不同水分添加量对膨化菜粕品质的影响研究

■ 田珍珍 李军国 赵文恩 段海涛 孙丹丹

(1.郑州大学，河南郑州450001；2.中国农业科学院饲料研究所，北京 100081)

油菜籽是世界第三大油料。目前在我国种植面积超过700万公顷,年总产1 100～1 300万吨，面积、产量产均居世界首位[1]。其榨油后的副产品是菜籽饼（粕），其粗蛋白含量为35%～40%，且氨基酸组成平衡，与豆粕相比其含硫氨基酸含量丰富[2]。菜籽粕价格也比较低廉，但由于其含有粗纤维以及其他的一些抗营养成分，如硫苷及其水解产物、植酸、单宁、芥子碱等，导致其在动物体内消化率低[3]，适口性差，限制了其在畜禽、水产饲料中的用量。

近20年来，菜籽中的硫苷、芥酸含量由于双低菜籽的培育而大量减少，但是单宁、植酸等抗营养成分与普通菜籽含量差别不大，目前还不能通过育种手段解决[4]，因此，寻求一种既能提高蛋白质的利用率，又可降低单宁、植酸等抗营养成分含量的处理方法具有研究意义。挤压膨化是一项高新技术，菜粕在膨化腔内高温高压以及机械剪切力的作用下溃散、细化、均化、细胞壁破裂，分子结构被打散，淀粉糊化，蛋白质变性，在挤出模板瞬间菜粕内的水分迅速气化，形成疏松多孔的结构，有利于动物消化酶的作用，提高养分利用率。

菜粕本身粗纤维含量高，含油率低，在膨化过程中阻力大，导致能耗升高。水分具有润滑作用，在菜粕膨化过程中起重要作用，一定的水分可以降低摩擦阻力，有利于物料的流动从而降低耗电量。当物料从模孔挤出的瞬间，压力突然降低，过热的水迅速汽化，如果物料形成的胶体强度适当，将会由于水蒸气的扩张导致许多小细胞膨胀。

目前关于挤压膨化菜籽的研究较多，但是关于菜粕膨化的研究甚少，并且相对指标较单一，肖志刚等[6]研究了挤压膨化对菜粕中单宁含量的影响，并得出了能使单宁含量降低近50%的最优组合；M.liang等[4]做了高硫苷菜粕的挤压研究，得出膨化加工能够降低硫苷含量；菜粕含水量的多少影响度电产量等生产指标，也影响其膨化效果[7]，因此有必要研究挤压过程中水分对菜粕品质的影响，为企业生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

双低菜粕（中粮黄冈有限公司购进）。用2 mm筛片进行粉碎，粉碎后水分含量9.39%，硫苷含量11.78 μmol/g，其作为本试验的对照组；分别向菜粕中添加4%、6%、8%、10%、12%的水之后菜粕水分含量见表1。其分别作为本试验的5个处理组。

表1 各处理组菜粕水分含量

1.2 试验设备

TSE 65型双螺杆膨化机(现代洋工公司),主机功率22 kW。

1.3 试验条件及检测方法

1.3.1 挤压工作参数

膨化机三节套筒温度设置：30、70、126℃，调节喂料器喂料速度使主机设备电流达到额定值，螺杆转速设为245 r/min。采用4 mm模孔的模板。

1.3.2 化学成分检测方法

蛋白质GB/T 6432-94，粗脂肪GB/T 6433-2006，氨基酸GB/T 18246-2000，水分及挥发物GB/T 10358-1989,粗灰分GB/T 6438-2007，蛋白体外消化率采用胃蛋白酶-胰蛋白酶复合处理法测定，芥子碱采用乙醇超声提取高效液相法测定[8]，单宁GB/T27985-2011。

1.3.3 显微结构观察

采用扫描电子显微镜对挤压膨化前后的菜籽粕进行结构分析。用导电双面胶将约0.1 g样品固定在金属样品平台上，在真空中喷金后.置于电子扫描显微镜中以5 kV电子束观察，拍摄有代表性的结构照片。

2 结果与分析

2.1 根据1.3.1节工作参数，采用双螺杆膨化机对几个处理进行干法挤压膨化。膨化前后菜粕常规组分的变化见表2。

表2 膨化前后菜粕常规组分的变化(干基含量)(%)

由表2可以看出，干法挤压膨化加工后菜粕的粗灰分没有明显的变化，粗蛋白含量有所提高，但是变化不显著（P>0.05）。蛋白溶解度变化较显著（P<0.05），处理组间且随着水分含量的提高蛋白溶解度呈下降趋势。与对照组相比，水分含量低于17.62%时蛋白溶解度高于对照组，水分含量高于17.62%时蛋白溶解度低于对照组。膨化能提高菜粕的蛋白体外消化率，不同处理间差异显著（P<0.05），菜粕蛋白体外消化率与对照组相比分别提高了6.55%、8.59%、13.63%、14.37%、12.88%，其中水分含量在19.10%时达到最大值。

