菜籽预处理方法对菜籽饼品质的影响

菜籽是世界第二大油料作物,其营养价值高、氨基酸组成平衡、功能特性良好[1]。2020/2021年度我国菜籽油的消费量占全部植物油消费量的20%[2]。菜籽饼粕是菜籽榨油之后的副产品。菜籽直接压榨取油后得到的副产物称为菜籽饼,而经预榨,浸出取油的称为菜籽粕[3]。菜籽饼粕营养成分丰富,主要包含菜籽蛋白、菜籽多糖、矿物质,维生素、木质素、总膳食纤维等[4]。菜籽饼粕粗蛋白含量一般在35%～40%[5],氨基酸组成均衡,与联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization, FAO)和世界卫生组织(World Health Organization, WHO)的推荐值相近[6],不仅含硫氨基酸的含量丰富,赖氨酸含量也可观[7],是一种拥有很高的潜在营养价值的植物蛋白资源。菜籽饼粕中还含有大量的抗营养物质如植酸、芥子碱、单宁等,大大限制了氨基酸和能量的利用率,最重要的是菜籽饼粕中含有硫代葡萄糖甙,其本身无毒,但在芥子酶和水的作用下能降解,其降解产物具有毒性,对动物机体有很大的损害,从而限制了其在动物饲料中的应用[8]。

目前菜籽饼粕的脱毒方法主要分为四类:a)物理法:利用高温、高压、挤压膨化等方式使抗营养因子自身发生降解反应,但此方法会对菜籽粕的营养产生较大影响;b)化学法:利用酸碱溶液、有机溶剂等与抗营养因子发生化学反应而脱毒,此类方法成本较高,且安全性无法保证;c)生物法:添加酶活微生物进行发酵分解抗营养因子达到脱毒的目的,此方法能够有效改善菜籽饼粕品质,但条件要求相对苛刻;d)遗传育种法:培育出菜籽新品种,如现在大力推广的“双低”菜籽品种,因其芥酸含量较低,饼粕中硫苷含量较少[8],但因种植习惯问题阻碍了其推广[9]。

现阶段对饼粕的脱毒方法研究主要集中在对饼粕的直接处理上,忽略了制油前预处理对饼粕品质以及抗营养因子的影响。预处理工艺作为油料加工过程中的前端工艺,对油的品质及饼粕品质均有特异性影响[10-11]。常见的预处理工艺主要有焙炒、烘烤、微波、超声、真空冷冻干燥、冻融等。焙炒是我国传统的预处理工艺,油料经过高温翻炒以后,细胞结构受到一定破坏,能够有效提高出油率,但是高温可能会影响饼粕的蛋白质质量,对内源性生物活性成分造成破坏[12]。王未君等[13]研究了不同焙炒温度对菜籽、菜籽油、菜籽粕及脱脂粕品质的影响,结果表明菜籽粕中的总酚含量在150 ℃时达到最高,比未经过预处理的菜籽粕增加11%,160 ℃时菜籽粕芥子碱含量比未经预处理的菜籽饼降低了17.4%;微波预处理是利用电磁波,使得物质从内部开始受热,能量能够快速且均匀地传输到油料的内部[14]。周琦等[15]研究表明菜籽油中的含量随着微波预处理时间的延长,呈现先减少后增加的趋势,并且硫代葡萄糖苷的降解过程非常复杂,可能在不同降解条件下会生成不同的降解产物。烘烤预处理是一种高效节能的方法,任志龙等[16]研究表明亚麻籽经过烘烤预处理后,亚麻籽油得率得到提升,亚麻籽油中氧化产物的生成也会减少,提高了亚麻籽油贮藏稳定性。真空冷冻干燥预处理是利用升华的原理,物料经过快速冷冻后,在低温低压条件下进行干燥,使得物料原有结构和形状得到最大程度的保护,同时还可以减少物料中的热敏成分和生物活性的损坏,减缓氧化[17]。黄明亚等[18]对比了热风干燥、真空冷冻干燥、微波干燥、烤箱干燥对奇亚籽油品质的影响,结果表明真空冷冻干燥预处理后制得的奇亚籽油酸价和过氧化值最低,多酚含量和DPPH自由基清除率最高,较好地保持了奇亚籽的营养价值,但由于真空冷冻干燥能耗较大,使其应用受限。超声提取是利用超声波辐射产生的多级效应加速目标成分进入溶剂,提高提取效率的一种常见辅助方法,陈明等[19]利用超声油提法提取迷迭香净油,发现超声油提法能丰富迷迭香净油的组成成分,提高维生素E含量,同时也能提高抗氧化单体的含量,表现出更好的体外抗氧化活性。刘圣臣等[20]在提取海藻油前对小球藻进行了反复冻融处理,与冷冻干燥组和未处理组对比发现冻融组提油率最高,相较于冷冻干燥预处理,冻融预处理易操作,设备简单,有着广阔的应用前景。

