菜籽粕发酵脱毒效果模糊评判

方 洁 徐 浩 魏 芬,2 李菁楠 丁承超 刘武康 丁之恩

(安徽农业大学1 ，合肥 230036)

(安徽工商职业学院2，合肥 230036)

菜籽粕发酵脱毒效果模糊评判

方 洁1徐 浩1魏 芬1,2李菁楠1丁承超1刘武康1丁之恩1

(安徽农业大学1，合肥 230036)

(安徽工商职业学院2，合肥 230036)

为了有效降低或脱除菜籽粕中抗营养因子含量，增强安全性，以菜籽粕为原料，就单菌、混菌及二次发酵方式开展发酵脱毒研究。以植酸、硫苷、芥子碱和异硫氰酸酯含量为考核指标，在此基础上建立模糊综合评判模型。结果表明：混菌发酵和二次发酵脱毒综合效果较好，在混菌发酵中，硫苷、异硫氰酸酯、植酸和芥子碱的降解率分别达到75.12%、82.47%、87.56%、56.00%；在二次发酵中硫苷、异硫氰酸酯、植酸和芥子碱的降解率分别达到76.87%、78.57%、82.58%、68.00%。此外，模糊综合评价结果显示：二次发酵粕在等级评价中，达到I级水平，脱除抗营养因子效果最好。

菜籽粕脱毒 单菌发酵 混菌发酵 二次发酵 模糊综合评价

菜籽粕是仅次于豆粕的植物蛋白源，我国年产量约有700万t[1]。其蛋白质含量较高, 氨基酸组成较平衡, 但菜籽粕含有硫代葡萄糖苷(简称硫苷)及其降解产物异硫氰酸酯，以及植酸、芥子碱等抗营养因子, 并且作为饲料适口性差，过多采食该类食物的动物易产生中毒现象，造成脏器(如甲状腺和肝脏)损伤，这种毒性特点制约了菜籽粕的利用价值及其产品开发[2-3]。在脱毒方法研究中，采用微生物降解脱毒，具有成本低，操作简便，营养损失小的特点。

目前，对菜籽粕发酵脱毒的研究主要集中在微生物菌种分离、筛选[4]。此外，有研究表明，菜籽粕的脱毒作用主要是由霉菌、细菌引起的,放线菌次之,在适宜温度下，酵母菌能将无机氮转化成蛋白质,使蛋白含量增加[5]。对于葡萄糖和硫酸铵添加量、料水比、接种量、起始pH、发酵温度及发酵时间等发酵脱毒条件控制也有研究报道[6]。同时，有研究表明，采用分步发酵脱除抗营养物质效果较好，不仅能减少抗营养因子，并且营养物质也有所提高，脱毒产品风味较好[7]。但是，从模糊综合评价角度来评判菜籽粕脱毒综合效果和发酵条件的互补效益研究较少。

为进一步有效脱除菜籽粕抗营养因子含量，本研究通过联合模糊综合评价模型对菜籽粕、单菌发酵粕、混菌发酵粕及二次发酵粕中抗营养物质成分进行综合评价。利用数学理论对抗营养因子试验数据进行处理和运算,使得菜籽粕抗营养因子含量评价结果有理可依。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

菜籽粕原料(原料粕)：合肥鑫海油脂有限公司，60 ℃干燥2 h，粉碎，60目过筛，干燥器内贮存备用。

氯化钯：上海沪试实验室器材股份有限公司；植酸钠：上海源叶生物科技公司；D201大孔阴离子交换树脂：安徽皖东化工有限公司；电热恒温培养箱DHP-9162：上海一恒科技有限公司；超净工作台SW-CJ-2D：苏州净化设备有限公司；手提式压力蒸汽灭菌锅41280：上海华线医用核子仪器公司。