2.2 不同水分条件下干法膨化菜粕中氨基酸含量的变化（见表3）

表3 膨化前后氨基酸含量的变化(干基含量)(%)

由表3可以看出，菜粕水分含量较低时，氨基酸破坏严重，水分含量在14.52%时氨基酸总量损失达12.99%。水分较高时，氨基酸含量有所升高，在水分含量为19.10%时达到最大。5个处理组蛋氨酸（Met）含量遭受了不同程度的破坏，较对照组分别降低了35%、25%、15%、20%、25%；同时赖氨酸(Lys)也有不同程度的损失，较对照组分别降低了24.81%、16.41%、6.11%、2.67%、3.82%。

2.3 不同水分条件下干法膨化菜粕中抗营养成分的变化（见表4）

表4 膨化前后抗营养成分的变化(干基含量)

由表4可以看出，膨化加工可显著降低单宁以及芥子碱的活性（P<0.05），菜粕不同水分含量膨化对单宁以及芥子碱的影响无显著差异（P>0.05）。在水分含量分别为14.52%、16.10%、17.62%、19.10%、21.21%时菜粕经挤压膨化处理单宁含量分别降低了28.42%、26.90%、25.38%、28.93%、30.96%；芥子碱分别降低了33.33%、36.11%、36.11%、40.28%、43.06%。异硫氰酸酯经膨化处理之后未检出，恶唑烷硫酮经膨化处理之后含量也大大降低。

2.4 挤压膨化对菜粕结构的影响

图1 处理前后菜籽粕的结构变化

由图1(A)可以明显看出，未挤压的菜籽粕呈紧密有序的结合态，表面平整。图1(B)可以看出菜粕经挤压处理后表面变得疏松多孔，在其周围形成了明显的纤维状且连续的表面质构特征，具有孔状的纤维结构，这些变化是由于在膨化腔内菜粕被强烈地挤压、搅拌、剪切，当糊状物料由模孔喷出的瞬间，在强大压力差的作用下，水分急骤汽化导致的。挤压膨化之后菜粕成松散无序结构，这种变化有助于酶的进一步作用，减小了空间位阻，有利于提高菜粕的利用率[9-10]。

3 讨论

3.1 不同水分添加量下膨化对菜籽粕中蛋白溶解度的影响

干法挤压膨化可使菜粕的蛋白溶解度降低，主要是因为菜粕中的蛋白溶解度对热非常敏感，膨化加工主要对蛋白的理化性质产生了影响，热处理会使蛋白聚集发生变性，对于菜籽粕来说，蛋白质溶解度在35%～88%之间，蛋白质品质无太大差别，而低于35%则认为蛋白质遭到破坏[11]，可见，不同水分添加量下膨化对菜粕蛋白溶解度的改变对其品质影响不大。另外，随着单位机械能的输入，蛋白聚集后分子质量发生变化，二者都会对蛋白溶解度产生影响[12]。

3.2 不同水分添加量下膨化对菜籽粕中蛋白体外消化率的影响

挤压膨化可提高蛋白体外消化率，蛋白质体外消化率随水分含量升高而增加，说明提高水分含量，可以减少Mailard反应的程度，提高蛋白质消化率[13]，也有可能是水分促进蛋白质的热变性，使同样温度下，蛋白质变性更充分，干蛋白粉对于热变性是非常稳定的。水合作用对蛋白质热稳定性的影响与蛋白质的动力学有关。在干燥状态下，蛋白质具有静止的结构，或者说多肽链的移动受到限制。当水分含量增加时，水合作用和水部分地穿透蛋白质结构的空洞表面，导致蛋白质的肿胀。蛋白质的肿胀提高了多肽链的移动性和柔性。若水分含量过高，使饲料受剪切摩擦作用减小，在膨化腔内停留时间变短，则可能降低蛋白质的变性程度。与过世东等[13]研究结论一致。

3.3 不同水分添加量下膨化对菜粕氨基酸的影响

菜粕中氨基酸较为均衡，但是如同许多植物蛋白源一样，菜粕的限制性氨基酸是赖氨酸，但是其蛋氨酸以及半胱氨酸含量丰富。在菜籽饼粕的加工过程中，菜粕的质量对过热处理十分敏感，其主要原因就是过热处理时发生Mailard反应，不仅造成赖氨酸含量的降低，而且会造成必需氨基酸的有效性，特别是赖氨酸有效性的降低[14]。

