中国农科院油料所油料品质化学与加工利用团队CRFS：蒸汽膨爆预处理促进油菜籽及其加工产品中游离态/结合态植物甾醇的提取和利用

2024年9月27日，中国农业科学院油料作物研究所油料品质化学与加工利用创新团队在JCR食品科技领域Q1期刊《Current Research in Food Science》（IF: 6.2）上发表了题为“Steam explosion pretreatment enhances free/combined phytosterol extraction and utilization in rapeseed (Brassica napus L.) and its processed products: Insights from SPE-GC approach”的研究性论文。王丹博士为本文的第一作者，魏芳研究员为本文通讯作者。

本研究利用固相萃取-气相色谱（SPE-GC）分析方法，阐明了五种油菜籽品种及其加工产品（菜籽油和菜籽饼粕）中植物甾醇的组成和分布。结果表明，中油516和希望988油菜籽中结合态植物甾醇含量高于游离态植物甾醇，而大地199、中油杂501和希望291油菜籽中游离态植物甾醇含量较高。蒸汽膨爆预处理显著增加了油菜籽中结合植物甾醇的提取比例。在制油过程中，超过57.0%的总植物甾醇从蒸汽膨爆处理的油菜籽转移到了菜籽油中，其中希望291油菜籽中有61.7%的植物甾醇转移到菜籽油中。本研究为油菜籽植物甾醇的高效利用提供了重要数据。此外，本研究发现了游离态与结合态植物甾醇比例可以作为不同品种菜籽油特征性标签的潜力，为行业质量保证和产品差异化提供了宝贵的见解。

  油菜籽（Brassica napus L.）是一种在农业发展中具有重要意义的传统作物。植物甾醇是仅在植物中存在的特征化合物，具有降低胆固醇、抗癌和抗氧化等生理活性。油菜籽大约含有3000.0 mg/kg的植物甾醇，使其成为植物甾醇重要的膳食来源。在制油过程中，油菜籽中的植物甾醇分别转移到菜籽油和菜籽饼粕中，从而影响加工产品的营养质量。植物甾醇的组成和分布是菜籽油营养价值的重要指标，是菜籽油来源追溯的关键特征。然而，植物甾醇的生物活性与其存在形式密切相关。例如，游离植物甾醇由于其较低的脂溶性，在人体内的实际效果有限。植物甾醇酯表现出高脂溶性，作为植物甾醇强化食品中植物甾醇的主要形式。因此，研究油菜籽及其制油过程中植物甾醇的组成和含量的变化，对于植物甾醇的有效利用和生产高价值菜籽油至关重要。

  普遍认为，油菜籽的热预处理是一个关键步骤，它提高了脂溶性成分的提取率，显著影响食用油的风味和品质。蒸汽膨爆作为一种经济高效的热预处理技术，近年来在农业副产品加工、生产动物饲料等领域得到了广泛应用。蒸汽膨爆预处理过程中涉及到的高温高压环境，不仅破坏了植物细胞壁有助于细胞内化合物提取出来，而且可能改变化学物质的结构。蒸汽膨爆预处理技术是食品工业中非常有前景的一项技术。

  植物甾醇含量的分析方法包括薄层色谱、酶测定、分光光度法、液相色谱和气相色谱（GC）等。其中，GC广泛应用于植物甾醇的分离和定量，因为它具有检测时间短、灵敏度高、选择性好、分离效率高、结果准确和成本效益等优点。目前该领域主要专注于分析农产品中的总植物甾醇，而对不同形式的各个组分以及加工迁移变化关注度较低。

  油菜籽的热预处理已被证明可以提高油的产量和营养价值。目前，关于蒸汽膨爆预处理对油菜籽加工过程中植物甾醇迁移的影响的研究仍处于初期阶段。在本研究中，我们首先对油菜籽进行了蒸汽膨爆预处理，随后经过制油加工过程得到菜籽油和菜籽饼粕。然后，我们使用SPE-GC分析研究了蒸汽膨爆对油菜籽及其加工产品中植物甾醇含量的影响。最后，为了了解植物甾醇在制油过程中的行为，我们对其在油菜籽中的迁移模式进行了多种统计分析。

