膨化过程中水分含量对菜籽粕蛋白性能的影响

■董颖超 杨 洁 王 昊 马世峰 谷 旭 李军国

（中国农业科学院饲料研究所，北京100081）

油菜籽是世界四大油料作物之一，其种植面积仅次于大豆，我国是世界上最大的油菜籽生产国，常年油菜籽产量占世界总产量的30%左右，目前种植面积超过700 万公顷，年总产1 100～1 300 万吨；油菜籽榨油后的副产品——菜籽饼（粕）营养价值高，粗蛋白质含量为35%～45%，氨基酸组成平衡，尤其与豆粕相比，其含硫氨基酸含量丰富，价格低廉，但其中抗营养物质的存在，如硫苷及其水解产物、植酸、单宁、芥子碱等，导致其在动物体内消化率低，适口性差，限制了其在动物饲料中的广泛应用。近20 年来，随着育种手段的提升，油菜籽中硫苷、芥酸含量显著减少，但单宁、植酸等抗营养物质含量依然较高；挤压膨化技术是通过将具有一定含水量的单一或混合粉状原料通过装配有螺杆的挤压腔，通过加热、剪切、密闭高压等作用，使物料呈熔融态，最后在模头出口处快速泄压降温，通过物料中水分气化使产品呈良好的疏松多孔的膨化状态。通过对菜籽粕高温高压处理，可达到杀菌、改善物料的物化性质，改善物料的适口性，提高物料的蛋白质利用率，降低单宁、植酸等抗营养物质含量的效果。由于菜籽粕自身粗纤维含量高，含油率低，在膨化腔内阻力大，造成能耗增高，需在膨化前调节待膨化原料中水分含量，水分具有润滑作用，适宜的水分不仅能降低摩擦阻力，从而降低耗电量，而且能获得高质量的膨化产品。

目前研究工作大多集中在直接对菜籽挤压膨化处理，对菜籽粕进一步加工处理的研究相对较少，且研究关注的指标较单一。张巍等报道了油菜籽经膨化后，粗脂肪、粗蛋白质消化率分别提高了120%、55%以上；肖志刚等考察了挤压膨化前后菜粕中单宁含量的变化，通过正交实验设计，优化得到了可使单宁含量降低幅度最大的最优处理条件参数组合，在该实验条件下，单宁含量降低程度达到了未处理原料含量的近50%；M. Liang 等研究了膨化加工处理对高硫苷菜籽粕中硫苷含量的影响。此外，有研究表明，物料的含水量不仅会影响挤压膨化设备的度电产量，而且会影响膨化后产品的营养价值。本文试验目的为探究膨化加工过程中物料水分含量对菜籽粕蛋白作为植物源蛋白原料的综合营养特性及蛋白结构的影响，为菜籽粕加工企业及饲料生产企业生产高质量菜籽粕产品提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用菜籽粕由中粮集团湖北黄冈有限公司提供。原料经粉碎，达到90%过60 目筛标准，粉碎后菜籽粕粉水分含量为9.39%，其作为本试验的对照组；按试验方案的5 个处理组，在菜籽粕粉中额外添加4%、6%、8%、10%、12%（W∶W）的水，在最大混合容量为100 kg 的中试混合机内混合，混合时间5 min 后，测定加水后菜籽粕粉的水分含量，各试验组水添加量及实际原料样品水分含量的检测结果见表1。

表1 各试验组水分添加量及混合后菜籽粕粉实际水分含量(%)

1.2 试验设备及工作参数

试验在中国农业科学院南口中试基地饲料加工车间现代洋工公司TSE 65 型双螺杆膨化机上进行，主机功率22 kW，膨化机的设置参数如下：三节膨化腔温度：30、70、126 ℃，通过调节上料器喂料速度使主机设备电流达到额定值，螺杆转速为245 r/min，模板模孔直径4 mm。

取样原则：根据试验方案调整膨化机运行参数，在膨化机稳定运行10 min后，于膨化机出料口处采集3份样品，采样间隔30 s，取样后立即按国标方法测定膨化样品水分含量，此外，将试样样品烘干（含水量≤10%），于阴凉条件下贮存。

