擠壓膨化溫度對棉粕游離棉酚及營養成分的影響

胡維崗,黃慶德,張 強,郭安民

(1.新疆農墾科學院農產品加研究所,新疆石河子 832000;2.中國農業科學院油料作物研究所,湖北武漢 430062)

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擠壓膨化溫度對棉粕游離棉酚及營養成分的影響

胡維崗1,黃慶德2,*,張 強1,郭安民1

(1.新疆農墾科學院農產品加研究所,新疆石河子 832000;2.中國農業科學院油料作物研究所,湖北武漢 430062)

本文研究了不同擠壓膨化溫度(90、100、110、120和130℃)對棉粕中游離棉酚和營養成分的影響。結果表明棉粕擠壓膨化脫酚的最佳溫度是120℃,超過這一溫度后游離棉酚的降解速率不再隨溫度的升高而增加。隨著擠壓膨化溫度升高棉粕蛋白氮溶解指數(NSI)迅速降低,棉粕中粗纖維、有效賴氨酸和總賴氨酸的含量也隨溫度升高而顯著降低,但當溫度達到120℃時,總氨基酸(AA)和必需氨基酸(EAA)的含量達到最大值。此外,120℃時,棉粕中支鏈氨基酸(BCAAs)的含量也最高。所以,擠壓膨化溫度在120℃時,既可以顯著降低游離棉酚的含量又可較好的保持棉粕的營養價值。

棉粕,擠壓膨化溫度,游離棉酚,營養成分

蛋白原料不足是當今飼料行業最棘手的一個問題,開發新的蛋白質資源成為飼料工業急需解決的問題。我國是世界上主要的產棉大國,年產棉籽800余萬t,棉籽榨油后的餅粕中蛋白含量可達36%～44%,是優質的蛋白飼料資源[1]。但因棉粕含有0.4%～1.5%[2],對動物具有毒性的游離棉酚,限制了棉粕在飼料中的用量和飼用價值[3-4]。

目前,國內外對于棉粕脫酚的方法有化學添加劑法[4]、溶劑萃取法[5-6]、微生物發酵法[7]、電子射線輻照法[8]和擠壓膨化法,其中擠壓膨化法作為飼料生產常用的加工方法[9],具有廣闊的應用前景。擠壓膨化處理其短時高溫、高壓、高剪切力的作用特點,既可顯著降低游離棉酚的含量[10],同時較短的加熱時間降低了棉粕蛋白營養成分的破壞程度。然而,盡管擠壓膨化過程中熱處理時間很短,但溫度對棉粕營養品質的影響卻十分顯著,有時溫度的影響作用甚至超過了加熱時間[11]。因此,在擠壓膨化加工過程中選用合適的加工溫度對降低游離棉酚含量和保持棉粕營養至關重要。本實驗著重研究了擠壓膨化溫度對游離棉酚和棉粕營養成分的影響,為棉粕擠壓膨化加工提供一定技術依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

棉粕 購于新疆石河子匯昌油脂有限責任公司。

DS56-Ⅲ型雙螺桿擠壓膨化機 濟南賽信膨化機械有限公司,其主要技術參數為:螺桿外徑65mm;長徑比18;兩螺桿中心距56mm,螺桿轉速0～250r/min;加熱系統分三個區域,每個區域有兩個遠紅外線加熱圈,每個加熱圈功率為2kW;圓形模頭,?？诳讖?mm。

1.2 實驗方法

棉粕經除雜、粉碎后過100目篩除去棉殼上殘留少量棉絨,避免膨化過程中棉絨堵塞?？?。然后采用雙螺桿擠壓膨化機進行擠壓膨化,實驗中取膨化溫度為90、100、110、120、130℃五個水平,棉粕水分控制在25%,螺桿轉速150r/min。

1.3 測定方法

1.3.1 游離棉酚測定 采用GB13086-1991測定游離棉酚含量。

1.3.2 粗蛋白及水溶性氮測定 采用GB/T5009.5-2003測定粗蛋白及水溶性氮含量。

1.3.3 粗纖維測定 利用半自動纖維測定儀(美國FOSS)按GB/T6434-2006測定。

1.3.4 有效賴氨酸測定 參照染料結合法(DBL法)進行[12]。

1.3.5 氨基酸組成測定 采用GB/T5009.124-2003氨基酸自動分析儀測定。

1.4 數據統計分析

采用軟件SAS9.1對實驗結果進行分析,以Duncan’s多重比較法進行組間差異顯著性檢驗。統計數據采用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 擠壓膨化溫度對棉粕游離棉酚含量的影響

