膨化大豆的保温时间对抗营养因子和蛋白质溶解度的影响

程 慧，王 梅，杨振才

（河北师范大学生命科学学院，河北石家庄 050024）

在饲料加工业中，为降低成本，常用相对廉价的植物蛋白替代昂贵的鱼粉等动物蛋白。大豆中含有丰富的蛋白质和脂质，具有高度的营养价值，是畜牧和水产业中一种优质的植物蛋白原料。但其含有的抗营养因子（胰蛋白酶抑制因子、大豆球蛋白、β-伴大豆球蛋白和脲酶等） 会影响动物的生长性能和健康。有研究表明，胰蛋白酶抑制因子会导致动物消化道内的胰蛋白酶含量下降，降低蛋白质的消化率，并能引起胰代偿性增大；抗原蛋白可降低蛋白质利用率，且对幼龄动物的消化道有强烈的致敏作用，损害肠道结构（Zhang 等，2019；孙泽威等，2006；张国龙等，1995）。因此，必须通过一些加工手段来尽可能多的钝化这些抗营养因子。另外，随着养殖业的快速发展，我国大豆的进口量急剧增加，导致大豆价格升高。因此在饲料制作中，大豆能否被更有效的加工利用就显得尤为重要。

与其他加工工艺相比，挤压膨化加工可以显著降低大豆中抗营养因子含量（姚怡莎等，2016；赵元等，2007），是大豆加工最好的选择，其生产出的产品即是膨化大豆。目前国内生产膨化大豆的方法主要分两种：湿法膨化和干法膨化。湿法膨化机结构复杂、操作繁琐，且膨化前的调质环节不易操作，水分过多、粉料受热不均或颗粒大小不一，都易引起膨化机的堵塞（汤永忠等，2001）。干法膨化机操作简单、耗能低，其不需调质直接膨化的方法可以改善膨化机易堵塞的问题（汤永忠等，2000）。因此国内多数企业采用干法膨化来生产膨化大豆。挤压膨化的主要原理是利用高温、高压和高剪切力去除大豆中抗营养因子（Fallahi 等，2016）。但由于高温时间短，刚刚生产出的膨化大豆中抗营养因子仍有较高含量，特别是抗原蛋白等热稳定性因子。如果直接升高膨化温度或者二次膨化又可能导致膨化大豆过熟或受热不均，造成膨化机堵塞、蛋白质溶解度降低等问题。因此，优化膨化加工工艺对于膨化大豆的广泛应用至关重要。

热处理可以有效的降低抗营养因子的含量和活性（徐学明等，2006）。市场上一般通过检测脲酶活性来评判膨化大豆是否夹生，以蛋白质溶解度来检测膨化大豆是否过熟。但脲酶的热敏性更高，所以其不能完全代表其他抗营养因子的含量 （姚怡莎等，2016）。因此为了更加全面的评价膨化大豆的品质，本试验以胰蛋白酶抑制因子、 抗原蛋白、脲酶活性和蛋白质溶解度为指标，研究延长膨化后的热处理时间对膨化大豆抗营养因子含量的影响，并对保温的时间参数进行探讨，旨在完善大豆膨化后相关的保温工艺和参数，从而改善膨化大豆品质，提高大豆营养物质的利用率。

1 材料与方法

1.1 试验材料 采用DGP160-11 型号的干法膨化机对全脂大豆粉进行膨化，生产的膨化大豆直接进入一个可搅拌的保温罐保温。设备和大豆均来自河北海泰科技有限公司。

1.2 试验设计 全脂大豆粉碎后用干法膨化机进行膨化，膨化温度为140 ℃；将得到的膨化大豆直接放入保温罐中进行保温，同时开启搅拌，以保证膨化大豆受热均匀；在保温 0、20、40、60、80 min时分别取500 g 膨化大豆，冷却后装袋待测。

