Chinese Journal of Animal Nutrition >

2025 , Vol. 37 >Issue 9: 6317 - 6327

DOI: https://doi.org/10.12418/CJAN2025.512

RESEARCH PAPER

Optimization of Flaxseed Steam Explosion Process Parameters Using Box-Behnken Response Surface Method

  • WANG Jinjin , 1 ,
  • LI Lei , 2, * ,
  • DUAN Haitao 3 ,
  • ZHANG Xinchun 1 ,
  • LI Yongping 1 ,
  • CAO Guangzhi 4 ,
  • ZHANG Zhishuai 5
Expand
  • 1 Zhoukou Agricultural Comprehensive Administrative Law Enforcement Detachment,Zhoukou 466000, China
  • 2 Xinxiang Agricultural Comprehensive Administrative Law Enforcement Detachment, Xinxiang 453000, China
  • 3 Animal Science and Technology, Henan University of Animal Husbandry and Economy, Zhengzhou 450003, China
  • 4 Zhoukou Vocational and Technical College, Zhoukou 466000, China
  • 5 Henan Province Animal Quarantine General Station, Zhengzhou 450003, China
* senior livestock specialist, E-mail:

Received date: 2024-12-10

  Online published: 2025-09-12

Fold

Abstract

In this experiment, Box-Behnken response surface method was used to optimize the steam explosion process parameters of flaxseeds. The dried flaxseeds were ground into powder as the substrate for steam explosion treatment. Initially, using protein solubility as the evaluation index, single-factor experiments were conducted to optimize the moisture content, pressure, and maintenance pressure time in the steam explosion process. The tested parameters were set as follows: moisture content, 17%, 19%, 21%, 23% and 25%, respectively; pressure, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 and 0.8 MPa, respectively; maintenance pressure time, 20, 40, 60, 80 and 100 s, respectively. Based on the results of the single-factor experiments, with moisture content, pressure and maintenance pressure time as independent variables, and protein solubility as the response value, the three steam explosion parameters of moisture content, pressure and maintenance pressure time were optimized through the Box-Behnken response surface test, and a regression model was established and verified. The results showed as follows: 1) the effects of moisture content and pressure on protein solubility were extremely significant (P<0.01), and the pressure maintenance time had a significant impact on protein solubility (P<0.05). The interaction between moisture content and pressure extremely significantly affected protein solubility (P<0.01). 2) The optimal steam explosion process parameters for flaxseeds were a moisture content of 23.11%, a pressure of 0.65 MPa, and a maintaining pressure time of 57.52 s. Under these conditions, the predicted protein solubility of flaxseeds was 79.05%, the verified value was 79.35%, and the error was less than 0.4%. 3) The crude protein content of flaxseeds showed no significant change before and after steam explosion, both being approximately 24%. Steam explosion treatment increased the protein solubility of flaxseeds from 69.00% to 79.35%, an increase of approximately 10%. 4) Analysis of the secondary structure of the protein revealed that the proportion of α-helix decreased and the proportion of β-sheet and random coil increased after steam explosion, indicating that steam explosion transformed the secondary structure of flaxseed protein from ordered to disordered. The response surface method can effectively optimize the steam explosion process parameters of flaxseeds. Steam explosion treatment can improve the protein solubility of flaxseeds, and the mechanism is closely related to the reduction of the orderliness of the protein secondary structure.

Key words： steam explosion; flaxseeds; protein solubility; Box-Behnken response surface method

Cite this article

WANG Jinjin , LI Lei , DUAN Haitao , ZHANG Xinchun , LI Yongping , CAO Guangzhi , ZHANG Zhishuai . Optimization of Flaxseed Steam Explosion Process Parameters Using Box-Behnken Response Surface Method[J]. Chinese Journal of Animal Nutrition, 2025 , 37(9) : 6317 -6327 . DOI: 10.12418/CJAN2025.512

