菜籽粕中抗营养物质的研究

菜籽粕中抗营养物质的研究

油是世界上最重要的石油产品之一。1978年以来,我国的油菜种植面积和产量都居世界第一位,单产也已超过世界平均水平,2000年油菜种植面积达667万hm2,产量1059万t。菜籽油已占到我国食用油的50%以上,且比例还在不断上升。油菜籽加工副产物菜籽粕每年约产500万t,由于其价格便宜,蛋白含量高,是一种潜在的植物蛋白来源,极具研究开发价值。油菜籽中含有21%～24%的蛋白质,脱脂菜籽粕中含有33%～39%的蛋白质,其中80%～87%是真蛋白。菜籽蛋白主要是由高相对分子质量的12S蛋白和低相对分子质量2S蛋白组成,其含量随油菜籽种类的不同而有所改变。菜籽蛋白氨基酸组成合理,富含赖氨酸,几乎不存在限制性氨基酸,接近联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)的推荐值。刘志同对菜籽蛋白与大豆、花生、棉籽等其他植物蛋白的氨基酸组成进行了比较,结果表明菜籽蛋白中赖氨酸含量和大豆蛋白接近,而蛋氨酸含量比大豆蛋白还高。同时,菜籽蛋白的生物价和营养效价也比其他植物蛋白的高,说明了菜籽蛋白是一种理想营养源。由于菜籽粕中的硫代葡萄糖甙(glucosinolates,GL)能水解生成致甲状腺肿大和其他有毒的物质以及一些抗营养因子如植酸、多酚类物质,使其利用受到制约。本文系统阐述去除菜籽饼粕中有毒物质的方法,为合理加工利用菜籽饼粕提供参考。1抗脂肪因素1.1硫呤热分解成岩的危害大,危害干硫代葡萄糖甙简称硫甙,以钾盐的形式存在于菜籽饼粕中,它有70余种,依据R基团中是否有羟基存在,可分为带羟基硫甙(简称PG硫甙)和不带羟基硫甙。硫甙一般比较稳定,遇酸性溶液变成羧酸;在碱性溶液中,它能转变成氨基酸和其他产物。硫甙自身和其分解产物均有毒性,其主要分解方式有2种,即酶分解和热分解。酶分解主要有2种:一种是利用植物本身的芥子酶,在自然pH下发生的自体分解的水解反应;另一种是利用外加的芥子酶,在人工控制的最适宜pH下发生的非自体的水解作用。2种水解反应的水解产物相差较大,自体分解时产物中氰化物多,异硫氰酸盐(isothticyanate,ITC)少;非自体分解作用则正好相反。硫甙分解产物对甲状腺、肝脏、肾脏有毒害作用,并严重影响饲料适口性,对动物的繁殖机能产生影响。硫甙热分解的主要产物是腈类物质。硫甙的分解产物主要有以下几种:(1)噁唑烷硫酮(oxazolidinethione,OZT)。OZT是一种水溶性物质,由含羟基的芥子酶酶解硫甙而成,是菜籽粕的主要毒素,对甲状腺的毒害作用最大,被称为甲状腺肿素(goitrin),其毒性作用主要表现在2个方面:一是抑制甲状腺内活化碘和甲状腺结合,影响甲状腺素的生成,从而抑制甲状腺的生长;二是干扰甲状腺球蛋白分解,抑制甲状腺素释放,导致甲状腺肿大。在游离状态下没有毒性作用,但通过与酶反应产生有活性的噁唑烷硫酮起到毒性作用。(2)异硫氰酸盐。它不溶于水,易挥发,有腥味。异硫氰酸盐和硫氰酸盐都具有强烈的刺激性和穿透性,长期饲喂含硫氰酸盐的饲料,易对动物的消化道黏膜产生强烈的刺激和损伤,当异硫氰酸盐在动物体内累积到一定程度,会使动物体重下降,耗料量增加,高浓度异硫氰酸盐对动物生理有明显的影响,尤其是甲状腺功能。