引言
综合利用农产品加工副产物是现代农业发展的趋势，也是目前国内外农产品加工技术研究的热点。美国等发达国家非常重视农产品加工副产物的综合利用，部分农产品基本能达到零废弃。回收利用农产品加工副产物，不仅可以再利用其中的有效物质(如蛋白质、膳食纤维、功能性因子等)，而且通过回收利用，可以提高农业的生产效率，降低能耗，促进农业的可持续发展。
中国是世界芝麻产量最多的国家，2000-2006年平均总产量 73.1x104t，位居世界第一，其他3个主要的芝麻生产国为印度(63.6x104t)、缅甸(47.1x104t)和苏丹(26.9x104t)[1]。芝麻的含油量 45%~50%，蛋白质含量15%~20%，碳水化合物含量10%~15%[2]。芝麻油的加工副产物(芝麻粕)中，主要是芝麻蛋白和碳水化合物及矿物质元素具有一定的利用潜质。本文对芝麻粕的营养物质组成及其利用现状进行比较分析，为进一步促进芝麻粕的回收利用提供参考。
1芝麻粕的营养价值
芝麻以其营养价值高、风味独特而在食品烹调中广泛应用。芝麻油常作为调味油用于凉拌菜肴及火锅调料。芝麻油中含有丰富的油酸、亚油酸(分别为31.41%，38.31%)及磷脂[3]，具有一定的保健作用。芝麻粕中还含有丰富的蛋白质，可用于饲料及提取优质蛋白质。
芝麻粕的营养组成(90%干物质)见表1[2]，芝麻粕与其他油料加工饼粕营养价值比较见表2[4]，芝麻饼中必需氨基酸可利用率见表 3[3]。
由表1可知，芝麻粕中蛋白质和灰分含量较高，分别为 39.2%~48.2%和 10.4%~12.6%。灰分中铁含量丰富，芝麻粕中还含有功能性因子胆碱及肌醇。另外，氨基酸组成显示，芝麻粕中谷氨酸、精氨酸(Arg)及天冬氨酸含量较高(Arg)。由表2可知，芝麻粕(饼)的蛋白质含量较豆饼、籽饼、菜籽饼麻渣高;芝麻粕(饼)的消化能(以猪为试验对象)与豆饼、菜籽饼及麻渣相当，优于棉籽饼; 芝麻粕(饼)的代谢能(以鸡为试验对象)与豆饼、麻渣相当，优于棉籽饼、菜籽饼。结合表3[3]芝麻饼中必需氨基酸的可利用率可知，芝麻饼的必需氨基酸利用率与豆饼相当。中医学研究表明，芝麻具有预防动脉硬化、高血压、消除疲劳、康复视力和增加泌乳等功能[5]，芝麻粕是芝麻的重要组成成分之一。因此，芝麻粕具有很高的利用价值。
2 芝麻粕的利用现状
目前，国内外对芝麻粕的利用途径较少，主要用于动物饲料开发，分离其中的蛋白质、提取功能性因子，也有将芝麻粕用于食品加工的报道。
2.1 用于饲料开发
芝麻粕的蛋白质含量、必需氨基酸利用率与豆粕相当，加之芝麻粕的价格较大豆粕低，因此芝麻粕可部分替代豆粕用于饲料加工。试验发现，芝麻粕代替15%的日粮粗蛋白质，与豆粕相比对肉鸡的生产性能无显着差异，但过多使用芝麻粕代替日粮如替代30%的日粮蛋白质时，肉鸡的生长受到抑制。用10%的芝麻粕代替日粮有利于17~21周龄蛋鸡的生长，20%的芝麻粕代替日粮对其生长无显着影响，但当30%的芝麻粕代替日粮时，蛋鸡的生长显着降低[7]。芝麻壳对蛋鸡和肉鸡的生长也有一定影响，芝麻壳用量高于8%会导致肉鸡的生长受影响，而14%的芝麻粕对蛋鸡的采食量、蛋质量、蛋黄色泽和蛋壳厚度无显着影响[8]。
