不同水分添加量對(duì)膨化菜粕品質(zhì)的影響研究

■ 田珍珍 李軍國(guó) 趙文恩 段海濤 孫丹丹

(1.鄭州大學(xué)，河南鄭州450001；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，北京 100081)

油菜籽是世界第三大油料。目前在我國(guó)種植面積超過(guò)700萬(wàn)公頃,年總產(chǎn)1 100～1 300萬(wàn)噸，面積、產(chǎn)量產(chǎn)均居世界首位[1]。其榨油后的副產(chǎn)品是菜籽餅（粕），其粗蛋白含量為35%～40%，且氨基酸組成平衡，與豆粕相比其含硫氨基酸含量豐富[2]。菜籽粕價(jià)格也比較低廉，但由于其含有粗纖維以及其他的一些抗?fàn)I養(yǎng)成分，如硫苷及其水解產(chǎn)物、植酸、單寧、芥子堿等，導(dǎo)致其在動(dòng)物體內(nèi)消化率低[3]，適口性差，限制了其在畜禽、水產(chǎn)飼料中的用量。

近20年來(lái)，菜籽中的硫苷、芥酸含量由于雙低菜籽的培育而大量減少，但是單寧、植酸等抗?fàn)I養(yǎng)成分與普通菜籽含量差別不大，目前還不能通過(guò)育種手段解決[4]，因此，尋求一種既能提高蛋白質(zhì)的利用率，又可降低單寧、植酸等抗?fàn)I養(yǎng)成分含量的處理方法具有研究意義。擠壓膨化是一項(xiàng)高新技術(shù)，菜粕在膨化腔內(nèi)高溫高壓以及機(jī)械剪切力的作用下潰散、細(xì)化、均化、細(xì)胞壁破裂，分子結(jié)構(gòu)被打散，淀粉糊化，蛋白質(zhì)變性，在擠出模板瞬間菜粕內(nèi)的水分迅速氣化，形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)，有利于動(dòng)物消化酶的作用，提高養(yǎng)分利用率。

菜粕本身粗纖維含量高，含油率低，在膨化過(guò)程中阻力大，導(dǎo)致能耗升高。水分具有潤(rùn)滑作用，在菜粕膨化過(guò)程中起重要作用，一定的水分可以降低摩擦阻力，有利于物料的流動(dòng)從而降低耗電量。當(dāng)物料從?？讛D出的瞬間，壓力突然降低，過(guò)熱的水迅速汽化，如果物料形成的膠體強(qiáng)度適當(dāng)，將會(huì)由于水蒸氣的擴(kuò)張導(dǎo)致許多小細(xì)胞膨脹。

目前關(guān)于擠壓膨化菜籽的研究較多，但是關(guān)于菜粕膨化的研究甚少，并且相對(duì)指標(biāo)較單一，肖志剛等[6]研究了擠壓膨化對(duì)菜粕中單寧含量的影響，并得出了能使單寧含量降低近50%的最優(yōu)組合；M.liang等[4]做了高硫苷菜粕的擠壓研究，得出膨化加工能夠降低硫苷含量；菜粕含水量的多少影響度電產(chǎn)量等生產(chǎn)指標(biāo)，也影響其膨化效果[7]，因此有必要研究擠壓過(guò)程中水分對(duì)菜粕品質(zhì)的影響，為企業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

雙低菜粕（中糧黃岡有限公司購(gòu)進(jìn)）。用2 mm篩片進(jìn)行粉碎，粉碎后水分含量9.39%，硫苷含量11.78 μmol/g，其作為本試驗(yàn)的對(duì)照組；分別向菜粕中添加4%、6%、8%、10%、12%的水之后菜粕水分含量見表1。其分別作為本試驗(yàn)的5個(gè)處理組。

表1 各處理組菜粕水分含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

TSE 65型雙螺桿膨化機(jī)(現(xiàn)代洋工公司),主機(jī)功率22 kW。

1.3 試驗(yàn)條件及檢測(cè)方法

1.3.1 擠壓工作參數(shù)

膨化機(jī)三節(jié)套筒溫度設(shè)置：30、70、126℃，調(diào)節(jié)喂料器喂料速度使主機(jī)設(shè)備電流達(dá)到額定值，螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)為245 r/min。采用4 mm?？椎哪０?。

1.3.2 化學(xué)成分檢測(cè)方法

蛋白質(zhì)GB/T 6432-94，粗脂肪GB/T 6433-2006，氨基酸GB/T 18246-2000，水分及揮發(fā)物GB/T 10358-1989,粗灰分GB/T 6438-2007，蛋白體外消化率采用胃蛋白酶-胰蛋白酶復(fù)合處理法測(cè)定，芥子堿采用乙醇超聲提取高效液相法測(cè)定[8]，單寧GB/T27985-2011。

