棉子饼粕中棉酚的危害与脱毒方法研究进展

王冬梅　郭书贤　梁运祥

摘要：蛋白质饲料资源紧缺，价格不断攀升已成为影响畜牧业发展的一个突出问题。棉子饼粕是一种优质的蛋白质饲料资源，但由于含有有毒物质棉酚，制约了其在畜牧业中的应用。综述了棉子饼粕的营养价值、棉酚对动物的危害、棉子饼粕脱毒方法研究进展及存在的问题。

关键词：棉子饼粕；游离棉酚；毒害；脱毒；饲料；利用

中图分类号：S562；0625.31文献标识码：A文章编号：0439-8114(2009)02-0487-07

随着我国畜牧业的快速发展，蛋白质饲料资源的紧缺已成为当今我国饲料行业一个突出的问题，寻找开发新的蛋白质资源和充分利用蛋白质资源是饲料工业和养殖业急需解决的问题。我国是世界上棉花生产大国之一，年产棉子饼粕600万t左右。棉子饼粕的营养虽然丰富，但其中占普通棉子的0.7％～4.8％、占棉子饼粕0.2％～2.8％的棉酚(Gossypol)毒素制约了这种优质蛋白质饲料资源的利用，居五大饼粕类产量之首的棉子饼粕饲用率仅为30％左右，未能物尽其用。众多学者对棉子饼粕中棉酚的危害和脱毒方法等诸多方面进行了广泛而深入的研究，其中，微生物发酵法被认为是一种综合效益好、最有发展潜力的棉子饼粕脱毒方法，因而受到广泛重视。

1棉子饼粕的营养价值及其毒素

1．1棉子饼粕的营养价值

棉子饼粕是提取棉子油后的副产品，其主要营养成分与大豆饼粕相媲美(表1)。我国棉子饼粕中蛋白质含量约占36.3％～47.0％，仅次于豆粕，同大米和小麦相比，蛋白质含量高出5～8倍。棉子饼粕水解后可得到17种氨基酸，其中赖氨酸含量较低，为1.40％～2.13％，而精氨酸含量较高，达3.94％～4.98％，赖氨酸与精氨酸之比远远超过了100:120的理想值。从8种必需氨基酸来看，棉子蛋白与大豆蛋白比较接近，从维生素和矿物质方面看，棉子饼粕含有丰富的维生素E和B族维生素等，磷含量在0.83％～1.04％，钙则低于0.03％。因此，棉子饼粕是重要的蛋白质饲料资源之一。

1．2毒素——棉酚的理化特性

棉酚(Gossypol)俗称棉毒素，是锦葵科棉属植物色素腺产生的多酚二萘衍生物，存在于棉花的根、茎、叶和子实的色素腺体中，尤其在子实棉仁的球状色素腺体中含量较多。棉酚纯品为黄色结晶，能溶于大多数有机溶剂如丙酮、乙醚、氯仿、甲醇等，较难溶于甘油、环已烷和苯，不溶于低沸点石油醚和水，熔点181～185℃。分子式为C30

减少；所产蛋体积小，贮存过程中蛋白变粉红色，蛋黄变茶青色。且很快死亡。

2．7拮抗维生素A

在棉酚的作用下，血液中不能容纳适量的维生素A，引起维生素A缺乏症，导致消化、呼吸、泌尿等器官的黏膜炎症、上皮细胞变性角化易受损坏及新生仔畜失明和其他器官畸形。

总之，棉子饼粕中游离棉酚的中毒多为慢性经过，目前尚无特效疗法。饲料中游离棉酚含量超过安全界限，将导致畜禽食欲下降、生长迟缓、体重减轻、凝血酶蛋白过低、腹泻、毛发脱落、血红蛋白和红细胞及血浆蛋自降低等，严重的会导致心肌损伤，引起内脏充血和水肿，胸腔和腹腔体液浸出、出血、直到死亡。

由于游离棉酚的毒性，使棉子饼粕在饲料中的用量受到一定的限制。根据棉酚的毒理与毒性效应，联合国粮农组织蛋白质机构规定：脱毒棉子饼粕中的游离棉酚含量小于0.065％，世界卫生组织规定游离棉酚含量小于0.04％，美国食品药物管理局规定食用棉子蛋白标准游离棉酚含量不得超过0.045％。我国国家标准饲料卫生标准规定GB13078～2001，规定饲料原料棉子饼粕中游离棉酚含量≤1200mg·kg^-1，见表3。

