棉籽餅粉的理化特性與功能特性

馬夢婷，付嘉陽，周大云，杜雙奎，張國權(quán)

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西楊凌 712100； 2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 棉花研究所，棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽 455000)

中國的棉籽產(chǎn)量豐富，年產(chǎn)量達(dá) 220～230 萬t，約占世界總產(chǎn)量的十分之一。目前，棉籽加工產(chǎn)品以棉籽餅、棉籽油、棉籽殼、皂腳為主。棉籽餅是棉籽榨油后的主要副產(chǎn)物，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，是反芻動(dòng)物的重要營養(yǎng)來源之一[1-2]。棉籽蛋白氨基酸組成與花生蛋白氨基酸組成相似，在蛋氨酸和賴氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)上更優(yōu)于花生蛋白，僅次與大豆蛋白。棉籽蛋白除蛋氨酸稍低外，其他必需氨基酸均達(dá)到世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的標(biāo)準(zhǔn)[3]。棉籽提油工藝會(huì)影響棉籽餅的營養(yǎng)價(jià)值，當(dāng)加工溫度過高，棉籽中的棉酚與賴氨酸的ε-氨基結(jié)合產(chǎn)生賴氨酸棉酚的復(fù)合物，碳水化合物與賴氨酸的ε-氨基發(fā)生美拉德反應(yīng)，均降低賴氨酸的利用率，影響棉籽餅在食品中的應(yīng)用[4]。因此，選擇低變性的棉籽餅生產(chǎn)加工成蛋白粉、棉籽濃縮蛋白，進(jìn)而制成休閑食品和營養(yǎng)食品，會(huì)有一定的市場競爭力[5]。本研究以冷榨花生餅和大豆餅為對照，以熱榨棉籽餅、冷榨棉籽餅和亞臨界萃取棉籽餅為試驗(yàn)材料，對比其餅粉的理化特性和功能特性的差異，以期為棉籽餅粉的開發(fā)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

熱榨餅粉(天康棉籽餅粉、新糧棉籽餅粉、金谷棉籽餅粉、益海棉籽餅粉)，冷榨餅粉(皖棉棉籽餅粉、抗蟲棉籽餅粉)，亞臨界萃取棉籽餅粉、冷榨花生餅粉、冷榨大豆餅粉，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供，細(xì)度過40目篩；G-250 考馬斯亮藍(lán)、牛血清蛋白(100 μg·mL-1)、標(biāo)準(zhǔn)棉酚，Sigma生物試劑有限公司產(chǎn)品；石油醚(30～60 ℃)、φ=95%乙醇、w=85%磷酸、十二烷基磺酸鈉等其他試劑均為分析純級。

1.2 儀器與設(shè)備

CBE-5L型亞臨界流體萃取設(shè)備，河南省亞臨界技術(shù)研究中心；HYP-314 消化爐，上海纖檢儀器有限公司；LC-15C液相，日本島津公司；LH188型智能家用榨油機(jī)，佛山市南海莉華電子科技有限公司；FOSS凱氏定氮儀，瑞典富斯-特卡脫公司；SLQ-6 粗纖維測定儀，上海書培實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；UV-1200 分光光度計(jì)，上海美譜達(dá)儀器有限公司； CR-310 色差儀，日本美能達(dá)公司；XHF-D高速分散器，寧波新芝生物科技股份有限公司；KQ-700DE 型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 棉籽餅粉的制備 熱榨棉籽餅粉的制備：棉籽仁先經(jīng)140～150 ℃焙炒，揚(yáng)煙冷卻，在180～200 ℃和60 MPa條件下壓榨，后在55 ℃下用質(zhì)量體積比為1∶2正己烷浸提10 h，再粉碎過40目篩得到熱榨浸出棉籽餅粉。

冷榨棉籽餅粉制備：棉籽仁用榨油機(jī)冷榨模式榨油后，在55 ℃下用質(zhì)量體積比為1∶2正己烷浸提10 h，粉碎過40目篩得到冷榨浸出棉籽餅粉?；ㄉ灧酆痛蠖癸灧鄄捎猛瑯臃椒ㄖ苽洹?/p>