1.3.3 顯微結(jié)構(gòu)觀察

采用掃描電子顯微鏡對(duì)擠壓膨化前后的菜籽粕進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。用導(dǎo)電雙面膠將約0.1 g樣品固定在金屬樣品平臺(tái)上，在真空中噴金后.置于電子掃描顯微鏡中以5 kV電子束觀察，拍攝有代表性的結(jié)構(gòu)照片。

2 結(jié)果與分析

2.1 根據(jù)1.3.1節(jié)工作參數(shù)，采用雙螺桿膨化機(jī)對(duì)幾個(gè)處理進(jìn)行干法擠壓膨化。膨化前后菜粕常規(guī)組分的變化見表2。

表2 膨化前后菜粕常規(guī)組分的變化(干基含量)(%)

由表2可以看出，干法擠壓膨化加工后菜粕的粗灰分沒(méi)有明顯的變化，粗蛋白含量有所提高，但是變化不顯著（P>0.05）。蛋白溶解度變化較顯著（P<0.05），處理組間且隨著水分含量的提高蛋白溶解度呈下降趨勢(shì)。與對(duì)照組相比，水分含量低于17.62%時(shí)蛋白溶解度高于對(duì)照組，水分含量高于17.62%時(shí)蛋白溶解度低于對(duì)照組。膨化能提高菜粕的蛋白體外消化率，不同處理間差異顯著（P<0.05），菜粕蛋白體外消化率與對(duì)照組相比分別提高了6.55%、8.59%、13.63%、14.37%、12.88%，其中水分含量在19.10%時(shí)達(dá)到最大值。

2.2 不同水分條件下干法膨化菜粕中氨基酸含量的變化（見表3）

表3 膨化前后氨基酸含量的變化(干基含量)(%)

由表3可以看出，菜粕水分含量較低時(shí)，氨基酸破壞嚴(yán)重，水分含量在14.52%時(shí)氨基酸總量損失達(dá)12.99%。水分較高時(shí)，氨基酸含量有所升高，在水分含量為19.10%時(shí)達(dá)到最大。5個(gè)處理組蛋氨酸（Met）含量遭受了不同程度的破壞，較對(duì)照組分別降低了35%、25%、15%、20%、25%；同時(shí)賴氨酸(Lys)也有不同程度的損失，較對(duì)照組分別降低了24.81%、16.41%、6.11%、2.67%、3.82%。

2.3 不同水分條件下干法膨化菜粕中抗?fàn)I養(yǎng)成分的變化（見表4）

表4 膨化前后抗?fàn)I養(yǎng)成分的變化(干基含量)

由表4可以看出，膨化加工可顯著降低單寧以及芥子堿的活性（P<0.05），菜粕不同水分含量膨化對(duì)單寧以及芥子堿的影響無(wú)顯著差異（P>0.05）。在水分含量分別為14.52%、16.10%、17.62%、19.10%、21.21%時(shí)菜粕經(jīng)擠壓膨化處理單寧含量分別降低了28.42%、26.90%、25.38%、28.93%、30.96%；芥子堿分別降低了33.33%、36.11%、36.11%、40.28%、43.06%。異硫氰酸酯經(jīng)膨化處理之后未檢出，惡唑烷硫酮經(jīng)膨化處理之后含量也大大降低。

2.4 擠壓膨化對(duì)菜粕結(jié)構(gòu)的影響

圖1 處理前后菜籽粕的結(jié)構(gòu)變化

由圖1(A)可以明顯看出，未擠壓的菜籽粕呈緊密有序的結(jié)合態(tài)，表面平整。圖1(B)可以看出菜粕經(jīng)擠壓處理后表面變得疏松多孔，在其周圍形成了明顯的纖維狀且連續(xù)的表面質(zhì)構(gòu)特征，具有孔狀的纖維結(jié)構(gòu)，這些變化是由于在膨化腔內(nèi)菜粕被強(qiáng)烈地?cái)D壓、攪拌、剪切，當(dāng)糊狀物料由?？讎姵龅乃查g，在強(qiáng)大壓力差的作用下，水分急驟汽化導(dǎo)致的。擠壓膨化之后菜粕成松散無(wú)序結(jié)構(gòu)，這種變化有助于酶的進(jìn)一步作用，減小了空間位阻，有利于提高菜粕的利用率[9-10]。

