魏二虹,张文举,刘东军

(石河子大学动物科技学院,石河子832003)

不同热处理对棉籽饼中棉酚含量的影响

魏二虹,张文举,刘东军

(石河子大学动物科技学院,石河子832003)

为研究探讨不同形式棉酚含量的变化规律,采用L9(34)正交试验,分析了加热时间、温度和湿度不同组合处理对棉籽饼中总棉酚、游离棉酚和结合棉酚含量的影响。结果表明:1)棉籽饼在加热处理条件下,加热时间、温度和湿度对消除总棉酚、游离棉酚和结合棉酚含量均有极显著(P<0.01)影响,对游离棉酚而言,其主次效应因素顺序为湿度、时间和温度;而对总棉酚和结合棉酚而言,其主次效应因素顺序为温度、湿度和时间。三因素间具有极显著(P<0.01)的组合效应,其中A3B3C2处理为最优水平组合,即加热时间30min、温度120℃、湿度50%。2)棉籽饼在加热处理过程中,游离棉酚含量的降低主要是由于加热时间、温度和湿度的交互作用,游离棉酚绝大部分被分解消除,未形成结合棉酚,从而达到脱毒的目的。

棉籽饼;加热时间;加热温度;棉籽饼湿度;棉酚含量

棉籽饼粕是棉籽榨油后的副产物,是重要的蛋白饲料资源,其粗蛋白含量在30%～45%,但由于含有有毒成分棉酚,会对动物生产、发育和繁殖等方面产生明显的不良影响,因而限制了棉籽饼粕安全而有效的用作畜禽蛋白饲料,其利用价值和使用量都受到极大限制。为此,国内外有关研究人员对棉籽饼粕的脱毒方法及途径进行了广泛而深入的研究,取得了许多研究成果,如物理法[1,2]、化学法[2～5]以及微生物发酵法[6～13]等,其中物理法中的水热处理法是传统的处理工艺,一般采用蒸煮或蒸汽等加热加压方法脱毒。其原理是根据棉籽饼粕在水中可破坏棉籽色素腺体,使游离棉酚释放出来,在高温下蛋白质、氨基酸结合形成结合棉酚脱毒[14]。微生物发酵脱毒法是我国从事棉籽饼脱毒研究方面的独特方法,处于国际领先地位,国外相关报道极少。生物发酵法就是将特定微生物接种到棉籽饼粕培养基中,在一定的条件下利用微生物在饲料原料中的生长繁殖和新陈代谢,棉酚被分解利用或与蛋白质氨基酸结合形成结合棉酚,从而达到脱毒的目的。

目前,国外有关棉籽饼粕微生物发酵脱毒研究的文献很少,国内有深度的文献也不多,发酵脱毒机理尚无定论。张文举[2]研究发现加热处理可极显著降低结合棉酚含量,随着处理温度的增加脱毒效果显著提高。贾晓峰[13]发现微生物固态发酵对棉籽粕棉酚脱毒主要是高温高压灭菌作用。本试验采用正交试验设计方法,研究加热时间、温度和湿度不同组合处理对棉籽饼中总棉酚(total gossypol,TG)、游离棉酚(free gossypol,FG)和结合棉酚(bound gossypol,BG)含量的影响,并探讨棉酚变化规律,以期为研究棉籽饼中棉酚脱毒机理提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 底物

棉籽饼(新疆石河子产),粉碎,过60目筛。样品中TG含量7062.7mg/kg,FG含量921.7mg/kg,BG含量6141.0mg/kg,粗蛋白含量39.20%。

1.1.2 试验仪器

微型植物粉碎机(FZ102,北京);电子天平(AB204.S,瑞士),称量精度0.0001g;高压蒸汽灭菌锅(MLS-3750,日本);电热恒温鼓风干燥箱(GZX-9246MBE,上海);数显全温振荡器(金怡HZQ-2,金坛);电热恒温水浴锅(DKB-501A,上海);紫外-可见光光度计(755B,上海)。

1.1.3 主要试剂

异丙醇(分析纯,HG/T2892-1997,天津);正己烷(分析纯,Q/12HG-989-200,天津);3-氨基-1-丙醇(化学纯,Q/HG22-1941-78,上海);苯胺(分析纯,GB/T691-1994,天津);冰乙酸(分析纯,GB/T676-1990,天津);锌粉 (分析纯 ,Q/HB3639-2003,天津);N-N-二甲基甲酰胺(分析纯,GB/T17521-1998,天津)等。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

