于 洋 王承明

(农业部食品安全评价重点开放实验室华中农业大学食品科学技术学院，武汉 430070)

微波化学法脱除油菜籽饼粕中硫苷的研究

于 洋 王承明

(农业部食品安全评价重点开放实验室华中农业大学食品科学技术学院，武汉 430070)

利用微波化学脱除法及响应面设计法对菜籽饼粕中硫苷的脱除工艺进行研究。对多种化学试剂脱毒效果进行比较，筛选最佳试剂，并在单因素的基础上，选定饼粕初始含水量、微波时间、化学试剂浓度3个因素，通过响应面分析得到了优化组合条件。最佳工艺条件是:CaCl2处理菜籽饼粕后，在700 W微波条件下，饼粕初始含水率为33．7%，微波时间为2．29 min，化学试剂质量分数为3．2%，硫苷脱除率为69．27% 。

硫苷 脱除 微波 化学试剂 响应曲面法

硫代葡萄糖苷(glucosinolate)简称硫苷，硫苷是油菜种子中的主要有害成分。完整的硫苷相对无毒，溶于水，有相当大的稳定性［1］。但在一定温度和水分条件下，经过芥子酶的酶解作用而产生异硫氰酸酯、恶唑烷硫酮和腈类等有害物质。这些物质可引起甲状腺肿大，从而造成动物生长速度下降，繁殖力减退［2］。

我国油菜产量巨大，在现代工业条件下加工菜籽，可得到55%左右的菜籽饼粕。一般情况下，菜籽饼粕含蛋白质35%～45%，其营养价值可与联合国粮农组织和世界卫生组织推荐的模式蛋白质相媲美，是具有巨大潜力的优质蛋白饲料资源［3］。但是饼粕中硫苷的存在，制约着油菜籽饼粕的应用，因而菜籽粕中的硫苷脱除显得非常重要。

目前，硫苷的脱除主要有物理法、化学法、生物脱毒法及溶剂浸出法［4］。物理法脱毒主要有热水蒸煮法、焙炒法、水浸法等，主要是利用硫苷的水溶性及在高温作用下发生降解反应，生成易挥发和耐热性差的降解产物，但同时也引起蛋白质的生物效价降低及水溶性固形物的损失。化学法包括醇加氨法、碱处理法、铁盐法，主要是利用硫苷与化学试剂发生反应产生无毒物质，或被试剂破坏的原理。但由于化学试剂的添加，会造成饼粕适口性的降低。生物脱毒法即利用微生物发酵分解菜籽饼粕中的有毒成分，目前最常用的菌种有:乳酸菌、酵母菌、少孢子根霉菌混合培养得到的复合菌系。生物脱毒方法简单、成本低、不污染环境等优点，保持甚至提高饼粕营养价值。但是生物反应体系复杂，脱毒工艺条件难于控制［5］。溶剂浸出法可将溶于乙醇和水的硫苷等有多物质去除的同时，对植酸进行提取，由于盐酸的存在，酸度对饼粕蛋白或某些成分起到水解作用，从而使饼粕大颗粒更容易被支解开来，使得硫苷的浸出更容易。但该方法会引起醇溶和水溶性蛋白的损失，由于酸度的增加促进了蛋白质的水解，使得大量的多肽和氨基酸被滤液带走［6］，固形物损失严重。由于干物质损失严重，过滤速度慢，滤渣夹带水分多，干燥时能耗大。

本研究通过微波处理，使饼粕自身存在的酶迅速通过活跃区(40～70℃)而被钝化［7］，同时有利于异硫氰酸酯、腈等易于挥发的有毒物质在加热过程中被除去，硫苷在高温时会发生热分解，进一步降低硫苷含量。在保持饼粕营养价值、适口性的基础上，提高脱毒效率。为了提高脱毒效率，微波前筛选最适化学添加剂并加入对原料进行预处理，应用响应曲面法获得最佳工艺条件。