3 討論

3.1 不同水分添加量下膨化對(duì)菜籽粕中蛋白溶解度的影響

干法擠壓膨化可使菜粕的蛋白溶解度降低，主要是因?yàn)椴似芍械牡鞍兹芙舛葘?duì)熱非常敏感，膨化加工主要對(duì)蛋白的理化性質(zhì)產(chǎn)生了影響，熱處理會(huì)使蛋白聚集發(fā)生變性，對(duì)于菜籽粕來(lái)說(shuō)，蛋白質(zhì)溶解度在35%～88%之間，蛋白質(zhì)品質(zhì)無(wú)太大差別，而低于35%則認(rèn)為蛋白質(zhì)遭到破壞[11]，可見，不同水分添加量下膨化對(duì)菜粕蛋白溶解度的改變對(duì)其品質(zhì)影響不大。另外，隨著單位機(jī)械能的輸入，蛋白聚集后分子質(zhì)量發(fā)生變化，二者都會(huì)對(duì)蛋白溶解度產(chǎn)生影響[12]。

3.2 不同水分添加量下膨化對(duì)菜籽粕中蛋白體外消化率的影響

擠壓膨化可提高蛋白體外消化率，蛋白質(zhì)體外消化率隨水分含量升高而增加，說(shuō)明提高水分含量，可以減少M(fèi)ailard反應(yīng)的程度，提高蛋白質(zhì)消化率[13]，也有可能是水分促進(jìn)蛋白質(zhì)的熱變性，使同樣溫度下，蛋白質(zhì)變性更充分，干蛋白粉對(duì)于熱變性是非常穩(wěn)定的。水合作用對(duì)蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性的影響與蛋白質(zhì)的動(dòng)力學(xué)有關(guān)。在干燥狀態(tài)下，蛋白質(zhì)具有靜止的結(jié)構(gòu)，或者說(shuō)多肽鏈的移動(dòng)受到限制。當(dāng)水分含量增加時(shí)，水合作用和水部分地穿透蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的空洞表面，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的腫脹。蛋白質(zhì)的腫脹提高了多肽鏈的移動(dòng)性和柔性。若水分含量過(guò)高，使飼料受剪切摩擦作用減小，在膨化腔內(nèi)停留時(shí)間變短，則可能降低蛋白質(zhì)的變性程度。與過(guò)世東等[13]研究結(jié)論一致。

3.3 不同水分添加量下膨化對(duì)菜粕氨基酸的影響

菜粕中氨基酸較為均衡，但是如同許多植物蛋白源一樣，菜粕的限制性氨基酸是賴氨酸，但是其蛋氨酸以及半胱氨酸含量豐富。在菜籽餅粕的加工過(guò)程中，菜粕的質(zhì)量對(duì)過(guò)熱處理十分敏感，其主要原因就是過(guò)熱處理時(shí)發(fā)生Mailard反應(yīng)，不僅造成賴氨酸含量的降低，而且會(huì)造成必需氨基酸的有效性，特別是賴氨酸有效性的降低[14]。

相同擠壓條件下，水分添加量不同，物料氨基酸干基含量不同，說(shuō)明水分含量對(duì)物料氨基酸水平有一定影響，并且隨著水分含量的升高，物料氨基酸總含量升高，這可能與干法膨化機(jī)的膨化特點(diǎn)有關(guān)，即物料在膨化腔內(nèi)經(jīng)瞬間高溫高壓處理，從而對(duì)菜粕氨基酸與總氨基酸有顯著或極顯著的影響；較低水分下氨基酸破壞較嚴(yán)重，主要是因?yàn)榈退窒?，物料受到的機(jī)械作用力更強(qiáng)，物料溫度升高得多，更有利于美拉德反應(yīng)的進(jìn)行，一些氨基酸(如賴氨酸、蛋氨酸等)的減少，主要來(lái)源于美拉德反應(yīng)，也與擠壓加工條件有關(guān)[15]；隨著水分含量的升高，物料在膨化腔內(nèi)的流動(dòng)性變好，摩擦阻力小，物料溫度低，因而氨基酸發(fā)生Mailard反應(yīng)的程度小。另一方面，因?yàn)楦邷?、高壓、高剪切作用使蛋白質(zhì)的三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)的結(jié)合力變?nèi)?，蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生伸展、重組，分子表面的電荷重新分布趨向均勻化，分子間氫鍵、二硫鍵部分?jǐn)嗔?，?dǎo)致蛋白質(zhì)不可逆變性，一部分蛋白質(zhì)裂解為多肽和氨基酸,導(dǎo)致氨基酸總量升高[10]。

3.4 不同水分添加量下膨化對(duì)菜粕中抗?fàn)I養(yǎng)成分的影響

3.4.1 不同水分添加量下膨化對(duì)菜粕中單寧的影響

單寧是一種多元酚化合物,它本身有苦澀味,影響適口性[16],而且在中性和堿性條件下被氧化并產(chǎn)生聚合作用,使菜籽餅粕制品顏色變黑并產(chǎn)生不良?xì)馕?。多酚化合物還能與蛋白質(zhì)結(jié)合使其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值顯著降低，菜粕中含量在1.5%～3.5%之間。