游離棉酚是棉粕中最主要的抗營養因子成分,也是棉粕飼料生產中重要的監測指標[13],國際衛生標準中規定棉粕中游離棉酚的含量不可超過400mg/kg。圖1實驗結果表明,擠壓膨化溫度對游離棉酚含量的影響非常顯著,隨著擠壓膨化溫度的升高游離棉酚的含量顯著降低,當溫度達到120℃時,游離棉酚含量可控制在117mg/kg左右。然而,溫度超過120℃后游離棉酚含量隨溫度升高而降低的趨勢不再顯著。這是由于擠壓膨化過程中游離棉酚含量降低的主要途徑是游離棉酚與棉粕中賴氨酸ε-氨基成分發生美拉德反應形成結合棉酚[14],溫度的提高加快了化學反應速率,但當底物濃度,即游離棉酚的含量低于一定濃度時,溫度對該反應的促進作用不再明顯,這也是目前同類文獻[14-16]報道中擠壓膨化脫酚游離棉酚最低含量一般都保持在100mg/kg左右的原因。

圖1 擠壓膨化溫度對游離棉酚含量的影響Fig.1 Influence of extrusion temperature on content of free gossypol

2.2 擠壓膨化溫度對棉粕有效賴氨酸含量的影響

賴氨酸是棉粕第一限制性氨基酸,擠壓膨化過程中賴氨酸極易與還原糖和游離棉酚等成分發生美拉德反應,生成動物難以消化利用的氨基糖等復合物。有效賴氨酸是指在規定的測定條件下測得的總賴氨酸和非有效賴氨酸之差,因此,有效賴氨酸的含量能夠比較客觀地反映原料中賴氨酸被動物利用的情況[17]。趙學偉等[18]指出擠壓膨化過程中,溫度是影響有效賴氨酸含量的主要因素,溫度越高,有效賴氨酸的含量越低。如圖2所示,棉粕擠壓膨化過程中當溫度達到100℃后,有效賴氨酸含量開始明顯降低,尤其是當溫度從120℃升到130℃時,有效賴氨酸損失率高達16.28%。究其原因可能是當溫度超過120℃后,高溫不但提高了美拉德反應的速率,也改變了美拉德反應的途徑[19],使有效賴氨酸含量迅速降低。

圖2 擠壓膨化溫度對有效賴氨酸含量的影響Fig.2 Influence of extrusion temperature on content of available lysine

2.3 擠壓膨化溫度對棉粕粗蛋白含量及氮溶解指數的影響

從圖3可以看出,擠壓膨化溫度對棉粕粗蛋白含量的影響不顯著,但可導致棉粕蛋白急劇變性[20]。蛋白質的氮溶解指數(NSI)是指水溶性氮占總氮的百分率,NSI的高低可以反映蛋白質的變性程度,隨著擠壓膨化溫度的升高NSI急劇下降,在溫度從90℃升到130℃的過程中,NSI與未膨化棉粕相比分別降低了20.26%、30.58%、38.90%、45.74%、51.21%和53.77%。這一數據表明,擠壓膨化脫酚即使在低于100℃的溫度下也會導致棉粕蛋白質的嚴重變性。這是因為擠壓膨化加劇了物料中蛋白質分子內部疏水基的暴露和蛋白質的交聯,降低了蛋白質的水溶性[21]。這一實驗結果與龐芳等[22]報道的結果是一致的。

表1 不同擠壓膨化溫度對棉粕氨基酸含量的影響Table 1 Content of amino acid(AA)in cottonseeds meal extruded at different temperatures

圖3 擠壓膨化溫度對粗蛋白含量及氮溶解指數的影響Fig.3 Influence of extrusion temperature on content of crude protein and nitrogen soluble index

注:表中數據采用平均值±標準差表示(n=3),同一行不同字母表示差異顯著(p<0.05)。2.4 擠壓膨化溫度對棉粕粗纖維含量的影響

棉籽榨油過程中經脫殼處理會去除了大部分的棉殼粗纖維,制油后棉粕粗纖維含量在10%～20%之間。本實驗為了避免棉殼上殘留的少量棉絨在膨化過程中堵塞模頭?？?在棉粕粉碎后進行了過篩處理,過篩后棉粕粗纖維的含量為12.08%。研究表明擠壓膨化加工可降低粗纖維的含量[23],從圖4可以看出,當溫度達到100℃后,粗纖維含量隨溫度的升高顯著降低,130℃擠壓膨化棉粕粗纖維的含量與未膨化棉粕比降低了30.79%。這主要是由于擠壓膨化高溫、高壓、高剪切力的作用使纖維分子間化學鍵裂解所致[24]。在擠壓膨化過程中高溫促使物料中的水分達到過熱狀態,物料由?？跀D出的瞬間,巨大的壓差變化導致物料內部過熱狀態的水分瞬間汽化,巨大的膨脹力破壞了物料顆粒的外部狀態,并且拉斷了物料顆粒內部的分子結構,將部分不溶纖維斷裂形成可溶性纖維,使測得的粗纖維含量下降。