亚麻(又称胡麻)是一年生草本植物,属于亚麻科亚麻属[1],其种子亚麻籽呈扁平椭圆形,成熟后种皮为有光泽的金黄色至深棕色[2]。我国亚麻籽种植面积约33万hm2,主要集中在华北和西北地区,年产量约40万t[3]。近年来,随着畜禽养殖规模的扩大,豆粕作为重要蛋白质饲料原料的需求激增。然而,国内大豆产量不足,导致豆粕严重依赖进口,威胁粮食安全。2021年,国家启动玉米、豆粕减量化替代计划,推动新型蛋白质饲料资源的开发。亚麻籽及其加工产品富含多种营养成分和生物活性物质,在食品工业、医疗领域和饲料行业具有广泛的应用前景[4-6]。亚麻籽作为一种优质植物源性蛋白质饲料,可有效缓解饲料资源短缺问题,对保障我国粮食安全具有重要意义。作为配合饲料原料,亚麻籽能增加动物产品中n-3多不饱和脂肪酸(PUFA)含量,改善动物健康状况[7]。此外,亚麻籽中的木酚素等活性成分具有抗氧化、抗炎、抗癌、抗心血管疾病的作用,对人类和动物的健康有益[8]。例如,李蓉等[9]研究发现,饲喂含3%法国或国产膨化亚麻籽的饲粮能增强蛋鸭血清中抗氧化酶活性,提升其抗氧化能力;段卫平等[10]研究显示,饲喂添加4.5%亚麻籽的饲粮能明显增加断奶仔猪的平均日增重,降低料重比,并改善其抗氧化能力和减轻炎症反应。尽管亚麻籽的营养价值较高,但目前对其产品加工及应用的研究仍较少,因此,进一步开发亚麻籽产品的研究势在必行。
蒸汽爆破技术是一种在高温高压封闭环境中,通过瞬间释放压力使原料体积膨胀多孔的新型生产技术。其工作原理是在原料中加入水后,原料湿润膨胀,在毫秒内迅速释放压力,从而有利于天然活性物质的溶出[11-12]。该技术具有高效率、无污染、低耗能和作用迅速等优点,已逐渐应用于食品工业、医药工业、饲料工业、化工材料及环保等领域,如药用植物、海鲜加工残渣和动物饲料的处理[13-16]。在动物养殖中,蒸汽爆破技术不仅可用于纤维原料的处理,还可用于蛋白质原料的处理。此外,该技术还可用于食品组分改性,如改变功能性多糖、膳食纤维、淀粉及部分蛋白的结构。例如,何晓琴等[17]研究发现,蒸汽爆破能减弱苦荞麦麸皮中不溶性膳食纤维的持水能力和膨胀力,并降解纤维素和木质素。Wang等[18]的研究表明,蒸汽爆破可使菜籽所含的必需氨基酸含量有所上升,而且其抗氧化能力也得到提高。
近年来,蒸汽爆破技术还被用于改善蛋白质的功能特性。那治国等[19]研究发现,蒸汽爆破处理提高了米糠蛋白质的提取率及其功能特性。Zhang等[20]对蒸汽爆破处理的油茶籽进行研究,结果显示其蛋白质溶解度和起泡性等功能特性均得到改善。这些研究表明,蒸汽爆破技术在改善原料结构和功能特性方面具有显著潜力。
本试验在探究蒸汽爆破工艺中物料含水量、压强和维压时间对蛋白质溶解度及蛋白质二级结构影响的基础上,利用Box-Behnken响应面法优化亚麻籽的蒸汽爆破工艺参数,以期获得高蛋白质含量的蒸汽爆破亚麻籽,从而最大化利用亚麻籽的饲用价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用亚麻籽购于张掖市民乐县。首先,用清水清洗亚麻籽,以去除杂质和灰尘;接着,把清洗后的亚麻籽在低温下烘干;然后,使用研磨机将干燥的亚麻籽研磨成粉末;最后,将研磨后的粉末过筛,确保颗粒均匀,备用。

1.2 单因素试验

蒸汽爆破工艺中的3个主要因素——含水量、压强和维压时间进行优化,含水量分别设为17%、19%、21%、23%、25%,压强分别设为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 MPa,维压时间分别设为20、40、60、80、100 s。

1.3 Box-Behnken响应面试验

基于单因素试验结果,以含水量、压强和维压时间为自变量,以亚麻籽中蛋白质溶解度为响应值,运用Design-Expert 13.0软件设计3因素3水平的Box-Behnken响应面试验,从而确定蒸汽爆破亚麻籽的最优工艺参数。Box-Behnken响应面试验共进行17组试验,每组试验重复3次。

1.4 指标测定及方法

1.4.1 粗蛋白质含量

参考GB/T 6432—2018,采用凯氏定氮法测定未蒸汽爆破和蒸汽爆破后亚麻籽的粗蛋白质含量。

1.4.2 蛋白质溶解度的测定

未蒸汽爆破和蒸汽爆破亚麻籽均采用碱溶性蛋白法进行蛋白质溶解度的测定,其原理是利用蛋白质在碱性条件下的溶解性,主要步骤:把制备好的亚麻籽粉或蒸汽爆破亚麻籽粉溶解于0.1 mol/L的氢氧化钾溶液中,搅拌均匀将溶液离心,分离不溶物,取上清液,用凯氏定氮法测定上清液中粗蛋白质含量,同时用凯氏定氮法测定样品中粗蛋白质含量,根据如下公式计算出蛋白质溶解度。
蛋白质溶解度(%)=(上清液中的粗蛋白质含量/样品中粗蛋白质含量)×100。