本试验采用正交试验设计,试验处理因素和水平见表1。试验按照正交表L 9(34)设置三因素四水平试验处理(表2)。

表1 正交试验因素水平Tab.1 Level-factor of orthogonal experiment

1.2.2 样品处理方法

将棉籽饼100g置于500mL三角瓶中,按照固液比为 1∶0.5、1∶0.8、1∶1.25的比例,用蒸馏水调湿棉籽饼,混匀,其水分含量分别约为40.0%、50.0%、60.0%,然后按表1的因素组合处理样品,共9个处理组,每个处理组设3个重复,同时做1个对照组。处理结束后,将处理后的棉籽饼及未处理的棉籽饼(对照)放入烘箱中,60℃烘干48h,粉碎,过60目筛,装入样品袋中置于4℃冰箱中待测。本试验测定样品均为风干基础物质。

1.2.3 分析测定

FG参照文献[16]中方法进行测定;TG参照文献[17]中方法进行测定;BG按照公式BG=TGFG计算得出:

FG(TG或BG)消除(%)=100%-

1.2.4 试验数据统计方法

应用DPS统计软件对试验数据进行正交试验方差分析及多重比较(LSD)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对棉籽饼TG含量的影响

由表2可见,棉籽饼经不同因素加热处理后TG含量均为极显著(P<0.01)降低,消除率为16.8%～32.9%。从表2极差值R和表3的 F值结果都可得出,对 TG含量影响的主次效应因素顺序为:温度、湿度和时间。

由表3可见,A、B、C三因素 F值均大于 F0.01(2,16)值,表明加热时间、温度和湿度对棉籽饼中TG含量均有极显著影响(P<0.01)。各处理重复组间 F值小于 F0.01(2,16)值,表明试验处理重复性好,结果可靠。模型误差(e1)的 F值大于 F0.01(2,16)值,表明A、B、C三因素间有极显著(P<0.01)的交互作用,从表2可见A3B3C2处理的棉籽饼中TG含量最低,为4735.9mg/kg,TG消除率最高,为32.9%;而A1B3C3处理的棉籽饼中 TG含量最高,为5879.2mg/kg,TG消除率仅16.8%。

通过对A、B、C三因素不同水平进行方差分析,结果见表2(K值),加热时间、温度两因素的 K1、K2水平间差异不显著(P>0.05),但 K1、K2与 K3间均差异极显著(P<0.01);湿度因子的三水平间差异极显著(P<0.01),表明各因素不同水平对棉籽饼中 TG含量有极显著影响(P<0.01),其中A3B3C2处理为消除 TG的最优水平组合。

表2 正交试验设计及TG含量(以风干物质计)Tab.2 Orthogonal experiment design and contents of TG(air-dried matter basis)

表3 TG正交试验结果方差分析Tab.3 The TGexperimental results of orthogonal analysis of variance

2.2 不同处理对棉籽饼FG含量的影响

由表4可见,棉籽饼经不同因素加热处理后FG含量均极显著(P<0.01)降低,消除率达78.0%～92.8%。从表4极差值 R和表5的 F值结果都可得出,对FG含量影响的主次效应因素顺序为:湿度、时间和温度。

由表5可见,A、B、C三因素的 F值均大于F0.01(2,16)值,表明加热时间、加热温度和棉籽饼湿度对棉籽饼中FG含量均有极显著影响(P<0.01)。各处理重复组间 F值小于 F0.01(2,16)值,表明试验处理重复性好,试验结果可靠。模型误差(e1)的 F值大于 F0.01(2,16)值,表明A、B、C三因素间有极显著(P<0.01)的交互作用,从表2可见A3B3C2处理的棉籽饼中FG含量最低,仅为66.0mg/kg,消除率最高,达92.8%;而A1B3C3处理的棉籽饼中 FG含量最高,达203.1mg/kg,消除率仅78.0%。

通过对A、B、C三因素不同水平进行方差分析,结果见表4(K值),除温度因素的 K1、K3水平间差异不显著(P>0.05)外,其余各因素各水平间均差异极显著(P<0.01),表明各因素不同水平对棉籽饼中 FG含量有极显著(P<0.01)影响,其中A3B3C2处理为最优水平组合。

表4 正交试验设计及FG含量(以风干物质计)Tab.4 Orthogonal experiment design and contents of FG(air-dried matter basis)

表5 FG正交试验结果方差分析Tab.5 The FG experimental results of orthogonal analysis of variance

2.3 不同处理对棉籽饼BG含量的影响

由表6可见,棉籽饼经不同因素加热处理后BG含量均极显著(P<0.01)降低,消除率为7.4%～24.0%。从表6极差值R和表7的 F值结果都可得出,对BG含量影响的主次效应因素顺序为:温度、湿度和时间。