1. 蒸汽膨爆预处理对油菜籽、菜籽油和菜籽饼粕中植物甾醇组成和含量的影响

1.1 油菜籽

  在研究的五种油菜籽品种中，发现游离态和结合态的β-谷甾醇都高于其他植物甾醇，其次是菜油甾醇，而菜籽甾醇含量最低（Fig. 1）。未预处理的油菜籽品种中总植物甾醇含量从高到低排名如下：中油516（3385.1 mg/kg）、大地199（3157.3 mg/kg）、中油杂501（3154.2 mg/kg）、希望988（2941.9 mg/kg）和希望291（2894.2 mg/kg）。经过蒸汽膨爆预处理的油菜籽中总植物甾醇含量排名如下：大地199（3522.4 mg/kg，增加了365.1 mg/kg）、中油516（3497.8 mg/kg，增加了112.7 mg/kg）、希望291（3492.5 mg/kg，增加了598.3 mg/kg）、中油杂501（3404.9 mg/kg，增加了250.8 mg/kg）和希望988（3275.7 mg/kg，增加了333.8 mg/kg）。具体来说，中油杂501、希望291和大地199油菜籽的总结合态和游离态植物甾醇均显著增加，各个形态的植物甾醇均显著增加。相比之下，中油516油菜籽的总植物甾醇含量略有增加，没有达到统计学意义。对于希望988油菜籽，总植物甾醇含量显著增加，仅游离态菜油甾醇显著变化。蒸汽膨爆预处理可能破坏了油菜籽的微观结构和细胞结构，促进了化学成分的提取，导致所研究油菜籽品种的植物甾醇含量总体呈现增加的趋势。

Fig. 1. Effects of steam explosion pretreatment on the composition and content of phytosterols in rapeseed (mg/kg). Values are means±standard deviations, n=3 parallel determinations.

1.2 菜籽油

  对不同品种油菜籽经过蒸汽膨爆预处理后压榨得到的菜籽油中植物甾醇的组成和含量进行分析（Fig. 2）。油菜籽未预处理时，希望291菜籽油中总植物甾醇含量最高，为6874.9 mg/kg，其他品种依次降低。油菜籽蒸汽膨爆预处理后，希望291菜籽油中总植物甾醇含量依然最高，为7035.3 mg/kg，其他品种显示出不同程度的增加。具体来说，中油杂501和中油516菜籽油中结合态植物甾醇显著增加。希望291菜籽油中所有植物甾醇均显著增加。相比之下，大地199菜籽油中游离态植物甾醇略有增加，结合态植物甾醇增加更为明显。蒸汽膨爆预处理方法提高了植物甾醇的提取效率，从而有利于得到富含植物甾醇的菜籽油。

Fig. 2. Effects of steam explosion pretreatment technology on the composition and content of phytosterols in rapeseed oil (mg/kg). Values are means±standard deviations, n=3 parallel determinations.

1.3 菜籽饼粕

  随后，研究了不同品种的油菜籽经过蒸汽膨爆预处理后压榨得到的菜籽饼粕中植物甾醇水平（Fig. 3）。值得注意的是，油菜籽经过蒸汽膨爆预处理后，中油杂501、中油516、希望988、希望291和大地199菜籽饼粕中总结合态和游离态植物甾醇均显著降低（P<0.01）。此外，菜籽饼粕中总植物甾醇含量总体上有所下降，中油516、希望988和大地199显著降低（P<0.05）。这些发现表明，蒸汽膨爆预处理油菜籽有效地将植物甾醇浓缩在菜籽油中，减少了其在菜籽饼粕中的存在。

Fig. 3. Effects of steam explosion pretreatment technology on the composition and content of phytosterols in rapeseed cake (mg/kg). Values are means±standard deviations, n=3 parallel determinations.

