膨化過(guò)程中水分含量對(duì)菜籽粕蛋白性能的影響

■董穎超 楊 潔 王 昊 馬世峰 谷 旭 李軍國(guó)

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，北京100081）

油菜籽是世界四大油料作物之一，其種植面積僅次于大豆，我國(guó)是世界上最大的油菜籽生產(chǎn)國(guó)，常年油菜籽產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的30%左右，目前種植面積超過(guò)700 萬(wàn)公頃，年總產(chǎn)1 100～1 300 萬(wàn)噸；油菜籽榨油后的副產(chǎn)品——菜籽餅（粕）營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，粗蛋白質(zhì)含量為35%～45%，氨基酸組成平衡，尤其與豆粕相比，其含硫氨基酸含量豐富，價(jià)格低廉，但其中抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的存在，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，適口性差，限制了其在動(dòng)物飼料中的廣泛應(yīng)用。近20 年來(lái)，隨著育種手段的提升，油菜籽中硫苷、芥酸含量顯著減少，但單寧、植酸等抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)含量依然較高；擠壓膨化技術(shù)是通過(guò)將具有一定含水量的單一或混合粉狀原料通過(guò)裝配有螺桿的擠壓腔，通過(guò)加熱、剪切、密閉高壓等作用，使物料呈熔融態(tài)，最后在模頭出口處快速泄壓降溫，通過(guò)物料中水分氣化使產(chǎn)品呈良好的疏松多孔的膨化狀態(tài)。通過(guò)對(duì)菜籽粕高溫高壓處理，可達(dá)到殺菌、改善物料的物化性質(zhì)，改善物料的適口性，提高物料的蛋白質(zhì)利用率，降低單寧、植酸等抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)含量的效果。由于菜籽粕自身粗纖維含量高，含油率低，在膨化腔內(nèi)阻力大，造成能耗增高，需在膨化前調(diào)節(jié)待膨化原料中水分含量，水分具有潤(rùn)滑作用，適宜的水分不僅能降低摩擦阻力，從而降低耗電量，而且能獲得高質(zhì)量的膨化產(chǎn)品。

目前研究工作大多集中在直接對(duì)菜籽擠壓膨化處理，對(duì)菜籽粕進(jìn)一步加工處理的研究相對(duì)較少，且研究關(guān)注的指標(biāo)較單一。張巍等報(bào)道了油菜籽經(jīng)膨化后，粗脂肪、粗蛋白質(zhì)消化率分別提高了120%、55%以上；肖志剛等考察了擠壓膨化前后菜粕中單寧含量的變化，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化得到了可使單寧含量降低幅度最大的最優(yōu)處理?xiàng)l件參數(shù)組合，在該實(shí)驗(yàn)條件下，單寧含量降低程度達(dá)到了未處理原料含量的近50%；M. Liang 等研究了膨化加工處理對(duì)高硫苷菜籽粕中硫苷含量的影響。此外，有研究表明，物料的含水量不僅會(huì)影響擠壓膨化設(shè)備的度電產(chǎn)量，而且會(huì)影響膨化后產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。本文試驗(yàn)?zāi)康臑樘骄颗蚧庸み^(guò)程中物料水分含量對(duì)菜籽粕蛋白作為植物源蛋白原料的綜合營(yíng)養(yǎng)特性及蛋白結(jié)構(gòu)的影響，為菜籽粕加工企業(yè)及飼料生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量菜籽粕產(chǎn)品提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用菜籽粕由中糧集團(tuán)湖北黃岡有限公司提供。原料經(jīng)粉碎，達(dá)到90%過(guò)60 目篩標(biāo)準(zhǔn)，粉碎后菜籽粕粉水分含量為9.39%，其作為本試驗(yàn)的對(duì)照組；按試驗(yàn)方案的5 個(gè)處理組，在菜籽粕粉中額外添加4%、6%、8%、10%、12%（W∶W）的水，在最大混合容量為100 kg 的中試混合機(jī)內(nèi)混合，混合時(shí)間5 min 后，測(cè)定加水后菜籽粕粉的水分含量，各試驗(yàn)組水添加量及實(shí)際原料樣品水分含量的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各試驗(yàn)組水分添加量及混合后菜籽粕粉實(shí)際水分含量(%)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及工作參數(shù)