1.3 指标检测 胰蛋白酶抑制因子、大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白用酶联免疫法（试剂盒购买自北京龙科方舟） 进行测定；脲酶用国标法GB/T8622-2006 进行测定；蛋白质溶解度用河北省地方标准DB13/T 812-2006 进行测定。

2 结果

2.1 不同保温时间对膨化大豆抗营养因子含量的影响 经过膨化后保温，膨化大豆抗营养因子含量表现出不同程度的下降（表1），其中脲酶含量膨化后已降为0.00 U/g。与未保温的膨化大豆相比，保温80 min 时，胰蛋白酶抑制因子含量下降了71.00%；大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白也分别下降了62.43%和37.65%。

表1 不同保温时间对膨化大豆抗营养因子含量的影响

2.2 不同保温时间对膨化大豆蛋白质溶解度的影响 如图1 所示，膨化大豆的蛋白质溶解度随保温时间的延长逐渐降低，未保温时，蛋白质溶解度为90.45%，保温20～80 min 期间，蛋白质溶解度由82.69%下降至74.10%。

图1 不同保温时间对膨化大豆蛋白质溶解度的影响

3 讨论

3.1 保温时间对膨化大豆抗营养因子和蛋白溶解度的影响 有研究表明，当膨化温度为120、125、130 ℃时，脲酶活性分别为 0.7008、0.4335、0.2118 U，要满足国标对脲酶活性最高含量0.4 U的要求，膨化温度最少要达到130 ℃（刘福柱等，2001）。另外有研究表明，当膨化温度为 111.2、128.9、142.0 ℃时，膨化大豆脲酶活性分别为0.56、0.28、0.15 U，在一定温度范围内，脲酶活性随温度的升高而降低，膨化温度为130～140 ℃时可以更好的满足家禽对膨化大豆中脲酶活性的要求（张祥等，2005）。李素芬等（2001）研究表明，当膨化温度达到130 ℃时，膨化大豆脲酶活性为0.06 U/g。根据先前的研究，为了在不过分破坏大豆营养的前提下尽可能降低脲酶活性，本试验将膨化温度设定为140 ℃，经过140 ℃高温挤压膨化后，脲酶迅速发生不可逆失活，膨化大豆未经保温时脲酶活性已经降至0.00 U/g，远低于国家标准的上限值0.4 U/g。这与姚伊莎等（2016）测得的市售膨化大豆的脲酶含量一致。另有研究表明，脲酶活性除了与膨化温度有关外，也与大豆的粒度大小、高温时间和大豆蛋白含量等有关（周兵等，2006；杨胜，1996），所以本试验结果与先前的研究并不矛盾。

本试验在膨化机后增加保温装置，相当于延长了膨化大豆的热处理时间。不同抗营养因子的分子结构存在差异，它们对热的敏感性也就不同，因此随着保温时间的延长，胰蛋白酶抑制因子、大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白含量都有不同程度的下降。与未保温的膨化大豆相比，保温80 min 时，胰蛋白酶抑制因子、 大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白含量分别下降了71.00%、62.43%和37.65%。姚怡莎等（2016）结果显示，市场膨化大豆胰蛋白酶抑制因子、 大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白含量的平均值分别为 21.0、38.3 mg/g 和 12.5 mg/g，自制的膨化大豆中三种抗营养因子含量分别为18.3、40.0 mg/g和26.5 mg/g。本试验保温80 min 后膨化大豆的抗营养因子含量要远低于市场。这充分说明延长大豆膨化后的热处理时间，可以很好的实现降低膨化大豆抗营养因子含量的目标。

蛋白质溶解度和抗营养因子一样都会随加热时间的延长而降低，但若加热过度，大豆内可溶性蛋白含量过低，会导致蛋白消化率太低，不利于动物的生长（Jannathulla 等，2017）。在本研究中膨化大豆保温20～80 min 期间，蛋白质溶解度由82.69%下降至74.10%，均在国标范围内（国标70%～85%）。