1.4.3 蛋白质二级结构

使用傅里叶变换红外光谱仪(Nolay-20,天津诺雷信达科技有限公司)分析亚麻籽蛋白质二级结构的变化。该方法适用范围广,对样品中蛋白质的纯度、样品量和样品质地等要求不高[21]。其主要步骤如下:首先,不放样品采集背景;接着,在附件的检测台上放置试样,分别对未爆破和蒸汽爆破后的亚麻籽粉末在红外光谱4 000~600 cm-1范围内进行扫描,经OMNIC软件采集扫描数据后,通过快速傅里叶变换得到以吸光度为纵坐标、波数为横坐标的红外吸收光谱图;然后,再利用OMNIC软件对数据进行基线校正、自动平滑等处理;最后,使用Peak fit软件分析蛋白质主要条带的谱带,从而计算出亚麻籽蛋白质二级结构的比例。

1.5 数据统计与分析

使用SPSS 20.0统计软件对单因素试验数据进行单因素方差分析,并采用Duncan氏法进行组间多重比较,以P<0.05判定为差异显著。使用Design-Expert 13.0软件对响应面试验数据进行检验和分析,并进行多元回归建模。

2 结果与分析

2.1 蒸汽爆破对亚麻籽粗蛋白质含量的影响

如表1所示,未蒸汽爆破(序号1)和蒸汽爆破亚麻籽(序号2~14)的粗蛋白质含量都在24%左右,说明蒸汽爆破对亚麻籽粗蛋白质含量没有明显影响。
表1 亚麻籽粗蛋白质含量(干物质基础)

Table 1 Crude protein content of flaxseed (DM basis)

序号
Serial number		 含水量
Moisture content/%		 压强
Pressure/MPa		 维压时间
Maintenance pressure time/s		 粗蛋白质含量
Crude protein content/%
1 17 23.94
2 17 0.4 20 24.38
3 19 0.4 20 23.98
4 21 0.4 20 23.80
5 23 0.4 20 24.67
6 25 0.4 20 24.55
7 17 0.5 20 24.60
8 17 0.6 20 24.47
9 17 0.7 20 25.33
10 17 0.8 20 25.57
11 17 0.4 40 25.21
12 17 0.4 60 25.43
13 17 0.4 80 24.73
14 17 0.4 100 25.28

2.2 单因素试验结果

2.2.1 含水量对蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度的影响

图1展示了物料含水量对蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度的影响,蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度随含水量的增加呈先增高后降低的趋势,在含水量为23%时达到最大值。其中,含水量为23%时的蛋白质溶解度显著高于含水量为17%、19%以及21%时(P<0.05),与含水量为25%时差异不显著(P>0.05)。基于上述结果,将含水量23%选定为响应面的中心点。
图1 含水量对蛋白质溶解度的影响

数据柱标注不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下图同。

Fig.1 Effects of water content on protein solubility

Data columns marked different small letters mean significant difference (P<0.05). The same as below.

2.2.2 压强对蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度的影响

图2展示了不同压强对蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度的影响。蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度随压强的增加先增大,在压强为0.7 MPa时达到最大,随后逐渐降低。其中,压强为0.7 MPa时的蛋白质溶解度显著高于压强为0.4、0.5、0.6及0.8 MPa时(P<0.05)。基于上述结果,选择压强0.7 MPa作为响应面的中心点。
图2 压强对蛋白质溶解度的影响

Fig.2 Effects of pressure on protein solubility

2.2.3 维压时间对蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度的影响

图3展示了不同维压时间对蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度的影响。蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度随维压时间的增加而逐渐升高,维压时间达到60 s时达到最高,之后呈现下降趋势。其中,维压时间为60 s时的蛋白质溶解度显著高于维压时间为20、80和100 s时(P<0.05),与维压时间为40 s时差异不显著(P>0.05)。基于上述结果,选择维压时间60 s作为响应面的中心点。
图3 维压时间对蛋白质溶解度的影响

Fig.3 Effects of maintenance pressure time on protein solubility

2.3 Box-Behnken响应面试验结果

根据上述单因素试验结果,设定Box-Behnken响应面试验的3个因素和3个水平,详见表2。Box-Behnken响应面试验结果见表3。
表2 响应面试验因素与水平

Table 2 Response surface experimental factors and levels

水平
Levels		 因素Factors
含水量
Moisture content/%		 压强
Pressure/MPa		 维压时间
Maintenance pressure time/s
-1 19 0.5 20
0 23 0.7 60
1 27 0.9 100
表3 响应面试验结果

