熱處理與超微粉碎對脫皮菜籽粕功能特性的影響

■任志輝 王衛國 馮世坤

（河南工業大學生物工程學院，河南鄭州 450001）

我國油菜籽年產量在600萬噸以上。菜籽粕是一種營養價值較高的蛋白質飼料原料，其粗蛋白質含量為35%～45%，含有比較完全的氨基酸；相比于其他粕類，菜籽粕含有較高的蛋氨酸、胱氨酸，還有豐富的礦質元素和維生素[1]，但因含有較多的抗營養因子和粗纖維限制了其在飼料中的應用量[2]。將菜籽粕脫皮可以顯著提高菜籽粕的有效能值，同時降低中性洗滌纖維的含量，且對可利用氨基酸含量的影響很小[3-5]。任志輝等的研究表明超微粉碎可以顯著提高菜籽粕的不同粒級部分的一些功能特性[6]；周小泉等的研究表明適度的加熱能夠改善菜籽蛋白的吸油性、乳化性及體外消化率[7]。

目前關于加工方法對脫皮菜籽粕功能特性的影響，尤其是熱處理和超微粉碎的影響研究，鮮見報道。本實驗的目的是研究熱處理和超微粉碎對脫皮菜籽粕功能特性的影響，為菜籽粕的合理加工提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與主要儀器

1.1.1 樣品制備

菜籽為市場購買的普通菜籽，對菜籽進行破碎脫皮，然后用乙醚進行低溫脫油制粕，之后把菜籽粕粉碎成幾何平均粒度為18.49、73.03、129.00、184.00 μm四個粒度組。

1.1.2 主要儀器

恒溫干燥箱,恒溫水浴鍋，抽濾裝置，離心機，超微粉碎機（FDV）：北京興時利和科技發展有限公司；振動分級篩（XSB-88）：河南省鶴壁市華通分析儀器有限公司；不銹鋼萬能粉碎機（HK-180）：廣州旭朗機械設備有限公司；凱氏定氮儀（海能K9840）；激光粒度儀（ZS90+MPT2）：Malvern。

1.1.3 主要試劑

蛋白酶（1∶3000），Genview公司；胰蛋白酶（1∶250），Genview公司；緩沖液:pH=1.4，0.05 mol/l，HCl-KCl緩沖液；pH=6.8，0.05 mol/l，KH2PO4-NaOH 緩沖液；濃硫酸，濃鹽酸，氫氧化鈉，硫酸銅，硫酸鉀等。

1.2 試驗方法

1.2.1 飼料樣品粉碎粒度測定

18.49 μm的樣品粒度用激光粒度儀測定。其它3個粒度的樣品用幾何平均粒度法測定。

1.2.2 粗蛋白、粗脂肪含量測定

粗蛋白按國標GB/T 6432—1994（半微量法）的方法進行。

粗脂肪含量按照GB/T 6433—2006測定。

1.2.3 吸水性測定

稱取菜籽粕樣品0.5 g，記為m0。置于10 ml離心管中，加入5.0 ml蒸餾水，攪勻后置于40℃水浴中保溫30 min，然后4 000 r/min離心30 min，傾去上層未吸附的蒸餾水，稱樣品質量記為m，計算每克蛋白質樣品的吸油性。

1.2.4 吸油性測定

方法同吸水性的測定方法，加入5.0 ml蒸餾水改為5.0 ml大豆油。

1.2.5 乳化性及乳化穩定性測定

配制1%的菜籽粕懸浮液，用0.1 mol/l的氫氧化鈉調至 pH值7.0，取50 ml體積該懸浮液與50 ml體積大豆油混合，在組織勻漿機中以10 000 r/min的速度攪打1 min，再以2 000 r/min的速度離心10 min，量取乳化層高度與總高度，乳化性記為乳化層高度與總高度之比。

在70℃水浴25 min，再次測量體積比，記為乳化穩定性。

1.2.6 溶解度

溶解度按GB/T 19541-2004中豆粕溶解度的測定方法測定。

1.2.7 體外消化率的測定[8-9]

蛋白質體外消化率的測定按參考文獻[8-9]進行。

1.2.7.1 胃蛋白酶最適量的確定[10]

配制濃度為1.778 g/l的胃蛋白酶溶液，然后精確稱取0.5 g左右菜籽粕7份，分別加入0、1、3、5、7、10、20 ml胃蛋白酶溶液，之后分別加入30、29、27、25、23、20、10 ml pH值為2.1的緩沖液，在溫度為37℃，轉速為80 r/min的搖床中培養3 h，然后用真空抽濾泵抽濾，用凱氏定氮儀法測殘渣的蛋白含量，最后計算的消化率以確定最適酶量。

1.2.7.2 胰蛋白酶最適量的確定

方法同胃蛋白酶最適量的確定，但酶濃度為20 g/l。

1.2.8 各功能性指標的正交實驗

對菜籽粕樣品的各功能性指標包括吸水性、吸油性、乳化性和乳化穩定性、蛋白質溶解度、體外消化率進行溫度、時間、粒度3因素4水平的正交實驗，設計見表1。按表1設計的熱處理溫度和熱處理時間對4個粒度的樣品分別進行處理，然后測定個實驗樣品的功能特性指標。