1 材料与方法

1．1 试验材料

菜籽饼粕(含粗蛋白39%，水分9．4%，粗脂肪5．8%，粗灰分7．8%):湖北奥星粮油工业有限公司;粗芥子粉:白芥子粉碎后，浸泡于石油醚中(30～60℃沸程)12 h，脱脂7 h，过60目筛，干燥4℃保存;无水乙醇，石油醚(30～60℃沸程)，磷酸氢二钠，柠檬酸等:国药集团化学试剂有限公司;二氯甲烷:上海试剂一厂;100%氨水:信阳市化学试剂厂;以上试剂均为分析纯。

1．2 主要仪器

九阳料理粉碎机:九阳股份有限公司;AL204电子天平:梅特勒－托利多仪器(上海)有限公司;WH－2微型漩涡混合仪:上海泸西分析仪器厂;恒温摇床:美国EDISON N．J公司;SCR20BC离心机:日本日立公司;HH－2型恒温水浴锅:金坛市杰瑞尔电器有限公司;S－3100型紫外可见分光光度计:SCINCO;格兰仕WP700TL23－K5微波炉:格兰仕集团。

1．3 试验方法

1．3．1 原料饼粕硫苷脱除流程

菜籽饼粕→加入化学添加剂→微波处理→九阳料理粉碎机粉碎→过60目筛

1．3．2 硫苷含量测定流程［8］

硫苷脱除处理原料(0．100 0 g)→加入芥子酶粉(0．030 g)、pH=7 缓冲溶液(1 mL)及二氯甲烷(2．5 mL)→酶解(37 ℃，200 r/min，2 h)→ 离心(4 000 r/min ，20 min)→取下层清液(50 μL)，加入20%氨乙醇(3 mL)→恒温水浴(50℃，2 h)→紫外分光光度法测定含量(235 nm，245 nm，255 nm)

1．3．3 硫苷脱除率的计算公式

因1 moL硫苷在pH值为7的环境下定向水解生成1 moL异硫氰酸酯，故硫苷脱除率可由脱毒前后异硫氰酸酯含量的比值得出。试样中异硫氰酸酯的含量(W)以每克干样中异硫氰酸酯的毫克数(mg/g)表示，按式(1)计算。

W=［OD245－(OD235+OD255)/2］×28．55 (1)

式中:OD235为试样235 nm处光密度值;OD245为试样245 nm处光密度值;OD255为试样255 nm处光密度值。

1．3．4 单因素试验

选定化学添加剂种类、微波初始含水量、微波功率、微波时间、化学添加剂质量分数5个因素做单因素试验，考察各个单因素对硫苷脱除率的影响。

1．3．5 响应面的组合试验设计［9］

在单因素试验的基础上，确定微波初始含水量(X1)、微波时间(X2)、化学添加剂质量分数(X3)3个因素为自变量，硫苷脱除率为响应值，通过响应面分析对脱除条件进行优化。因素水平编码表如表1所示，数据采用SAS8．1统计软件分析。

表1 因素水平编码表

2 结果与结论

2．1 单因素试验

2．1．1 化学添加剂种类对硫苷脱除的影响

选择12种化学试剂，分别制成3%的溶液加至原料中，调节原料初始含水量至51．8%，进行微波处理(微波功率为462 W，微波时间4 min，样品37．6 g)，处理样品与化学添加剂对应编号为1～12。相同条件进行空白化学试剂的微波处理，样品编号为13。图1为不同化学试剂的硫苷脱除率，可以看出1～12号处理样品的硫苷脱除率均高于未添加化学试剂的13号样品，其中6号(K2CO3)和9号(Na2CO3)化学试剂的脱除率高。但是6、9号化学试剂处理后的样品色泽加深、有明显的碱性味道，故排除。结合综合因素，选定12号(CaCl2)化学试剂为最佳硫苷脱除化学添加剂。

