挤压膨化温度对棉粕游离棉酚及营养成分的影响

胡维岗,黄庆德,张 强,郭安民

(1.新疆农垦科学院农产品加研究所,新疆石河子 832000;2.中国农业科学院油料作物研究所,湖北武汉 430062)



挤压膨化温度对棉粕游离棉酚及营养成分的影响

胡维岗1,黄庆德2,*,张 强1,郭安民1

(1.新疆农垦科学院农产品加研究所,新疆石河子 832000;2.中国农业科学院油料作物研究所,湖北武汉 430062)

本文研究了不同挤压膨化温度(90、100、110、120和130℃)对棉粕中游离棉酚和营养成分的影响。结果表明棉粕挤压膨化脱酚的最佳温度是120℃,超过这一温度后游离棉酚的降解速率不再随温度的升高而增加。随着挤压膨化温度升高棉粕蛋白氮溶解指数(NSI)迅速降低,棉粕中粗纤维、有效赖氨酸和总赖氨酸的含量也随温度升高而显著降低,但当温度达到120℃时,总氨基酸(AA)和必需氨基酸(EAA)的含量达到最大值。此外,120℃时,棉粕中支链氨基酸(BCAAs)的含量也最高。所以,挤压膨化温度在120℃时,既可以显著降低游离棉酚的含量又可较好的保持棉粕的营养价值。

棉粕,挤压膨化温度,游离棉酚,营养成分

蛋白原料不足是当今饲料行业最棘手的一个问题,开发新的蛋白质资源成为饲料工业急需解决的问题。我国是世界上主要的产棉大国,年产棉籽800余万t,棉籽榨油后的饼粕中蛋白含量可达36%～44%,是优质的蛋白饲料资源[1]。但因棉粕含有0.4%～1.5%[2],对动物具有毒性的游离棉酚,限制了棉粕在饲料中的用量和饲用价值[3-4]。

目前,国内外对于棉粕脱酚的方法有化学添加剂法[4]、溶剂萃取法[5-6]、微生物发酵法[7]、电子射线辐照法[8]和挤压膨化法,其中挤压膨化法作为饲料生产常用的加工方法[9],具有广阔的应用前景。挤压膨化处理其短时高温、高压、高剪切力的作用特点,既可显著降低游离棉酚的含量[10],同时较短的加热时间降低了棉粕蛋白营养成分的破坏程度。然而,尽管挤压膨化过程中热处理时间很短,但温度对棉粕营养品质的影响却十分显著,有时温度的影响作用甚至超过了加热时间[11]。因此,在挤压膨化加工过程中选用合适的加工温度对降低游离棉酚含量和保持棉粕营养至关重要。本实验着重研究了挤压膨化温度对游离棉酚和棉粕营养成分的影响,为棉粕挤压膨化加工提供一定技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

棉粕 购于新疆石河子汇昌油脂有限责任公司。

DS56-Ⅲ型双螺杆挤压膨化机 济南赛信膨化机械有限公司,其主要技术参数为:螺杆外径65mm;长径比18;两螺杆中心距56mm,螺杆转速0～250r/min;加热系统分三个区域,每个区域有两个远红外线加热圈,每个加热圈功率为2kW;圆形模头,模口孔径4mm。

1.2 实验方法

棉粕经除杂、粉碎后过100目筛除去棉壳上残留少量棉绒,避免膨化过程中棉绒堵塞模孔。然后采用双螺杆挤压膨化机进行挤压膨化,实验中取膨化温度为90、100、110、120、130℃五个水平,棉粕水分控制在25%,螺杆转速150r/min。

1.3 测定方法

1.3.1 游离棉酚测定 采用GB13086-1991测定游离棉酚含量。

1.3.2 粗蛋白及水溶性氮测定 采用GB/T5009.5-2003测定粗蛋白及水溶性氮含量。

1.3.3 粗纤维测定 利用半自动纤维测定仪(美国FOSS)按GB/T6434-2006测定。

1.3.4 有效赖氨酸测定 参照染料结合法(DBL法)进行[12]。

1.3.5 氨基酸组成测定 采用GB/T5009.124-2003氨基酸自动分析仪测定。

1.4 数据统计分析

采用软件SAS9.1对实验结果进行分析,以Duncan’s多重比较法进行组间差异显著性检验。统计数据采用平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 挤压膨化温度对棉粕游离棉酚含量的影响