1.3 试验条件及检测方法

1.3.1 膨化前后菜籽粕的营养指标检测方法

营养指标的测定参照国标方法检测，《饲料中蛋白质的测定》GB/T 6432—1994，《饲料中氨基酸的测定》GB/T 18246—2000，《油料饼粕 水分及挥发物含量的测定》GB/T 10358—2008，《饲料中粗灰分的测定》GB/T 6438—2007，《动物性蛋白质饲料胃蛋白酶消化率的测定 过滤法》GB/T 17811—2008。

1.3.2 菜籽粕中蛋白二级结构分析

在Bruker 公司FT-IR 光谱（Tensor 37）上采集不同处理组样品的红外光谱，步骤如下：取样品约2 mg，以1∶100的比例用KBr对样品进行研磨稀释，压片，以空气为背景，采集红外谱图，扫描波数范围为400～4 000 cm-1、分辨率4 cm-1、扫描32次。分别利用Omnic V6.2 和Peakfit V4.12 软件对数据进行预处理及高斯峰拟合处理。

1.3.3 颗粒形貌分析

将约100 mg 样品固定在金属样品平台上，在真空中喷金后，置于电子扫描显微镜（SEM）中以5 kV电子束观察，采集挤压膨化前后的菜籽粕颗粒形貌的照片。

2 结果与分析

2.1 膨化前后菜籽粕常规组分的变化(见表2)

由表2 可以看出，膨化加工后菜籽粕的水分呈现与添加水分一致的升高的趋势；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变化不显著（P＞0.05）。与对照组相比，尽管膨化加工后粗蛋白含量有所提高，但变化不显著（P＞0.05）；膨化加工后菜籽粕的蛋白溶解度发生变化，随水分添加量的增高，膨化加工后菜籽粕的蛋白溶解度呈先上升后降低的趋势；当膨化物料水分含量≤17.62%时膨化加工后菜籽粕的蛋白溶解度高于对照组，当膨化物料水分含量高于此值时，膨化加工后菜籽粕的蛋白溶解度将低于对照组。膨化处理能广泛提高菜籽粕的蛋白体外消化率，且不同处理间存在差异，处理组2、3，即膨化物料水分含量在16.10%～17.62%之间可得到蛋白体外消化率较佳的膨化菜籽粕产品。

蛋白质是衡量营养价值的重要指标，其中决定蛋白质营养价值的主要因素是氨基酸的组成和含量。由表2 可看出，膨化菜籽粕水分含量在14.52%时氨基酸总量损失达13.04%。随着膨化菜籽粕水分的增高，十七种氨基酸总量呈先增高后降低的趋势，在菜籽粕水分含量为19.10%时氨基酸总量最高，为36.37%。尽管膨化处理会对氨基酸总量提升有益，但膨化处理会部分破坏蛋氨酸（Met），与对照组相比，膨化菜籽粕水分含量在16.1%、21.21%时Met 含量皆降低了29.4%；膨化处理会部分破坏赖氨酸(Lys)，赖氨酸含量保留率随膨化菜籽粕水分含量升高呈升高的趋势。

2.2 不同膨化处理对菜籽粕蛋白二级结构影响的FTIR分

表2 膨化菜籽粕中常规组分含量（干基含量，%）

典型菜籽粕蛋白的红外谱图见图1。膨化处理的菜籽粕与未处理的菜籽粕相比，峰型与峰位基本相同。对于酰胺Ⅲ带谱峰拟合后的各个子峰及二级结构的对应关系参照Cai 等的方法进行。其中，1 330～1 295 cm-1为α螺旋；1 295～1 270 cm-1为β 转 角；1 270～1 250 cm-1为 无 规 卷 曲；1 250～1 220 cm-1为β折叠。膨化菜籽粕酰胺Ⅲ带红外谱图根据不同二级结构拟合后的高斯图见图2，对经过不同水分含量膨化前后菜籽粕的红外光谱的采集及处理得到各不同二级结构峰面积的比较见图3，从二级结构的变化可看出，膨化处理会降低菜籽粕蛋白经β折叠含量，随着菜籽粕水分含量的增加，β折叠呈不断增高的趋势，对照组中β折叠的含量为65.69%，水分含量为14.52%时，β折叠降低最显著，含量为50.42%；水分含量21.21%的处理组，β折叠的含量为62.00%；无规卷曲随着菜籽粕水分含量的增加，呈降低的趋势，在水分含量为14.52%时，无规卷含量高达32.30%，而对照组中无规卷含量仅为19.97%；β转角含量随着菜籽粕水分含量的增加，呈先增高后降低的趋势，与无规卷不同，β转角含量在菜籽粕水分含量为17.62%时最大，为16.57%；α螺旋处理前后没有明显的变化，除在水分含量为14.52%时，α螺旋含量为2.5%外，其他处理组α螺旋含量的变化不显著。有研究表明，二级结构的含量可能与其体外消化率有一定关系，改变菜籽粕二级结构的β 折叠与α 螺旋的相对含量，可能利于酶与蛋白分子的接触，这也可能是菜籽粕蛋白经膨化处理后体外消化率提高的一个原因。