試驗(yàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院南口中試基地飼料加工車間現(xiàn)代洋工公司TSE 65 型雙螺桿膨化機(jī)上進(jìn)行，主機(jī)功率22 kW，膨化機(jī)的設(shè)置參數(shù)如下：三節(jié)膨化腔溫度：30、70、126 ℃，通過(guò)調(diào)節(jié)上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)速為245 r/min，模板?？字睆? mm。

取樣原則：根據(jù)試驗(yàn)方案調(diào)整膨化機(jī)運(yùn)行參數(shù)，在膨化機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行10 min后，于膨化機(jī)出料口處采集3份樣品，采樣間隔30 s，取樣后立即按國(guó)標(biāo)方法測(cè)定膨化樣品水分含量，此外，將試樣樣品烘干（含水量≤10%），于陰涼條件下貯存。

1.3 試驗(yàn)條件及檢測(cè)方法

1.3.1 膨化前后菜籽粕的營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)檢測(cè)方法

營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的測(cè)定參照國(guó)標(biāo)方法檢測(cè)，《飼料中蛋白質(zhì)的測(cè)定》GB/T 6432—1994，《飼料中氨基酸的測(cè)定》GB/T 18246—2000，《油料餅粕 水分及揮發(fā)物含量的測(cè)定》GB/T 10358—2008，《飼料中粗灰分的測(cè)定》GB/T 6438—2007，《動(dòng)物性蛋白質(zhì)飼料胃蛋白酶消化率的測(cè)定 過(guò)濾法》GB/T 17811—2008。

1.3.2 菜籽粕中蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)分析

在Bruker 公司FT-IR 光譜（Tensor 37）上采集不同處理組樣品的紅外光譜，步驟如下：取樣品約2 mg，以1∶100的比例用KBr對(duì)樣品進(jìn)行研磨稀釋，壓片，以空氣為背景，采集紅外譜圖，掃描波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1、分辨率4 cm-1、掃描32次。分別利用Omnic V6.2 和Peakfit V4.12 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及高斯峰擬合處理。

1.3.3 顆粒形貌分析

將約100 mg 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（SEM）中以5 kV電子束觀察，采集擠壓膨化前后的菜籽粕顆粒形貌的照片。

2 結(jié)果與分析

2.1 膨化前后菜籽粕常規(guī)組分的變化(見(jiàn)表2)

由表2 可以看出，膨化加工后菜籽粕的水分呈現(xiàn)與添加水分一致的升高的趨勢(shì)；校正到物料的干基上，膨化加工后菜籽粕的粗灰分的含量的變化不顯著（P＞0.05）。與對(duì)照組相比，盡管膨化加工后粗蛋白含量有所提高，但變化不顯著（P＞0.05）；膨化加工后菜籽粕的蛋白溶解度發(fā)生變化，隨水分添加量的增高，膨化加工后菜籽粕的蛋白溶解度呈先上升后降低的趨勢(shì)；當(dāng)膨化物料水分含量≤17.62%時(shí)膨化加工后菜籽粕的蛋白溶解度高于對(duì)照組，當(dāng)膨化物料水分含量高于此值時(shí)，膨化加工后菜籽粕的蛋白溶解度將低于對(duì)照組。膨化處理能廣泛提高菜籽粕的蛋白體外消化率，且不同處理間存在差異，處理組2、3，即膨化物料水分含量在16.10%～17.62%之間可得到蛋白體外消化率較佳的膨化菜籽粕產(chǎn)品。