综上所述，本研究中在保温20～80 min 期间生产的膨化大豆均是符合国家标准，但是究竟哪一时间点生产的膨化大豆的生物学效应更好，仍需进行相关生物学试验来探究。

3.2 膨化阶段和保温阶段抗营养因子的热敏性分析 本研究使用的生大豆中胰蛋白酶抑制因子、大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白的含量分别为23.2、127.5 mg/g 和 108.8 mg/g，经高温挤压膨化后，三种抗营养因子含量分别下降了31.34%、36.24%和64.19%；保温阶段，三种抗营养因子分别下降了48.75%、39.68%和13.48%；经过膨化和保温之后三种抗营养因子含量分别为19.91%、23.95%和22.32%。由此本研究发现，在膨化阶段，大豆中抗营养因子的热敏性从高到低依次为：脲酶、β-伴大豆球蛋白、 大豆球蛋白和胰蛋白酶抑制因子，这与姚怡莎等（2016）得到结果一致；而在保温阶段抗营养因子热敏性却发生改变，由高到低的顺序为：脲酶、胰蛋白酶抑制因子、大豆球蛋白、β-伴大豆球蛋白；从整体来看，热敏性从高到低依次为脲酶、 胰蛋白酶抑制因子、β-伴大豆球蛋白、大豆球蛋白。

膨化阶段主要是通过快速的高温、 高压和高剪切力作用来降低抗营养因子，而保温阶段，仅仅是温度在90～120 ℃的长时间简单热处理（类似烘烤，但水分散失很少）。脲酶和胰蛋白酶抑制因子是热敏性的，而大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白是具有很强的热稳定性的（李德发，2019）。有研究表明，膨化加工因为高压作用可以将抗原蛋白有效钝化，但热炒等普通热处理却不能 （周国安，2006）。郭丽等（2011）的试验也发现，高压可以显著破坏β-伴大豆球蛋白的结构。另外，龙国徽（2015）的研究发现，用120 ℃烘干箱对大豆分离蛋白处理20 min 后，β-伴大豆球蛋白的β-折叠和β-转角含量发生显著改变，而大豆球蛋白的二级结构并没有显著的改变，说明大豆球蛋白的热稳定性比β-伴大豆球蛋白强。孙泽威等（2006）在研究120 ℃蒸汽处理7 min 对大豆抗原蛋白的影响时发现，大豆球蛋白的热稳定性比β-伴大豆球蛋白高。

本研究中，从膨化和保温这一整个阶段来看，大豆抗营养因子的热敏性为脲酶＞胰蛋白酶抑制因子＞β-伴大豆球蛋白＞大豆球蛋白是没有问题的。而膨化和保温这两个阶段中抗营养因子的热敏性顺序不同可能是与加热时间长短和加热方式有关，而且本试验中膨化和保温是一个连续的过程。有研究表明，大豆胰蛋白酶抑制因子在加热处理时，其含量随时间的延长逐渐降低，加热时间不足则胰蛋白酶抑制因子并不能完全消除 （展昕，2008；Brandon 等，1991）。这说明胰蛋白酶抑制因子的钝化是需要时间的。膨化阶段因为时间太短，所以胰蛋白酶抑制因子只钝化了一部分，又因其对热敏感，所以在保温阶段其含量仍然可以有大幅度的下降。而大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白因热稳定性较强，在膨化阶段有较大幅度降低，在保温阶段虽然温度较低但处理时间长，所以大豆球蛋白含量仍有较大的减少。至于保温阶段β-伴大豆球蛋白下降比例较小，可能是因为其在膨化时下降幅度太大，本身已经到了一个比较低的水平，而且保温的温度较低，所以很难再有大幅度的下降。综上所述，大豆抗营养因子在膨化和保温不同阶段对热的敏感性有所不同，二者结合有助于发挥其对抗营养因子的钝化效果。

4 结论

本试验结果表明，大豆脲酶在刚膨化出未保温时已经完全失活，胰蛋白酶抑制因子、大豆球蛋白、β-伴大豆球蛋白含量及蛋白质溶解度随保温时间的延长逐渐下降，均达到目标要求。