Table 3 Response surface experimental results

序号
Serial number		 含水量
Moisture content/%		 压强
Pressure/MPa		 维压时间
Maintenance pressure time/s		 蛋白质溶解度
Protein solubility/%
1 -1 -1 0 77.12
2 1 -1 0 75.76
3 -1 1 0 74.16
4 1 1 0 76.89
5 -1 0 -1 75.34
6 1 0 -1 75.78
7 -1 0 1 74.45
8 1 0 1 75.43
9 0 -1 -1 76.67
10 0 1 -1 75.26
11 0 -1 1 76.41
12 0 1 1 74.55
13 0 0 0 78.78
14 0 0 0 78.68
15 0 0 0 78.89
16 0 0 0 79.34
17 0 0 0 79.09
通过Design-Expert 13.0软件进行回归模型拟合和方差分析,得到的蛋白质溶解度(Y)与3个因素即含水量(A)、压强(B)和维压时间(C)的三元二次多项式回归方程:Y=78.96+0.348 8×A-0.637 5×B-0.276 3×C+1.02×AB+0.135 0×AC-0.112 5×BC-1.72×A2-1.25×B2-1.98×C2。
由表4可以看出,回归模型达到了极显著水平(P<0.01),而失拟检验不显著(P>0.05),并且决定系数(R2)为0.988 9,说明此模型比较符合实际结果。
表4 蛋白质溶解度作为响应值的回归模型方差分析

Table 4 Analysis of variance for regression model with protein solubility as response value

方差来源
Sources of variance		 平方和
Sum of squares		 自由度
Freedom		 均方
Mean square		 F值
F-value		 P值
P-value
模型Model 48.78 9 5.42 69.54 <0.000 1
含水量Moisture content (A) 0.973 0 1 0.973 0 12.48 0.009 6
压强Pressure (B) 3.25 1 3.25 41.72 0.000 3
维压时间Maintenance pressure time (C) 0.610 5 1 0.610 5 7.83 0.026 6
AB 4.18 1 4.18 53.66 0.000 2
AC 0.072 9 1 0.072 9 0.935 4 0.365 7
BC 0.050 6 1 0.050 6 0.649 6 0.446 8
A2 12.50 1 12.50 160.39 <0.000 1
B2 6.58 1 6.58 84.48 <0.000 1
C2 16.56 1 16.56 212.45 <0.000 1
残差Residual 0.545 5 7 0.077 9
失拟项Lack of fit 0.268 6 3 0.089 5 1.29 0.391 4
纯误差Pure error 0.276 9 4 0.069 2
总和Sum total 49.33 16

P<0.01为极显著,P<0.05为显著,P>0.05为不显著。

P<0.01 mean extremely significant, P<0.05 mean significant, and P>0.05 mean not significant.

2.4 响应面试验中各个因素的交互作用分析

通过Design-Expert 13.0软件,分别绘制出两两不同的影响因素对响应值影响的三维曲线图,可以从响应面等高线的密集程度、响应曲面的陡峭程度中看出各个自变量对于蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度的影响情况。由图4可知,在等高线的中心区域,蛋白质溶解度最高,从中心区域向四周的边缘看,蛋白质溶解度越来越低,由此响应面曲线的坡度的大小和等高线是否密集及表4中AB的差异极显著(P<0.01)情况都可以表明,对蛋白质溶解度影响最大的因素是含水量,其次是维压时间和压强。
图4 各因素对蛋白质溶解度影响的响应面图

Fig.4 Response surface graphs for effects of factors on protein solubility

通过Design-Expert 13.0软件,根据模型预测亚麻籽的最佳蒸汽爆破工艺参数为含水量23.11%、压强0.65 MPa、维压时间57.52 s,此条件下模型预测的蛋白质溶解度是79.05%。
为检验模型预测结果用于实践的可靠性,采用该模型得出的最佳工艺参数对亚麻籽进行蒸汽爆破。为增强结果的可信度,在该预测条件下进行了3次平行试验,分别测定蛋白质溶解度后求平均值,最终得到蛋白质溶解度为79.35%。由此可知,蛋白质溶解度实测值与预测值较为接近,这表明得到的回归模型可用于预测蒸汽爆破亚麻籽的蛋白质溶解情况。此外,本试验测定的未蒸汽爆破亚麻籽(17%含水量+0 MPa+0 s)的蛋白质溶解度为69.00%,说明蒸汽爆破有效提高了亚麻籽的蛋白质溶解度。

2.5 蒸汽爆破处理对亚麻籽蛋白质二级结构的影响

由表5可以看出,所有经过蒸汽爆破处理的亚麻籽,其二级结构中α-螺旋比例(7.03%~7.62%)均明显低于未经蒸汽爆破处理的亚麻籽(14.58%),平均降幅接近50%;相应地,所有经过蒸汽爆破处理的亚麻籽中β-转角和无规则卷曲比例均高于未经蒸汽爆破处理的亚麻籽;β-折叠比例的变化相对复杂,在多数处理条件下(特别是在压强0.4 Pa、维压20 s时)变化幅度较小,但在特定条件下(如高压强、长时间)出现较明显的波动。
表5 蒸汽爆破处理对亚麻籽蛋白质二级结构比例的影响

Table 5 Effects of steam explosion treatment on proportions of secondary structures in flaxseed protein %