目前,对于制油前的预处理工艺对饼粕品质影响的研究较少,对品质的分析大都停留在基本理化指标方面,本研究将对菜籽进行烘烤(bake pretreatment screw press, BSP)、焙炒(roasting pretreatment screw press, RSP)、微波(microwave pretreatment screw press, MSP)、超声(ultrasonic pretreatment screw press, USP)、冻融(freeze-thaw pretreatment screw press, FSP)、真空冷冻干燥(vacuum freeze-drying pretreatment screw press, VSP)预处理,与未处理菜籽(screw press, SP)经螺旋压榨后提取菜籽油,研究预处理对菜籽出油率、菜籽饼的基本营养成分、蛋白氨基酸含量及其组成评价和抗营养因子含量的影响。研究结果为后续菜籽饼的高值化利用提供了一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

青杂5号菜籽,青海省海东市互助县。

氢氧化钾、氢氧化钠、无水碳酸钠、磷酸二氢钾、水硫酸铜、硫酸钾、偏钒酸铵、钼酸铵、磺基水杨酸、甲基红指示剂、溴甲酚绿指示剂,上海展云化工有限公司;三氯化铁,天津市河东区红岩试剂厂;钨酸钠,国药集团化学试剂有限公司;磷钼酸,合肥巴斯夫生物科技有限公司;羧甲基纤维素钠,天津市致远化学试剂有限公司;氯化钯,上海麦克林生化科技有限公司;95%(体积分数)乙醇、无水乙醇、石油醚、丙酮、盐酸、硫酸、硼酸,冰乙酸均为分析纯;甲醇为色谱纯。

1.2 仪器与设备

XZ-Z505 W卧式榨油机,广州旭众食品机械有限公司;SZC-D脂肪测定仪,上海纤检仪器有限公司;JJ20130001烤箱,佛山市顺德区陈村镇华兴实业有限公司;KQ-800D中型超声微波清洗仪,东莞市科桥超声波设备有限公司;MDS-6G多通量密闭微波化学工作站,上海新仪微波化学科技有限公司;K9840+8H220F+WD03自动凯氏定氮仪,山东海能科学仪器有限公司;CS55-9冷冻干燥机,基因有限公司;UV-1780紫外可见分光光度计,岛津仪器有限公司;BCD-258 WDPM冰箱,青岛海尔股份有限公司;QE-400克万能粉碎机,浙江屹立工贸有限公司;HH-6数显恒温水浴锅,国华电器有限公司;101-3型电热鼓风恒温干燥箱,上海新正机械仪器制造有限公司;FA2004B电子天平,上海佑科仪器仪表有限公司;S433D氨基酸分析仪,塞卡姆公司。

1.3 实验方法

1.3.1 菜籽预处理及菜籽饼制备

BSP[16]:将500 g菜籽置于烤箱中,在100 ℃下烘烤40 min;

RSP[13]:将500 g菜籽置于平底锅中,设置电磁炉温度为150 ℃,翻炒20 min;

MSP[21]:将500 g菜籽置于多通量密闭微波化学工作站中,调节微波功率为600 W,50 ℃处理7 min;

USP:将500 g菜籽放入密封袋中,设置功率为560 W超声20 min;

FSP[22]:将500 g菜籽放入密封袋中,在-20 ℃的条件下冷冻48 h。将袋中冷冻菜籽加入蒸馏水500 mL,放入冰箱(4±1) ℃保存24 h,在相同的温度和次数下重复3个冷冻解冻循环。处理后的菜籽用密封袋装,4 ℃保存;

