微波化學(xué)法脫除油菜籽餅粕中硫苷的研究

于 洋 王承明

(農(nóng)業(yè)部食品安全評價重點開放實驗室華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070)

微波化學(xué)法脫除油菜籽餅粕中硫苷的研究

于 洋 王承明

(農(nóng)業(yè)部食品安全評價重點開放實驗室華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070)

利用微波化學(xué)脫除法及響應(yīng)面設(shè)計法對菜籽餅粕中硫苷的脫除工藝進(jìn)行研究。對多種化學(xué)試劑脫毒效果進(jìn)行比較，篩選最佳試劑，并在單因素的基礎(chǔ)上，選定餅粕初始含水量、微波時間、化學(xué)試劑濃度3個因素，通過響應(yīng)面分析得到了優(yōu)化組合條件。最佳工藝條件是:CaCl2處理菜籽餅粕后，在700 W微波條件下，餅粕初始含水率為33．7%，微波時間為2．29 min，化學(xué)試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3．2%，硫苷脫除率為69．27% 。

硫苷 脫除 微波 化學(xué)試劑 響應(yīng)曲面法

硫代葡萄糖苷(glucosinolate)簡稱硫苷，硫苷是油菜種子中的主要有害成分。完整的硫苷相對無毒，溶于水，有相當(dāng)大的穩(wěn)定性［1］。但在一定溫度和水分條件下，經(jīng)過芥子酶的酶解作用而產(chǎn)生異硫氰酸酯、惡唑烷硫酮和腈類等有害物質(zhì)。這些物質(zhì)可引起甲狀腺腫大，從而造成動物生長速度下降，繁殖力減退［2］。

我國油菜產(chǎn)量巨大，在現(xiàn)代工業(yè)條件下加工菜籽，可得到55%左右的菜籽餅粕。一般情況下，菜籽餅粕含蛋白質(zhì)35%～45%，其營養(yǎng)價值可與聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織推薦的模式蛋白質(zhì)相媲美，是具有巨大潛力的優(yōu)質(zhì)蛋白飼料資源［3］。但是餅粕中硫苷的存在，制約著油菜籽餅粕的應(yīng)用，因而菜籽粕中的硫苷脫除顯得非常重要。

目前，硫苷的脫除主要有物理法、化學(xué)法、生物脫毒法及溶劑浸出法［4］。物理法脫毒主要有熱水蒸煮法、焙炒法、水浸法等，主要是利用硫苷的水溶性及在高溫作用下發(fā)生降解反應(yīng)，生成易揮發(fā)和耐熱性差的降解產(chǎn)物，但同時也引起蛋白質(zhì)的生物效價降低及水溶性固形物的損失?；瘜W(xué)法包括醇加氨法、堿處理法、鐵鹽法，主要是利用硫苷與化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生無毒物質(zhì)，或被試劑破壞的原理。但由于化學(xué)試劑的添加，會造成餅粕適口性的降低。生物脫毒法即利用微生物發(fā)酵分解菜籽餅粕中的有毒成分，目前最常用的菌種有:乳酸菌、酵母菌、少孢子根霉菌混合培養(yǎng)得到的復(fù)合菌系。生物脫毒方法簡單、成本低、不污染環(huán)境等優(yōu)點，保持甚至提高餅粕營養(yǎng)價值。但是生物反應(yīng)體系復(fù)雜，脫毒工藝條件難于控制［5］。溶劑浸出法可將溶于乙醇和水的硫苷等有多物質(zhì)去除的同時，對植酸進(jìn)行提取，由于鹽酸的存在，酸度對餅粕蛋白或某些成分起到水解作用，從而使餅粕大顆粒更容易被支解開來，使得硫苷的浸出更容易。但該方法會引起醇溶和水溶性蛋白的損失，由于酸度的增加促進(jìn)了蛋白質(zhì)的水解，使得大量的多肽和氨基酸被濾液帶走［6］，固形物損失嚴(yán)重。由于干物質(zhì)損失嚴(yán)重，過濾速度慢，濾渣夾帶水分多，干燥時能耗大。

本研究通過微波處理，使餅粕自身存在的酶迅速通過活躍區(qū)(40～70℃)而被鈍化［7］，同時有利于異硫氰酸酯、腈等易于揮發(fā)的有毒物質(zhì)在加熱過程中被除去，硫苷在高溫時會發(fā)生熱分解，進(jìn)一步降低硫苷含量。在保持餅粕營養(yǎng)價值、適口性的基礎(chǔ)上，提高脫毒效率。為了提高脫毒效率，微波前篩選最適化學(xué)添加劑并加入對原料進(jìn)行預(yù)處理，應(yīng)用響應(yīng)曲面法獲得最佳工藝條件。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

