热处理与超微粉碎对脱皮菜籽粕功能特性的影响

2015-01-22任志辉王卫国冯世坤

饲料工业 2015年23期

■任志辉王卫国冯世坤

（河南工业大学生物工程学院，河南郑州 450001）

我国油菜籽年产量在600万吨以上。菜籽粕是一种营养价值较高的蛋白质饲料原料，其粗蛋白质含量为35%～45%，含有比较完全的氨基酸；相比于其他粕类，菜籽粕含有较高的蛋氨酸、胱氨酸，还有丰富的矿质元素和维生素[1]，但因含有较多的抗营养因子和粗纤维限制了其在饲料中的应用量[2]。将菜籽粕脱皮可以显著提高菜籽粕的有效能值，同时降低中性洗涤纤维的含量，且对可利用氨基酸含量的影响很小[3-5]。任志辉等的研究表明超微粉碎可以显著提高菜籽粕的不同粒级部分的一些功能特性[6]；周小泉等的研究表明适度的加热能够改善菜籽蛋白的吸油性、乳化性及体外消化率[7]。

目前关于加工方法对脱皮菜籽粕功能特性的影响，尤其是热处理和超微粉碎的影响研究，鲜见报道。本实验的目的是研究热处理和超微粉碎对脱皮菜籽粕功能特性的影响，为菜籽粕的合理加工提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料与主要仪器

1.1.1 样品制备

菜籽为市场购买的普通菜籽，对菜籽进行破碎脱皮，然后用乙醚进行低温脱油制粕，之后把菜籽粕粉碎成几何平均粒度为18.49、73.03、129.00、184.00 μm四个粒度组。

1.1.2 主要仪器

恒温干燥箱,恒温水浴锅，抽滤装置，离心机，超微粉碎机（FDV）：北京兴时利和科技发展有限公司；振动分级筛（XSB-88）：河南省鹤壁市华通分析仪器有限公司；不锈钢万能粉碎机（HK-180）：广州旭朗机械设备有限公司；凯氏定氮仪（海能K9840）；激光粒度仪（ZS90+MPT2）：Malvern。

1.1.3 主要试剂

蛋白酶（1∶3000），Genview公司；胰蛋白酶（1∶250），Genview公司；缓冲液:pH=1.4，0.05 mol/l，HCl-KCl缓冲液；pH=6.8，0.05 mol/l，KH2PO4-NaOH 缓冲液；浓硫酸，浓盐酸，氢氧化钠，硫酸铜，硫酸钾等。

1.2 试验方法

1.2.1 饲料样品粉碎粒度测定

18.49 μm的样品粒度用激光粒度仪测定。其它3个粒度的样品用几何平均粒度法测定。

1.2.2 粗蛋白、粗脂肪含量测定

粗蛋白按国标GB/T 6432—1994（半微量法）的方法进行。

粗脂肪含量按照GB/T 6433—2006测定。

1.2.3 吸水性测定

称取菜籽粕样品0.5 g，记为m0。置于10 ml离心管中，加入5.0 ml蒸馏水，搅匀后置于40℃水浴中保温30 min，然后4 000 r/min离心30 min，倾去上层未吸附的蒸馏水，称样品质量记为m，计算每克蛋白质样品的吸油性。

1.2.4 吸油性测定

方法同吸水性的测定方法，加入5.0 ml蒸馏水改为5.0 ml大豆油。

1.2.5 乳化性及乳化稳定性测定

配制1%的菜籽粕悬浮液，用0.1 mol/l的氢氧化钠调至 pH值7.0，取50 ml体积该悬浮液与50 ml体积大豆油混合，在组织匀浆机中以10 000 r/min的速度搅打1 min，再以2 000 r/min的速度离心10 min，量取乳化层高度与总高度，乳化性记为乳化层高度与总高度之比。

在70℃水浴25 min，再次测量体积比，记为乳化稳定性。

1.2.6 溶解度

溶解度按GB/T 19541-2004中豆粕溶解度的测定方法测定。

1.2.7 体外消化率的测定[8-9]

蛋白质体外消化率的测定按参考文献[8-9]进行。

1.2.7.1 胃蛋白酶最适量的确定[10]