VSP:将500 g菜籽置于-41 ℃的冰柜中预冻24 h,再放置于-52 ℃的真空冷冻干燥机中冷冻干燥10 h;

SP[11]:进料漏斗处手动少量进样,膛温150 ℃下压榨制油,所得菜籽饼粉碎过40目筛备用。

菜籽油出油率按公式(1)计算:

式中:w,亚麻籽油出油率,%;m0,菜籽油质量,g;m1,菜籽质量,g。

1.3.2 基本营养成分测定

菜籽饼粗灰分含量参照GB/T 6438—2007中马弗炉法测定;水分及挥发物含量参照GB/T 10358—2008中电热烘箱法测定;粗蛋白含量参照GB/T 6432—2018中凯氏定氮法测定;总磷含量参照GB/T 6437—2018中分光光度法测定。

1.3.3 氨基酸组成及含量测定

氨基酸组成及含量参照GB 5009.124—2016测定:称取1 g菜籽饼于水解管中,加入10 mL 6 mol/L HCl、3滴苯酚溶液,冷冻5 min,充氮气,拧紧螺丝盖,放入(110±1) ℃的烘箱中水解22 h,冷却后将其移入50 mL容量瓶,蒸馏水定容。吸取滤液1 mL于试管中,减压浓缩,残留物用2 mL蒸馏水溶解,加入2 mL 柠檬酸钠缓冲溶液将其溶解并转移到进样瓶中,进行测定分析,计算菜籽饼总氨基酸含量(total amino acid, TAA)、必需氨基酸含量(essential amino acid, EAA)、非必需氨基酸含量(non-essential amino acid, NEAA)。

将不同预处理制得的菜籽饼氨基酸组成与1973年FAO/WHO提出的人体必需氨基酸模式进行比对,计算氨基酸比值(ratio of amino acid,RAA)、氨基酸比值系数(ratio coefficient of amino acid,RC)、氨基酸比值系数评分(score of ratio coefficient of amino acid,SRC)、必需氨基酸指数(essential amino acid index,EAAI)、生物价(biological value,BV)等[23-25]。

1.3.4 抗营养成分测定

1.3.4.1 硫代葡萄糖苷

参照王宁惠[26]的氯化钯法:称取粉碎后的100 mg菜籽饼于l0 mL试管中,在沸水浴锅中干蒸10 min,加入10 mL 90 ℃的热水,在沸水浴锅中蒸煮20 min,中间搅动2次,取出冷却后,用水稀释至10 mL,摇匀。过滤后取0.5 mL溶液放入10 mL试管中,加入0.1%(质量分数)羧甲基纤维素钠溶液2 mL,再加入氯化钯显色溶液l mL,封口摇匀,在24 ℃恒温箱中放置3 h,在540 nm波长下用分光光度计测定消光值,以氯化钯、羧甲基纤维素钠空白溶液作空白对照。根据公式(2)计算菜籽饼中硫代葡萄糖苷含量:

式中:A,硫代葡萄糖苷含量,μmol/g;M,消光值;185.2,换算系数;0.2,修正值。

参照王国蓉等[27]的三氯化铁滴定法:称取2.0 g菜籽饼于锥形瓶中,加入0.8 mol/L的盐酸浸提液,在700 W、25 kHz条件下,超声波处理15 min后,50 ℃水浴浸提1.5 h,以8 000 r/min的速度离心20 min,取上清液2 mL,用蒸馏水定容至10 mL。加入2滴10%(质量分数)磺基水杨酸溶液,用EDTA标样标定了浓度的三氯化铁溶液滴定至紫色不褪色。根据公式(3)计算植酸含量:

式中:B,植酸含量,%;c,三氯化铁溶液浓度,mol/L;V,滴定消耗的三氯化铁溶液体积,mL;W,试样质量,g;0.235 7,每分子植酸可络合2.8个Fe3+,1 mol三氯化铁相当于0.235 7 g植酸。

参照GB/T 27985—2011中分光光度法:以单宁酸浓度为横坐标,吸光值为纵坐标绘制标准曲线。单宁酸工作液标准曲线:y=0.034 4x+0.011 1,R2=0.997 4。