项目
Items		 α-螺旋
α-helix		 β-折叠
β-sheet		 β-转角
β-turn		 无规则卷曲
Random coil
17%,0 MPa,0 s 14.58 28.48 41.42 15.52
17%,0.4 MPa,20 s 7.39 28.88 44.97 18.76
19%,0.4 MPa,20 s 7.26 28.81 44.67 19.26
21%,0.4 MPa,20 s 7.17 28.58 44.89 19.36
23%,0.4 MPa,20 s 7.32 28.66 44.86 19.16
25%,0.4 MPa,20 s 7.39 27.78 45.23 19.60
17%,0.5 MPa,20 s 7.62 28.85 44.77 18.76
17%,0.6 MPa,20 s 7.19 28.57 45.47 18.77
17%,0.7 MPa,20 s 7.15 28.67 44.37 19.81
17%,0.8 MPa,20 s 7.03 27.89 45.57 19.51
17%,0.4 MPa,40 s 7.42 28.83 44.77 18.98
17%,0.4 MPa,60 s 7.33 28.78 45.57 18.32
17%,0.4 MPa,80 s 7.41 29.26 44.57 18.76
17%,0.4 MPa,100 s 7.59 29.58 44.22 19.61
在测试范围内,增加含水量对主要二级结构(α-螺旋、β-折叠)的影响相对较弱,但可能轻微促进向无序结构(β-转角、无规卷曲)的转变;压强增加加剧了二级结构的无序化,表现为α-螺旋比例进一步降低,β-折叠比例在高压强下也下降,β-转角比例则增加,说明压强是影响结构破坏程度的关键因子;维压时间对二级结构的影响较为复杂,在固定含水量和压强条件下,延长维压时间主要促进β-折叠形成,对α-螺旋比例的影响不大,β-转角和无规卷曲比例在60 s时分别达到峰值和谷值,表明可能存在一个时间优化的窗口期,过长时间(100 s)可能导致无规卷曲比例再次增加。
上述结果表明,蒸汽爆破处理可降低亚麻籽蛋白质二级结构中α-螺旋比例,增加β-转角和无规则卷曲比例,表明亚麻籽蛋白质二级结构发生去稳定化和无序化。

3 讨论

3.1 含水量对蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度的影响

蒸汽爆破时亚麻籽初始含水量对其蛋白质溶解度的影响较大。王风芹等[22]研究了玉米芯初始含水量对蒸汽爆破后半纤维素回收率的影响,结果显示半纤维素回收率随着含水量的增加呈现先升高后下降的结果,这是因为,随着含水量的增加,木质纤维因吸水逐渐膨胀,可以使木质纤维更加疏松,从而生成可溶于水的物质,有利于从原来的结构上面脱落,但是当含水量继续增加达到某个值时,其组织间隙被液态水充斥着,则会阻止高温汽态水分子的传导,导致蒸汽爆破对木质纤维素的破坏程度降低。张海静[23]的研究也发现,含水量对挤压膨化酱油渣蛋白质溶解度的影响也呈现先升高后降低的趋势,分析原因可能是在含水量低时,物料流动性和润滑度都较差,但是膨化效果好,蛋白质分子间的二硫键和氢键等发生断裂,有利于蛋白质的溶解,但是当含水量超过34%时,蛋白质与部分抗营养因子相互作用,导致复合物的形成,不易被蛋白酶水解,蛋白质溶解度降低。本试验也发现,随着汽爆时物料含水量的增加,亚麻籽的蛋白质溶解度呈先升高后降低的趋势,原因可能是增加物料的含水量可以使物料变得湿润膨胀,蒸汽爆破时蒸汽可能渗透地更加充分,可以帮助蛋白质的溶解和释放,但含水量过高可能又影响了蒸汽的渗透,蛋白质溶解度随之降低。另外,增加含水量有助于降低液体的黏度,增加蛋白质的溶出。但是当含水量继续增加时,蛋白质溶解度又有降低的趋势,这可能是由于亚麻籽中亚麻胶多糖的存在,含水量较低时,蛋白质提取液的黏度大,蛋白质溶解有些难度;但是含水量太高时,蛋白质在上清液中的溶解数量也会随之减少,使得蛋白质的溶解度降低。

3.2 压强对蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度的影响

蒸汽爆破亚麻籽时的压强大小对其蛋白质溶解度的影响较大。关于压强对蛋白质溶解度影响方面的研究文献很少。对于本试验,研究发现蒸汽爆破压强增大有利于亚麻籽蛋白质的溶解,当达到某一压强后再继续增大压强其蛋白质溶解度反而降低。分析其原因可能是由于蒸汽爆破处理过程中,亚麻籽处于一种高温高压的环境,而适当的热处理可以破坏亚麻籽蛋白质的二硫键,导致柔性增加,从而有利于增加蛋白质亲水基与溶剂接触的可能,进而可以增大蛋白质的溶解性。