另外，需要特别指出的是，动物种类不同，对棉酚的耐受性不同。猪对游离棉酚更敏感些，其耐受量为100mg·kg^-1，超过此量即抑制生长，并可能中毒死亡。一般乳猪、仔猪饲料不推荐使用棉子饼粕。肉用仔鸡对棉酚的耐受量为150mg·kg^-1产蛋鸡饲粮中FG最高允许量只能在20mg·kg^-1的限制下使用。反刍动物对棉酚的耐受力最强，肉牛饲料中大量添加棉饼并未出现中毒事件，但在幼小奶牛、高产奶牛及绵羊幼畜中添加过多，会出现乳脂熔点升高变硬及母畜不育等副作用。因此，棉子饼粕蛋白对反刍动物的安全限量还需进一步探讨，

3棉子饼粕的脱毒方法

棉子饼粕脱毒即是采用合适的方法，使其中的游离棉酚降解或者变成结合棉酚，降低或钝化其毒性。国内外对于棉子饼粕脱毒问题做了大量的研究工作，目前主要有物理法、化学法和微生物发酵法等方法，并在实践应用中取得了一定的成效。

3．1物理法

3．1．1螺旋压榨法利用螺杆挤压机进行棉仁粉和棉子饼粕脱毒。周建国报道用双螺杆挤压法所得饼粕中残留的游离棉酚含量大致都在90～240mg·kg^-1范围。由于高速、短时、高剪切，挤压过程中引起的蛋白质变性程度也较小。

3．1．2膨化法膨化脱毒法可分为挤压膨化法和气流膨化法(热喷法)。膨化是一种高温、高压、高剪切作用的工艺操作。利用膨化的高温、高压使腺体色素破裂释放出游离棉酚，与赖氨酸发生美拉德反应，成为结合棉酚，从而达到脱毒目的。虽然棉子粕中的有毒物质游离棉酚一部分发生降解，一部分在一定温、压和水分条件下与蛋白质结合形成结合棉酚，从而大大降低了游离棉酚的含量(小于0.08％)，但它在降低毒性的同时，也降低了赖氨酸的有效性和氨基酸的利用率，并且需要特殊设备，投人大，成本较高。

3．1．3旋液分离法旋液分离法是20世纪70年代美国最先使用的一种分离法(简称LC.P.法)。加工过程是将棉仁轧片并干燥到含水2％，后在轻汽油中磨碎到5～15μm，将棉仁细粉及轻汽油一起送入旋液分离器，利用色腺体与棉仁组织的比重不同而达到分离。上部随轻汽油出来的棉子蛋白粉可作食品，下部棉子粕只可作饲料。本法脱毒效果好，游离棉酚控制在0.015％～0.020％。缺点是结合制油工艺进行。对棉子预处理要求较高，同时又要保证色腺体不破裂，对设备的要求也很高，投人大，成本高，且棉仁细粉和混合油完全分离困难。

3．2化学法

化学法常用的脱毒方法有化学钝化法和混合溶剂萃取法等。化学钝化法是在棉子饼粕中添加一定量的化学试剂，并在一定条件下使游离棉酚变性或转化成结合态棉酚。包括添加硫酸亚铁、尿素、碱、石灰水，甚至氨水和硫酸铵等。其中硫酸亚铁法是目前公认的游离棉酚的有效去毒法。该方法投入少，操作简便，脱毒效果也较好，适于农村个体养殖户或小型养殖场使用：其缺点是所形成的络合物仍保留在棉粕中，不但使其营养价值降低，而且适口性变差，不易消化。混合溶剂萃取法是用混合溶剂从棉粕中萃取出棉酚使其去毒，此法优点是处理后的棉粕蛋白质含量高，品质较好，能回收部分苯胺棉酚，但整套设备投资大，不易迅速推广。

3．2．1硫酸亚铁法Fe²⁺能与双醛式游离棉酚反应生成变性棉酚一铁络合物，使游离棉酚的活性羟基失去作用而达到脱毒的目的，棉酚一铁络甘物不能被吸收，最终排出体外，不会对动物体产生不良的副作用。因为硫酸亚铁与游离棉酚是以1:1比例进行反应，所以添加硫酸亚铁量应大致与饼粕中棉酚含量相等，换算成FeSO₄·7H₂O粉末则约为5:1，占饼粕总重0.2％～0.4％。硫酸亚铁的添加方式可以是以粉末直接加入到棉子饼中，也可以配成硫酸亚铁的饱和溶液喷洒到饼粕，为了充分脱毒，甚至可以用其饱和溶液对棉子饼进行浸泡，然后再烘干作为饲料。也有的将硫酸亚铁与氢氧化钙进行混合使用，效果更好。张跃顺报到了实验室内不同棉子饼的脱毒方法的脱酚结果：在机榨棉子饼(FG含量为0.0873％)中加入的1％FeSO₄·7H₂O脱毒后，其FG的含量为0.0502％；在土榨棉子饼(FG0.1719％)中加入的1％FeSO₄·7H₂O脱毒后，其FG的含量为0.0516％。