配制浓度为1.778 g/l的胃蛋白酶溶液，然后精确称取0.5 g左右菜籽粕7份，分别加入0、1、3、5、7、10、20 ml胃蛋白酶溶液，之后分别加入30、29、27、25、23、20、10 ml pH值为2.1的缓冲液，在温度为37℃，转速为80 r/min的摇床中培养3 h，然后用真空抽滤泵抽滤，用凯氏定氮仪法测残渣的蛋白含量，最后计算的消化率以确定最适酶量。

1.2.7.2 胰蛋白酶最适量的确定

方法同胃蛋白酶最适量的确定，但酶浓度为20 g/l。

1.2.8 各功能性指标的正交实验

对菜籽粕样品的各功能性指标包括吸水性、吸油性、乳化性和乳化稳定性、蛋白质溶解度、体外消化率进行温度、时间、粒度3因素4水平的正交实验，设计见表1。按表1设计的热处理温度和热处理时间对4个粒度的样品分别进行处理，然后测定个实验样品的功能特性指标。

表1 各功能性指标的正交实验设计

2 结果与讨论

2.1 样品粒度分析

经测得实验所用4个样品的几何平均粒度见表2。

表2 4个样品的几何平均粒度

2.2 样品的粗蛋白和粗脂肪含量

经测定，试验用脱皮菜籽粕的粗蛋白、粗脂肪含量分别为50.60%和5.25%。相对于常规带皮菜籽粕脱皮菜籽粕粗蛋白含量显著提升。

2.3 吸水性

表3为粒度、热处理温度、热处理时间对吸水性影响的实验结果。

表3 粒度、温度、热处理时间对菜籽粕吸水性影响的正交实验结果

由表3极差分析结果可以看出，3个因素对菜籽粕吸水性的影响大小依次为：C粒度＞A温度＞B热处理时间；从K值可知吸水性的最佳参数组合是A4B4C4，即热处理温度120℃，热处理时间120 min,粒度184 μm。

由表3数据可以看出，不同粒度对脱皮菜籽粕吸水性随着粒度的增大逐渐的升高，184 μm样品的吸水性最好，说明过细的粉碎会显著降低菜籽粕的吸水性。任志辉等在不同粒级低温脱脂去皮菜籽粕微粉的功能特性研究报道中去皮菜籽粕微碎粒度小于150～212 μm后吸水性会显著下降，本次实验进一步证明了这一点，原因可能是菜粕颗粒的吸水性与颗粒的粒径、表面结构、亲水疏水基团的分布、数量、所含纤维成分等有关。粒度减小虽然增加了菜粕颗粒的表面积，但破坏了细胞结构和膳食纤维的空间网状结构，使表面疏水基团数量增多，大大减小了其持水能力[11]。

不同热处理时间对菜籽粕吸水性的影响随热处理时间的增长，吸水性逐渐升高，在90 min达到最大值，随后趋于平稳。

不同温度对脱皮菜籽粕的吸水性影响是随着温度的升高吸水性先降低再升高，120℃时达到最大。这可能是加热引起细胞壁破裂导致膳食纤维含量增加，从而增加菜籽粕的持水量，冯攀屹的研究表明随着热处理时间的增加,燕麦不溶膳食纤维含量和总膳食纤维含量都有所增加，进而使物料的吸水率变大[12]。

2.4 吸油性

表4为粒度、热处理温度、热处理时间对菜籽粕吸油性影响的实验结果。

表4 粒度、热处理温度、热处理时间对菜籽粕吸油性影响的正交实验结果

由表4的极差分析结果可以看出，3个因素对菜籽粕吸油性的影响大小依次为：C粒度＞A热处理温度＞B热处理时间，粒度是影响菜籽粕吸油性的主要因素。从K值可知最佳组合是A4B3C2，即热热处理温度120℃，热处理时间90 min,粒度73.03 μm。

从各因素的K值可以看出吸油性随着粒度的减小先增大后减小，在73.03 μm处达到最大，表明菜粕超微粉粒度在73.03 μm时总的表面亲油基团分布最多。菜籽粕超微粉的吸油性随热处理温度的升高先降低后升高，在120℃达到最大值，这可能是因为低温加热使菜籽粕蛋白疏水键、二硫键大量聚集，聚集后部分亲油基团被包埋，导致吸油性下降，而高温热处理破坏了菜籽粕蛋白的结构，使菜籽粕蛋白疏水性基团更多的暴露，从而增强了菜籽粕的吸油性，这与周小泉关于干热处理对油菜籽蛋白功能特性的研究报道一致。