样品测定:称取1 g菜籽饼于250 mL锥形瓶中,加入50 mL丙酮溶液,密封振荡40 min,静置过滤,弃去初滤液,收集续滤液。取1 mL试液于装有30 mL水的50 mL容量瓶中,摇匀。依次加入2.5 mL钨酸钠-磷钼酸混合溶液,5.0 mL碳酸钠溶液,摇匀后定容。放置30 min后,以标准曲线为空白,在760 nm波长处测定吸光度。根据公式(4)计算单宁含量:

式中:C,单宁含量,mg/kg;c,试验测定液中单宁酸质量浓度,mg/L;V,试样定容体积,mL;D,试样稀释倍数;m,试样质量,g。

1.4 数据处理与分析

各实验重复3次,结果以平均值±标准差表示;使用SPSS 27.0对数据进行统计分析;使用Origin 2021绘制图表。

2 结果与分析

2.1 菜籽预处理方法对菜籽出油率及菜籽饼基本营养成分的影响

不同预处理方对菜籽出油率及菜籽饼基本营养成分的影响见表1。不同预处理菜籽出油率存在其显著差异(P<0.05),RSP出油率最高,这是因为高温焙炒破坏了菜籽种皮和油料细胞,使其更容易释放出油脂;FSP出油率最低,可能是由于经过反复冻融后,水分对菜籽的弹性、可塑性、机械强度等产生影响,菜籽可塑性低,籽粒结合松散,不利于菜籽油榨出[28]。3种热处理组的出油率均显著高于3种非热处理组,在实际的生产中也会对菜籽进行高温炒制后,高温预榨出油[29]。

菜籽饼中水分的含量会影响其贮存期的质量,不同预处理方法对制得的菜籽饼的水分及挥发物间存在显著差异,3种热处理后的菜籽饼的水分及挥发物含量显著性低于3种非热处理后的菜籽饼(P<0.05),原因可能是热处理过程中随着温度的升高,菜籽水分受热蒸发,制得的菜籽饼中水分含量显著低于低温预处理制得的菜籽饼。粗灰分是评价油菜籽饼品质的一个重要指标,当菜籽饼用作饲料时,含量越低,饲料品质越好。菜籽饼中的灰分主要为Ca、Mn、Se、P等矿物质[24],不同预处理后的菜籽饼的粗灰分含量差异不显著(P<0.05),7种菜籽饼粗灰分含量在6.93%～7.13%。

不同预处理方法对制得的菜籽饼的粗蛋白间存在显著差异(P<0.05)。SP组粗蛋白含量最高,为35.98%,RSP组含量最低,为28.06%。何家尔[30]研究发现121 ℃条件下烘烤热处理80 min对高粱的蛋白质组分、降解和消化特性没有显著影响。初雷[31]对脱脂菜粕在100 ℃下分别处理1、2、3、4、5 h,发现菜粕蛋白在100 ℃以内对温度的敏感度相对较低。因此BSP和MSP蛋白质中的氨基酸发生美拉德反应的概率较低,蛋白质变性程度较低,而RSP由于温度较高,加速了蛋白质与还原糖之间的美拉德反应,导致蛋白质变性[8]。

磷是重要矿物质,参与了细胞构成和动物体内的合成代谢[32]。不同预处理方法对制得的菜籽饼的磷含量间存在显著差异(P<0.05),总磷含量在3.18%～7.11%,VSP的总磷含量最高,达到了7.11%。本研究中测得的菜籽饼中的总磷含量相对常规双低菜籽饼粕中的总磷含量(1%～3%)偏高,可能和菜籽的品种、生长环境、气候条件、加工方式等因素有很大关系,同时可能由于菜籽饼中的抗营养物质被降解,从而释放出无机磷,增加总磷的含量[33]。

2.2 菜籽预处理方法对菜籽饼蛋白氨基酸的影响

2.2.1 菜籽预处理方法对菜籽饼蛋白氨基酸组成及含量的影响

菜籽饼粕是一种重要的植物蛋白饲料,可以用于动物饲料部分替代大豆蛋白饲料,起到互补的作用[34],同时也可以提取菜籽蛋白用于生产多肽类和氨基酸类产品[35]。菜籽饼蛋白质量的高低与菜籽饼蛋白的氨基酸组成的关系密切,通过氨基酸自动分析仪对菜籽饼蛋白的17种氨基酸含量进行检测,由表2可知,菜籽饼中的17种组成人体蛋白质氨基酸中包括10种非必需氨基酸和7种必需氨基酸。7种必需氨基酸为蛋氨酸、赖氨酸、苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸。