图1 化学试剂种类对硫苷脱除率的影响

利用碱性化学物质对硫苷的促降解作用，脱除硫苷已在菜籽饼粕研究中应用已久，故推测因K2CO3、Na2CO3具有弱碱性而有较高的硫苷脱出率。在其他多种添加剂中，二价钙离子化合物的硫苷脱除率要高于其他中性一价离子化合物，可能为二价钙离子与硫苷以及其降解产物发生螯合。

2．1．2 微波初始含水量对硫苷脱除的影响

取添加有12号化学试剂(3%)的菜籽饼粕，进行微波处理，微波功率为462 W，微波时间4 min，样品37．6 g，调节饼粕的初始含水率为10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%，得到硫苷脱除率随不同饼粕初始含水量的变化曲线。

从图2可以看出，饼粕初始含水率在25%、30%处的硫苷脱除率最高，且两者脱毒效果相差不大。适当的水分给硫苷降解提供条件，但是水分过大会导致物料升温缓慢，为物料自身酶解提供条件，并增加能耗。故最佳微波初始含水量为25%。

图2 微波初始含水率对硫苷脱除率的影响

2．1．3 微波功率对硫苷脱除的影响

取添加有12号化学试剂(3%)的菜籽饼粕，调节饼粕的初始含水率为30%，进行微波处理，微波时间 2 min，样品 37．6 g，微波功率为 280、462、595、700 W，得到硫苷脱除率随不同微波功率的变化曲线。

从图3可以看出，随着微波功率的增加，硫苷的脱除率对应升高，从595 W微波功率开始，硫苷脱除率的增长趋势变缓。由于仪器的限制，故选定微波功率为700 W为最佳微波功率。

2．1．4 微波时间对硫苷脱除的影响

图4 微波时间对硫苷脱除率的影响

取添加有12号化学试剂(3%)的菜籽饼粕，调节饼粕的初始含水率为30%，进行微波处理，微波功率为 700 W，样品 37．6 g，微波时间 1、1．5、2、2．5、3、3．5 min，得到硫苷脱除率随不同微波时间的变化曲线。

从图4可以看出，随着微波时间的增加，硫苷的脱除率对应升高，从2 min微波时间开始，硫苷脱除率的增长趋势基本停止。故选定最佳微波时间为2 min。

2．1．5 化学添加剂质量分数对硫苷脱除的影响

配制质量分数分别为 0．5%、1%、1．5%、2%、2．5%、3%的12号化学添加剂，加入菜籽饼粕中，调节饼粕初始含水率为30%，进行微波处理，微波功率为700 W，样品37．6 g，微波时间2 min，得到硫苷脱除率随不同化学添加剂浓度的变化曲线。

从图5可以看出:随着化学添加剂质量分数的升高，硫苷脱除率也对应提高，在质量分数为2%时达到最高，故2%为最佳化学添加剂质量分数。

图5 化学添加剂浓度对硫苷脱除率的影响

2．2 响应面试验设计［10］

根据Box－Benhnken的中心组合试验设计原理，设计了3因素3水平的响应面分析试验。参考单因素试验结果，以微波初始含水率、微波时间、化学添加剂质量分数为主要因素，3因素3水平中心组合设计(CCD)参照文献方法。中心组合试验方案及结果如表2所示。

表2 响应面组合设计和结果

从表3的T－检验方差分析表中可以看出，一次项中，X1的影响极显著，X2、X3的影响显著，二次项X1X1、X3X3的影响显著。

表3 回归方程系数显著性检验

以硫苷脱除率为响应面(Y)，通过SAS软件的RSTEG程序对试验结果进行响应面分析(RSA)，经二次回归拟合后求得响应函数，即回归方程为

Y1=63+7．387 5X1+1．062 5X2+3．525X3－4．225X1X1+0．025X1X2－0．425 X2X2

对回归模型方差分析，结果见表4。从表4可以看出，用上述回归方程描述各因素与响应值之间的关系时，其因变量和全体自变量之间的线性关系显著(R2=0．992 7)。模型的显著水平为 0．000 1，此时回归方差模型是极显著的，因此，这种试验方法是可靠的。方程的失拟项表现为不显著，说明回归方程与实际情况吻合的较好，可用回归方程代替试验真实点对试验结果进行分析。回归方程各项的方差分析结果还表明，方程一次项影响是极显著的，二次项影响是显著的，交互相影响不显著。因此各具体试验因子对响应值的影响具有线性关系。