蛋白質(zhì)是衡量營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)，其中決定蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的主要因素是氨基酸的組成和含量。由表2 可看出，膨化菜籽粕水分含量在14.52%時(shí)氨基酸總量損失達(dá)13.04%。隨著膨化菜籽粕水分的增高，十七種氨基酸總量呈先增高后降低的趨勢(shì)，在菜籽粕水分含量為19.10%時(shí)氨基酸總量最高，為36.37%。盡管膨化處理會(huì)對(duì)氨基酸總量提升有益，但膨化處理會(huì)部分破壞蛋氨酸（Met），與對(duì)照組相比，膨化菜籽粕水分含量在16.1%、21.21%時(shí)Met 含量皆降低了29.4%；膨化處理會(huì)部分破壞賴氨酸(Lys)，賴氨酸含量保留率隨膨化菜籽粕水分含量升高呈升高的趨勢(shì)。

2.2 不同膨化處理對(duì)菜籽粕蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)影響的FTIR分

表2 膨化菜籽粕中常規(guī)組分含量（干基含量，%）

典型菜籽粕蛋白的紅外譜圖見(jiàn)圖1。膨化處理的菜籽粕與未處理的菜籽粕相比，峰型與峰位基本相同。對(duì)于酰胺Ⅲ帶譜峰擬合后的各個(gè)子峰及二級(jí)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系參照Cai 等的方法進(jìn)行。其中，1 330～1 295 cm-1為α螺旋；1 295～1 270 cm-1為β 轉(zhuǎn) 角；1 270～1 250 cm-1為 無(wú) 規(guī) 卷 曲；1 250～1 220 cm-1為β折疊。膨化菜籽粕酰胺Ⅲ帶紅外譜圖根據(jù)不同二級(jí)結(jié)構(gòu)擬合后的高斯圖見(jiàn)圖2，對(duì)經(jīng)過(guò)不同水分含量膨化前后菜籽粕的紅外光譜的采集及處理得到各不同二級(jí)結(jié)構(gòu)峰面積的比較見(jiàn)圖3，從二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化可看出，膨化處理會(huì)降低菜籽粕蛋白經(jīng)β折疊含量，隨著菜籽粕水分含量的增加，β折疊呈不斷增高的趨勢(shì)，對(duì)照組中β折疊的含量為65.69%，水分含量為14.52%時(shí)，β折疊降低最顯著，含量為50.42%；水分含量21.21%的處理組，β折疊的含量為62.00%；無(wú)規(guī)卷曲隨著菜籽粕水分含量的增加，呈降低的趨勢(shì)，在水分含量為14.52%時(shí)，無(wú)規(guī)卷含量高達(dá)32.30%，而對(duì)照組中無(wú)規(guī)卷含量?jī)H為19.97%；β轉(zhuǎn)角含量隨著菜籽粕水分含量的增加，呈先增高后降低的趨勢(shì)，與無(wú)規(guī)卷不同，β轉(zhuǎn)角含量在菜籽粕水分含量為17.62%時(shí)最大，為16.57%；α螺旋處理前后沒(méi)有明顯的變化，除在水分含量為14.52%時(shí)，α螺旋含量為2.5%外，其他處理組α螺旋含量的變化不顯著。有研究表明，二級(jí)結(jié)構(gòu)的含量可能與其體外消化率有一定關(guān)系，改變菜籽粕二級(jí)結(jié)構(gòu)的β 折疊與α 螺旋的相對(duì)含量，可能利于酶與蛋白分子的接觸，這也可能是菜籽粕蛋白經(jīng)膨化處理后體外消化率提高的一個(gè)原因。

2.3 擠壓膨化對(duì)菜籽粕顆粒表面結(jié)構(gòu)的影響(見(jiàn)圖4)

由圖4(A)可看出，膨化處理前菜籽粕顆粒的表面較完整，緊密有序；而圖4(B)菜籽粕經(jīng)膨化處理后表面變得疏松，表面積增大，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)。