菜籽餅粕(含粗蛋白39%，水分9．4%，粗脂肪5．8%，粗灰分7．8%):湖北奧星糧油工業(yè)有限公司;粗芥子粉:白芥子粉碎后，浸泡于石油醚中(30～60℃沸程)12 h，脫脂7 h，過60目篩，干燥4℃保存;無水乙醇，石油醚(30～60℃沸程)，磷酸氫二鈉，檸檬酸等:國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;二氯甲烷:上海試劑一廠;100%氨水:信陽市化學(xué)試劑廠;以上試劑均為分析純。

1．2 主要儀器

九陽料理粉碎機(jī):九陽股份有限公司;AL204電子天平:梅特勒－托利多儀器(上海)有限公司;WH－2微型漩渦混合儀:上海瀘西分析儀器廠;恒溫?fù)u床:美國EDISON N．J公司;SCR20BC離心機(jī):日本日立公司;HH－2型恒溫水浴鍋:金壇市杰瑞爾電器有限公司;S－3100型紫外可見分光光度計:SCINCO;格蘭仕WP700TL23－K5微波爐:格蘭仕集團(tuán)。

1．3 試驗方法

1．3．1 原料餅粕硫苷脫除流程

菜籽餅粕→加入化學(xué)添加劑→微波處理→九陽料理粉碎機(jī)粉碎→過60目篩

1．3．2 硫苷含量測定流程［8］

硫苷脫除處理原料(0．100 0 g)→加入芥子酶粉(0．030 g)、pH=7 緩沖溶液(1 mL)及二氯甲烷(2．5 mL)→酶解(37 ℃，200 r/min，2 h)→ 離心(4 000 r/min ，20 min)→取下層清液(50 μL)，加入20%氨乙醇(3 mL)→恒溫水浴(50℃，2 h)→紫外分光光度法測定含量(235 nm，245 nm，255 nm)

1．3．3 硫苷脫除率的計算公式

因1 moL硫苷在pH值為7的環(huán)境下定向水解生成1 moL異硫氰酸酯，故硫苷脫除率可由脫毒前后異硫氰酸酯含量的比值得出。試樣中異硫氰酸酯的含量(W)以每克干樣中異硫氰酸酯的毫克數(shù)(mg/g)表示，按式(1)計算。

W=［OD245－(OD235+OD255)/2］×28．55 (1)

式中:OD235為試樣235 nm處光密度值;OD245為試樣245 nm處光密度值;OD255為試樣255 nm處光密度值。

1．3．4 單因素試驗

選定化學(xué)添加劑種類、微波初始含水量、微波功率、微波時間、化學(xué)添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)5個因素做單因素試驗，考察各個單因素對硫苷脫除率的影響。

1．3．5 響應(yīng)面的組合試驗設(shè)計［9］

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，確定微波初始含水量(X1)、微波時間(X2)、化學(xué)添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(X3)3個因素為自變量，硫苷脫除率為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面分析對脫除條件進(jìn)行優(yōu)化。因素水平編碼表如表1所示，數(shù)據(jù)采用SAS8．1統(tǒng)計軟件分析。

表1 因素水平編碼表

2 結(jié)果與結(jié)論

2．1 單因素試驗

2．1．1 化學(xué)添加劑種類對硫苷脫除的影響

選擇12種化學(xué)試劑，分別制成3%的溶液加至原料中，調(diào)節(jié)原料初始含水量至51．8%，進(jìn)行微波處理(微波功率為462 W，微波時間4 min，樣品37．6 g)，處理樣品與化學(xué)添加劑對應(yīng)編號為1～12。相同條件進(jìn)行空白化學(xué)試劑的微波處理，樣品編號為13。圖1為不同化學(xué)試劑的硫苷脫除率，可以看出1～12號處理樣品的硫苷脫除率均高于未添加化學(xué)試劑的13號樣品，其中6號(K2CO3)和9號(Na2CO3)化學(xué)試劑的脫除率高。但是6、9號化學(xué)試劑處理后的樣品色澤加深、有明顯的堿性味道，故排除。結(jié)合綜合因素，選定12號(CaCl2)化學(xué)試劑為最佳硫苷脫除化學(xué)添加劑。

圖1 化學(xué)試劑種類對硫苷脫除率的影響

利用堿性化學(xué)物質(zhì)對硫苷的促降解作用，脫除硫苷已在菜籽餅粕研究中應(yīng)用已久，故推測因K2CO3、Na2CO3具有弱堿性而有較高的硫苷脫出率。在其他多種添加劑中，二價鈣離子化合物的硫苷脫除率要高于其他中性一價離子化合物，可能為二價鈣離子與硫苷以及其降解產(chǎn)物發(fā)生螯合。