游离棉酚是棉粕中最主要的抗营养因子成分,也是棉粕饲料生产中重要的监测指标[13],国际卫生标准中规定棉粕中游离棉酚的含量不可超过400mg/kg。图1实验结果表明,挤压膨化温度对游离棉酚含量的影响非常显著,随着挤压膨化温度的升高游离棉酚的含量显著降低,当温度达到120℃时,游离棉酚含量可控制在117mg/kg左右。然而,温度超过120℃后游离棉酚含量随温度升高而降低的趋势不再显著。这是由于挤压膨化过程中游离棉酚含量降低的主要途径是游离棉酚与棉粕中赖氨酸ε-氨基成分发生美拉德反应形成结合棉酚[14],温度的提高加快了化学反应速率,但当底物浓度,即游离棉酚的含量低于一定浓度时,温度对该反应的促进作用不再明显,这也是目前同类文献[14-16]报道中挤压膨化脱酚游离棉酚最低含量一般都保持在100mg/kg左右的原因。

图1 挤压膨化温度对游离棉酚含量的影响Fig.1 Influence of extrusion temperature on content of free gossypol

2.2 挤压膨化温度对棉粕有效赖氨酸含量的影响

赖氨酸是棉粕第一限制性氨基酸,挤压膨化过程中赖氨酸极易与还原糖和游离棉酚等成分发生美拉德反应,生成动物难以消化利用的氨基糖等复合物。有效赖氨酸是指在规定的测定条件下测得的总赖氨酸和非有效赖氨酸之差,因此,有效赖氨酸的含量能够比较客观地反映原料中赖氨酸被动物利用的情况[17]。赵学伟等[18]指出挤压膨化过程中,温度是影响有效赖氨酸含量的主要因素,温度越高,有效赖氨酸的含量越低。如图2所示,棉粕挤压膨化过程中当温度达到100℃后,有效赖氨酸含量开始明显降低,尤其是当温度从120℃升到130℃时,有效赖氨酸损失率高达16.28%。究其原因可能是当温度超过120℃后,高温不但提高了美拉德反应的速率,也改变了美拉德反应的途径[19],使有效赖氨酸含量迅速降低。

图2 挤压膨化温度对有效赖氨酸含量的影响Fig.2 Influence of extrusion temperature on content of available lysine

2.3 挤压膨化温度对棉粕粗蛋白含量及氮溶解指数的影响

从图3可以看出,挤压膨化温度对棉粕粗蛋白含量的影响不显著,但可导致棉粕蛋白急剧变性[20]。蛋白质的氮溶解指数(NSI)是指水溶性氮占总氮的百分率,NSI的高低可以反映蛋白质的变性程度,随着挤压膨化温度的升高NSI急剧下降,在温度从90℃升到130℃的过程中,NSI与未膨化棉粕相比分别降低了20.26%、30.58%、38.90%、45.74%、51.21%和53.77%。这一数据表明,挤压膨化脱酚即使在低于100℃的温度下也会导致棉粕蛋白质的严重变性。这是因为挤压膨化加剧了物料中蛋白质分子内部疏水基的暴露和蛋白质的交联,降低了蛋白质的水溶性[21]。这一实验结果与庞芳等[22]报道的结果是一致的。

表1 不同挤压膨化温度对棉粕氨基酸含量的影响Table 1 Content of amino acid(AA)in cottonseeds meal extruded at different temperatures

图3 挤压膨化温度对粗蛋白含量及氮溶解指数的影响Fig.3 Influence of extrusion temperature on content of crude protein and nitrogen soluble index

注:表中数据采用平均值±标准差表示(n=3),同一行不同字母表示差异显著(p<0.05)。2.4 挤压膨化温度对棉粕粗纤维含量的影响

棉籽榨油过程中经脱壳处理会去除了大部分的棉壳粗纤维,制油后棉粕粗纤维含量在10%～20%之间。本实验为了避免棉壳上残留的少量棉绒在膨化过程中堵塞模头模孔,在棉粕粉碎后进行了过筛处理,过筛后棉粕粗纤维的含量为12.08%。研究表明挤压膨化加工可降低粗纤维的含量[23],从图4可以看出,当温度达到100℃后,粗纤维含量随温度的升高显著降低,130℃挤压膨化棉粕粗纤维的含量与未膨化棉粕比降低了30.79%。这主要是由于挤压膨化高温、高压、高剪切力的作用使纤维分子间化学键裂解所致[24]。在挤压膨化过程中高温促使物料中的水分达到过热状态,物料由模口挤出的瞬间,巨大的压差变化导致物料内部过热状态的水分瞬间汽化,巨大的膨胀力破坏了物料颗粒的外部状态,并且拉断了物料颗粒内部的分子结构,将部分不溶纤维断裂形成可溶性纤维,使测得的粗纤维含量下降。

