菜子粕的抗营养因子及其脱毒研究进展

刘敏佳

摘要：菜子粕是我国是重要的饲用蛋白源。文章通过描述菜子粕抗营养因子的特点和现阶段菜子粕脱毒工作的研究进展，为广大相关工作者提供一些研究信息。

关键词：菜子粕；抗营养因子；微生物发酵；进展

中图分类号：S816.43 文献标识码：B 文章编号：1007-273X（2016）03-0009-03

据农业部统计，从2011年起，中国已经连续5年饲料产量居全球第一，2015年饲料产量突破2亿t大关。中国主要的蛋白原料却严重依赖进口，譬如2015年我国仅大豆的进口量就达到了历史最高峰的8 100多万吨，相对于国产大豆1 200多万吨的产量，进口比例达到80%以上；另一方面作为我国第二大蛋白质原料资源的菜子粕，据国家统计局数据显示，2012年以后，我国油菜子的产量维持在1 400多万t/年，菜子粕产量维持在800多万t/年，远远低于大豆粕的年产量和使用量。众所周知，菜子蛋白是一种营养价值很高的全价蛋白[1，2]，其赖氨酸的含量和大豆蛋白接近，而且蛋氨酸含量比大豆蛋白还高。但是菜子粕中除含有30～45%优质菜子蛋白之外，还含有大量的抗营养因子，这些抗营养因子是限制菜子粕在饲料中的运用的主要原因。自20世纪60年代开始，各国科学家在如何去除菜子粕抗营养因子方面进行了大量科研研究，并取得了一定的成果。尽管如此，到现在菜子粕脱毒工作还处于研究开发阶段，没有获得能真正运用于企业大规模生产的方法。

1 菜子粕的抗营养因子

1.1 硫代葡萄糖甙及其代谢产物

硫代葡萄糖甙又名硫甙，一类广泛存在于十字花科（Cruciferae）植物根、茎、果实的糖甙化合物，易溶于水、乙醇、甲醇等溶剂。菜子粕中硫甙含量会因菜子制油工艺的不同而发生变化，溶剂浸出制油工艺得到的菜子粕中硫甙的含量比脱皮制油工艺得到的菜子粕中的高，压榨饼中硫甙含量最低[3]。近几年的研究发现不仅硫甙本身含有毒性，且其主要的分解产物异硫氰酸酯（ITC）、噁唑烷硫酮（OZT）、硫氰酸酯（TC）和腈类（RCN）等化合物是菜子粕主要的抗营养因子。ITC对动物黏膜有强烈的刺激作用，且具有挥发性，长期或大量饲喂菜子饼粕时易引起腹泻，在经肺及经肾脏排出的过程中可刺激并损害该组织器官，从而引起肾炎及支气管炎。OZT、ITC、TC都能抑制甲状腺中碘的有机化过程，致使动物的甲状腺肿大进而降低动物的生长率，且通过在饲料中添加碘并不能消除OZT的抗甲状腺作用[4]。RCN是这几个抗营养因子中毒性最强的，通常是OZT的5-10倍，可引起动物细胞内窒息；慢性中毒使肝脏和肾脏受到侵害，导致其肿大，严重会出血和坏死的症状。

1.2 芥子碱

芥子碱是一种简单酚类化合物，相对分子质量为310.37。芥子碱易溶于甲醇、乙醇和水。油菜子中芥子碱及其衍生物主要存在于菜子仁中，菜子粕中芥子碱含量在0.8%～3.0%之间。芥子碱影响菜子粕的饲用性能主要表现为，①能影响饲料适口性，芥子碱是一种苦味的化合物，能明显降低动物的采食量，是脱除了硫苷的油菜子产品仍具有苦的味道的主要原因。相同摩尔水平下苦味等级排名是：芥子碱>芥子酸>胆碱。③能降低蛋白质的消化吸收率。③能影响鸡蛋风味[5]。