3．2．2碱处理法棉酚是一种酚类物质，呈酸性，能够与碱反应生成盐，因此可以在棉子饼粕中添加碱性化合物如烧碱、纯碱、石灰水、氨、草木灰等进行脱毒。Nagalakshmi等将棉子粕放在含1％的Ca(OH)₂溶液中浸泡24h，然后测定里面的营养成分，与未经处理的棉子粕中的营养成分相比较，经过Ca(OH)₂处理的棉子粕适合酶的作用。易于被动物的吸收，营养价值更高。戴卫东等报道棉酚含量为0.15％的棉子粕(原料)，通过热碱法去毒后其中的棉酚含量为0.032％。经过碱液处理后，虽然游离棉酚含量已极其微小，但酸、碱进行处理对设备的抗腐蚀性要求高，投资大，成本高。用石灰水进行碱法脱毒时，虽也可大大降低棉酚含量，但处理过的棉子饼粕会残留石灰味，影响动物的适口性。

3．2．3氧化法氧化脱酚法主要是利用棉酚是一类极活泼的酚类物质，在通常情况下就很容易氧化变质，使用氧化性较强的氧化剂可用来降解棉酚。

常用的氧化剂是H₂O₂。Mirzakarimov等用33％H₂O₂处理棉子饼，添加量为4-7kg·t^-1，在105～110℃下反应30-60min，可以将游离棉酚量从0.18％～0.23％降至0.009％～0.013％，0.36％～0.45％降到0.02％～0.028％。在用H₂O₂2处理时，反应时间不宜过长，以免蛋白质变性剧烈，进一步减少水溶性蛋白的含量，以至影响饼粕营养价值。

3．2．4尿素处理法棉子饼粕中游离棉酚通常情况下呈相对稳定的双醛式，它与酰氨类化合物在一定温度和湿度下生成西佛碱类加成物。经干燥脱水后生成西佛碱，使游离态棉酚转变为结合态棉酚，达到脱毒的目的。仲明等指出向棉子饼粕中加入0.25％～2.50％的尿素并加水10％～50％，去毒时保温85～110℃，经过20～40min可使棉子毒性降至微毒。张嗣炯用尿素对含游离棉酚0.1649％的棉子饼加热处理，添加尿素的量为游离棉酚质量的8～20倍，于100℃；处理15min再于50℃下烘干，脱毒后饼粕中游离棉酚含量降到0.0307％，饼粕中蛋白质含量为54.81％，用作肉用仔鸡饲料，经喂养试验表明效果好于常用配合饲料。

3．2．5有机溶剂浸出法利用棉酚在醇类溶剂中溶解的特点，用单一溶剂或混合有机溶剂从棉仁中同时提取棉子油和游离棉酚。一般是利用工业己烷(轻汽油或异己烷等)萃取棉子仁中的棉子油，醇类(乙醇、甲醇、异丙醇、正丁醇、丙酮等)萃取棉酚。按萃取棉酚工艺步骤分为同时脱毒法(与浸提棉子油同时进行)和分步脱毒法(先脱毒再提油或先提油再脱毒)。黄祖德报道了乙醇／轻汽油混合溶剂一次浸出棉仁脱酚制取棉子蛋白工艺，得到棉子仁粕中残油＜1.5％、总棉酚＜0.9％、游离棉酚＜0.04％的满意结果。另外丙酮／己烷混合溶剂浸出法进行脱毒也取得很好的效果。戴卫东等利用丙酮、己烷与水混合溶剂使棉粕中残留的游离棉酚＜0.060％，总棉酚＜0.80％。祝强等开发分步脱毒法，先用工业已烷萃取出棉仁胚中的油脂，再用醇类脱出粕中的棉酚。

目前，国内外使用的溶剂浸出法主要为混合或单一溶剂一步提取棉子油和脱毒，该法的优点是避免了蛋白质的热变性和氨基酸与游离棉酚的结合，保存了其营养价值。存在的问题是两种溶剂的互溶性好，造成溶剂分离困难(共沸点现象严重)，溶剂消耗大，回收体系复杂，且混合溶剂对提取油的质量造成不良影响，使油品质量下降。而两次分步浸出虽然可以有效去除棉酚、且棉子蛋白质量较好，但投资大，成本高，棉子粕易形成粉末状，与有机溶剂分离困难，且油品质差，有异味等缺点。