由表7可见,A、B、C三因素的 F值均大于F0.01(2,16)值,表明加热时间、温度和湿度对棉籽饼中BG含量均有极显著影响(P<0.01)。各处理重复组间 F值小于 F0.01(2,16)值,表明试验处理重复性好,试验结果可靠。模型误差(e1)的 F值大于 F0.01(2,16)值,表明 A、B、C三因素间有极显著(P<0.01)的交互作用,从表6可见A3B3C2处理的棉籽饼中BG含量最低,为4669.9mg/kg,BG消除率最高,为24.0%;而A3B2C1处理的棉籽饼中BG含量最高,为5684.0mg/kg,BG消除率仅7.4%。

通过对A、B、C三因素不同水平进行方差分析,结果见表6(K值),加热时间、温度两因素的 K1、K2水平间差异不显著(P>0.05),但 K1、K2与 K3间均差异极显著(P<0.01);湿度因子的三水平间差异显著(P<0.05),表明各因素不同水平对棉籽饼中BG含量有显著(P<0.05)影响,其中A3B3C2处理为消除BG的最优水平组合。

根据表2、4、6中 TG、FG和BG的试验结果 ,计算出 TG、FG和BG消除量,结果见表8。从表8可见,TG消除量等于BG和FG消除量之和,其中FG消除量占 TG消除量36.8%～63.4%,BG消除量占TG消除量36.6%～63.2%。可见棉籽饼在加热脱毒过程中,FG含量的降低主要是由于加热时间、温度和湿度的交互作用,FG被分解消除。

表6 正交试验设计及BG含量(以风干物质计)Tab.6 Orthogonal experiment design and contents of BG(air-dried matter basis)

表7 BG正交试验结果方差分析Tab.7 The BGexperimental results of orthogonal analysis of variance

2.4 TG消除量与BG和FG消除量的关系

结果见表8。

表8 TG消除量与FG、BG消除量的计算结果Tab.8 The decresage contents of TG,BGand FG

3 讨论

棉籽饼经加热处理可显著降低FG含量已有多篇文献报道[1,2,13,15],但 FG是被降解消除,还是形成BG未见报道,TG和BG的变化规律未见阐明。

本研究发现加热时间、温度和湿度对消除棉籽饼TG、FG和BG含量均有极显著(P<0.01)影响,对FG而言,湿度和时间为主效因素;但对 TG和BG而言,温度和湿度为主效因素。三因素间具有极显著(P<0.01)的组合效应,且不同水平间差异显著(P<0.05),其中A3B3C2处理为最优水平组合,即加热时间30min、温度 120℃、湿度50%时,可使棉籽饼 FG从921.7mg/kg降至66.0mg/kg,消除率92.8%;TG从7062.7mg/kg降至 4735.9mg/kg,消除率为32.9%;BG从6141.0mg/kg降至4669.9mg/kg,消除率为24.0%。研究发现随着加热时间的延长和温度的增高,TG和BG的消除率显著提升,但湿度因子表现为中等湿度(50%的含水量)对棉籽饼 TG、FG和BG具有良好的消除降解效果。本研究结果表明加热处理使棉籽饼中的大部分FG得以降解消除,并未形成BG;同时发现,在加热处理过程中棉籽饼部分 TG和BG均被降解消除。

4 结论

1)棉籽饼在加热处理条件下,加热的时间、温度和湿度对消除FG、TG和BG含量均有极显著(P<0.01)影响,对 FG而言,其主次效应因素顺序为湿度、时间和温度;而对 TG和BG而言,其主次效应因素顺序为温度、湿度和时间。三因素间具有极显著(P<0.01)组合效应,其中A3B3C2处理为最优水平组合,即加热时间30min、温度120℃、湿度50%。

2)棉籽饼在加热处理过程中,FG含量的降低主要是由于加热时间、温度和湿度的交互作用,FG绝大部分被分解消除,未形成BG,从而达到脱毒的目的。

[1]Noftsger S M,Hopkins B A,Diaz D E,et al.Effect of whole and expanded-expelled cottonseed on milk yield and blood gossypol[J].J Dairy Sci,2000,83,2539-2547.

[2]张文举.高效降解棉酚菌种的选育及棉籽饼粕生物发酵的研究[D].杭州:浙江大学,2006.

[3]Tabatabai F,Golian A,Salarmoeini M.Determination and detoxification methods of cottonseed meal gossypol for broiler chicken rations[J].Agric Sci Technol,2002,16(1):3-15.