7种菜籽饼蛋白的氨基酸总量差异显著(P<0.05),最高和最低分别为BSP(491.15 mg/g)和FSP(405.11 mg/g);BSP的必需氨基酸、非必需氨基酸总量均最高,为160.16、330.99 mg/g,可能是高温作用使菜籽中蛋白质的三级、四级结构遭到破坏,分子间结构得到展开、重组,二硫键、氢键部分断裂,导致蛋白质发生降解和不可逆变性,大分子降解成小分子而转化成氨基酸,所以氨基酸含量升高[36];FSP的必需氨基酸总量和非必需氨基酸总量最低,分别为122.78、282.34 mg/g,可能是因为冻融过程中逐渐长大的冰晶对油料细胞膜的挤压作用导致其造成不可逆的机械损伤,蛋白质等大分子束缚水分的能力减弱甚至丧失,部分蛋白随胞内细胞液流失;VSP的氨基酸组成最接近SP,石召华等[37]对地龙提取物分别进行真空减压、微波、真空冷冻干燥,发现真空冷冻干燥处理得到的产品氨基酸损失率最小。

亮氨酸可以与异亮氨酸、缬氨酸协同合作,进行肌肉的修复与血糖的控制,并且为机体组织提供能量[38];赖氨酸能够提高食欲,促进钙的吸收、婴幼儿的生长发育[39]。在7种必需氨基酸中,BSP的亮氨酸、赖氨酸含量最高,分别为38.40、28.19 mg/g,由此可知赖氨酸对温度的感知比较敏感,容易在处理过程中受到损失[37]。理想蛋白质中的必需氨基酸的总量与氨基酸总含量的比值应达到40%左右,必需氨基酸的总量与非必需氨基酸的总量的比值应该达到60%左右[40]。结果表示,SP的EAA/TAA和EAA/NEAA值最大,MSP处理后得到的菜籽饼蛋白的EAA/TAA和EAA/NEAA值最小,SP组最接近理想蛋白质比例和组成。

2.2.2 菜籽预处理方法对菜籽饼蛋白必需氨基酸组成的影响

根据FAO和WHO的必需氨基酸最佳配比模式,对7种菜籽饼蛋白的必需氨基酸的组成进行评定,必需氨基酸含量与FAO/WHO推荐模式中对应的必需氨基酸的含量越接近,则得到的蛋白质的品质越优异[41]。由表3可知,7种菜籽饼蛋白的必需氨基酸组成均低于对应的必需氨基酸的FAO/WHO推荐值,表明氨基酸组成不均衡,与已有研究差异较大。可能是由于菜籽的品种、生长环境、种植方式等原因与预处理工艺的不同所造成的,因此不同品种菜籽之间存在较大的营养差异[42]。BSP组最接近FAO/WHO推荐的必需氨基酸最佳配比模式。

2.2.3 菜籽预处理方法对菜籽饼蛋白氨基酸营养价值的影响

氨基酸比值系数法是结合FAO/WHO的必需氨基酸评价模式,计算菜籽饼中的必需氨基酸的RAA、RC和SRC,以此对蛋白质营养价值进行评定,SRC值表示各种必须氨基酸偏离氨基酸模式的离散度,SRC值越接近100,其营养价值相对越高,RC值最小者则为第一限制性氨基酸[43]。表4为7种菜籽饼蛋白氨基酸营养价值评分。7种菜籽饼蛋白的异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸、亮氨酸和赖氨酸的RC值均接近1,表明其均接近FAO和WHO推荐的必需氨基酸模式;SP、BSP、FSP和VSP的苯丙氨酸+酪氨酸、蛋氨酸+胱氨酸的RC值均大于1,表明其相对过剩。

MSP、USP、VSP的第一限制性氨基酸为亮氨酸,SP、BSP的第一限制性氨基酸为苏氨酸,RSP、FSP的第一限制性氨基酸分别为异亮氨酸和赖氨酸;以SRC为评价指标,由高到低依次为RSP>SP>FSP>BSP>VSP>MSP>USP,RSP的氨基酸组成最接近FAO/WHO推荐的氨基酸模式,而USP的菜籽饼蛋白的氨基酸组成与FAO/WHO推荐的氨基酸模式相差最大。