2．1．2 微波初始含水量對硫苷脫除的影響

取添加有12號化學(xué)試劑(3%)的菜籽餅粕，進(jìn)行微波處理，微波功率為462 W，微波時間4 min，樣品37．6 g，調(diào)節(jié)餅粕的初始含水率為10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%，得到硫苷脫除率隨不同餅粕初始含水量的變化曲線。

從圖2可以看出，餅粕初始含水率在25%、30%處的硫苷脫除率最高，且兩者脫毒效果相差不大。適當(dāng)?shù)乃纸o硫苷降解提供條件，但是水分過大會導(dǎo)致物料升溫緩慢，為物料自身酶解提供條件，并增加能耗。故最佳微波初始含水量為25%。

圖2 微波初始含水率對硫苷脫除率的影響

2．1．3 微波功率對硫苷脫除的影響

取添加有12號化學(xué)試劑(3%)的菜籽餅粕，調(diào)節(jié)餅粕的初始含水率為30%，進(jìn)行微波處理，微波時間 2 min，樣品 37．6 g，微波功率為 280、462、595、700 W，得到硫苷脫除率隨不同微波功率的變化曲線。

從圖3可以看出，隨著微波功率的增加，硫苷的脫除率對應(yīng)升高，從595 W微波功率開始，硫苷脫除率的增長趨勢變緩。由于儀器的限制，故選定微波功率為700 W為最佳微波功率。

2．1．4 微波時間對硫苷脫除的影響

圖4 微波時間對硫苷脫除率的影響

取添加有12號化學(xué)試劑(3%)的菜籽餅粕，調(diào)節(jié)餅粕的初始含水率為30%，進(jìn)行微波處理，微波功率為 700 W，樣品 37．6 g，微波時間 1、1．5、2、2．5、3、3．5 min，得到硫苷脫除率隨不同微波時間的變化曲線。

從圖4可以看出，隨著微波時間的增加，硫苷的脫除率對應(yīng)升高，從2 min微波時間開始，硫苷脫除率的增長趨勢基本停止。故選定最佳微波時間為2 min。

2．1．5 化學(xué)添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對硫苷脫除的影響

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0．5%、1%、1．5%、2%、2．5%、3%的12號化學(xué)添加劑，加入菜籽餅粕中，調(diào)節(jié)餅粕初始含水率為30%，進(jìn)行微波處理，微波功率為700 W，樣品37．6 g，微波時間2 min，得到硫苷脫除率隨不同化學(xué)添加劑濃度的變化曲線。

從圖5可以看出:隨著化學(xué)添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，硫苷脫除率也對應(yīng)提高，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時達(dá)到最高，故2%為最佳化學(xué)添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖5 化學(xué)添加劑濃度對硫苷脫除率的影響

2．2 響應(yīng)面試驗設(shè)計［10］

根據(jù)Box－Benhnken的中心組合試驗設(shè)計原理，設(shè)計了3因素3水平的響應(yīng)面分析試驗。參考單因素試驗結(jié)果，以微波初始含水率、微波時間、化學(xué)添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為主要因素，3因素3水平中心組合設(shè)計(CCD)參照文獻(xiàn)方法。中心組合試驗方案及結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面組合設(shè)計和結(jié)果

從表3的T－檢驗方差分析表中可以看出，一次項中，X1的影響極顯著，X2、X3的影響顯著，二次項X1X1、X3X3的影響顯著。

表3 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗

以硫苷脫除率為響應(yīng)面(Y)，通過SAS軟件的RSTEG程序?qū)υ囼灲Y(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析(RSA)，經(jīng)二次回歸擬合后求得響應(yīng)函數(shù)，即回歸方程為

Y1=63+7．387 5X1+1．062 5X2+3．525X3－4．225X1X1+0．025X1X2－0．425 X2X2

對回歸模型方差分析，結(jié)果見表4。從表4可以看出，用上述回歸方程描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系時，其因變量和全體自變量之間的線性關(guān)系顯著(R2=0．992 7)。模型的顯著水平為 0．000 1，此時回歸方差模型是極顯著的，因此，這種試驗方法是可靠的。方程的失擬項表現(xiàn)為不顯著，說明回歸方程與實際情況吻合的較好，可用回歸方程代替試驗真實點對試驗結(jié)果進(jìn)行分析?；貧w方程各項的方差分析結(jié)果還表明，方程一次項影響是極顯著的，二次項影響是顯著的，交互相影響不顯著。因此各具體試驗因子對響應(yīng)值的影響具有線性關(guān)系。

