棉籽饼粉的理化特性与功能特性

马梦婷，付嘉阳，周大云，杜双奎，张国权

(1. 西北农林科技大学 食品科学与工程学院，陕西杨凌 712100； 2. 中国农业科学院 棉花研究所，棉花生物学国家重点实验室，河南安阳 455000)

中国的棉籽产量丰富，年产量达 220～230 万t，约占世界总产量的十分之一。目前，棉籽加工产品以棉籽饼、棉籽油、棉籽壳、皂脚为主。棉籽饼是棉籽榨油后的主要副产物，蛋白质质量分数高，是反刍动物的重要营养来源之一[1-2]。棉籽蛋白氨基酸组成与花生蛋白氨基酸组成相似，在蛋氨酸和赖氨酸质量分数上更优于花生蛋白，仅次与大豆蛋白。棉籽蛋白除蛋氨酸稍低外，其他必需氨基酸均达到世界卫生组织和联合国粮农组织推荐的标准[3]。棉籽提油工艺会影响棉籽饼的营养价值，当加工温度过高，棉籽中的棉酚与赖氨酸的ε-氨基结合产生赖氨酸棉酚的复合物，碳水化合物与赖氨酸的ε-氨基发生美拉德反应，均降低赖氨酸的利用率，影响棉籽饼在食品中的应用[4]。因此，选择低变性的棉籽饼生产加工成蛋白粉、棉籽浓缩蛋白，进而制成休闲食品和营养食品，会有一定的市场竞争力[5]。本研究以冷榨花生饼和大豆饼为对照，以热榨棉籽饼、冷榨棉籽饼和亚临界萃取棉籽饼为试验材料，对比其饼粉的理化特性和功能特性的差异，以期为棉籽饼粉的开发利用提供基础数据和理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

热榨饼粉(天康棉籽饼粉、新粮棉籽饼粉、金谷棉籽饼粉、益海棉籽饼粉)，冷榨饼粉(皖棉棉籽饼粉、抗虫棉籽饼粉)，亚临界萃取棉籽饼粉、冷榨花生饼粉、冷榨大豆饼粉，由中国农业科学院棉花研究所提供，细度过40目筛；G-250 考马斯亮蓝、牛血清蛋白(100 μg·mL-1)、标准棉酚，Sigma生物试剂有限公司产品；石油醚(30～60 ℃)、φ=95%乙醇、w=85%磷酸、十二烷基磺酸钠等其他试剂均为分析纯级。

1.2 仪器与设备

CBE-5L型亚临界流体萃取设备，河南省亚临界技术研究中心；HYP-314 消化炉，上海纤检仪器有限公司；LC-15C液相，日本岛津公司；LH188型智能家用榨油机，佛山市南海莉华电子科技有限公司；FOSS凯氏定氮仪，瑞典富斯-特卡脱公司；SLQ-6 粗纤维测定仪，上海书培实验设备有限公司；UV-1200 分光光度计，上海美谱达仪器有限公司； CR-310 色差仪，日本美能达公司；XHF-D高速分散器，宁波新芝生物科技股份有限公司；KQ-700DE 型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 棉籽饼粉的制备 热榨棉籽饼粉的制备：棉籽仁先经140～150 ℃焙炒，扬烟冷却，在180～200 ℃和60 MPa条件下压榨，后在55 ℃下用质量体积比为1∶2正己烷浸提10 h，再粉碎过40目筛得到热榨浸出棉籽饼粉。

冷榨棉籽饼粉制备：棉籽仁用榨油机冷榨模式榨油后，在55 ℃下用质量体积比为1∶2正己烷浸提10 h，粉碎过40目筛得到冷榨浸出棉籽饼粉。花生饼粉和大豆饼粉采用同样方法制备。

亚临界流体萃取法棉籽饼粉制备[6]：棉籽仁粉装入料桶中，放入萃取罐，用真空泵抽尽容器中的空气，真空度维持在0.1 MPa以下。利用循环热水加热萃取罐，萃取剂为丁烷，萃取温度为47 ℃，萃取时间为36 min，萃取4次后，减压蒸发去除溶剂后，从萃取罐中取出棉籽饼，粉碎过40目筛得到亚临界流体萃取棉籽饼粉。

1.3.2 棉籽饼粉的理化指标 棉籽饼粉基本组分测定:水分参照 GB/T5009.3-2010测定；粗蛋白参照GB/T 5511-2008测定，蛋白换算系数为 6.25；粗脂肪参照 GB/T 5512-2008 测定；粗纤维参照GB/T6434-2006测定；灰分参照 GB/T 5505-2008测定。

棉籽饼粉游离棉酚质量分数测定[7]:准确称取 0.1 g 棉籽饼粉，置于20 mL容量瓶中以φ=70%丙酮定容，置于超声波清洗机中，超声温度为30 ℃、超声功率为240 W，超声时间为60 min，静置片刻，取上清液经0.45 μm微孔滤膜抽滤，按照色谱条件进样分析。色谱条件为：分离柱为Dikma DiamollsilTMCl8(250 mm×4.6 mm，5 μm)，柱温为 25 ℃，流动相为甲醇-φ=1%磷酸(体积比85∶15)，检测波长为235 nm，流速为1.0 mL·min-1，进样量为20 μL。