EAAI是同时考虑样品中各种必需氨基酸相对于标准蛋白质中对应的必需氨基酸比率的加权平均值,EAAI值越大,表示氨基酸的组成越平衡,蛋白质质量和利用率则越高[44],BV则表示食物蛋白质消化吸收后的利用程度。以EAAI、BV作为评价依据,7种菜籽饼后得到的EAAI值为41.33～55.36,BV值为33.35～48.65,说明BSP的吸收的蛋白质被机体的利用程度最高,FSP的蛋白质被机体的利用程度最低。

2.3 菜籽预处理方法对菜籽饼抗营养因子的影响

不同预处理制得的菜籽饼的硫代葡萄糖苷、植酸、单宁含量的测定结果见图1。不同预处理后制得的菜籽饼的硫苷含量间存在显著差异(P<0.05),本研究中菜籽饼的硫苷含量在22.81～30.85 μmol/g,其中,3种热预处理后制得的菜籽饼的硫苷含量显著低于3种非热预处理后的硫苷含量,原因可能是加热使得硫苷失活,有效降低了硫苷含量。NIU等[45]通过研究发现微波预处理能促进菜籽中硫苷类物质的降解,随着微波处理时间的延长,菜籽温度升高,硫苷会发生热降解反应,这也能解释3种热预处理的菜籽饼硫苷含量显著低于3种非热预处理的现象。

7种菜籽饼中植酸含量为1.76%～3.06%。USP的含量最高,原因可能为超声波在传播过程中通过对溶剂的压缩和拉伸作用会形成空化泡,当空化泡破裂时产生极大的能量和负压,从而强化传质过程。同时,空化效应还伴随着一系列其他效果,如局部剪切力、侵蚀、破碎以及增强水合作用等,这些因素导致了溶液中整体反应的增强和固体颗粒表面积增大,使目标物质更易溶出[46],在提取植酸时,常用超声辅助来增加植酸的提取率[47-48]。不同预处理制得的菜籽饼中的单宁含量差异显著(P<0.05),其中VSP的单宁含量最高,可能是因为单宁在较低温度下稳定性强,不易分解[49];RSP的单宁含量最低,原因可能是焙炒处于高温环境,使得单宁受热氧化分解速度加快,因此单宁降解加快,含量降低[50]。

3 结论

本研究以菜籽为原料,分别经3种热处理、3种非热处理与未处理菜籽经螺旋压榨后提取菜籽油,获得菜籽饼,测定菜籽饼的基本营养成分、蛋白氨基酸含量及其组成评价和抗营养因子含量。RSP出油率最高,为33.00%,3种热处理组的出油率均显著高于3种非热处理组;预处理方法对菜籽饼粕水分及挥发性物质、粗蛋白、总磷的含量带来显著性差异,对灰分含量无显著影响(P<0.05)。焙炒预处理会使得菜籽饼粗蛋白含量损失较大,与SP相比,RSP粗蛋白含量减少了19.78%。7种菜籽饼蛋白的必需氨基酸组成不均衡,BSP的氨基酸总量、必需氨基酸总量、非必需氨基酸总量均最高,分别为491.15、160.16、330.99 mg/g,FSP的氨基酸总量、必需氨基酸总量、非必需氨基酸总量均最低,分别为405.11、122.78、2 834 mg/g;BSP的必需氨基酸组成最接近FAO/WHO的推荐模式;以SRC为评价指标,RSP的氨基酸组成最接近FAO/WHO推荐的氨基酸模式,USP相差最大;以EAAI、BV作为评价依据,BSP的蛋白质被机体的利用程度最高,FSP中的蛋白质被机体的利用程度最低。热处理能够有效降低植酸、硫葡萄糖苷2种抗营养因子的含量,而非热处理中真空冷冻干燥预处理能显著降低植酸含量,只有1.76%,热处理对于氧化性抗营养因子单宁能够起到保护作用。综上,不同的预处理方法各有优缺点,应根据实际需要选用合适的预处理工艺。本研究为后续菜籽饼的高值化利用提供了一定的参考依据。

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