表4 回歸模型方差分析表

表5 典型分析表

從表5看出，3個因素的特征值均為負(fù)，表明二次響應(yīng)面是鞍面，有極值存在，可直接從二次響應(yīng)面上找出最佳工藝參數(shù)。最佳脫除工藝條件:以12號(CaCl2)化學(xué)試劑為添加劑，在微波功率為700 W的條件下，微波初始含水量為29．35%，微波時間為2．29 min，化學(xué)添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3．10%，硫苷脫除率脫除率為69．27%。優(yōu)于未使用添加劑的微波處理方法30．8%的硫苷脫除率，并且提高了脫除速度。按所得最佳脫毒工藝條件對餅粕進(jìn)行微波脫毒后，餅粕含水量急劇降低為0．07%，粗灰分提高至9．5%，粗蛋白和粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 43%和6．4%。

3 結(jié)論

采用微波化學(xué)法脫除菜籽餅粕中硫苷時，以化學(xué)添加劑種類、微波時間、微波初始含水量、化學(xué)添加劑濃度、微波功率為因素進(jìn)行單因素試驗，在此基礎(chǔ)上最終確定前3個因素進(jìn)行響應(yīng)面分析。其中，微波初始含水率因素對硫苷脫除率的影響都達(dá)到了極顯著水平，微波時間和化學(xué)添加劑濃度因素的影響達(dá)到顯著水平。通過SAS分析，硫苷脫除率與微波時間、微波初始含水量、化學(xué)添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)二次回歸曲面為鞍面，得出最佳脫除工藝條件為:選定12號(CaCl2)化學(xué)試劑為最佳添加劑，在微波功率為700 W的條件下，微波初始含水率為29．35%，微波時間為2．29 min，化學(xué)添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3．10%，硫苷脫除率脫除率為69．27%。結(jié)果優(yōu)于未使用添加劑的微波處理方法30%的硫苷脫除率，并且提高了脫除速度。

［1］周錦蘭，胡健華．硫代葡萄糖苷的結(jié)構(gòu)及降解特性［J］．武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2003，22(1):58－61

［2］錢和，雕鴻蓀，沈蓓英．油菜籽中硫苷酶及其酶解性質(zhì)的研究［J］．無錫輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2002(9):649－651

［3］周愛東，楊紅曉，賀祝．菜籽餅粕脫毒及菜籽蛋白提取的研究進(jìn)展［J］．黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008(1):97－99

［4］張振紅，黃仁錄，馬可為．菜籽餅中硫葡萄糖甙的去除方法［J］．中國飼料，2006，17:42 －43

［5］張宗舟．油菜籽生物脫毒的微生物篩選復(fù)配、脫毒機(jī)理與應(yīng)用效果研究［D］．蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003

［6］周錦蘭，胡健華，裘愛泳．菜籽餅乙醇脫毒脫油工藝研究［J］．中國油脂，2004，29(6):40 －44

［7］劉亞瓊．微波用于油菜籽干燥及其餅粕脫毒試驗研究［D］．武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，1999

［8］佘珠花，蘭燕麗，吳幼青，等．用硫脲紫外法測定菜籽餅粕中硫代葡萄糖甙的檢測分析及討論［J］．中國油脂，2003，28(10):40－42

［9］費榮昌．試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理［M］．無錫:江南大學(xué)出版社，2001:59－63

［10］黃燕，吳平．SAS統(tǒng)計分析及應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:252－253．

Microwave－Chemistry Removal of Glucosinolate from Rapeseed Meal

Yu Yang Wang Chengming

(MOA Key Laboratory of Food Safety Evaluation College of Food Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070)

Microwave－chemistry extraction of glucosinolate from rapeseed meal was studied by adopting response surface methodology design．One from twelve reagents was selected as de－glucosinolate reagent by comparing their extraction effects．Three factors，such as initial moisture of meal，extraction time and chemical reagent concentration，were investigated on the basis of single factor tests．By analyzing the response surface plots，the optimal conditions were established．Results:The optimal conditions are treating rapeseed meal with chemical reagent CaCl2at concentration of 3．2%，microwave power 700 W，initial moisture of meal 33．7%，and extraction time 2．29 min．The corresponding removal rate of glucosinolate is 69．27%．

glucosinolate，removal，microwave，chemistry，response surface methodology

TQ645．9+9

A

1003－0174(2011)03－0047－05

國家科技支撐計劃(2006BAD21B03)

2010－03－22

于洋，女，1985年出生，碩士，食品營養(yǎng)與安全

王承明，男，1964年出生，教授，碩士生導(dǎo)師，農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏、食品安全、食品化學(xué)