棉籽饼粉颜色测定:用CR-310色差仪测量。以标准白色板(Ls=97.43、as=0.41、bs=1.84)校准，用CIE Lab色空间表示。色差ΔE按下式计算：

式中：L为亮度值；a为红-绿值；b为黄-蓝值。

棉籽饼粉堆积密度测定[8]:将饼粉填入量筒(15 mL刻度)中，轻敲量筒下部，直到样品在15 mL刻度处不再下降为止，称量。堆积密度(g·mL-1)用单位体积样品质量表示。

1.3.3 棉籽饼粉的功能特性 棉籽饼粉吸水性和吸油性测定[8]:称取0.5 g棉籽饼粉于10 mL离心管中，称量并计为m1，加入5 mL蒸馏水(或大豆油)后混匀，静置30 min，离心(3 000 r·min-1)30 min，除上清液，将离心管倒置于滤纸上，10 min后称量并计为m2，计算方法如下。

WAC(OAC)=(m2-m1)/m

式中：WAC为吸水能力；OAC为吸油能力；m为样品干基质量；m1为样品和离心管质量；m2为离心管和沉淀物质量。

棉籽饼粉乳化性和乳化稳定性测定[9]:取6 mL质量浓度为10 g/L pH 7.0的棉籽粉溶液，加入2 mL大豆油后混合，于10 000 r·min-1均质1 min，静置后，分别在0 min、10 min时从容器底部取出50 μL乳状液于试管中，加入5 mL 0.1% SDS，混匀后于500 nm测吸光度，以0.1% SDS为空白。乳化活性指数(EAI)和乳化稳定性(ES)的计算方法如下：

EAI(m2·g-1)=(2×T×A0×N)/(C×ψ×104)

ES(min)=A0×[△t/(A0-A10)]

式中：T为2.303；N为稀释倍数(100)；C为蛋白质的质量浓度(g/mL)；ψ为溶液油的体积分数(0.25)；A0为0 min乳化液的吸光度；A10为静置10 min后乳化液的吸光度；Δt为10 min。

棉籽饼粉溶解性测定[10]:取500 mg棉籽粉溶解于50 mL蒸馏水，溶液pH 7.0，在3 000 r·min-1条件下离心30 min，以牛血清白蛋白为标准曲线，取上清液测定吸光度。

2 结果与分析

2.1 棉籽饼粉组成成分分析

不同棉籽饼粉间在粗蛋白、粗脂肪、粗纤维以及灰分质量分数上有显著差异(表1)。冷榨和亚临界萃取棉籽饼粉的粗蛋白、粗脂肪和灰分质量分数分别为61.89%～66.65%、2.06%～3.90%和7.58%～8.96%，均显著高于4种热榨棉籽饼粉(56.23%～60.86%、0.36%～1.27% 和6.88%～7.26%)；热榨棉籽饼粉的粗纤维质量分数为 5.58%～8.83%，高于冷榨和亚临界萃取棉籽饼，花生饼粉和大豆饼粉的灰分质量分数显著低于棉籽饼粉；热榨棉籽饼游离棉酚质量分数为 38～123 mg·kg-1，显著低于中国安全食用标准(<200 mg·kg-1)，冷榨和亚临界萃取棉籽饼均未检测出游离棉酚。棉籽饼粉蛋白质、脂肪、纤维素、棉酚和灰分质量分数的差别与棉籽品种、棉籽饼制备方法的不同有关。亚临界萃取饼的质量较优，并可应用与于工业化生产，具有萃取温度低、无溶剂残留、易于目标组分分离、设备运行成本低并且棉籽油质量高等优点[6,11]。

表1 棉籽饼粉组成成分质量分数Table 1 Composition mass fraction of cottonseed meal flour

注：数值为“平均数±标准差”(n=3)，同一列中不同小写字母表示差异显著 (P<0.05)，下同。-.表示未检出。

Note:Results are “mean±standard deviations” of duplicate analysis. Values followed by different letter in the same column are significantly different (P<0.05).The same below.-.not detected.

2.2 棉籽饼粉的颜色

不同棉籽饼粉的色值指数有显著差异(表2)，亮度指数(L)、红绿指数(a)、黄蓝指数(b)和ΔE值分别为57.53～86.95、-0.84～7.94、9.69～22.22和13.16～44.26。与4种热榨棉籽饼相比，冷榨棉籽饼的L值较大，a值、b值和△E值较小，表明其亮度较高，与标准白板差异较小。亚临界萃取棉籽饼粉L值最大，b值和△E值最小，表明其亮度高，颜色偏蓝，与标准白板差异最小。因棉籽饼中含有一定量的结合棉酚和变性棉酚，高温工艺使得大量色素生成，而且糖类和磷脂类物质焦化，造成热榨棉饼颜色较深[12]。棉籽饼粉与对照相比，大豆饼粉L值最大，a值最小，表明大豆饼粉亮度比棉籽饼粉高，颜色偏绿程度最大；饼粉色值的差异受其所含有的天然色素的影响，而这些色素与材料来源的不同有关，饼粉的颗粒形状、分散程度以及分布也会对L、a和b产生影响。