2.3 挤压膨化对菜籽粕颗粒表面结构的影响(见图4)

由图4(A)可看出，膨化处理前菜籽粕颗粒的表面较完整，紧密有序；而图4(B)菜籽粕经膨化处理后表面变得疏松，表面积增大，在其周围形成了明显的纤维状且连续的表面质构特征，具有孔状的纤维结构。

图1 菜籽粕蛋白的红外谱图

图2 红外光谱酰胺Ⅲ带去卷积图谱拟合图谱

图3 膨化处理后菜籽粕蛋白的二级结构含量

图4 膨化处理前后菜籽粕粉颗粒SEM图

3 讨论

膨化处理下，菜籽粕蛋白溶解度随含水量的升高呈先升高后降低的趋势。是由于膨化处理改变了菜籽蛋白质的理化性质，高温高压处理使蛋白聚集变性，从而改变了菜籽蛋白质的溶解性。菜籽粕水分含量在挤压膨化处理时对蛋白质消化率的影响程度高，水分含量较低时，蛋白质的热稳定性高，蛋白质分子及肽链的移动受到限制，对蛋白质破坏程度较低。随着水分含量增加，水分子穿透蛋白质分子的表面，使蛋白质分子及肽链的移动性和柔性增强，加剧了对蛋白质分子的破坏性。但若继续添加水分，使水分含量过高，使物料间及物料与膨化腔间摩擦减小，降低了物料在膨化腔内的停留时间，则缓解了蛋白质变性程度。

膨化物料的水分含量低时，膨化机中螺杆对物料的作用力更强，外部机械能输入更高，物料温度升高得多，赖氨酸具有裸露的氨基更易使美拉德反应发生，随着水分含量的升高，物料颗粒间及物料与膨化腔摩擦阻力小，流动性变好，外部机械能输入低，美拉德反应程度小。此外，膨化腔内高温、高压、高剪切作用使菜粕蛋白三级和四级结构被充分破坏，蛋白质分子结构发生伸展、重组，分子表面的电荷重新分布趋向均匀化，分子间氢键、二硫键部分断裂，导致蛋白质不可逆变性，部分结合蛋白质得到释放，导致氨基酸总量升高。红外图谱的相关波段可被用来反映蛋白变化的二级结构。膨化前后菜籽粕的红外图谱峰形和峰位基本相同，说明膨化处理后化学结构未发生明显变化，膨化过程中未发生显著的化学变化。

菜籽粕颗粒膨化前后相貌上的变化是由于膨化处理的结果。在膨化腔内，由于热能和机械能的作用，菜籽粕粉被剧烈地挤压、搅拌、剪切，使物料呈熔融态，热物料自模孔喷出时，由于模孔内外压力和温度差异较大，存在于物料中的水分急骤汽化，使菜籽粕粉颗粒转变成松散无序结构，这种结构由于空间位阻的减小，有助于动物体内消化酶的进一步作用，从而提高菜籽粕的生物利用率。

4 结论

总之，膨化原料菜籽粕粉的总水分含量在9.39%～21.21%范围内，随着水分含量的增加，膨化后菜籽粕的蛋白溶解度逐渐降低，蛋白质体外消化率呈现先升高后降低的趋势，通过FT-IR 及SEM 分析，膨化处理菜籽粕蛋白二级结构中β折叠含量明显减少，无规卷曲含量增加，膨化导致的菜籽粕颗粒结构的改变使酶分子更容易接近，这些变化或许是蛋白质体外消化率提高的主要原因之一。膨化过程物料间发生了复杂的变化，物料由于膨化而产生的物化性质的改变并不是单一因素的作用结果，与螺杆转速、膨化腔温度以及喂料速度等多因素有关，因此，膨化过程中的加工参数如温度、压力等，及上述参数与物料水分含量的交互作用对蛋白质原料的营养值的影响仍需进一步的研究。