3.3 维压时间对蒸汽爆破亚麻籽蛋白质溶解度的影响

蒸汽爆破亚麻籽时维压时间的长短对其蛋白质溶解度也有较大影响。吴甜甜[24]的研究表明,随着蒸汽爆破处理芝麻粕时间的延长,其蛋白质的二级结构发生变化,导致无序性结构含量增加。Mune等[25]的研究表明,当蛋白质无序结构比例增加时,豇豆蛋白质溶解度随之提高,当β-折叠比例增加时,蛋白质溶解度反而降低,原因是蛋白质结构无序性增大导致结构展开,疏水基团随之暴露,局部的展开有利于溶解,但疏水氨基酸暴露太充分时,溶解度就会下降。在对藜麦的研究中,热处理时间过长反而导致藜麦蛋白质溶解度降低,这是由于湿热处理使蛋白质内部的疏水基团暴露,蛋白质之间的相互作用增强,从而导致亲疏水平衡被破坏,溶解度随之降低[26]。本试验中,亚麻籽蛋白质溶解度随蒸汽爆破维压时间的增加呈现先上升后下降的趋势,可能是因为蛋白质二级结构的变化影响了蛋白质溶解度。蒸汽爆破导致亚麻籽蛋白质二级结构发生变化,使其结构变得无序,从而导致蛋白质结构局部展开,疏水基团发生暴露,有利于蛋白质的溶解,但随着维压时间增大,会导致内部疏水基团暴露无遗,平衡被破坏,溶解度随之降低。

3.4 蒸汽爆破处理对亚麻籽蛋白质二级结构的影响

本试验中,未进行蒸汽爆破处理的亚麻籽蛋白质二级结构中,α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲的比例分别是14.58%、28.48%、41.42%、15.52%,这与马德坤等[27]在亚麻籽蛋白质特性及营养价值分析中所得的研究结果一致。未进行蒸汽爆破的亚麻籽蛋白质中含有较高比例的β-转角,α-螺旋和β-折叠比例之和略高于β-转角,无规则卷曲比例较低。据报道,蛋白质分子中α-螺旋和β-折叠能够形成紧密的无空腔结构,无规则卷曲的稳定性和紧密程度则相对较差。因此,亚麻籽蛋白质中较低比例的α-螺旋和β-折叠使其分子的无序性更高,结构更加疏松开放,表明亚麻籽蛋白质的二级结构稳定性一般,这可能是由于除油过程中螺旋挤压对稳定结构造成了破坏[28]。
蒸汽爆破处理最显著且一致的效应是导致α-螺旋比例的大幅减少和β-转角、无规则卷曲比例的增加。这表明蒸汽爆破过程对蛋白质的氢键网络造成了剧烈破坏,瓦解了相对有序的α-螺旋结构,迫使蛋白质分子链发生扭曲、折叠,形成了更多的β-转角,并增加了分子链的无序性(无规卷曲)。这与蒸汽爆破常用于改性植物蛋白质以提高其溶解性、乳化性等功能特性的目标一致,因为结构无序化通常有助于蛋白质分子展开和表面活性基团暴露。与α-螺旋相比,β-折叠在多数处理条件下变化幅度相对较小,甚至在延长处理时间时其比例有所增加。这可能因为β-折叠通常由分子间氢键维系,在受到冲击时,部分分子内作用力破坏后可能促进了分子间相互作用和β-折叠的形成,但在极端条件下,如高含水量(25%)或高压强(0.8 MPa),β-折叠比例也会出现明显下降。
水分作为增塑剂,可能影响了物料在蒸汽爆破过程中的流变性质和蒸汽渗透性。较高含水量(25%)下观察到β-折叠比例的轻微减少和无序结构比例轻微增加的趋势,可能反映了水分促进了分子链的移动性,使其在蒸汽爆破冲击下更容易从有序的β-折叠向无序状态转变。
压强是体现蒸汽爆破机械力强度的核心参数。本试验结果表明,更高的压强(0.8 MPa)加剧了蛋白质结构的破坏,导致α-螺旋比例进一步降低,β-折叠比例也出现下降,同时β-转角比例增加。这说明更强的机械冲击力能更有效地打断维持蛋白质二级结构(特别是α-螺旋和部分β-折叠)的分子内作用力(主要是氢键)。
维压时间的影响相对复杂,并非简单的线性关系。在特定条件下(固定含水量和压强),延长维压时间主要促进了β-折叠的形成,而对α-螺旋的影响较小;β-转角和无规卷曲比例在60 s时分别达到峰值和谷值,暗示可能存在一个时间点使结构达到某种动态平衡或发生特定重组(如部分解折叠的链重新形成β-折叠或稳定的转角)。然而,过长的维压时间(100 s)可能导致累积的能量输入超过了维持新结构稳定的限度,使得无序性(无规卷曲)再次增加。上述结果表明,维压时间需要优化,过短可能改性不充分,过长则可能造成过度破坏。
上述这些蛋白质二级结构的变化是蒸汽爆破处理亚麻籽蛋白质功能特性(如溶解性、乳化性、起泡性)改善的结构基础。结构无序性的增加通常有利于蛋白质分子在水溶液中的分散和表面活性。后续研究需要将这些结构变化数据与具体的功能特性测定结果相关联,以建立构效关系。

4 结论

蒸汽爆破未改变亚麻籽的粗蛋白质含量,但会使其蛋白质二级结构发生变化,并有效提高蛋白质溶解度。通过单因素试验和响应面模型优化,确定亚麻籽的最佳蒸汽爆破工艺参数为含水量23.11%,压强0.65 MPa,维压时间57.52 s,在此蒸汽爆破条件下亚麻籽的蛋白质溶解度为79.05%。

References

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[1]
糟帆, 丁彩云, 马玉婷, 等. 不同制油工艺对亚麻籽油品质及抗氧化活性的影响[J]. 中国油脂, 2022, 47(9):13-18,25.