亞臨界流體萃取法棉籽餅粉制備[6]：棉籽仁粉裝入料桶中，放入萃取罐，用真空泵抽盡容器中的空氣，真空度維持在0.1 MPa以下。利用循環(huán)熱水加熱萃取罐，萃取劑為丁烷，萃取溫度為47 ℃，萃取時(shí)間為36 min，萃取4次后，減壓蒸發(fā)去除溶劑后，從萃取罐中取出棉籽餅，粉碎過40目篩得到亞臨界流體萃取棉籽餅粉。

1.3.2 棉籽餅粉的理化指標(biāo) 棉籽餅粉基本組分測定:水分參照 GB/T5009.3-2010測定；粗蛋白參照GB/T 5511-2008測定，蛋白換算系數(shù)為 6.25；粗脂肪參照 GB/T 5512-2008 測定；粗纖維參照GB/T6434-2006測定；灰分參照 GB/T 5505-2008測定。

棉籽餅粉游離棉酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定[7]:準(zhǔn)確稱取 0.1 g 棉籽餅粉，置于20 mL容量瓶中以φ=70%丙酮定容，置于超聲波清洗機(jī)中，超聲溫度為30 ℃、超聲功率為240 W，超聲時(shí)間為60 min，靜置片刻，取上清液經(jīng)0.45 μm微孔濾膜抽濾，按照色譜條件進(jìn)樣分析。色譜條件為：分離柱為Dikma DiamollsilTMCl8(250 mm×4.6 mm，5 μm)，柱溫為 25 ℃，流動(dòng)相為甲醇-φ=1%磷酸(體積比85∶15)，檢測波長為235 nm，流速為1.0 mL·min-1，進(jìn)樣量為20 μL。

棉籽餅粉顏色測定:用CR-310色差儀測量。以標(biāo)準(zhǔn)白色板(Ls=97.43、as=0.41、bs=1.84)校準(zhǔn)，用CIE Lab色空間表示。色差ΔE按下式計(jì)算：

式中：L為亮度值；a為紅-綠值；b為黃-藍(lán)值。

棉籽餅粉堆積密度測定[8]:將餅粉填入量筒(15 mL刻度)中，輕敲量筒下部，直到樣品在15 mL刻度處不再下降為止，稱量。堆積密度(g·mL-1)用單位體積樣品質(zhì)量表示。

1.3.3 棉籽餅粉的功能特性 棉籽餅粉吸水性和吸油性測定[8]:稱取0.5 g棉籽餅粉于10 mL離心管中，稱量并計(jì)為m1，加入5 mL蒸餾水(或大豆油)后混勻，靜置30 min，離心(3 000 r·min-1)30 min，除上清液，將離心管倒置于濾紙上，10 min后稱量并計(jì)為m2，計(jì)算方法如下。

WAC(OAC)=(m2-m1)/m

式中：WAC為吸水能力；OAC為吸油能力；m為樣品干基質(zhì)量；m1為樣品和離心管質(zhì)量；m2為離心管和沉淀物質(zhì)量。

棉籽餅粉乳化性和乳化穩(wěn)定性測定[9]:取6 mL質(zhì)量濃度為10 g/L pH 7.0的棉籽粉溶液，加入2 mL大豆油后混合，于10 000 r·min-1均質(zhì)1 min，靜置后，分別在0 min、10 min時(shí)從容器底部取出50 μL乳狀液于試管中，加入5 mL 0.1% SDS，混勻后于500 nm測吸光度，以0.1% SDS為空白。乳化活性指數(shù)(EAI)和乳化穩(wěn)定性(ES)的計(jì)算方法如下：

EAI(m2·g-1)=(2×T×A0×N)/(C×ψ×104)

ES(min)=A0×[△t/(A0-A10)]

式中：T為2.303；N為稀釋倍數(shù)(100)；C為蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度(g/mL)；ψ為溶液油的體積分?jǐn)?shù)(0.25)；A0為0 min乳化液的吸光度；A10為靜置10 min后乳化液的吸光度；Δt為10 min。

棉籽餅粉溶解性測定[10]:取500 mg棉籽粉溶解于50 mL蒸餾水，溶液pH 7.0，在3 000 r·min-1條件下離心30 min，以牛血清白蛋白為標(biāo)準(zhǔn)曲線，取上清液測定吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉籽餅粉組成成分分析