[4]Nagalakshmi D,Sastry V RB,Agrawal D K.Detoxification of undecorticated cottonseed meal by various physical and chemical methods[J].Anim Nutr Feed Technol,2002,2(2):117-126.

[5]Barros M M,Lim C,Klesius P H.Effect of soybean mealreplacement by cottonseed meal and iron supplementation on growth,immune response and resistance of Channel Catfish(Ictalurus puctatus)to Edwardsiella ictaluri challenge[J].Aquaculture,2002,207:263-279.

[6]吴小月,陈金湘.利用微生物降解棉仁饼粕中游离棉酚的研究[J].中国农业科学,1989,22(2):82-86.

[7]钟英长,吴玲娟.利用微生物将棉籽中游离棉酚脱毒的研究[J].中山大学学报(自然科学版),1989,28(3):67-72.

[8]Zhang W J,Xu Z R,Sun J Y,et al.Effect of selected fungi on the reduction of gossypol levels and nutritional value during solid substrate fermentation of cottonseed meal[J].Journal of Zhejiang University Science B,2006,7(9):690-695.

[9]Zhang W J,Xu Z R,Sun J Y,et al.A Study on the reduction of gossypol levels by mixed culture solid substrate fermentation of cottonseed meal[J].Asian-Australasian Journal of Animal Science,2006,19(9):1314-1321.

[10]Zhang WJ,Xu Z R,Zhao S H,et al.Development of a microbial fermentation process for detoxification of gossypol in cottonseed meal[J].Animal Feed Science and Technology,2007,135:176-186.

[11]Zhang W J,Xu Z R,Zhao S H,et al.Optimization of process parameters for reduction of gossypol levels in cottonseed meal by Candida tropicalis ZD-3 during solid substrate fermentation[J].Toxicon,2006,48:221-226.

[12]杨继良,周大云,杨伟华,等.高效降解棉酚菌种的筛选及棉子饼脱毒参数的研究[J].棉花学报,2000,12(5):225-229.

[13]贾晓峰.棉籽粕棉酚脱毒及蛋白质降解的影响[D].杨凌:西北农林科技大学,2008.

[14]Nagalakshmi D,Sastry V RB,Agrawal D K.Detoxification of undercorticated cottonseed meal by various physical and chemical methods[J].Anim Nutr and Feed Tech,2002,2(2):117-126.

[15]院 江,孙新文,丁 宁,等.微生物发酵对棉籽壳营养成分及游离棉酚的影响[J].石河子大学学报(自然科学版),2006,24(3):299-301.

[16]GB/T 13086-1991,中华人民共和国国家标准[S].

[17]ISO 6866-1985,国际标准组织[S].

The Influences of Different Heat Treatments on the Contents of Gossypol in Cottonseed Cake

WEI Erhong,ZHANG Wenju,LIU Dongjun
(1 College of Animal Science and Technology,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

To investigate the reduction regularity of various gossypol,the design of orthogonal experiment was adopted,and the orthogonal table L9(34)was adopted to analyze the effect of different treatments on the contents of total gossypol,free gossypol and bound gossypol in cottonseed cake.The results showed that the heating time,heating temperature and humidity of cottonseed cake all have extremely significant effects(P<0.01)on the reduction of total gossypol,free gossypol and bound gossypol in cottonseed cake during heat treatment,asfor free gossypol the main effect factor was humidity of cottonseed cake,next being the heating time and last heating temperature,while for total gossypol and bound gossypol,the main effect factor was heating temperature,next being the heating time and last humidity of cottonseed cake.There were extremely significant interaction effects(P<0.01)on the reduction of total gossypol,free gossypol and bound gossypol in cottonseed cake among the 3 factors,and the group of A3B3C2,that is to say,the treatment of heating time 30min,heating temperature 120℃and humidity of cottonseed cake 50%,was the best.During the heating process,the free gossypol decrease mainly depended on the interaction of the heating time,temperature and humidity of cottonseed cake,and free gossypol of reduction part was degraded completely,not changed into bound gossypol,therefore,the objective of cottonseed cake detoxification was accomplished.

cottonseed cake;heating time;heating temperature;humidity of cottonseed cake;contents of gossypol

张文举(1966-),男,教授,从事饲料资源的开发与利用;e-mall:zhang-wj1022@tom.com。

S816.43

A

1007-7383(2010)01-0052-06

2009-08-27

魏二虹(1981-),女,硕士生,专业方向为饲料资源的开发与利用;e-mail:weihonghelen@126.com。