天然芝麻粕中蛋白质及其他营养物质含量虽然较高，但被饲养动物需要将其代谢后吸收，因此有必要进行预处理，以促进营养物质的吸收。发酵芝麻粕、酶解芝麻粕饲喂鸡的试验发现，发酵芝麻粕的 His，Met 和磷的表观代谢率显着高于普通芝麻粕,His和Met的真代谢率极显着高于普通芝麻粕。酶解芝麻粕的磷表观代谢率显着高于普通芝麻粕，Met表观代谢率和真代谢率极显着高于普通芝麻粕，Thr真代谢率极显着低于普通芝麻粕[9]。天然芝麻粕中LyS缺乏，研究人员通过适当加入法弥补其营养缺陷，结果发现发酵芝麻粕和发酵芝麻粕+赖氨酸(FSML)的消化能均提高6.29%，代谢能均提高7.85%。FSMI的Thr，Phe，Lys和Ser的回肠末端表观消化率较普通芝麻粕分别提高 4.42%，9.30%，7.28%和4.12%:发酵芝麻粕和FSML的Phe回肠末端表观消化率与真消化率均显着高于普通芝麻粕和酶解芝麻粕，但普通芝麻粕的Phe回肠末端表观消化率较发酵芝麻粕提高3.74%。发酵芝麻粕的Pro回肠末端真消化率较酶解芝麻粕和普通芝麻粕分别提高9.06%和9.86%由此可见，对天然芝麻粕进行发酵，可以提高芝麻粕的能量、粗蛋白、磷和部分氨基酸的利用率[10]。
2.2 提取蛋白
蛋白质是芝麻粕中具有很高利用价值的营养物质，提取的蛋白质可用于肉类制品、谷物烘焙制品植物蛋白饮料及冷食、副食品、调味品、休闲食品芝麻低肽食品叫等。芝麻粕中蛋白质的主要提取方法有物化法、酶解法及微生物发酵法。
2.2.1 物化法
碱性条件有利于芝麻粕蛋白的提取，在pH值13，反应时间2.7h，料液比30:1，提取温度77℃条件下，芝麻粕蛋白提取率可达96.86%[12]。超声波有促进芝麻粕蛋白提取的作用，与单纯碱液提取法相比，提取率提高 10%~15%。正交试验结果显示，超声波辅助芝麻粕蛋白提取的最佳条件为温度70℃C超声功率200 W，超声时间1.2 h，提取液 pH 值 10[13]。加热、微波和超声波对芝麻粕浓缩蛋白的改性结果表明，超声波的改性效果最好，在蛋白质量浓度10g/100 mL，pH值10，超声功率400W和超声时间3min的条件下，能将芝麻粕浓缩蛋白的氮溶解度指数提高13倍，吸油性提高4倍，乳化性提高1.5倍乳化稳定性提高2倍，起泡性提高1.44倍，泡沫稳定性提高1.4倍[14]。以冷-浸出芝麻粕为原料，采用醇法制备芝麻粕浓缩蛋白，通过响应面法优化得到乙醇体积分数 64%，液料比4.8:1，醇洗温度49℃醇洗时间54 min 时，产物中蛋白含量66.68%。
2.2.2 酶解法
蛋白酶水解提取芝麻多肽的正交试验结果显示pH 值 9.0，料液比1:20，加酶量 11 000 U/g，酶解时间 2.5 h，酶解温度65 ℃时提取率最高[16]。层析分离、电泳纯化黑芝麻蛋白得到芝麻粕蛋白主要分子量为 14~43 kU[17]。以海藻酸钠为载体、戊二醛为交联剂共固定化木瓜蛋白酶和中性蛋白酶，研究水解芝麻粕蛋白的优化条件和固化酶的稳定性，结果表明海藻酸钠 3 g/dL，戊二醛 25 g，氯化钙 0.2 g/dL酶活力回收率51.28%;水解芝麻蛋白的最佳条件为固液比1:25，pH值6.0，温度60℃，时间7h加酶量5 g/dL 时，氨基氮含量最高为 20.65 mg/g，共固定化酶重复使用6次酶活力仍保持50%以上[18]。碱性蛋白酶 Alcalase 水解芝麻粕蛋白的最佳水解工艺条件为底物浓度 70 g，温度 65 ℃，[E]/[S]6%，pH 值8.0，水解时间3h，所得酶解液的水解度可达 31.3%[19]。采用木瓜蛋白酶、胰蛋白酶和碱性蛋白酶 Alcalase 对芝麻蛋白进行水解，结果显示胰蛋白酶是制备金属螯合肽的最佳酶，最佳条件为底物质量浓度5g/100mL加酶量20U/g(底物)，酶解时间5h，所得酶解产物与Fe*的整合率 90.9%，与Zn?的整合率 93.5%水解度为18.9%~22.4%的酶解产物金属整合率强且水解度在一定范围内金属整合率和抗氧化能力均与水解度呈正相关性[20]。