3．2２6液一液一固三相萃取法是一种新型的棉子饼粕脱毒技术，采取2种溶液分步萃取。经清理去杂，仁壳分离后。棉仁经低温软化、压坯、成型、烘干后，进入浸出提油系统，经溶剂提取油脂后，湿粕进入脱酚浸出器，再经溶剂两次萃取使棉酚含量达到工艺要求。脱去溶剂后，进行低温烘干，得到棉酚含量小于0.04％(能达到小于0.02％)、蛋白质含量大于50％的棉子蛋白成品。此法在全程提取和脱酚过程中，对物料的处理始终是低温操作，最大程度地避免了蛋白质的热变性，保证了蛋白营养效价。用该技术脱酚比较彻底，蛋白质和氨基酸破坏程度很低，但工艺比较复杂，需要特殊的设备与设施，投资大，成本较高叫。

3．3微生物固体发酵法

钟英长等用添加棉酚的培养基从垃圾土和霉变棉子饼中筛选获得5株不产黄曲霉毒素的霉菌，0]号菌为梨孢帚霉属(Scopulariopsis sp.)，对棉仁饼粕发酵脱毒率达60％～74％，发酵后使棉子仁粉和棉子饼粉的蛋白质含量分别提高了5.18％和5.75％，氨基酸含量分别提高了7.14％和21.90％。吴小月等用12个种微生物(包括真菌、细菌、酵母菌)分别进行了单一菌种棉仁饼粕发酵实验(饼粕含水量为50％。在30℃发酵4～6d)，表现出不同的脱毒效果，游离棉酚从608mg·kg^-1下降至270～189mg·kg^-1，其中筛选的菌种N25脱毒率最高，达到96.9％，脱毒后饼粕中氨基酸含量由原来的35.11％提高到38.36％。孙建义等从土壤中分离出一种高效降解FG的热带假丝酵母(Candida tropicalisStrain ZAU-I)，通过固体发酵试验，其游离棉酚脱毒率达90％以上，含游离棉酚368mg·kg^-1的棉仁饼经该菌株发酵后未检出游离棉粉。施安辉等筛选了4种酵母混合固体发酵30h左右，使FG得到高效降解，脱毒率高达97.45％。4个菌种Y1、Y2、Y4、Y6作用各有侧重，Y1和Y4主要降解棉酚，Y2、Y6分别在增殖过程中产生蛋氨酸、赖氨酸和精氨酸以及B族维生素。脱毒棉子饼粗蛋白增加4.5％，17种氨基酸均有明显提高，其中蛋氨酸由1.02％提高到1.22％，赖氨酸由1.95％提高到2.18％，精氨酸由1.76％提高到1.92％。杨景芝等经反复脱毒试验，筛选出了1株棉酚脱毒菌种S9606，该菌能将含棉酚在0.045％～0.180％范围内的各种棉子饼(粕)一次性脱毒，使游离棉酚残留量在0.026％以下，脱毒率随棉酚含量的升高而升高(49.0％～85.3％)，发酵后的棉子饼中有6种必需氨基酸的含量增加，其中蛋氨酸提高35.7％～40.0％，赖氨酸提高19.4％～27.6％，同时精氨酸减少20％，使赖氨酸与精氨酸之比较接近正常的吸收比值；可溶性蛋白质含量增加，但是总蛋白质含量无显著变化。杨继良等从酵母菌JM-1、JM-2、JM-3、JM-4、JM-5和木霉菌MM-1 6个微生物菌种利用棉酚能力的比较分析，筛选出了对棉子饼中棉酚具有较强脱毒能力的酵母菌株JM-3，在固态静置发酵条件下30℃培养发酵2d，底物经灭菌处理的。其游离棉酚的含量下降至0.01％以下，不经灭菌而直接发酵的，游离棉酚的含量均下降至0.03％以下，脱毒率平均为84.37％，蛋白质含量增加了4.64％，同时饼粕色泽变浅，有淡淡的甜香气味。该菌种的最大优点是抗杂菌污染能力强，生长速度快，顾赛红利用黑曲霉PES对棉子粕进行固体发酵，游离棉酚由498mg·kg^-1降为67mg·kg^-1，脱毒率高达86.50％，发酵后棉子粕的粗蛋白质提高10.92％，必需氨基酸除精氨酸外均增加，赖氨酸、蛋氨酸和苏氨酸分别提高12.73％、22.39％和52.00％：发酵后棉子粕的干物质、粗蛋白质和氨基酸等养分体外消化率也明显提高，其中粗