1.3 植酸

植酸在菜子中的含量为3%～7%，易与磷结合形成不易消化吸收的植酸磷。因单胃动物及水生动物体内缺乏植酸酶，无法酶解植酸磷，造成了磷的极大浪费。另外，植酸能与与Fe2+、Mg2+、Zn2+和Ca2+等金属离子结合形成络合物，影响了动物对矿质元素的吸收，严重时是会使动物出现缺锌综合征[6]。植酸还能与一些蛋白质形成难溶混合物，影响蛋白质的消化吸收。

1.4 单宁

菜子单宁主要存在于菜子皮壳中，含量为0.6%～3.0%，具有苦涩味，影响饲料的适口性，降低饲喂动物采食量；且能和蛋白质、金属离子、酶类、糖类、维生素B12及一些金属离子等结合形成难以降解物质，而降低饲料利用率。反刍动物在长期摄入含有大量单宁的饲料后能对抑制瘤胃蛋白质降解菌的生长，从而降低其对蛋白质的消化吸收率。大量食用高剂量的单宁后，动物消化道会受到不同程度的损伤[7]。单宁也可以对食用动物产生直接的毒害作用[8]，故需慎用单宁含量高的原料。

2 菜子粕中抗营养因子的去除方法

目前所有菜子粕的脱毒方法总体来说可分为四大类，即物理脱毒法、化学脱毒法、生物脱毒法和遗传育种法。

2.1 物理脱毒法

2.1.1 热处理法 热处理能较好的去除菜子粕中的硫甙。当处理条件100 ℃， 30 min，能去除500 μmol/mmol的硫甙而不影响菜子蛋白的品质[9]，同时研究发现，相同处理条件下，不同种类硫甙的去除效果也不同[10]。但是热处理法有很强的限制性，该方法对热敏性抗营养因子有效，且过高的处理温度会使菜子：蛋白中的赖氨酸和淀粉产生美拉德反应而影响使用效果。

2.1.2 挤压热喷膨化法 Mukhopadhyay等试验证明[11]，在温度为82.5℃，挤压速度为90 rpm，物料水分为41.22%时，单宁去除率达到61.25%。肖志刚等[12]研究认为在挤压温度在50℃，螺杆转速166 r/min，物料含水率在25%时，单宁含量可降至原有的50%左右。牟永义等[13]发现在对菜子粕热喷膨化后，膨化脱毒率可达88%，芥子甙含量由0.56%降到0.09%，单宁含量也明显减少苦味降低，也有人报道干法挤压膨化菜粕能使其总硫甙含量降低到193-428 μmol/mmol[14]。但是Fenwick等[15]利用挤压法进行菜子：粕脱毒的研究后，认为在150 ℃下挤压膨化能有效钝化其芥子酶，但对硫甙含量的影响很小。故挤压膨化法对菜子粕的脱毒效果有待进一步验证。

2.1.3 加工工艺改进法 传统菜子粕的加工工艺主要有低温冷榨、螺旋热榨、预压浸提工艺，但这几种工艺均不能去除菜子粕中的抗营养因子。有研究发现经脱皮处理后菜子粕蛋白质含量提高到42%以上，口感由苦涩味变为略带甜涩味，适口性也有显著改善。李文林等[16]的研究表明，采用脱皮低温压榨膨化工艺技术可使赖氨酸的损失率由预榨工艺的60.2%下降为25.1%，含硫氨基酸由原来的40.8%下降为9.7%，使菜子粕在鸡、奶牛、鱼、猪等动物中的用量提高40%以上 。胡小华等[17]也研究了菜子粕后脱皮工艺（菜子粕—粉碎—筛分一风选一脱皮菜子粕），发现虽能使36.78%蛋白含量的菜子粕通过该工艺获得蛋白44%的新产品，但是由于其只有28%出品率，影响其大规模推广。改进菜粕加工工艺能对降低菜粕的抗营养因子具有一定的实践价值，也有待科学工作者进一步对其加工参数进行改良优化。