從表4可以看出擠壓膨化能降低菜粕中的單寧含量，隨著水分含量的升高，單寧含量先略有升高后降低，但是變化不明顯，主要是因?yàn)椴俗言谡ビ蜁r(shí)經(jīng)過(guò)了一定的處理，單寧已經(jīng)遭到一定程度的破壞，再膨化處理其含量有所降低，但是水分含量對(duì)其影響不大，主要是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)乃钟欣谖锪蠌臄D壓機(jī)?？讛D出時(shí)的瞬間膨化，單寧鈍化程度加強(qiáng)，低水分時(shí)物料的機(jī)械剪切力增大，有利于單寧的破壞。

3.4.2 不同水分添加量下膨化對(duì)菜粕中芥子堿的影響

芥子堿是菜粕中最重要的酚類物質(zhì)之一。溶于水易發(fā)生水解反應(yīng),生成芥子酸和膽堿，芥子堿是使菜粕產(chǎn)生苦味的主要原因,影響動(dòng)物的適口性，對(duì)于褐殼雞蛋當(dāng)芥子堿含量達(dá)到1 g/kg時(shí)會(huì)產(chǎn)生魚腥味[17]。芥子堿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]。

研究表明芥子堿對(duì)熱不穩(wěn)定，在127℃時(shí)會(huì)發(fā)生分解。目前關(guān)于芥子堿在菜籽加工中的熱穩(wěn)定性尚存在爭(zhēng)議，F(xiàn)enwick等[20]研究表明干法擠壓對(duì)芥子堿和芥子酸的含量無(wú)顯著影響，然而Jensen等[21]研究發(fā)現(xiàn)熱處理可以降低菜籽中芥子堿的含量。從表4中可以看出，擠壓膨化處理能降低芥子堿含量，在相同的擠壓條件下，隨著水分含量的升高，芥子堿含量成降低趨勢(shì)，可能是因?yàn)榻孀訅A易溶于水，水分含量高，其更容易在機(jī)械剪切作用下發(fā)生變化，導(dǎo)致含量減少，但是不同處理之間變化不明顯。目前，關(guān)于膨化過(guò)程中芥子堿含量的變化及機(jī)理研究不多，需要進(jìn)一步研究來(lái)證實(shí)這一結(jié)論。

3.4.3 不同水分添加量下膨化對(duì)菜粕中異硫氰酸酯的影響

硫氰酸酯是一種揮發(fā)性辛辣物質(zhì)，嚴(yán)重影響飼料的適口性，動(dòng)物長(zhǎng)期飼喂菜籽粕有可能造成消化、皮膚黏膜損害，引起下痢[22]。經(jīng)過(guò)擠壓膨化處理，菜粕中的異硫氰酸酯在任何水分條件下都未檢出，可見膨化加工能破壞異硫氰酸酯，使其失去毒副作用。

3.4.4 不同水分添加量下膨化對(duì)菜粕中惡唑烷硫酮的影響

噁唑烷硫酮是一種致甲狀腺腫脹因子，動(dòng)物采食后便會(huì)導(dǎo)致甲狀腺腫大，碘的吸收被抑制，生長(zhǎng)受阻，采食量下降等現(xiàn)象[23]。經(jīng)膨化處理后的惡唑烷硫酮也大大降低，其中水分含量分別在17.62%、19.10%時(shí)還含有少量的惡唑烷硫酮，但與原菜粕相比分別降低了89.58%和89.06%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于飼料用低硫苷菜籽餅粕標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的異硫氰酸酯+惡唑烷硫酮低于4 g/kg[24]。

4 小結(jié)

通過(guò)前面實(shí)驗(yàn)可以得出，膨化加工可以提高蛋白體外消化率，降低抗?fàn)I養(yǎng)成分含量。菜粕想要成為重要的蛋白原料，必須對(duì)其進(jìn)行加工處理，主要目的就是提高蛋白質(zhì)的利用率，降低抗?fàn)I養(yǎng)成分；從本文中可以看出，對(duì)于雙低菜粕硫苷含量已經(jīng)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，膨化后異硫氰酸酯、惡唑烷硫酮破壞嚴(yán)重，單寧、芥子堿等抗?fàn)I養(yǎng)成分隨水分變化不明顯，隨菜粕水分含量的升高，蛋白溶解度逐漸降低，蛋白體外消化率先升高后降低。

另外，由于物料間相互作用的復(fù)雜性，物料由于膨化而產(chǎn)生的物化性質(zhì)的改變并不是單一因素的作用結(jié)果，與螺桿轉(zhuǎn)速、膨化腔溫度以及喂料速度等多因素有關(guān)；因此，物料水分含量與其他參數(shù)對(duì)蛋白營(yíng)養(yǎng)值的相互作用仍需進(jìn)一步的調(diào)查研究。