1.2 试验方法

1.2.1 菜籽粕微生物脱毒试验1.2.1.1 菌株培养及种子液制备

微生物菌种(黑曲霉、啤酒酵母、枯草芽孢杆菌和保加利亚乳杆菌)取自安徽农业大学茶与食品学院实验室备用菌。分别接种一环到100 mL已灭菌液体培养基中，30 ℃静置培养24 h，制成母液，再分别吸取母液1 mL到100 mL已灭菌液体培养基中，30 ℃静置培养24 h，即为种子液，其中保加利亚乳杆菌接种到MRS液体培养基，枯草芽抱杆菌接种到脑心浸出液(BHI)肉汤培养基，黑曲霉、啤酒酵母分别接种到改良马丁培养基。

1.2.1.2 菜籽粕发酵培养基制备

取40%菜籽粕，加入碳源和氮源(0.25%葡萄糖和1.5%硫酸铵)和60%水，混匀，分装于培养皿上，每个培养皿装量15 g，自然pH，121 ℃灭菌15 min，配置成菜籽粕发酵培养基。

1.2.1.3 单菌种固体发酵

吸取各种子液1.5 mL分别接种到菜籽粕发酵培养基上，平行3次，33 ℃恒温培养2 d，发酵完成后干燥粉碎过60目筛干燥器保存备用，重复试验3次。

1.2.1.4 混菌发酵

依据菌株复配原理和菌株生长繁殖进程，以4种菌株种子液1∶1∶1∶1的比例接种到已灭菌的菜籽粕发酵培养基上，控制总接种量为10%(各0.375 mL)，33 ℃恒温培养2 d，发酵完成后干燥粉碎过60目筛干燥器保存备用，重复试验3次。

1.2.1.5 二次发酵

二次发酵首先以黑曲霉与啤酒酵母为1∶1的混合比例接种到已灭菌的菜籽粕发酵培养基上，控制总接种量为10%(各0.75 mL)，33 ℃有氧发酵2 d。发酵完成后，粉碎过60目筛，60 ℃干燥2 h，得到一步发酵粕。然后以一步发酵粕加入60%水分含量配置一步发酵粕培养基，再以保加利亚乳杆菌与枯草芽孢杆菌为1∶1的混合比例接种到已灭菌的一步发酵粕培养基上，控制总接种量10%(各0.75 mL)，33 ℃厌氧发酵2 d，发酵完成后干燥粉碎过60目筛干燥器保存备用，重复试验3次。

1.2.1.6 考核指标

菜籽粕微生物脱毒试验考核指标及测定方法见表1。

表1 考核指标及测定方法

1.2.2 模糊综合评价

根据菜籽粕微生物脱毒试验结果，参照张欣等[12]对河口湿地的水环境质量的模糊综合评价方法，改进评价等级，建立菜籽粕模糊综合评价模型。

1.2.2.1 模糊综合评判的数学模型建立

根据菜籽粕毒性大小影响因素，同时经文献报道分析研究[13]，最终确立评判菜籽粕脱毒效果影响较大的4个相关评价因素U,即U={u1(硫苷含量),u2(异硫氰酸酯含量),u3(植酸含量),u4(芥子碱含量)}。依据发酵后的硫苷、异硫氰酸酯、植酸、芥子碱含量与饲料标准及国标中规定的含量等级标准，确定4个评价等级，即V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}，如表2。

表2 菜籽粕脱毒效果评价等级各物质含量/mg/g

1.2.2.2 隶属函数与模糊矩阵的确定

采用模糊分布曲线中的“梯形分布”确定各个元素的隶属函数,确定隶属函数的表达式。

Ⅰ级脱毒效果隶属函数表达式为：

Ⅱ,Ⅲ级脱毒效果隶属函数表达式为：

Ⅳ级脱毒效果隶属函数表达式为：

式中：xi为第i个评价因子的实测值；sij-1,sij,sij+1分别为各评价因子的第j-1,j,j+1级标准值。

把各评价因子的实测值代入相应的隶属函数,计算出每一个评价因子对于各评价等级的隶属度,得到U和V之间的模糊关系矩阵R。

式中：rij(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4)为第i种抗营养物质可以被评为第j级菜籽粕脱毒质量的可能性,即i对j的隶属度。

1.2.2.3 各评价因子权重分配矩阵的建立

由于各个评价因素在菜籽粕总脱毒中所起的作用是不同的,对菜籽粕脱毒效果进行合理的分析就需要对各个评价因素进行权重计算。这样既突出了评价中主要评价因子的作用,还充分考虑了不同脱毒标准值的差异。