表1 各功能性指標的正交實驗設計

2 結果與討論

2.1 樣品粒度分析

經測得實驗所用4個樣品的幾何平均粒度見表2。

表2 4個樣品的幾何平均粒度

2.2 樣品的粗蛋白和粗脂肪含量

經測定，試驗用脫皮菜籽粕的粗蛋白、粗脂肪含量分別為50.60%和5.25%。相對于常規帶皮菜籽粕脫皮菜籽粕粗蛋白含量顯著提升。

2.3 吸水性

表3為粒度、熱處理溫度、熱處理時間對吸水性影響的實驗結果。

表3 粒度、溫度、熱處理時間對菜籽粕吸水性影響的正交實驗結果

由表3極差分析結果可以看出，3個因素對菜籽粕吸水性的影響大小依次為：C粒度＞A溫度＞B熱處理時間；從K值可知吸水性的最佳參數組合是A4B4C4，即熱處理溫度120℃，熱處理時間120 min,粒度184 μm。

由表3數據可以看出，不同粒度對脫皮菜籽粕吸水性隨著粒度的增大逐漸的升高，184 μm樣品的吸水性最好，說明過細的粉碎會顯著降低菜籽粕的吸水性。任志輝等在不同粒級低溫脫脂去皮菜籽粕微粉的功能特性研究報道中去皮菜籽粕微碎粒度小于150～212 μm后吸水性會顯著下降，本次實驗進一步證明了這一點，原因可能是菜粕顆粒的吸水性與顆粒的粒徑、表面結構、親水疏水基團的分布、數量、所含纖維成分等有關。粒度減小雖然增加了菜粕顆粒的表面積，但破壞了細胞結構和膳食纖維的空間網狀結構，使表面疏水基團數量增多，大大減小了其持水能力[11]。

不同熱處理時間對菜籽粕吸水性的影響隨熱處理時間的增長，吸水性逐漸升高，在90 min達到最大值，隨后趨于平穩。

不同溫度對脫皮菜籽粕的吸水性影響是隨著溫度的升高吸水性先降低再升高，120℃時達到最大。這可能是加熱引起細胞壁破裂導致膳食纖維含量增加，從而增加菜籽粕的持水量，馮攀屹的研究表明隨著熱處理時間的增加,燕麥不溶膳食纖維含量和總膳食纖維含量都有所增加，進而使物料的吸水率變大[12]。

2.4 吸油性

表4為粒度、熱處理溫度、熱處理時間對菜籽粕吸油性影響的實驗結果。

表4 粒度、熱處理溫度、熱處理時間對菜籽粕吸油性影響的正交實驗結果

由表4的極差分析結果可以看出，3個因素對菜籽粕吸油性的影響大小依次為：C粒度＞A熱處理溫度＞B熱處理時間，粒度是影響菜籽粕吸油性的主要因素。從K值可知最佳組合是A4B3C2，即熱熱處理溫度120℃，熱處理時間90 min,粒度73.03 μm。

從各因素的K值可以看出吸油性隨著粒度的減小先增大后減小，在73.03 μm處達到最大，表明菜粕超微粉粒度在73.03 μm時總的表面親油基團分布最多。菜籽粕超微粉的吸油性隨熱處理溫度的升高先降低后升高，在120℃達到最大值，這可能是因為低溫加熱使菜籽粕蛋白疏水鍵、二硫鍵大量聚集，聚集后部分親油基團被包埋，導致吸油性下降，而高溫熱處理破壞了菜籽粕蛋白的結構，使菜籽粕蛋白疏水性基團更多的暴露，從而增強了菜籽粕的吸油性，這與周小泉關于干熱處理對油菜籽蛋白功能特性的研究報道一致。

2.5 乳化性及乳化穩定性

表5為粒度、熱熱處理溫度、熱處理時間對菜籽粕乳化性及乳化穩定性的實驗結果。由表5的極差分析結果可以看出，3個因素對菜籽粕乳化性及乳化穩定性的影響大小排序相同，且依次為：A熱處理溫度＞C粒度＞B熱處理時間，溫度是影響菜籽粕乳化性及乳化穩定性的主要因素。從K值可知獲得高乳化性的最佳參數組合是A4B3C1，即熱熱處理溫度120 ℃，熱處理時間90 min，粒度18.49 μm；乳化穩定性最佳組合是A3B2C3，即熱處理溫度100℃，熱處理時間60 min,粒度129.00 μm。