图4 挤压膨化温度对粗纤维含量的影响Fig.4 Influence of extrusion temperature on content of crude fibre

2.5 挤压膨化温度对棉粕氨基酸含量的影响

挤压膨化过程中温度对氨基酸含量的影响具有两面性,热处理一方面破坏了蛋白质的分子结构使一部分蛋白质裂解为多肽和氨基酸,另一方面又促使一些氨基酸与其他成分发生化学反应降低氨基酸的含量[25]。从表1可以看出,棉粕中赖氨酸的含量较低(2.25%),温度对赖氨酸的影响非常显著,当温度超过120℃后赖氨酸含量降低。然而,棉粕中其他种类氨基酸的含量在挤压膨化的过程中均有不同程度的提高,这种挤压膨化过程中氨基酸含量增加的现象在其他种类饲料膨化处理过程中也有存在[26]。氨基酸含量升高的原因有两方面,一方面挤压膨化使得部分蛋白质和肽降解为氨基酸,另一方面挤压膨化过程中造成了棉粕部分成分(如:粗纤维和挥发性成分等)的流失使得氨基酸的含量相对提高。尽管温度对不同氨基酸含量的影响各不相同,但当温度低于120℃时,总氨基酸与必需氨基酸的含量随温度的升高而不断增加,但当温度超过120℃后总氨基酸和大部分氨基酸的含量都有所降低。这可能是因为当温度超过120℃后,氨基酸流失(与其他成分发生美拉德反应)的速度超过了氨基酸形成(蛋白质和多肽分解)的速度。此外,值得一提的是棉粕中的支链氨基酸(亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸)含量达到6%以上,这类氨基酸具有特殊的生理功能,如加强免疫力作用[27],在挤压膨化过程中支链氨基酸的含量明显增加,当温度达到120℃时,支链氨基酸增加了10.56%。

3 结论

棉粕蛋白质含量丰富,是优质的饲料蛋白资源。在挤压膨化过程中采用合适的温度可显著降低棉粕中游离棉酚的含量,达到国际卫生标准(400mg/kg)规定的范围以下,同时亦可降低粗纤维含量,并具有在一定程度上提高氨基酸含量的作用。然而,较高的挤压膨化温度不利棉粕中赖氨酸的保持,尤其是降低有效赖氨酸的含量,同时蛋白质变性严重。因此,在选择膨化温度时,要综合考虑温度对棉粕整体品质的影响,挤压膨化温度应在120℃左右最为合适,在此温度下,既可以显著降低游离棉酚的含量又可较好的保持棉粕的营养价值。

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Effect of extrusion temperature on free gossypoland feedstuffs in cottonseed meal

HU Wei-gang1,HUANG Qing-de2,*,ZHANG Qiang1,GUO An-min1

(1.Institute of Agro-products Processing Science and Technology,Xinjiang Academy ofAgricultural and Reclamation Science,Shihezi 832000,China;2.Oil Crops Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences,Wuhan 430062,China)

The effect of extrusion temperatures(90,100,110,120 and 130℃)on free gossypol and feedstuffs were studied in cottonseed meal. The results showed that the best temperature for free gossypol degradation was 120℃,the degradation rate of free gossypol did not increase with the increase of temperature above 120℃. The nitrogen solvable index(NSI)reduced quickly with the increase of extrusion temperature,and the contents of crude fiber,available lysine and total lysine were significantly decreased in cottonseed meal,but the highest contents of total amino acids(AA)and essential amino acid(EAA)were obtained at the extrusion temperature of 120℃. The highest contents of branched-chain amino acids(BCAAs)were also observed in the 120℃ sample. In conclusion,a extrusion temperature of 120℃ was preferred for lower free gossypol and higher nutritional value of cottonseed meal.

cottonseed meal;extrusion temperature;free gossypol;feedstuffs

2014-05-28

胡维岗(1986-)，男，硕士研究生，助理研究员，研究方向：粮油加工。

*通讯作者:黄庆德(1964-)，男，硕士研究生，研究员，研究方向：粮油加工技术研究。

新疆农垦科学院引导项目(60YYD201308)。

TS201.1

B

1002-0306(2015)05-0247-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.043