权重的计算公式:

Wi=Ci/Si

式中：Wi为第i种抗营养因子的权重值;Ci为第i种抗营养因子的实测值;Si为第i种各种抗营养因子标准值的算数平均值。

进行归一化运算得:

式中：m=1,2,…,4;n=1,2,…,4。得到1个1×4的模糊矩阵,即各评价因子的权重分配矩阵A。

A=(a1,a2,a3,a4)

1.2.2.4 确定模糊综合评判矩阵

在确定了U与V之间的模糊关系矩阵R与权重分配矩阵A之后,要得到菜籽粕脱毒效果的模糊综合评判结果还需要进行A与R的模糊关系合成计算,最终得到V上的一个模糊子集B，即模糊综合评判的数学模型。

B=A°R={b1,b2,b3,b4}

bj=(∨*(ai∧*rij)j=(1,2,3,4),记为M(∧*,∨*)

式中：° 表示模糊矩阵合成算子,即M(∧*,∨*)。根据最大隶属度原则,选择max(bj)1×4作为对菜籽粕脱毒效果评价的评判依据。

1.2.2.5 数据分析

采用Excel 2003软件，应用矩阵函数进行矩阵运算。

2 结果与分析

2.1 菜籽粕发酵脱毒结果

2.1.1 单菌发酵结果

对原料粕和4种单菌发酵粕中各抗营养因子进行测定，重复3次，求平均值，见表3。

表3 单菌发酵粕中各抗营养因子测定结果/mg/g

从表3中，可以看出保加利亚乳杆菌、黑曲霉、啤酒酵母分别使硫苷、芥子碱、植酸含量降到最低，可能是因为不同菌种产酶种类及数量不同。此外，经过黑曲霉发酵的菜籽粕，异硫氰酸酯含量达到最低，可能是因为黑曲霉喜好异硫氰酸酯，能将经硫苷分解的异硫氰酸酯消耗掉。

2.1.2 混菌发酵结果

经过混菌发酵的菜籽粕，硫苷、异硫氰酸酯、植酸和芥子碱含量分别降低到0.73、0.27、5.00、4.40 mg/g。对比原料粕中各抗营养因子含量，可以得出，混菌发酵粕中各抗营养因子含量均有效的得到控制，综合脱毒效果较佳。

2.1.3 二次发酵结果

经过二次发酵的菜籽粕，硫苷、异硫氰酸酯、植酸和芥子碱含量分别降低到0.68、0.33、7.00、3.20 mg/g。同混菌发酵结果相近，能达到综合脱除抗营养因子的目的。此外，经过二次发酵得到的发酵粕风味较好，可能是因为在发酵过程中产生了乳酸等小分子物质。

2.1.4 单菌、混菌及二次发酵各抗营养因子降解率结果

将6种发酵粕与原料粕中各抗营养因子含量进行对比，得到降解率含量如图1。

图1 单菌、混菌及二次发酵各抗营养因子降解率

从图1可以看出，不同菌种对于不同的抗营养因子脱除效果不同，保加利亚乳杆菌对于硫苷及异硫氰酸酯降解率达到最大，分别为74.83%、74.67%；啤酒酵母对于植酸的降解率达到71.39%；黑曲霉对于芥子碱的降解率达到76.00%。此外，混菌发酵与二次发酵对抗营养因子的脱除效果较好，在混菌发酵中，硫苷、异硫氰酸酯、植酸和芥子碱的降解率分别为75.12%、82.47%、87.56%、56%；在二次发酵中硫苷、异硫氰酸酯、植酸和芥子碱的降解率分别为76.87%、78.57%、82.58%、68%。混菌发酵和二次发酵可能由于产酶种类比较丰富，对各抗营养因子的脱除都有一定的效果，而单菌发酵可能对某种抗营养因子脱除效果有优势。