圖1 菜籽粕蛋白的紅外譜圖

圖2 紅外光譜酰胺Ⅲ帶去卷積圖譜擬合圖譜

圖3 膨化處理后菜籽粕蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)含量

圖4 膨化處理前后菜籽粕粉顆粒SEM圖

3 討論

膨化處理下，菜籽粕蛋白溶解度隨含水量的升高呈先升高后降低的趨勢(shì)。是由于膨化處理改變了菜籽蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)，高溫高壓處理使蛋白聚集變性，從而改變了菜籽蛋白質(zhì)的溶解性。菜籽粕水分含量在擠壓膨化處理時(shí)對(duì)蛋白質(zhì)消化率的影響程度高，水分含量較低時(shí)，蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性高，蛋白質(zhì)分子及肽鏈的移動(dòng)受到限制，對(duì)蛋白質(zhì)破壞程度較低。隨著水分含量增加，水分子穿透蛋白質(zhì)分子的表面，使蛋白質(zhì)分子及肽鏈的移動(dòng)性和柔性增強(qiáng)，加劇了對(duì)蛋白質(zhì)分子的破壞性。但若繼續(xù)添加水分，使水分含量過(guò)高，使物料間及物料與膨化腔間摩擦減小，降低了物料在膨化腔內(nèi)的停留時(shí)間，則緩解了蛋白質(zhì)變性程度。

膨化物料的水分含量低時(shí)，膨化機(jī)中螺桿對(duì)物料的作用力更強(qiáng)，外部機(jī)械能輸入更高，物料溫度升高得多，賴氨酸具有裸露的氨基更易使美拉德反應(yīng)發(fā)生，隨著水分含量的升高，物料顆粒間及物料與膨化腔摩擦阻力小，流動(dòng)性變好，外部機(jī)械能輸入低，美拉德反應(yīng)程度小。此外，膨化腔內(nèi)高溫、高壓、高剪切作用使菜粕蛋白三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)被充分破壞，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，部分結(jié)合蛋白質(zhì)得到釋放，導(dǎo)致氨基酸總量升高。紅外圖譜的相關(guān)波段可被用來(lái)反映蛋白變化的二級(jí)結(jié)構(gòu)。膨化前后菜籽粕的紅外圖譜峰形和峰位基本相同，說(shuō)明膨化處理后化學(xué)結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，膨化過(guò)程中未發(fā)生顯著的化學(xué)變化。

菜籽粕顆粒膨化前后相貌上的變化是由于膨化處理的結(jié)果。在膨化腔內(nèi)，由于熱能和機(jī)械能的作用，菜籽粕粉被劇烈地?cái)D壓、攪拌、剪切，使物料呈熔融態(tài)，熱物料自?？讎姵鰰r(shí)，由于?？變?nèi)外壓力和溫度差異較大，存在于物料中的水分急驟汽化，使菜籽粕粉顆粒轉(zhuǎn)變成松散無(wú)序結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由于空間位阻的減小，有助于動(dòng)物體內(nèi)消化酶的進(jìn)一步作用，從而提高菜籽粕的生物利用率。

4 結(jié)論

總之，膨化原料菜籽粕粉的總水分含量在9.39%～21.21%范圍內(nèi)，隨著水分含量的增加，膨化后菜籽粕的蛋白溶解度逐漸降低，蛋白質(zhì)體外消化率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，通過(guò)FT-IR 及SEM 分析，膨化處理菜籽粕蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)中β折疊含量明顯減少，無(wú)規(guī)卷曲含量增加，膨化導(dǎo)致的菜籽粕顆粒結(jié)構(gòu)的改變使酶分子更容易接近，這些變化或許是蛋白質(zhì)體外消化率提高的主要原因之一。膨化過(guò)程物料間發(fā)生了復(fù)雜的變化，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，膨化過(guò)程中的加工參數(shù)如溫度、壓力等，及上述參數(shù)與物料水分含量的交互作用對(duì)蛋白質(zhì)原料的營(yíng)養(yǎng)值的影響仍需進(jìn)一步的研究。