ZAO F, DING C Y, MA Y T, et al. Effects of different extraction processes on quality and antioxidant activity of linseed oil[J]. China Oils and Fats, 2022, 47(9):13-18,25. (in Chinese)

[2]
SHIM Y Y, GUI B, ARNISON P G, et al. Flaxseed (Linum usitatissimum L.) bioactive compounds and peptide nomenclature:a review[J]. Trends in Food Science & Technology, 2014, 38(1):5-20.

[3]
周政. 我国亚麻籽油产业发展现状及存在问题[J]. 中国油脂, 2020, 45(9):134-136.

ZHOU Z. The current situation and existing problems of the development of flaxseed oil industry in China[J]. China Oils and Fats, 2020, 45(9):134-136. (in Chinese)

[4]
张艳艳, 郭朋磊, 卢晔, 等. 亚麻籽粕蛋白酶解物对面团的低温保护作用[J]. 食品科学, 2023, 44(8):71-77.

DOI

ZHANG Y Y, GUO P L, LU Y, et al. Cryoprotective effect of enzymatic hydrolysate of flaxseed meal proteins on dough[J]. Food Science, 2023, 44(8):71-77. (in Chinese)

DOI

[5]
宋民冬, 刘琛. 亚麻籽对育肥猪生长性能、血清生化指标、屠宰性能及经济效益的影响[J]. 中国饲料, 2022(10):44-47.

SONG M D, LIU C. Effects of flaxseed on growth performance,serum biochemical indexes,slaughter performance and economic benefits of finishing pigs[J]. China Feed, 2022(10):44-47. (in Chinese)

[6]
ZOU X G, SHIM Y Y, CHO J Y, et al. Flaxseed orbitides,linusorbs,inhibit LPS-induced THP-1 macrophage inflammation[J]. RSC Advances, 2020, 10(38):22622-22630.

[7]
PANAITE T D, NOUR V, VLAICU P A, et al. Flax-seed and dried tomato waste used together in laying hens diet[J]. Archives of Animal Nutrition, 2019, 73(3):222-238.

[8]
BRITO A F, ZANG Y. A review of lignan metabolism,milk enterolactone concentration,and antioxidant status of dairy cows fed flaxseed[J]. Molecules, 2018, 24(1):41.

[9]
李蓉, 王国贵, 陈潇飞, 等. 不同来源及不同加工处理的亚麻籽对蛋鸭肠道形态及MC4R基因mRNA水平的影响[J]. 饲料研究, 2022, 45(20):27-32.

LI R, WANG G G, CHEN X F, et al. Effect of different sources and different processing methods of flaxseed on intestinal morphology and MC4R gene mRNA level in laying duck[J]. Feed Research, 2022, 45(20):27-32. (in Chinese)

[10]
段卫平, 李同新. 亚麻籽对断奶仔猪生长性能、抗氧化功能和血清促炎因子含量的影响[J]. 中国饲料, 2021(24):41-45.

DUAN W P, LI T X. Effect of flaxseed on growth performance,antioxidant capacity and serum pro-inflammatory cytokines of weaned piglets[J]. China Feed, 2021(24):41-45. (in Chinese)

[11]
田婧, 聂晶, 王树林, 等. 蒸汽爆破对膳食纤维改性作用的研究进展[J]. 粮油食品科技, 2022, 30(5):167-171.

TIAN J, NIE J, WANG S L, et al. Research progress of modifying effect of steam blasting on dietary fibre[J]. Science and Technology of Cereals,Oils and Foods, 2022, 30(5):167-171. (in Chinese)

[12]
刘蕊琪, 宋莲军, 沈玥, 等. 蒸汽爆破技术在食品大分子物质改性中的研究概述[J]. 食品与发酵工业, 2021, 47(15):292-297.

DOI

LIU R Q, SONG L J, SHEN Y, et al. Research progress of steam explosion technology in modification of food macromolecules[J]. Food and Fermentation Industries, 2021, 47(15):292-297. (in Chinese)

DOI

[13]
CHEN H Z, LIU Z H. Steam explosion and its combinatorial pretreatment refining technology of plant biomass to bio-based products[J]. Biotechnology Journal, 2015, 10(6):866-885.