不同棉籽餅粉間在粗蛋白、粗脂肪、粗纖維以及灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)上有顯著差異(表1)。冷榨和亞臨界萃取棉籽餅粉的粗蛋白、粗脂肪和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為61.89%～66.65%、2.06%～3.90%和7.58%～8.96%，均顯著高于4種熱榨棉籽餅粉(56.23%～60.86%、0.36%～1.27% 和6.88%～7.26%)；熱榨棉籽餅粉的粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5.58%～8.83%，高于冷榨和亞臨界萃取棉籽餅，花生餅粉和大豆餅粉的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于棉籽餅粉；熱榨棉籽餅游離棉酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 38～123 mg·kg-1，顯著低于中國安全食用標(biāo)準(zhǔn)(<200 mg·kg-1)，冷榨和亞臨界萃取棉籽餅均未檢測出游離棉酚。棉籽餅粉蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素、棉酚和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差別與棉籽品種、棉籽餅制備方法的不同有關(guān)。亞臨界萃取餅的質(zhì)量較優(yōu)，并可應(yīng)用與于工業(yè)化生產(chǎn)，具有萃取溫度低、無溶劑殘留、易于目標(biāo)組分分離、設(shè)備運(yùn)行成本低并且棉籽油質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[6,11]。

表1 棉籽餅粉組成成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Composition mass fraction of cottonseed meal flour

注：數(shù)值為“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”(n=3)，同一列中不同小寫字母表示差異顯著 (P<0.05)，下同。-.表示未檢出。

Note:Results are “mean±standard deviations” of duplicate analysis. Values followed by different letter in the same column are significantly different (P<0.05).The same below.-.not detected.

2.2 棉籽餅粉的顏色

不同棉籽餅粉的色值指數(shù)有顯著差異(表2)，亮度指數(shù)(L)、紅綠指數(shù)(a)、黃藍(lán)指數(shù)(b)和ΔE值分別為57.53～86.95、-0.84～7.94、9.69～22.22和13.16～44.26。與4種熱榨棉籽餅相比，冷榨棉籽餅的L值較大，a值、b值和△E值較小，表明其亮度較高，與標(biāo)準(zhǔn)白板差異較小。亞臨界萃取棉籽餅粉L值最大，b值和△E值最小，表明其亮度高，顏色偏藍(lán)，與標(biāo)準(zhǔn)白板差異最小。因棉籽餅中含有一定量的結(jié)合棉酚和變性棉酚，高溫工藝使得大量色素生成，而且糖類和磷脂類物質(zhì)焦化，造成熱榨棉餅顏色較深[12]。棉籽餅粉與對照相比，大豆餅粉L值最大，a值最小，表明大豆餅粉亮度比棉籽餅粉高，顏色偏綠程度最大；餅粉色值的差異受其所含有的天然色素的影響，而這些色素與材料來源的不同有關(guān)，餅粉的顆粒形狀、分散程度以及分布也會(huì)對L、a和b產(chǎn)生影響。

表2 棉籽餅粉的色值Table 2 Hunter color values of cottonseed meal flour

2.3 棉籽餅粉的堆積密度

堆積密度是指棉籽餅粉在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量[13]。不同棉籽餅粉堆積密度有顯著性差異，一般為0.53～0.81 g·mL-1(圖1)。冷榨和亞臨界萃取棉籽餅粉的堆積密度低于4種熱榨棉籽餅，表明其分散性好，其中亞臨界萃取棉籽餅粉堆積密度最低，具有最好的分散性，可能由于亞臨界萃取油的工藝可以較好地保持棉籽組織結(jié)構(gòu)，質(zhì)地比較疏松，而熱榨工藝由于物料經(jīng)過高溫、擠壓使其結(jié)構(gòu)緊密。堆積密度的高低影響餅粉加工特性[13]。