2.2.3 微生物发酵法
从自然界筛选得到的菌株LO能够降解芝麻粕蛋白，其16SRNA基因序列长度为1447bp，紫外诱变实验发现该菌株L0的蛋白酶活力587.3U/mL[21]。选用枯草芽孢杆菌、啤酒酵母和黑曲霉为发酵菌种固态发酵生产芝麻多肽的最优条件为培养基含水量30%，麸皮含量10%，黑曲霉和啤酒酵母接种比例1:1，接种量19.69%，发酵温度34.5℃，发酵时间36.11h。在此条件下，芝麻多肽含量为7.12%[22]。固态发酵芝麻粕中的小肽具有较强的还原力，对DPPH·和·0H均具有较强的清除作用，且抗氧化性随着小肽分子质量的降低而增强[23]。响应面法对酱油曲霉发酵芝麻饼粕提高抗氧化能力的优化条件为葡萄糖、硫酸铵和麦麸添加量分别为1.87%，1.54%和2.55%。在该试验条件下，DPPH·清除率为80.26%比未发酵的芝麻饼粕高37%[24]。
芝麻粕的来源对其蛋白质功能性有一定影响通过比较不同提油工艺对芝麻粕蛋白含量、溶解性吸水性、吸油性、乳化性及乳化稳定性、起泡性及泡沫稳定性的影响，发现冷榨芝麻粕提取的蛋白较热榨芝麻粕的功能性好，干法脱皮芝麻粕提取的蛋白较湿法脱皮芝麻粕提取蛋白的功能性优越[25]。
2.3提取功能性因子
芝麻中含有一定量的木脂素类化合物，包括芝麻素、表芝麻素、芝麻素酚、芝麻林素、芝麻林素酚以及芝麻酚等。芝麻素具有降低胆固醇、抗高血压、抗菌及抗氧化、保护肝脏、抑制乳腺癌，以及免疫激活等生理作用。芝麻饼粕中含有一定量的芝麻素。对芝麻饼粕中的芝麻素提取工艺进行研究正交试验优化结果显示提取时间2h，提取温度55℃，乙醇浓度93%，料液比1:6.5时，芝麻素的提取率最高[26]。三波长分光光度法测定芝麻饼中木脂素的含量，当液料比8:1，提取温度51℃，提取时间6h，乙醇体积分数89%时，芝麻饼中芝麻木脂系的得率 0.298%[27]。
2.4 其他
以普通芝麻粕为原料，选用枯草芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌多个菌种，通过单因素、正交试验优化微生物发酵条件，以降低芝麻粕中植酸含量提高粗蛋白、酸溶蛋白等有益成分的含量。正交试验优化的发酵条件为温度30℃，R-02与KG-109接种比例2:1，接种量8%，时间10d，在此条件下发酵后植酸含量为0.08%，植酸降解率达86.21%粗蛋白含量为49.85%，酸溶蛋白为9.07%，挥发性盐基氮为2075.5mg/kg[28]。芝麻经过去皮、脱脂后凝胶性和乳化能力分别优于大豆粕粉和花生粕粉吸水和吸油能力与大豆粕粉差不多，发泡能力和稳定性在酸性pH值时比碱性强。因此去皮脱脂芝麻粕粉可用于如冰激凌、冷冻甜食、香肠、烘焙食品和糖果等食品。
3 结语
通过分析芝麻粕的营养物质组成及比较国内外有关芝麻粕利用的现状，发现芝麻粕的蛋白质含量及氨基酸代谢能与豆粕相似，可部分代替豆粕用于饲料加工;目前国内外对芝麻粕的利用主要以饲料加工为主，其次用于提取蛋白质及功能性因子。与其他油料粕相比，国内外对芝麻粕利用的研究较少而且深层次研究不多。但是从目前已报道的文献可以推测，对芝麻粕进行一定的预处理，可将其用于减肥食品、调味料等新产品的开发，这将使芝麻粕的利用更趋高附加值化。