(3)硫氰酸盐(thiocycauate)。硫氰酸盐的硫氰离子(SCN-)与I-的摩尔体积相似,在甲状腺细胞聚碘过程中,SCN-与I-竞争,从而减少了甲状腺对碘的浓聚,使饲料中的碘难于被甲状腺利用,导致甲状腺素生成不足,继而发生甲状腺肿大,引起机体代谢紊乱和生长受阻等不良现象。(4)腈类化合物(nitrile)。抗甲状腺作用较其他分解产物弱,但其毒性是分解产物中最强的,易使动物的肝脏和肾脏受到损伤,导致肝出血和肝坏死。1.2菜籽中磷的贮藏和利用植酸普遍存在于植物性饲料尤其是油料饼粕中,植酸的化学结构为环己六醇磷酸酯,分子式为C6H18O24P6,相对分子质量为660.08,分子中有6个磷酸基基团,是油菜籽中磷的主要贮存形式。植酸在很宽的pH范围内带有负电,是一种很强的金属螯合剂,与钙、镁、钾、钠、铁等金属离子结合,生成植酸盐,植酸盐必须在消化道内经植酸酶水解成无机盐形式才能被利用,非反刍动物尤其单胃动物消化道内缺乏植酸酶,因而植酸降低了这些矿物质元素的利用率从而降低了它们的效价。植酸也易与带正电的蛋白质结合生成不易溶解的复合物,使其不易消化和抑制胃蛋白酶、胰蛋白酶、淀粉酶和胰脂肪酶的活性,这不仅降低了营养成分的利用率,而且造成后肠营养物蓄积,从而为病原菌入侵提供“温床”。1.3籽用户含铜的化合物单宁和芥子碱都属于酚类化合物,主要分布于油菜籽的子叶和皮壳中,总含量约为15.4～16.4g/kg,它们不是双低菜籽粕中主要抗营养因子。单宁是水溶性多酚类物质,又称单宁酸或鞣质,是一种不含氨的酚类植物毒素。单宁通常存在于油菜籽外壳中,是使菜籽饼粕呈黑色的重要因素,含量为1.6%～3.1%,主要是缩合单宁,它能使动物的生长机能减退,大概有以下4种原因:①味苦,影响适口性,减少动物的采食量;②在动物的消化道中与日粮中的蛋白质结合,生成不溶性化合物,使动物不能消化;③单宁对蛋白质的亲合性可以引起蛋白消化酶、脂肪酶和淀粉酶的失活以致影响动物的生长和食物转化;④可与多种金属离子如钙、铁、锌等发生沉淀作用,从而降低它们的利用率。菜籽粕中含有约1.0%～1.5%的芥子碱,芥子碱是芥子酸(sinapic)和胆碱(choline)作用生成的酯类物质,称为4-羟基-3,5二甲氧基苯丙烯胆碱酯,分子式为C6H25O6N,能溶于水,易发生非酸催化的水解反应,生成芥子酸和胆碱,芥子碱是菜籽粕产生苦味的主要原因之一。2脱毒法2.1物理方法2.1.1减少抗营养因子油菜籽中大部分抗营养因子主要集中在油菜籽的壳中,因此油菜籽经脱壳处理后可以减少大部分抗营养因子,提高菜籽粕的营养价值和利用价值。但此方法不能彻底除去抗营养因子,残留的抗营养因子需进一步处理。2.1.2互接触及反应以前的研究认为硫甙本身没有毒性,油菜籽破碎后硫甙与芥子酶相互接触并发生反应,使硫甙被酶分解成有害物质。如果将芥子酶钝化,便可起到阻止硫甙分解产生有毒物质的作用,但最近的研究发现,硫甙本身也是有毒的,所以此法只能作为一种辅助的去毒方法。2.1.3菜籽蛋白超滤所谓超滤是指以压力差为推动力,利用超滤膜对分离组分选择性截留相对分子质量大的物质,而溶剂和小分子物质透过。