膨化過程中水分含量對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

（中國農(nóng)業(yè)科學院飼料研究所，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，我國是世界上最大的油菜籽生產(chǎn)國，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700 萬公頃，年總產(chǎn)1 100～1 300 萬噸；油菜籽榨油后的副產(chǎn)品——菜籽餅（粕）營養(yǎng)價值高，粗蛋白質含量為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，價格低廉，但其中抗營養(yǎng)物質的存在，如硫苷及其水解產(chǎn)物、植酸、單寧、芥子堿等，導致其在動物體內消化率低，適口性差，限制了其在動物飼料中的廣泛應用。近20 年來，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、植酸等抗營養(yǎng)物質含量依然較高；擠壓膨化技術是通過將具有一定含水量的單一或混合粉狀原料通過裝配有螺桿的擠壓腔，通過加熱、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)。通過對菜籽粕高溫高壓處理，可達到殺菌、改善物料的物化性質，改善物料的適口性，提高物料的蛋白質利用率，降低單寧、植酸等抗營養(yǎng)物質含量的效果。由于菜籽粕自身粗纖維含量高，含油率低，在膨化腔內阻力大，造成能耗增高，需在膨化前調節(jié)待膨化原料中水分含量，水分具有潤滑作用，適宜的水分不僅能降低摩擦阻力，從而降低耗電量，而且能獲得高質量的膨化產(chǎn)品。

目前研究工作大多集中在直接對菜籽擠壓膨化處理，對菜籽粕進一步加工處理的研究相對較少，且研究關注的指標較單一。張巍等報道了油菜籽經(jīng)膨化后，粗脂肪、粗蛋白質消化率分別提高了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，通過正交實驗設計，優(yōu)化得到了可使單寧含量降低幅度最大的最優(yōu)處理條件參數(shù)組合，在該實驗條件下，單寧含量降低程度達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影響擠壓膨化設備的度電產(chǎn)量，而且會影響膨化后產(chǎn)品的營養(yǎng)價值。本文試驗目的為探究膨化加工過程中物料水分含量對菜籽粕蛋白作為植物源蛋白原料的綜合營養(yǎng)特性及蛋白結構的影響，為菜籽粕加工企業(yè)及飼料生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)高質量菜籽粕產(chǎn)品提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用菜籽粕由中糧集團湖北黃岡有限公司提供。原料經(jīng)粉碎，達到90%過60 目篩標準，粉碎后菜籽粕粉水分含量為9.39%，其作為本試驗的對照組；按試驗方案的5 個處理組，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 的中試混合機內混合，混合時間5 min 后，測定加水后菜籽粕粉的水分含量，各試驗組水添加量及實際原料樣品水分含量的檢測結果見表1。

表1 各試驗組水分添加量及混合后菜籽粕粉實際水分含量(%)

1.2 試驗設備及工作參數(shù)

試驗在中國農(nóng)業(yè)科學院南口中試基地飼料加工車間現(xiàn)代洋工公司TSE 65 型雙螺桿膨化機上進行，主機功率22 kW，膨化機的設置參數(shù)如下：三節(jié)膨化腔溫度：30、70、126 ℃，通過調節(jié)上料器喂料速度使主機設備電流達到額定值，螺桿轉速為245 r/min，模板模孔直徑4 mm。

取樣原則：根據(jù)試驗方案調整膨化機運行參數(shù)，在膨化機穩(wěn)定運行10 min后，于膨化機出料口處采集3份樣品，采樣間隔30 s，取樣后立即按國標方法測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 試驗條件及檢測方法

1.3.1 膨化前后菜籽粕的營養(yǎng)指標檢測方法

營養(yǎng)指標的測定參照國標方法檢測，《飼料中蛋白質的測定》GB/T 6432—1994，《飼料中氨基酸的測定》GB/T 18246—2000，《油料餅粕 水分及揮發(fā)物含量的測定》GB/T 10358—2008，《飼料中粗灰分的測定》GB/T 6438—2007，《動物性蛋白質飼料胃蛋白酶消化率的測定 過濾法》GB/T 17811—2008。

1.3.2 菜籽粕中蛋白二級結構分析

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對樣品進行研磨稀釋，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 軟件對數(shù)據(jù)進行預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 結果與分析

2.1 膨化前后菜籽粕常規(guī)組分的變化(見表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；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；當膨化物料水分含量≤17.62%時膨化加工后菜籽粕的蛋白溶解度高于對照組，當膨化物料水分含量高于此值時，膨化加工后菜籽粕的蛋白溶解度將低于對照組。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。