2.2 模糊综合评判试验结果

根据菜籽粕发酵脱毒试验结果，参评对象及参评因子实测值见表4，表4中的序号对应各参评对象，结果中用序号指代。

表4 各抗营养因子测定结果/mg/g

2.2.1 模糊关系矩阵的确定

将原料粕中各参评因子的实测值代入隶属函数表达式，计算出每一个评价因子对于各评价等级的隶属度，得到模糊矩阵R1的结果。

同理可得其他6种发酵粕对应的模糊矩阵：

2.2.2 权重的计算

依据权重的计算公式，原料粕权重分配矩阵计算过程见表5。

表5 原料粕抗营养因子含量大小评价权重计算结果

得到归一化权重分配矩阵为:A1=(0.1510.316 0.276 0.257)。

同理可得其余6种发酵粕权重分配矩阵：

A2=(0.257 0.194 0.346 0.194)

A3=(0.163 0.283 0.231 0.324)

A4=(0.120 0.279 0.258 0.342)

A5=(0.118 0.249 0.318 0.318)

A6=(0.156 0.230 0.143 0.471)

A7=(0.150 0.291 0.206 0.353)

2.2.3 模糊综合评判结果

由模糊算法计算模糊子集B结果：

B1=A1゜R1=(0 0.009 0.142 0.849)

maxbj=0.849,所以原料菜籽粕含抗营养因子等级为Ⅳ。同理得出：

B2=A2゜R2=(0.170 0.752 0.069 0)

B3=A3゜R3=(0.354 0.598 0.047 0)

B4=A4゜R4=(0.120 0.612 0.267 0)

B5=A5゜R5=(0.118 0.775 0.110 0)

B6=A6゜R6=(0.317 0.588 0.094 0)

B7=A7゜R7=(0.695 0.305 0 0)

单菌发酵粕和混菌发酵粕抗营养因子含量等级被评为Ⅱ级，其中混菌发酵粕被评价的最大隶属度的值最小，为0.588，而又在等级Ⅰ中又占了0.317，优于各单菌发酵粕。二次发酵粕抗营养因子含量等级为Ⅰ级，综合评价效果最好。

3 结论

采用模糊综合评判在菜籽粕脱除抗营养因子效果中的运用,利用数学理论对抗营养因子实验数据进行处理和运算,使得菜籽粕抗营养因子含量评价结果有理可依。今后在菜籽粕脱毒效果评价中也可广泛推广模糊综合评判的方法,为菜籽粕蛋白资源的利用提供科学可靠的依据。利用模糊综合评判的方法不仅可以从总体上把握菜籽粕抗营养因子含量,还可以从局部看到变化,评判结果更为全面、有效。

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Fuzzy Evaluation for Detoxification Effect of Rapeseed Meal After Fermenting

Fang Jie1Xu Hao1Wei Fen1,2Li Jingnan1Ding Chengchao1Liu Wukang1Ding Zhien1

(Anhui Agricaltural University1，Hefei 230036)(Anhui Vocational College of Business2，Hefei 230036)

This experiment’s purpose was to effectively reduce or remove the content of anti-nutritional factors in rapeseed meal and to enhance security. Using rapeseed meal as raw material, the way of fermentation was chosen among single fermentation, mixed fermentation and two-step fermentation. Fuzzy comprehensive evaluation model based on the assessment indicators about the contents of glucosinolates, isothiocyanate, phytic acid and sinapine. The results showed that: mixed fermentation and two-step fermentation were better, the contents of glucosinolate, isothiocyanate, phytic acid and sinapine in the mixed fermentation improved by 75.12%, 82.47%, 87.56% and 56% respectively; and in the two-step fermentation improved by 76.87%, 78.57%, 82.58% and 68% respectively. In addition, fuzzy comprehensive evaluation results show: the two-step fermentation meal reached I level in grade evaluation, the removal of anti-nutritional factors was best.

rapeseed meal detoxification, single fermentation, mixed fermentation, two-step fermentation, fuzzy comprehensive evaluation

TQ645.9+9

A

1003-0174(2016)03-0096-05

国家科技支撑计划(2012BAD14B13)

2014-08-07

方洁，女，1989年出生，硕士，食品科学

丁之恩，男，1956年出生，教授，功能食品