圖1 棉籽餅粉堆積密度Fig.1 Bulk density of cottonseed meal flour

2.4 棉籽餅粉的吸水性和吸油性

棉籽餅粉吸水能力有顯著性差異，常為1.70～2.68 g·g-1(表3)?？瓜x棉籽餅粉的吸水能力最大，亞臨界萃取棉籽餅的吸水能力最小。除抗蟲棉籽餅粉外，其余棉籽餅粉的吸水能力均低于大豆餅粉，花生餅粉的吸水能力顯著性高于棉籽餅粉。吸水性受樣品中纖維素、可溶性糖、戊聚糖等物質(zhì)影響，這些物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，吸水性越強(qiáng)[14]。吸油能力與樣品的種類、來源、溫度、加工方法等因素有關(guān)，也與使用的油脂種類有關(guān)[3]。棉籽餅粉吸油能力為1.17～2.04 g·g-1(表3)，其中亞臨界萃取棉籽餅粉吸油能力顯著高于熱榨棉籽餅粉、冷榨棉籽餅粉、花生餅粉和大豆餅粉。熱榨棉籽餅粉吸油能力與冷榨棉籽餅粉無顯著性差別。

2.5 棉籽餅粉的乳化性和乳化穩(wěn)定性

乳化性是指蛋白質(zhì)能使油與水形成穩(wěn)定的乳狀液而起到乳化劑的作用；乳化穩(wěn)定性是指維持乳狀液分散體系不被破壞的性質(zhì)[15]。在pH 7.0下，棉籽餅粉EAI和ES分別為12.48～16.95 m2·g-1和14.42～40.34 min(表3)。金谷棉籽餅粉具有最大的EAI，乳化性較好，天康棉籽餅粉的ES最大，乳化穩(wěn)定性較好，冷榨大豆餅粉的乳化性最好。亞臨界萃取棉籽餅粉的乳化性較優(yōu)，乳化穩(wěn)定性較差。棉籽餅中可溶/不可溶蛋白質(zhì)、油脂等組分均會(huì)影響餅粉的乳化特性，而且蛋白乳化性與蛋白質(zhì)量濃度、加熱溫度、離子強(qiáng)度、pH等有關(guān)[16]。

表3 棉籽餅粉的吸水性/吸油性、乳化性和乳化穩(wěn)定性Table 3 Water/oil absorption capacity emulsion activity index and emulsion stability of cottonseed meal flour

2.6 棉籽餅粉的溶解性

溶解性受多種因素的影響，包括溫度、pH、離子強(qiáng)度等[17]。pH為1.0～11.0時(shí)，棉籽餅粉的溶解性呈先降低后升高的趨勢，在 pH 3.0 附近溶解度最低(圖2)。天康、新糧、金谷和益海棉籽餅粉的溶解性普遍較低。在酸性條件下，棉籽餅粉間的溶解性差異較?。辉趬A性條件下，冷榨棉籽餅粉(皖棉棉籽餅粉和抗蟲棉籽餅粉)和亞臨界萃取棉籽餅粉的溶解性較高，這可能與棉籽餅粉中蛋白質(zhì)的變性程度有關(guān)。棉籽餅粉的溶解性均顯著低于花生餅粉和大豆餅粉。不同餅粉溶解性的差異性可能與粉中可溶性蛋白、可溶性多糖、纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別有關(guān)[8]。

3 結(jié) 論

亞臨界萃取和冷榨棉籽餅粉的粗蛋白、粗脂肪和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，均顯著高于熱榨棉籽餅粉，粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)則低于熱榨棉籽餅粉，棉籽餅粉蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于花生餅粉及大豆餅粉；冷榨和亞臨界萃取棉籽餅粉均未檢測出游離棉酚。冷榨和亞臨界萃取棉籽餅粉的L值較大，a值、b值、△E值及堆積密度較小，亮度較高，分散性好。亞臨界萃取棉籽餅粉吸水能力最低，吸油能力最強(qiáng)。冷榨和亞臨界萃取棉籽餅粉乳化性較優(yōu)，乳化穩(wěn)定性較差。 pH為1.0～11.0時(shí)，棉籽餅餅粉的溶解度呈先降低后升高的趨勢，在 pH 11.0附近溶解度最高；冷榨和亞臨界萃取棉籽餅粉溶解性最好，但均低于花生和大豆餅粉溶解性。

圖2 棉籽餅粉的溶解性Fig.2 Solubility of cottonseed meal flour