表4 回归模型方差分析表

表5 典型分析表

从表5看出，3个因素的特征值均为负，表明二次响应面是鞍面，有极值存在，可直接从二次响应面上找出最佳工艺参数。最佳脱除工艺条件:以12号(CaCl2)化学试剂为添加剂，在微波功率为700 W的条件下，微波初始含水量为29．35%，微波时间为2．29 min，化学添加剂质量分数为3．10%，硫苷脱除率脱除率为69．27%。优于未使用添加剂的微波处理方法30．8%的硫苷脱除率，并且提高了脱除速度。按所得最佳脱毒工艺条件对饼粕进行微波脱毒后，饼粕含水量急剧降低为0．07%，粗灰分提高至9．5%，粗蛋白和粗脂肪质量分数分别为 43%和6．4%。

3 结论

采用微波化学法脱除菜籽饼粕中硫苷时，以化学添加剂种类、微波时间、微波初始含水量、化学添加剂浓度、微波功率为因素进行单因素试验，在此基础上最终确定前3个因素进行响应面分析。其中，微波初始含水率因素对硫苷脱除率的影响都达到了极显著水平，微波时间和化学添加剂浓度因素的影响达到显著水平。通过SAS分析，硫苷脱除率与微波时间、微波初始含水量、化学添加剂质量分数二次回归曲面为鞍面，得出最佳脱除工艺条件为:选定12号(CaCl2)化学试剂为最佳添加剂，在微波功率为700 W的条件下，微波初始含水率为29．35%，微波时间为2．29 min，化学添加剂质量分数为3．10%，硫苷脱除率脱除率为69．27%。结果优于未使用添加剂的微波处理方法30%的硫苷脱除率，并且提高了脱除速度。

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［3］周爱东，杨红晓，贺祝．菜籽饼粕脱毒及菜籽蛋白提取的研究进展［J］．黑龙江农业科学，2008(1):97－99

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［6］周锦兰，胡健华，裘爱泳．菜籽饼乙醇脱毒脱油工艺研究［J］．中国油脂，2004，29(6):40 －44

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［9］费荣昌．试验设计与数据处理［M］．无锡:江南大学出版社，2001:59－63

［10］黄燕，吴平．SAS统计分析及应用［M］．北京:机械工业出版社，2006:252－253．

Microwave－Chemistry Removal of Glucosinolate from Rapeseed Meal

Yu Yang Wang Chengming

(MOA Key Laboratory of Food Safety Evaluation College of Food Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070)

Microwave－chemistry extraction of glucosinolate from rapeseed meal was studied by adopting response surface methodology design．One from twelve reagents was selected as de－glucosinolate reagent by comparing their extraction effects．Three factors，such as initial moisture of meal，extraction time and chemical reagent concentration，were investigated on the basis of single factor tests．By analyzing the response surface plots，the optimal conditions were established．Results:The optimal conditions are treating rapeseed meal with chemical reagent CaCl2at concentration of 3．2%，microwave power 700 W，initial moisture of meal 33．7%，and extraction time 2．29 min．The corresponding removal rate of glucosinolate is 69．27%．

glucosinolate，removal，microwave，chemistry，response surface methodology

TQ645．9+9

A

1003－0174(2011)03－0047－05

国家科技支撑计划(2006BAD21B03)

2010－03－22

于洋，女，1985年出生，硕士，食品营养与安全

王承明，男，1964年出生，教授，硕士生导师，农产品加工与贮藏、食品安全、食品化学