相同挤压条件下，水分添加量不同，物料氨基酸干基含量不同，说明水分含量对物料氨基酸水平有一定影响，并且随着水分含量的升高，物料氨基酸总含量升高，这可能与干法膨化机的膨化特点有关，即物料在膨化腔内经瞬间高温高压处理，从而对菜粕氨基酸与总氨基酸有显著或极显著的影响；较低水分下氨基酸破坏较严重，主要是因为低水分下，物料受到的机械作用力更强，物料温度升高得多，更有利于美拉德反应的进行，一些氨基酸(如赖氨酸、蛋氨酸等)的减少，主要来源于美拉德反应，也与挤压加工条件有关[15]；随着水分含量的升高，物料在膨化腔内的流动性变好，摩擦阻力小，物料温度低，因而氨基酸发生Mailard反应的程度小。另一方面，因为高温、高压、高剪切作用使蛋白质的三级和四级结构的结合力变弱，蛋白质分子结构发生伸展、重组，分子表面的电荷重新分布趋向均匀化，分子间氢键、二硫键部分断裂，导致蛋白质不可逆变性，一部分蛋白质裂解为多肽和氨基酸,导致氨基酸总量升高[10]。

3.4 不同水分添加量下膨化对菜粕中抗营养成分的影响

3.4.1 不同水分添加量下膨化对菜粕中单宁的影响

单宁是一种多元酚化合物,它本身有苦涩味,影响适口性[16],而且在中性和碱性条件下被氧化并产生聚合作用,使菜籽饼粕制品颜色变黑并产生不良气味。多酚化合物还能与蛋白质结合使其营养价值显著降低，菜粕中含量在1.5%～3.5%之间。

从表4可以看出挤压膨化能降低菜粕中的单宁含量，随着水分含量的升高，单宁含量先略有升高后降低，但是变化不明显，主要是因为菜籽在榨油时经过了一定的处理，单宁已经遭到一定程度的破坏，再膨化处理其含量有所降低，但是水分含量对其影响不大，主要是因为适当的水分有利于物料从挤压机模孔挤出时的瞬间膨化，单宁钝化程度加强，低水分时物料的机械剪切力增大，有利于单宁的破坏。

3.4.2 不同水分添加量下膨化对菜粕中芥子碱的影响

芥子碱是菜粕中最重要的酚类物质之一。溶于水易发生水解反应,生成芥子酸和胆碱，芥子碱是使菜粕产生苦味的主要原因,影响动物的适口性，对于褐壳鸡蛋当芥子碱含量达到1 g/kg时会产生鱼腥味[17]。芥子碱在油菜籽中的含量在0.8%～3.0%[18]，菜粕中的含量在1.2%～2.3%[19]。

研究表明芥子碱对热不稳定，在127℃时会发生分解。目前关于芥子碱在菜籽加工中的热稳定性尚存在争议，Fenwick等[20]研究表明干法挤压对芥子碱和芥子酸的含量无显著影响，然而Jensen等[21]研究发现热处理可以降低菜籽中芥子碱的含量。从表4中可以看出，挤压膨化处理能降低芥子碱含量，在相同的挤压条件下，随着水分含量的升高，芥子碱含量成降低趋势，可能是因为芥子碱易溶于水，水分含量高，其更容易在机械剪切作用下发生变化，导致含量减少，但是不同处理之间变化不明显。目前，关于膨化过程中芥子碱含量的变化及机理研究不多，需要进一步研究来证实这一结论。

3.4.3 不同水分添加量下膨化对菜粕中异硫氰酸酯的影响

硫氰酸酯是一种挥发性辛辣物质，严重影响饲料的适口性，动物长期饲喂菜籽粕有可能造成消化、皮肤黏膜损害，引起下痢[22]。经过挤压膨化处理，菜粕中的异硫氰酸酯在任何水分条件下都未检出，可见膨化加工能破坏异硫氰酸酯，使其失去毒副作用。

3.4.4 不同水分添加量下膨化对菜粕中恶唑烷硫酮的影响

噁唑烷硫酮是一种致甲状腺肿胀因子，动物采食后便会导致甲状腺肿大，碘的吸收被抑制，生长受阻，采食量下降等现象[23]。经膨化处理后的恶唑烷硫酮也大大降低，其中水分含量分别在17.62%、19.10%时还含有少量的恶唑烷硫酮，但与原菜粕相比分别降低了89.58%和89.06%，远远低于饲料用低硫苷菜籽饼粕标准规定的异硫氰酸酯+恶唑烷硫酮低于4 g/kg[24]。

4 小结

通过前面实验可以得出，膨化加工可以提高蛋白体外消化率，降低抗营养成分含量。菜粕想要成为重要的蛋白原料，必须对其进行加工处理，主要目的就是提高蛋白质的利用率，降低抗营养成分；从本文中可以看出，对于双低菜粕硫苷含量已经低于国家标准，膨化后异硫氰酸酯、恶唑烷硫酮破坏严重，单宁、芥子碱等抗营养成分随水分变化不明显，随菜粕水分含量的升高，蛋白溶解度逐渐降低，蛋白体外消化率先升高后降低。

另外，由于物料间相互作用的复杂性，物料由于膨化而产生的物化性质的改变并不是单一因素的作用结果，与螺杆转速、膨化腔温度以及喂料速度等多因素有关；因此，物料水分含量与其他参数对蛋白营养值的相互作用仍需进一步的调查研究。