圖4 擠壓膨化溫度對粗纖維含量的影響Fig.4 Influence of extrusion temperature on content of crude fibre

2.5 擠壓膨化溫度對棉粕氨基酸含量的影響

擠壓膨化過程中溫度對氨基酸含量的影響具有兩面性,熱處理一方面破壞了蛋白質的分子結構使一部分蛋白質裂解為多肽和氨基酸,另一方面又促使一些氨基酸與其他成分發生化學反應降低氨基酸的含量[25]。從表1可以看出,棉粕中賴氨酸的含量較低(2.25%),溫度對賴氨酸的影響非常顯著,當溫度超過120℃后賴氨酸含量降低。然而,棉粕中其他種類氨基酸的含量在擠壓膨化的過程中均有不同程度的提高,這種擠壓膨化過程中氨基酸含量增加的現象在其他種類飼料膨化處理過程中也有存在[26]。氨基酸含量升高的原因有兩方面,一方面擠壓膨化使得部分蛋白質和肽降解為氨基酸,另一方面擠壓膨化過程中造成了棉粕部分成分(如:粗纖維和揮發性成分等)的流失使得氨基酸的含量相對提高。盡管溫度對不同氨基酸含量的影響各不相同,但當溫度低于120℃時,總氨基酸與必需氨基酸的含量隨溫度的升高而不斷增加,但當溫度超過120℃后總氨基酸和大部分氨基酸的含量都有所降低。這可能是因為當溫度超過120℃后,氨基酸流失(與其他成分發生美拉德反應)的速度超過了氨基酸形成(蛋白質和多肽分解)的速度。此外,值得一提的是棉粕中的支鏈氨基酸(亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸)含量達到6%以上,這類氨基酸具有特殊的生理功能,如加強免疫力作用[27],在擠壓膨化過程中支鏈氨基酸的含量明顯增加,當溫度達到120℃時,支鏈氨基酸增加了10.56%。

3 結論

棉粕蛋白質含量豐富,是優質的飼料蛋白資源。在擠壓膨化過程中采用合適的溫度可顯著降低棉粕中游離棉酚的含量,達到國際衛生標準(400mg/kg)規定的范圍以下,同時亦可降低粗纖維含量,并具有在一定程度上提高氨基酸含量的作用。然而,較高的擠壓膨化溫度不利棉粕中賴氨酸的保持,尤其是降低有效賴氨酸的含量,同時蛋白質變性嚴重。因此,在選擇膨化溫度時,要綜合考慮溫度對棉粕整體品質的影響,擠壓膨化溫度應在120℃左右最為合適,在此溫度下,既可以顯著降低游離棉酚的含量又可較好的保持棉粕的營養價值。

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Effect of extrusion temperature on free gossypoland feedstuffs in cottonseed meal

HU Wei-gang1,HUANG Qing-de2,*,ZHANG Qiang1,GUO An-min1

(1.Institute of Agro-products Processing Science and Technology,Xinjiang Academy ofAgricultural and Reclamation Science,Shihezi 832000,China;2.Oil Crops Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences,Wuhan 430062,China)

The effect of extrusion temperatures(90,100,110,120 and 130℃)on free gossypol and feedstuffs were studied in cottonseed meal. The results showed that the best temperature for free gossypol degradation was 120℃,the degradation rate of free gossypol did not increase with the increase of temperature above 120℃. The nitrogen solvable index(NSI)reduced quickly with the increase of extrusion temperature,and the contents of crude fiber,available lysine and total lysine were significantly decreased in cottonseed meal,but the highest contents of total amino acids(AA)and essential amino acid(EAA)were obtained at the extrusion temperature of 120℃. The highest contents of branched-chain amino acids(BCAAs)were also observed in the 120℃ sample. In conclusion,a extrusion temperature of 120℃ was preferred for lower free gossypol and higher nutritional value of cottonseed meal.

cottonseed meal;extrusion temperature;free gossypol;feedstuffs

2014-05-28

胡維崗(1986-)，男，碩士研究生，助理研究員，研究方向：糧油加工。

*通訊作者:黃慶德(1964-)，男，碩士研究生，研究員，研究方向：糧油加工技術研究。

新疆農墾科學院引導項目(60YYD201308)。

TS201.1

B

1002-0306(2015)05-0247-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.043