蛋白、赖氨酸、蛋氨酸和苏氨酸的体外消化率分别提高了11.11％、15.17％、27.07％和12.90％。张文举等利用热带假丝酵母ZD-3、黑曲霉ZD-8对棉子饼进行单菌及复合固体发酵，复合发酵可极显著(P＜0.01)地降低棉子饼底物游离棉酚含量，脱毒率为91.64％，棉子饼底物粗蛋白、总氨基酸、必需氨基酸含量分别提高27.83％、18.15％、19.18％；粗蛋白、总氨基酸及必需氨基酸体外消化率分别提高20.90％、26.16％、24.47％。赖氨酸和蛋氨酸分別增加20.24％、66.29％。院江等利用由乳酸菌与酵母菌等主要有益菌组成的复合菌发酵棉子壳，棉子壳发酵后游离棉酚含量降低，脱毒率达到75.4％，主要营养成分粗蛋白(CP)提高2.29％，中性洗涤纤维(NDF)降低18.21％，酸性洗涤纤维(ADF)16.04％，微生物细胞数量达到9.85×10⁹个／g，棉子壳营养价值明显提高，张庆华等研究了热带假丝酵母CA61、拟内孢霉EO2和植物乳杆菌3菌株协同固态发酵，结果表明3菌株混合培养可显著降低棉粕底物中游离棉酚含量，脱毒率最高达85.30％，发酵后棉粕的粗蛋白、总氨基酸含量分别提高4.8％和10.54％，棉粕外观蓬松变软，气味芳香，同时酶活力增加，可提高其消化吸收率，培养后的活菌数可达59.7×10⁸个／g。

4棉子饼粕脱毒与利用存在的问题

1)目前，棉子饼粕的处理方法很多，各种脱毒方法虽都可显著降低棉子饼粕中棉酚含量，但都存在一定的问题。它们或者脱毒率不够高，或操作性差，或设备尚未完善，或者成本高，或有较大环境污染。且大部分加工工艺会影响棉子饼粕中的营养成分，降低营养价值。同时，用化学制剂、有机溶剂处理后残存的气味和色泽往往降低了棉子饼粕的饲用价值，严重影响棉酚脱毒技术推广。因此，有必要继续寻找工艺简便、脱毒效果较好而成本又较低的脱毒方法，同时注重强化棉子饼粕的营养价值，提高营养物质利用率。

2)在物理法中如膨化脱毒法在降低毒性的同时，也降低了赖氨酸的有效性和氨基酸的利用率，且需特殊设备，成本较高。旋液分离法对预处理要求较高。同时又要保证色腺体不破裂，对设备的要求也高，棉仁细粉和混合油完全分离困难。

3)在化学法中如硫酸亚铁脱毒法只能去除游离棉酚，棉酚总量不会发生改变，所形成的络合物仍保留在棉粕中，棉子饼粕的适口性差。碱液处理法需要用酸、碱进行处理，对设备的抗腐蚀性要求高，投资大。用石灰水进行碱法脱毒时，虽也可大大降低棉酚含量，但经处理过的棉子饼粕会残留石灰味，影响动物的适口性。混合溶剂萃取法加工成本较高，两种溶剂分离困难(溶剂互溶和共沸现象严重)，溶剂消耗大，回收体系复杂，毛油品质差，在工艺体系中水分的控制及毛油精炼色泽是较难解决的问题。三相萃取法生产的棉子蛋白，脱酚比较彻底，蛋白质和氨基酸破坏程度很低，但整个工艺比较复杂，需要特殊的设备与设施，成本较高。

4)微生物发酵法被认为最有发展潜力的棉了饼粕脱毒法，不但能除去棉酚毒性，而且原料的营养价值也大为提高，但优良菌种选育较为困难：水分干燥成本太大，物料粉碎、发酵和烘干工艺路线较长。影响企业效应；微生物转化的具体作用机制仍不十分清楚，工艺控制难度较大，脱毒效果有时无法保证：单一菌种微生物和好氧发酵脱毒研究较多，复合菌种微生物和厌氧发酵研究少：另外对发酵脱毒技术及发酵前后棉酚含量和饼粕营养的变化规律及饲用效果研究不够。

5)棉子饼粕脱毒后的允许添加量还没有统一标准，棉子饼粕对动物的安全限量受脱毒工艺、动物品种、性别、年龄等诸多因素的影响，但国内尚未进行过系统的研究。目前棉子饼粕主要作为反刍动物饲料，水产饲料中常用的替代鱼粉的植物蛋白源，在畜禽上应用较少。

(责任编辑昌炎新)