杨酸混合液作用,产生褪色反应,植酸含量与褪色程度成正比,用分光光度计在波长500 nm处测定吸光度,计算样品植酸含量。

当植酸含量在0~0.5 mg时,植酸量与OD500值有很好的线性关系,超过此范围相关性明显下降(傅启高和李慧荃,1997)。该法测定植酸含量操作简单快速,准确度较高,分析结果与HPIC基本一致,故此法是目前测定植酸含量的常用分析方法。

4.3 沉淀法 沉淀法的原理是植酸在弱酸性条件下与铁离子生成稳定的不溶物质,经过消化或水解后,测定沉淀物中磷的含量,可得到IP6的含量。IP6与铁离子的比值为3∶1时即可形成沉淀,IP6与未沉淀的铁离子之间有一定的化学计量关系并由此来计算IP6的含量。该法的缺点:一是铁离子是对IP6及其部分脱磷酸类似物的鉴别缺乏特异性,很可能铁离子会与部分IP5、IP4、IP3结合生成微溶物,从而使得测定结果偏高;二是该法操作繁琐,耗时长,灵敏度低,误差较大。所以目前该法已有被淘汰的趋势。

4.4 毛细管等速电泳法 毛细管等速电泳(CITP)通过在毛细管内将不同离子依其运动性不同的顺序,聚集成离散化的条带而达到分离离子成分的目的,是一种高效的分离离子成分的方法。在具有高运动活性的首离子和低运动活性的尾离子之间注入样品。当毛细管置于电场中时,离子运动的速度取决于它们的运动活性。Blatny等(1995)运用CITP及传导性检测的方法观察植酸水解产物与时间的关系,发现采用两种不同的缓冲系时,等速电泳(ITP)是一种简便、快速的定量检测IP-IP6及正磷酸盐的方法。但CITP的缺点是灵敏度比较低,需改进浓缩技术及更灵敏的检测技术以使其成为更实用的检测植酸的方法。

4.5 高效离子色谱法 高效离子色谱法(HPIC)利用了电性相反的颗粒相互吸引的原理。使用该法测定菜籽饼(粕)中的植酸时可先采用微波消解技术将植酸转化为磷酸盐,然后用HPIC测定磷酸盐,从而获得样品中植酸含量。该方法灵敏度高,能够同时测定多种离子,还可同时结合梯度洗脱分离肌醇磷酸酯及其不同的异构体(Phillippy等,2004)。该法操作快速、简便,测定结果准确。

此外植酸的检测方法还有HPLC、核磁共振法(NMR)。采用HPLC法可以将样品中IP6及其部分降解产物(IP3-IP5)分离并定量测量。此法使用仪器昂贵,一般是科研上用来对植酸产品进行准确测定时所用的方法。NMR有一定的准确性及特异性,但设备昂贵,灵敏度较低,不太适合植酸的测定。

5 单宁的测定

一般菜籽饼 (粕)中单宁的含量为0.6%~3.0%。目前的单宁的检测方法主要有氧化还原滴定法、比色法、原子吸收法、HPLC等。

常用测定单宁的氧化还原滴定法有高锰酸钾法和铁氰化钾法。此两种方法是根据单宁的还原性质而制定的。高锰酸钾法终点误差较大,灵敏度不高。铁氰化钾法测定所需温度较高,终点易受操作人员等因素的影响,且干扰物质较多,重复性不太好。所以滴定法不适宜单宁的精确定量测定。

根据比色法定量测定单宁的方法比较多,如柠檬酸铁氨法 、钒显色法 、钨酸钠比色法等。其中柠檬酸铁氨法是国标法,其原理是在氨存在的条件下单宁能够与柠檬酸铁铵形成一种棕色络合物,用分光光度计在525 nm波长处测定其吸光度值,然后与标准系列比较定量。有研究表明,此三种方法测定结果都比较稳定,精密度高。但相比之下,国标法更为快速简便,回收率高,适合大批量样品的分析(郜睿和张崇玉,2008)。

原子吸收法和HPLC灵敏度高,且不受颜色及共存物质的干扰,测定结果准确可靠。不过这两种方法所需仪器设备复杂,普及性不强,只适合实验室精确分析。

6 结语

目前,菜籽饼(粕)中抗营养因子的检测方法众多,每种抗营养因子都据其固有的性质而形成一些特殊的检测方法,早期建立的比较传统的检测方法可能存在着局限性,比如操作繁琐、重复性差、灵敏度低、误差较大等。而目前通过一些新的方法如高效气(液)相色谱法、离子色谱法、原子吸收法、紫外分光光度法以及将这些方法与红外光谱、质谱法联用能够准确定量大部分的抗营养因子,测定结果准确、可靠,精确度高。不过这些方法的最大缺点就是使用仪器昂贵,成本高。

综上所述,每种方法都有它的优点和不足之处,根据不同的目的和要求,选择合适的分析手段来测定菜籽饼(粕)中抗营养因子的含量对充分合理地利用菜籽饼(粕)蛋白资源有着重要意义。随着科技的进步,在上述传统的理化检测方法、气质联用以及原子红外吸收等检测方法的基础上,菜籽饼(粕)中各种抗营养因子的检测技术将不断改进,必将出现更简便快速、更准确的分析方法。

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