刘志强等人将用水相酶解法提取的菜籽蛋白在操作压力0.20～0.30MPa,温度50℃,料液pH9～10条件下进行超滤,所得菜籽蛋白不含毒素,纯度及回收率均在90%以上。胡志和等人利用超滤膜分离菜籽蛋白,可得到不含毒素的纯度在90%以上的菜籽蛋白。目前,此方法脱毒效果最好,但由于成本较高,无法进行大规模工业化的生产应用。2.1.4菜籽饼蛋白的分离和提取该法具有较高的脱毒效果,其脱毒原理是:菜籽饼粕中有毒物质硫甙及其降解产物均易溶于水;芥子碱可遇水水解,生成胆碱和芥子酸,两者均溶于水。另外,大部分单宁是水溶性物质。陆艳等人用V(醋酸)∶V(乙醇)∶V(水)为5∶90∶5的混合溶剂,在固液比1∶10,76℃下搅拌45min对菜籽饼进行处理,结果植酸脱除率为84.2%,硫甙含量为0.78%,残油率为2.66%,且干物质损失少,菜籽饼粕的营养成分得到提高。另外,提取分离菜籽蛋白时,由于抗营养因子在不同pH时溶解度不同,也可以起到脱毒的作用。EiNockrashy等人采用NaOH溶液4级逆流萃取,可萃取出粕中94%的氮,然后相继以pH6.0和pH3.6二段沉淀蛋白质,总收率可达原始饼粕中氮的72%,分离蛋白含粗蛋白质90%以上,且不含硫甙。此过程经改进和放大,在pH为9.5和12.0下进行二段萃取,然后再进行二段沉淀,其结果只是植酸含量偏高,二段沉淀得到的分离蛋白中植酸含量分别为9.8%和4.3%。严奉伟等人用70%丙酮和其他溶剂依次提取菜籽粕中多酚和植酸后,粕中蛋白质含量为70.23%,而有害物硫甙、抗营养物质多酚、植酸含量分别为0.76μmol/g、1.33mg/g、3.01%,分别比处理前下降96.55%、95.88%、38.45%。2.2碱的脱毒处理常用的化学方法是在饼粕中加碱、氨和硫酸亚铁等进行处理。碱处理法可破坏硫甙和绝大部分芥子碱,通常采用NaOH、Ca(OH)2或Na2CO3,以Na2CO3脱毒效果最好。氨处理法通过加热使氨与硫甙反应生成无毒的硫脲。硫酸亚铁处理法的原理在于铁离子与硫甙及其降解产物分别形成螯合物不被畜禽吸收,从而使其失去毒性。2.3氨基酸及氨基酸外氨基酸利用外加的酵母菌,可对菜籽粕进行发酵脱毒。有关资料表明菜籽粕经发酵处理后,除异亮氨酸、赖氨酸外,其他氨基酸含量均有所提高,蛋白及维生素的含量也有所提高,钙、磷易吸收,噁唑烷硫铜、异硫氰酸盐含量显著降低。蒋玉琴等人采用少孢子根霉菌、乳酸菌等复合菌溶液,在适宜的条件下进行菜籽粕的发酵脱毒,结果菜籽粕中硫甙的降解率在50%～60%。2.4“双低”柴油品种—遗传学方法此方法是最有前景的方法,利用遗传学方法培育出芥酸、硫甙含量均低的双低油菜。前者改良了菜籽油的品质,后者改良了菜籽饼粕的品质。这是一个从根本上解决油菜籽中抗营养因子的方法。1974年加拿大曼尼托巴大学的保德·斯蒂芬森博士(Dr.BaldurStefansson)育成了世界上第一个低芥酸和低硫甙的“双低”油菜品种,也产生了油菜新名称——卡诺拉(canola)。华中农业大学用温敏型波里马细胞质雄性不育两用系“195A”与恢复系“7-5”配组的两系杂交油菜品种。该品种经农业部农作物种子质量监督检验测试中心(武汉)测定,粗脂肪含量41.49%,芥酸含量0.27%,饼粕硫甙含量为22.41μmol/g,品质达到“双低”油菜