2.2 化学脱毒法

化学脱毒法主要有溶剂浸出法、酸碱金属盐降解法、酶解法等几大类。

2.2.1 溶剂浸出法 该法是利用化学溶剂的性质与菜子饼中抗营养因子相似相溶的原理，浸出并提取抗营养因子，以到达脱毒的目的，现在这些方法一般用于医药方面较多，也是能提高菜粕附加值的一种有效方法。水洗法主要针对菜子粕硫甙，去除范围360～900 μmol/mmol；丙酮浸出法针对硫甙和芥子甙；醇洗法是可以去除硫甙、多酚物质等溶于醇类水溶液的物质。刘玉兰等[18]在认为高温菜子粕醇洗最佳工艺条件为：乙醇体积分数70%，固液比1∶7，醇洗温度50℃，醇洗次数3次，醇洗时间50 min。醇洗后菜子浓缩蛋白的蛋白质提高至61.02%，硫苷降至5.25 μmol/g，植酸降至0.55%，单宁降至0.36%，蛋白质必需氨基酸含量提高至19.32%，KOH蛋白质溶解度由39.09%提高至53.18%，粗纤维降低至9.68%，得到了一种是不亚于大豆浓缩蛋白的优质蛋白源[19]。

2.2.2 酸碱金属盐降解法 该方法是利用化学试剂处理菜子粕，使其和菜子粕中的抗营养因子相互反应，生成无毒或低毒物质达到脱毒目的。碱处理较理想，既可使部分硫甙水解，又可使游离态植酸中和生成植酸盐，使植酸盐封闭。将粉碎的菜子饼中加入1.4%纯碱溶液，在加压下蒸煮，可以完全去除硫甙。国外研究发现Na2CO3的去毒为最佳，能100%破坏硫甙，90%～100%破坏芥子碱，但会增加了脱毒饼的苦味。波兰的S.Apolinary 等用15%工业硫酸在60℃下处理6 h，所得粕不含硫甙，粕中蛋白质的氨基酸组成基本上维持不变，硫甙的水解使葡萄糖含量增加至 21%。该粕对于动物而言，是可消化的而且是无毒的。另外 CuSO4溶液也有很好的脱毒效果，能灭活其中的ITC和OZT，能去除 900 μmol/mmol 的硫甙。在肉鸡和猪的日粮中添加CuSO4溶液处理过的菜子饼粕80～160 g/kg，发现对生长、甲状腺功能、碘的吸收、血浆中Zn含量及碱性磷酸酶活性都有很好的改善作用。

2.2.3 酶解法 在饲料工业上，可以通过菜子本身含有的芥子酶，将硫甙降解为异硫氰酸酯、噁唑烷硫酮和腈类，然后在提油过程中提取出来获得脱脂菜子粉。还可通过外加天然的硫甙酶制剂和少量化学添加剂对菜子饼粕进行脱毒。在菜子粕中直接添加外源植酸酶，在条件为温度45℃、pH值4.7、反应时间90 min、酶浓度2.4%（菜子粕量），植酸酶解率可达60%。

Mirakzehi等[20]报道肉仔鸡饲料中酶制剂处理后的菜子粕添加量可提高到30%，对生产性能无负面影响。在其他行业中，还可以添加蛋白酶等酶类将菜子粕中的蛋白质充分溶出，利用酶工程技术将菜子饼粕转化为人类优质的食品源。