2. 蒸汽膨爆预处理对油菜籽中油含量、油菜籽饼中残油含量和菜籽油加工中油产量的影响

  如Fig. 4所示，四种油菜籽品种的油提取率在蒸汽膨爆预处理后均增加（中油杂501增加了0.8%；中油516增加了6.6%；希望988增加了5.3%；希望291增加了2.7%）。经过蒸汽膨爆预处理后，不同油菜籽品种的油产量也有所增加（中油杂501增加了3.9%；中油516增加了18.2%；希望988增加了15.5%；希望291增加了8.1%；大地199增加了5.7%）。油菜籽经过蒸汽膨爆预处理后，各种菜籽饼粕的残油率有所下降（中油杂501油菜籽饼从26.8%降至23.7%，降低了3.1%；中油516油菜籽饼从33.9%降至26.1%，降低了7.8%；希望988油菜籽饼从28.8%降至20.7%，降低了8.1%；希望291油菜籽饼从24.2%降至19.3%，降低了4.9%；大地199油菜籽饼从32.0%降至23.4%，降低了8.6%）。这些实验结果的变化可能源于以下原因：蒸汽膨爆预处理过程中的压力释放阶段破坏了油菜籽的细胞结构，从而促进了细胞中活性成分（如脂质、特异性成分）的提取，因此，提高了油菜籽的油含量和加工过程的出油量，最终降低了菜籽饼粕中的残油量。

Fig. 4. Analysis of the oil content in rapeseed, the residual oil content in rapeseed cake and the oil yield in oil processing with/without steam explosion pretreatment of rapeseed. Values are means±standard deviations, n=3 parallel determinations. *means significant difference (P<0.05), **indicates extremely significant difference (P<0.01).

3.  蒸汽膨爆预处理对油加工过程中植物甾醇迁移的影响

  我们全面分析了蒸汽膨爆预处理对五种油菜籽品种植物甾醇加工迁移影响(Fig. 5)。蒸汽膨爆预处理改变了油菜籽中游离态和结合态植物甾醇的分布，普遍增加了结合态植物甾醇的比例。例如，中油杂501油菜籽从52.2%的游离态植物甾醇和47.8%的结合态植物甾醇分别变化为50.4%和49.6%。在各个油菜籽品种中，蒸汽膨爆预处理有助于将更多的植物甾醇迁移到油中，希望291油菜籽中61.7%的植物甾醇迁移到菜籽油中。

Fig. 5. The dynamic changes of combined and free phytosterols in rapeseed during oil processing with/without steam explosion pretreatment of rapeseed. Values are means±standard deviations, n=3 parallel determinations.

Fig. 6. The VIP scores, PCA 2D Scores Plot and Heatmap of rapeseed oil after steam explosion pretreatment. Values are means±standard deviations, n=3 parallel determinations. C-brassicasterol: Combined brassicasterol; C-campesterol: Combined campesterol; C-sitosterol: Combined β-sitosterol; F-brassicasterol: Free brassicasterol; F-campesterol: Free campesterol; F-sitosterol: Free β-sitosterol; Total CPS: Total combined phytosterols; Total FPS: Total free phytosterols; Total PS: Total phytosterols.

  最后，我们对菜籽油中的植物甾醇进行统计分析研究。结果如Fig. 6所示，结合态和游离态菜籽甾醇的VIP>1，表明它们是五个菜籽油品种中差异最显著的两种植物甾醇。PCA 2D得分图揭示了这些菜籽油品种中植物甾醇分布的明显差异，表明植物甾醇图谱可以作为油菜籽品种鉴定的区分工具。热图结果表明样本重复性好，并且五个菜籽油品种可以根据它们的植物甾醇组成被归类为两个不同的组。中油杂501和希望291菜籽油的植物甾醇图谱相对相似，而希望988、中油516和大地199菜籽油的植物甾醇图谱密切相关。因此，菜籽油中独特的植物甾醇分布为它们的品种识别和区分提供了依据。

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供稿：王丹

责任编辑：魏芳

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.crfs.2024.100869