[14]
MARQUES F P, SILVA L M A, LOMONACO D, et al. Steam explosion pretreatment to obtain eco-friendly building blocks from oil palm mesocarp fiber[J]. Industrial Crops and Products, 2020,143:111907.

[15]
CUI Y W, YANG L H, LU W B, et al. Effect of steam explosion pretreatment on the production of microscale tuna bone power by ultra-speed pulverization[J]. Food Chemistry, 2021,347:129011.

[16]
XIE H, LI Z M, WANG Z M, et al. Instant catapult steam explosion:a rapid technique for detoxification of aflatoxin-contaminated biomass for sustainable utilization as animal feed[J]. Journal of Cleaner Production, 2020,255:120010.

[17]
何晓琴, 李苇舟, 夏晓霞, 等. 蒸汽爆破预处理的苦荞麸皮不溶性膳食纤维理化特性及结构研究[J]. 食品与发酵工业, 2020, 46(18):47-53.

DOI

HE X Q, LI W Z, XIA X X, et al. Study on physicochemical properties and structure of insoluble dietary fiber from Tartary buckwheat bran pretreated by steam explosion[J]. Food and Fermentation Industries, 2020, 46(18):47-53. (in Chinese)

[18]
WANG W J, YANG B, LI W L, et al. Effects of steam explosion pretreatment on the bioactive components and characteristics of rapeseed and rapeseed products[J]. LWT, 2021,143:111172.

[19]
那治国, 佟锰, 张岚, 等. 蒸汽闪爆处理对米糠粕中蛋白质功能特性的影响[J]. 食品科技, 2019, 44(11):206-212.

NA Z G, TONG M, ZHANG L, et al. Effect of steam flash explosion on functional properties of rice bran meal protein[J]. Food Science and Technology, 2019, 44(11):206-212. (in Chinese)

[20]
ZHANG S Y, ZHENG L L, ZHENG X Y, et al. Effect of steam explosion treatments on the functional properties and structure of camellia (Camellia oleifera Abel.) seed cake protein[J]. Food Hydrocolloids, 2019,93:189-197.

[21]
SADAT A, CORRADINI M G, JOYE I J. Molecular spectroscopy to assess protein structures with in cereal systems[J]. Current Opinion in Food Science, 2019,25:42-51.

[22]
王风芹, 肖元玺, 仝银杏, 等. 初始含水量对蒸汽爆破实现玉米芯半纤维素分离与纤维素酶水解的影响[J]. 河南农业大学学报, 2017, 51(6):834-838.

WANG F Q, XIAO Y X, TONG Y X, et al. Effect of corncob initial water content on hemicellulose separation and cellulose enzymatic hydrolysis pretreated with steam explosion[J]. Journal of Henan Agricultural University, 2017, 51(6):834-838. (in Chinese)

[23]
张海静. 混合菌种共生发酵挤压酱油渣生产高蛋白饲料[D]. 硕士学位论文. 淄博: 山东理工大学, 2021.

ZHANG H J. Production of high-protein feed by fermenting extruded soy sauce residue of mixed strains[D]. Master’s Thesis. Zibo: Shandong University of Technology, 2021. (in Chinese)

[24]
吴甜甜. 蒸汽爆破预处理对芝麻粕蛋白结构与功能特性的影响[D]. 硕士学位论文. 洛阳: 河南科技大学, 2022.

WU T T. Effect of steam explosion pretreatment on structure and functional properties of sesame meal protein[D]. Master’s Thesis. Luoyang: Henan University of Science and Technology, 2022. (in Chinese)

[25]
MUNE M A M, SOGI D S, MINKA S R. Response surface methodology for investigating structure-function relationship of grain legume proteins[J]. Journal of Food Processing and Preservation, 2018, 42(2):e13524.

[26]
张文刚, 杜春婷, 杨希娟, 等. 不同加工方式对藜麦蛋白质结构与功能特性的影响[J]. 食品科学, 2022, 43(7):88-95.

ZHANG W G, DU C T, YANG X J, et al. Effects of different processing methods on the structural and functional properties of quinoa proteins[J]. Food Science, 2022, 43(7):88-95. (in Chinese)

DOI

[27]
马德坤, 王汝华, 吕筱, 等. 亚麻籽蛋白特性及营养价值分析[J]. 食品科学, 2022, 43(6):257-264.

MA D K, WANG R H, LV X, et al. Physicochemical and functional properties and nutritional value of flaxseed protein[J]. Food Science, 2022, 43(6):257-264. (in Chinese)

DOI

[28]
AVAZKHANLOO M, SHAHIR M H, KHALAJI S, et al. Flaxseed extrusion and expansion coupled with enzyme and pelleting changed protein and lipid molecular structure of flaxseed and improved digestive enzymes activity,intestinal morphology, breast muscle fatty acids and performance of broiler chickens[J]. Animal Feed Science and Technology, 2020,260:114341.

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