2.3 生物脱毒法

生物脱毒法，是菜子粕脱毒工作中比较重要的研究课题。原理是利用微生物种类多，数量大，繁殖快，易培养，酶系复杂等特点，采用发酵技术来去除菜子粕中的抗营养因子。且该技术在豆粕上已经运用成熟，其发酵产物——发酵豆粕已经被国内外饲料厂家认可，并大量运用于在乳仔猪饲料中，产生了巨大的经济效益。通过微生物发酵法来去除菜子粕中的抗营养因子，不仅可以去除大部分抗营养因子，而且可以大大地改善了菜子饼的口感。经研究发现，混合菌种发酵优于单一菌种发酵；发酵过程中各项参数，对去毒效果的影响大小为水料比>发酵时间>接种量>接种比[21]。张宗舟等[22]通过发酵法可使菜子粕硫甙脱除率达到99%以上，植酸分解率94.5%，单宁分解率达到93.7%。Vig等[23]用Rhizopus oligosporus和Aspergillus sp在固态发酵条件下（料∶水=1∶3，25 ℃，有氧条件，10d），能够灭活黑芥子酶。硫甙、噁唑烷硫酮、植酸、粗纤维的含量分别降低了43.1%、34%、42.4%、25.5%。刘军等[21]报道了酵母菌Y2、Y5和丝状真菌A1（添加5%麸皮，含水量53%-58%， Y2∶Y5∶A1=1∶1：2，接种量为8%，自然pH，30℃，64 h），其硫甙降解率达99.66%，菜粕色泽和适口性变好。孙林[24]采用乳酸菌：蜡样芽抱杆菌：酪酸竣状芽抱杆菌：枯草芽抱杆菌=6%∶6%∶2%∶6%，34℃，水料比1.5∶1，起始pH值6.0，添加麸皮10%，48h，菜子粕硫甙降解率达到85.19%，植酸含量为90.15%，单宁降解率达98.17%，粗蛋白提高4.37%（干基），小麸含量提高2.91%（干基）。潘雷[25]用Pichia guilliermondii和Geotrichum candidum两种菌采用固态发酵（水料比=3∶2，接种量10%，接种比1∶1，5 d），发酵后菜子粕中ITC+OZT脱除率为 87.88%，蛋白增加率为 9.11%，蛋白消化率增加为 10.16%。胡永娜等[26]利用枯草芽孢杆菌、植物乳杆茵和啤酒酵母三菌种组合发酵菜子粕。菜子粕粗蛋白质提高了5.37%，硫苷、OZT、单宁、植酸降解率分别为93.44%、99.99%、34.86%、18.15%（干基）。同时也发现固态发酵菜子粕等氮替代基础饲粮中25% 的豆粕具有提高肉仔鸡生长性能、免疫功能和肠道消化酶活性的作用[27]。肖萌[28]利用纳豆芽孢杆菌和短乳杆菌在水料比1∶1，接种量1.5%，接种比1∶1，37 ℃， pH自然，发酵96 h后菜子粕中纳豆激酶酶活达到3 785.702U/g，小肽含量为5.36%，硫甙降解率为42.5%，植酸和单宁也分别降低了10.1%和5.4%。由此可以看出微生物发酵工艺在去除菜子粕抗营养因子具有良好的作用。但是有关菜子粕发酵后产物运用于养殖动物的系统研究报告较少，另一方面如何将好的科研成果运用到实际企业生产过程的研究也有待开展。

2.4 遗传育种法

遗传育种法普遍认为是一种解决菜子粕抗营养因子的最根本的方法，也是普遍提升菜子粕利用价值的方法。普通菜子饼粕中硫甙含量较高，一般在125～207μmol/g，平均在166μmol/g（绝干，不含油），而随着基因工程技术的开展，双低菜子硫甙平均含量可降低至38μmol/g（绝干，不含油），而加拿大培育出更低硫甙含量的菜子品种 Canola，硫甙含量低于25μmol/g （绝干，不含油）。我国从20个世纪80年代开始认识到双低油菜的优势，开始在育种和种植上进行试验和推广。据统计近几年我国双低杂交种油菜的种植面积已达到菜子总播种面积的70%以上，相信不仅的将来随着双低油菜子逐步替代普通油菜子，菜子粕的主要抗营养因子含量也会进一步降低。

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