2.5 乳化性及乳化稳定性

表5为粒度、热热处理温度、热处理时间对菜籽粕乳化性及乳化稳定性的实验结果。由表5的极差分析结果可以看出，3个因素对菜籽粕乳化性及乳化稳定性的影响大小排序相同，且依次为：A热处理温度＞C粒度＞B热处理时间，温度是影响菜籽粕乳化性及乳化稳定性的主要因素。从K值可知获得高乳化性的最佳参数组合是A4B3C1，即热热处理温度120 ℃，热处理时间90 min，粒度18.49 μm；乳化稳定性最佳组合是A3B2C3，即热处理温度100℃，热处理时间60 min,粒度129.00 μm。

表5 粒度、温度、热处理时间对菜籽粕乳化性及乳化稳定性的正交实验结果

由K值可以看出，粒度为18.49 μm时脱皮菜籽粕乳化性最大，其他几个粒度略低，但相差不大；乳化稳定性随粒度的增加先增大后减小，在129.00 μm最大。乳化性和乳化稳定性与蛋白的亲水、亲油基团的表面分布以及分子的柔顺性有关，粉碎适度时可以使颗粒表面疏水基团暴露，提高物料的乳化性，过粗或过细，则乳化性均会低于最高值。乳化稳定性随着粒度的增大而先升高，在129.00 μm粒度达到最大值，然后降低。

温度对脱皮菜籽粕乳化性及乳化稳定性的影响趋势相同，都是先升高后降低，在100℃时达到最大值。120℃的温度可能使菜籽蛋白深度变性，减少颗粒表面的疏水基团和亲水基团总数，降低乳化性及乳化稳定性。

热处理时间对乳化性与乳化稳定性的影响趋势相同，随时间的增加，乳化性与乳化稳定性先升高后降低，在90 min处达到最大值。

2.6 蛋白溶解度

表6为粒度、热处理温度、热处理时间对菜籽粕蛋白质溶解度影响的实验结果。

表6 粒度、温度、热处理时间对菜籽粕溶解度影响的正交实验结果

由表6的极差分析结果可以看出，3个因素对菜籽粕蛋白质溶解度的影响大小依次为：C粒度＞B热处理时间＞A热处理温度，热处理时间和温度的R值接近。从K值可知最佳组合是A3B3C1，即热处理温度100℃，热处理时间90 min,粒度18.49 μm。

由各因素的K值可知菜籽粕蛋白质溶解度随着粒度的减小而增加，当粒度为最小（即18.49 μm）时溶解度最大，因为粒度越小，菜籽粕与溶液的接触面积越大，另外当粒度越小，菜籽粕微粒表面的亲水基团越多，导致溶解度越大。

溶解度随热处理时间的增长先降低后升高，在90 min处最大，但相互之间的差异不显著。

菜籽粕的溶解度在100℃达到最大，显著高于60、80、120℃的热处理结果。而60、80℃的热处理结果之间无明显差异。120℃热处理显著降低了菜籽粕蛋白质溶解度，可能是因为菜籽粕蛋白发生美拉德反应生成类黑晶[13]。

2.7 体外消化率

表7为粒度、热处理温度、热处理时间对菜籽粕体外消化率影响的正交实验结果。

表7 粒度、温度、热处理时间对菜籽粕体外消化率影响的正交实验结果

由表7极差分析结果可以看出，3个因素对菜籽粕体外消化率的影响大小依次为：A热处理温度＞C粒度＞B热处理时间。从K值可知获得高体外消化率的最佳组合参数是A1B3C1。，即：热处理温度60℃，热处理时间90 min,粒度18.49 μm。

体外消化率随粒度的减小而增大，在粒度18.49 μm时达到最大，这是因为较细的粉碎粒度可以增加菜籽粕的表面积，增加其与酶溶液的接触面积，另外粉碎粒度越细，蛋白结构被破坏的越严重，内部暴露出来的酶切位点就越多，越利于消化。这与王卫国等在7种饲料原料粉碎粒度与蛋白质体外消化率及能耗的研究结果一致[14]。菜籽粕的体外消化率经60℃热处理后最高，经80℃处理后降低，热处理温度再升高时体外消化率基本保持不变。热处理时间对菜籽粕体外消化率的影响差异不显著，但时间达到120 min或更长时会降低菜籽粕的体外消化率。