表5 粒度、溫度、熱處理時間對菜籽粕乳化性及乳化穩定性的正交實驗結果

由K值可以看出，粒度為18.49 μm時脫皮菜籽粕乳化性最大，其他幾個粒度略低，但相差不大；乳化穩定性隨粒度的增加先增大后減小，在129.00 μm最大。乳化性和乳化穩定性與蛋白的親水、親油基團的表面分布以及分子的柔順性有關，粉碎適度時可以使顆粒表面疏水基團暴露，提高物料的乳化性，過粗或過細，則乳化性均會低于最高值。乳化穩定性隨著粒度的增大而先升高，在129.00 μm粒度達到最大值，然后降低。

溫度對脫皮菜籽粕乳化性及乳化穩定性的影響趨勢相同，都是先升高后降低，在100℃時達到最大值。120℃的溫度可能使菜籽蛋白深度變性，減少顆粒表面的疏水基團和親水基團總數，降低乳化性及乳化穩定性。

熱處理時間對乳化性與乳化穩定性的影響趨勢相同，隨時間的增加，乳化性與乳化穩定性先升高后降低，在90 min處達到最大值。

2.6 蛋白溶解度

表6為粒度、熱處理溫度、熱處理時間對菜籽粕蛋白質溶解度影響的實驗結果。

表6 粒度、溫度、熱處理時間對菜籽粕溶解度影響的正交實驗結果

由表6的極差分析結果可以看出，3個因素對菜籽粕蛋白質溶解度的影響大小依次為：C粒度＞B熱處理時間＞A熱處理溫度，熱處理時間和溫度的R值接近。從K值可知最佳組合是A3B3C1，即熱處理溫度100℃，熱處理時間90 min,粒度18.49 μm。

由各因素的K值可知菜籽粕蛋白質溶解度隨著粒度的減小而增加，當粒度為最?。?8.49 μm）時溶解度最大，因為粒度越小，菜籽粕與溶液的接觸面積越大，另外當粒度越小，菜籽粕微粒表面的親水基團越多，導致溶解度越大。

溶解度隨熱處理時間的增長先降低后升高，在90 min處最大，但相互之間的差異不顯著。

菜籽粕的溶解度在100℃達到最大，顯著高于60、80、120℃的熱處理結果。而60、80℃的熱處理結果之間無明顯差異。120℃熱處理顯著降低了菜籽粕蛋白質溶解度，可能是因為菜籽粕蛋白發生美拉德反應生成類黑晶[13]。

2.7 體外消化率

表7為粒度、熱處理溫度、熱處理時間對菜籽粕體外消化率影響的正交實驗結果。

表7 粒度、溫度、熱處理時間對菜籽粕體外消化率影響的正交實驗結果

由表7極差分析結果可以看出，3個因素對菜籽粕體外消化率的影響大小依次為：A熱處理溫度＞C粒度＞B熱處理時間。從K值可知獲得高體外消化率的最佳組合參數是A1B3C1。，即：熱處理溫度60℃，熱處理時間90 min,粒度18.49 μm。

體外消化率隨粒度的減小而增大，在粒度18.49 μm時達到最大，這是因為較細的粉碎粒度可以增加菜籽粕的表面積，增加其與酶溶液的接觸面積，另外粉碎粒度越細，蛋白結構被破壞的越嚴重，內部暴露出來的酶切位點就越多，越利于消化。這與王衛國等在7種飼料原料粉碎粒度與蛋白質體外消化率及能耗的研究結果一致[14]。菜籽粕的體外消化率經60℃熱處理后最高，經80℃處理后降低，熱處理溫度再升高時體外消化率基本保持不變。熱處理時間對菜籽粕體外消化率的影響差異不顯著，但時間達到120 min或更長時會降低菜籽粕的體外消化率。

3 結論

①對菜籽粕的吸水性影響大小的因素排序為：粒度＞熱處理溫度＞熱處理時間。在實驗范圍內，獲得菜籽粕吸水性的最佳處理條件為：熱處理溫度120℃，熱處理時間120 min,粒度184 μm。

②對菜籽粕的吸油性影響大小的因素排序為：粒度＞熱處理溫度＞熱處理時間。在實驗范圍內，獲得菜籽粕吸油性的最佳處理條件為：熱處理溫度120℃，熱處理時間90 min,粒度73.03 μm。

③對菜籽粕的乳化性及乳化穩定性影響大小的因素排序為：熱處理溫度＞粒度＞熱處理時間。在實驗范圍內，獲得菜籽粕乳化性的最佳處理條件為：熱熱處理溫度120℃，熱處理時間90 min,粒度18.49 μm；乳化穩定性最佳條件為：熱處理溫度100℃，熱處理時間60 min,粒度129.00 μm。

④對菜籽粕的蛋白溶解度影響大小的因素排序為：粒度＞熱處理時間＞熱處理溫度。在實驗范圍內，獲得高菜籽粕蛋白溶解度的最佳處理條件為：熱處理溫度100℃，熱處理時間90 min,粒度18.49 μm。

⑤對菜籽粕的體外消化率影響大小的因素排序為：熱處理溫度＞粒度＞熱處理時間。在實驗范圍內，獲得高菜籽粕體外消化率的最佳處理條件為：熱處理溫度60℃，熱處理時間90 min，粒度18.49 μm。