蛋白質是衡量營養(yǎng)價值的重要指標，其中決定蛋白質營養(yǎng)價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%時氨基酸總量損失達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，在菜籽粕水分含量為19.10%時氨基酸總量最高，為36.37%。盡管膨化處理會對氨基酸總量提升有益，但膨化處理會部分破壞蛋氨酸（Met），與對照組相比，膨化菜籽粕水分含量在16.1%、21.21%時Met 含量皆降低了29.4%；膨化處理會部分破壞賴氨酸(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。

2.2 不同膨化處理對菜籽粕蛋白二級結構影響的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。對于酰胺Ⅲ帶譜峰擬合后的各個子峰及二級結構的對應關系參照Cai 等的方法進行。其中，1 330～1 295 cm-1為α螺旋；1 295～1 270 cm-1為β 轉 角；1 270～1 250 cm-1為 無 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)不同二級結構擬合后的高斯圖見圖2，對經(jīng)過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結構峰面積的比較見圖3，從二級結構的變化可看出，膨化處理會降低菜籽粕蛋白經(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，對照組中β折疊的含量為65.69%，水分含量為14.52%時，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%；無規(guī)卷曲隨著菜籽粕水分含量的增加，呈降低的趨勢，在水分含量為14.52%時，無規(guī)卷含量高達32.30%，而對照組中無規(guī)卷含量僅為19.97%；β轉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，與無規(guī)卷不同，β轉角含量在菜籽粕水分含量為17.62%時最大，為16.57%；α螺旋處理前后沒有明顯的變化，除在水分含量為14.52%時，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，二級結構的含量可能與其體外消化率有一定關系，改變菜籽粕二級結構的β 折疊與α 螺旋的相對含量，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原因。

2.3 擠壓膨化對菜籽粕顆粒表面結構的影響(見圖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)的表面質構特征，具有孔狀的纖維結構。

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結構含量

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。是由于膨化處理改變了菜籽蛋白質的理化性質，高溫高壓處理使蛋白聚集變性，從而改變了菜籽蛋白質的溶解性。菜籽粕水分含量在擠壓膨化處理時對蛋白質消化率的影響程度高，水分含量較低時，蛋白質的熱穩(wěn)定性高，蛋白質分子及肽鏈的移動受到限制，對蛋白質破壞程度較低。隨著水分含量增加，水分子穿透蛋白質分子的表面，使蛋白質分子及肽鏈的移動性和柔性增強，加劇了對蛋白質分子的破壞性。但若繼續(xù)添加水分，使水分含量過高，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的停留時間，則緩解了蛋白質變性程度。

膨化物料的水分含量低時，膨化機中螺桿對物料的作用力更強，外部機械能輸入更高，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，流動性變好，外部機械能輸入低，美拉德反應程度小。此外，膨化腔內高溫、高壓、高剪切作用使菜粕蛋白三級和四級結構被充分破壞，蛋白質分子結構發(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、二硫鍵部分斷裂，導致蛋白質不可逆變性，部分結合蛋白質得到釋放，導致氨基酸總量升高。紅外圖譜的相關波段可被用來反映蛋白變化的二級結構。膨化前后菜籽粕的紅外圖譜峰形和峰位基本相同，說明膨化處理后化學結構未發(fā)生明顯變化，膨化過程中未發(fā)生顯著的化學變化。

菜籽粕顆粒膨化前后相貌上的變化是由于膨化處理的結果。在膨化腔內，由于熱能和機械能的作用，菜籽粕粉被劇烈地擠壓、攪拌、剪切，使物料呈熔融態(tài)，熱物料自模孔噴出時，由于模孔內外壓力和溫度差異較大，存在于物料中的水分急驟汽化，使菜籽粕粉顆粒轉變成松散無序結構，這種結構由于空間位阻的減小，有助于動物體內消化酶的進一步作用，從而提高菜籽粕的生物利用率。

4 結論

總之，膨化原料菜籽粕粉的總水分含量在9.39%～21.21%范圍內，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，蛋白質體外消化率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，通過FT-IR 及SEM 分析，膨化處理菜籽粕蛋白二級結構中β折疊含量明顯減少，無規(guī)卷曲含量增加，膨化導致的菜籽粕顆粒結構的改變使酶分子更容易接近，這些變化或許是蛋白質體外消化率提高的主要原因之一。膨化過程物料間發(fā)生了復雜的變化，物料由于膨化而產(chǎn)生的物化性質的改變并不是單一因素的作用結果，與螺桿轉速、膨化腔溫度以及喂料速度等多因素有關，因此，膨化過程中的加工參數(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蛋白質原料的營養(yǎng)值的影響仍需進一步的研究。