表2 棉籽饼粉的色值Table 2 Hunter color values of cottonseed meal flour

2.3 棉籽饼粉的堆积密度

堆积密度是指棉籽饼粉在自然堆积状态下单位体积的质量[13]。不同棉籽饼粉堆积密度有显著性差异，一般为0.53～0.81 g·mL-1(图1)。冷榨和亚临界萃取棉籽饼粉的堆积密度低于4种热榨棉籽饼，表明其分散性好，其中亚临界萃取棉籽饼粉堆积密度最低，具有最好的分散性，可能由于亚临界萃取油的工艺可以较好地保持棉籽组织结构，质地比较疏松，而热榨工艺由于物料经过高温、挤压使其结构紧密。堆积密度的高低影响饼粉加工特性[13]。

图1 棉籽饼粉堆积密度Fig.1 Bulk density of cottonseed meal flour

2.4 棉籽饼粉的吸水性和吸油性

棉籽饼粉吸水能力有显著性差异，常为1.70～2.68 g·g-1(表3)。抗虫棉籽饼粉的吸水能力最大，亚临界萃取棉籽饼的吸水能力最小。除抗虫棉籽饼粉外，其余棉籽饼粉的吸水能力均低于大豆饼粉，花生饼粉的吸水能力显著性高于棉籽饼粉。吸水性受样品中纤维素、可溶性糖、戊聚糖等物质影响，这些物质质量分数越高，吸水性越强[14]。吸油能力与样品的种类、来源、温度、加工方法等因素有关，也与使用的油脂种类有关[3]。棉籽饼粉吸油能力为1.17～2.04 g·g-1(表3)，其中亚临界萃取棉籽饼粉吸油能力显著高于热榨棉籽饼粉、冷榨棉籽饼粉、花生饼粉和大豆饼粉。热榨棉籽饼粉吸油能力与冷榨棉籽饼粉无显著性差别。

2.5 棉籽饼粉的乳化性和乳化稳定性

乳化性是指蛋白质能使油与水形成稳定的乳状液而起到乳化剂的作用；乳化稳定性是指维持乳状液分散体系不被破坏的性质[15]。在pH 7.0下，棉籽饼粉EAI和ES分别为12.48～16.95 m2·g-1和14.42～40.34 min(表3)。金谷棉籽饼粉具有最大的EAI，乳化性较好，天康棉籽饼粉的ES最大，乳化稳定性较好，冷榨大豆饼粉的乳化性最好。亚临界萃取棉籽饼粉的乳化性较优，乳化稳定性较差。棉籽饼中可溶/不可溶蛋白质、油脂等组分均会影响饼粉的乳化特性，而且蛋白乳化性与蛋白质量浓度、加热温度、离子强度、pH等有关[16]。

表3 棉籽饼粉的吸水性/吸油性、乳化性和乳化稳定性Table 3 Water/oil absorption capacity emulsion activity index and emulsion stability of cottonseed meal flour

2.6 棉籽饼粉的溶解性

溶解性受多种因素的影响，包括温度、pH、离子强度等[17]。pH为1.0～11.0时，棉籽饼粉的溶解性呈先降低后升高的趋势，在 pH 3.0 附近溶解度最低(图2)。天康、新粮、金谷和益海棉籽饼粉的溶解性普遍较低。在酸性条件下，棉籽饼粉间的溶解性差异较小；在碱性条件下，冷榨棉籽饼粉(皖棉棉籽饼粉和抗虫棉籽饼粉)和亚临界萃取棉籽饼粉的溶解性较高，这可能与棉籽饼粉中蛋白质的变性程度有关。棉籽饼粉的溶解性均显著低于花生饼粉和大豆饼粉。不同饼粉溶解性的差异性可能与粉中可溶性蛋白、可溶性多糖、纤维素质量分数差别有关[8]。

3 结 论

亚临界萃取和冷榨棉籽饼粉的粗蛋白、粗脂肪和灰分质量分数，均显著高于热榨棉籽饼粉，粗纤维质量分数则低于热榨棉籽饼粉，棉籽饼粉蛋白质质量分数高于花生饼粉及大豆饼粉；冷榨和亚临界萃取棉籽饼粉均未检测出游离棉酚。冷榨和亚临界萃取棉籽饼粉的L值较大，a值、b值、△E值及堆积密度较小，亮度较高，分散性好。亚临界萃取棉籽饼粉吸水能力最低，吸油能力最强。冷榨和亚临界萃取棉籽饼粉乳化性较优，乳化稳定性较差。 pH为1.0～11.0时，棉籽饼饼粉的溶解度呈先降低后升高的趋势，在 pH 11.0附近溶解度最高；冷榨和亚临界萃取棉籽饼粉溶解性最好，但均低于花生和大豆饼粉溶解性。

图2 棉籽饼粉的溶解性Fig.2 Solubility of cottonseed meal flour