低酚棉种子利用研究进展

刘祎，钱玉源，崔淑芳，金卫平，王广恩，张曦，张海娜，李俊兰

（河北省农林科学院棉花研究所/农业部黄淮海半干旱区棉花生物学与遗传育种重点实验室，石家庄050051）

棉花种子简称棉籽，是由受精后的胚珠发育而成。棉籽是棉花所有遗传信息的携带者，可作为最基本的生产资料——生产用种，也是植物油、蛋白、饲料和有机肥料等主要副产品的重要来源[1]。低酚棉[2]又称“无毒棉”，它与普通棉花的区别在于其各个组织器官中游离棉酚的含量较低。游离棉酚是1种对人畜及其他生物有毒害作用的酚类衍生物，含量在0.1%以上即对人畜及其他生物有毒害作用[3]，其安全使用范围是含量低于国家食用安全标准（0.02%）和世界卫生组织标准（0.02%～0.04%）。普通棉花品种棉仁棉酚含量为0.5%～2.5%，需要脱酚才能利用。脱酚处理会破坏棉粕的营养成分，且工艺复杂、成本高、易污染。因此，深入研究、推广低酚棉品种，充分开发、挖掘低酚棉种子的利用价值，具有重要意义。

1 低酚棉种子的特点

棉花种子在成熟过程中，可溶性酚类物质会消耗于木质素、种皮单宁和其他化合物的形成上，充分成熟的棉种种皮呈深褐色且酚类含量较低；未成熟的棉种种皮呈白色或浅褐色，吸水时，种皮中的酚类物质和水一起进入胚内。通常，种子中棉酚含量降低后，脂肪含量随之增加。一般海岛棉种仁棉酚含量较高 （1.23%～1.71%），其次为亚洲棉（0.87%～1.48%），陆地棉品种的种仁内含棉酚一般不超过种仁质量的2%，非洲棉棉酚含量最少（0.36%～0.93%），野生种之间种仁棉酚含量也有差异[1]，有的澳洲棉野生棉种仁不含游离棉酚[4]。棉酚腺体的多少和棉酚含量呈连续性变异，是受多基因控制的数量性状。研究表明高酚棉品种（系）种仁棉酚含量至少是低酚棉品种（系）种仁棉酚含量的10倍以上，差异极显著[5]。我国目前所选育的低酚棉品种（系）具有较丰富的遗传基础。

棉花种仁蛋白质含量与油分含量的和是1个稳定常数[6]。低酚棉种子营养品质的总体水平较优，种仁蛋白质含量、油分总量分别为39.34%和73.55%；种仁蛋白质中氨基酸组成与有酚棉基本相同，但各种氨基酸的含量和总量均高于有酚棉。低酚棉棉酚含量与含油率和蛋白质含量无显著相关；其部分新品系种仁粗脂肪、色氨酸含量高于有酚品种，不饱和脂肪酸总含量超过70%，油酸相对含量略低于有酚品种，亚油酸、亚麻酸、棕榈油酸相对含量、不饱和脂肪酸总含量、必需氨基酸含量以及氨基酸总含量与有酚品种相近[7]。袁有禄等研究指出，低酚棉种子的含油量、蛋白质含量、油分指数、蛋白质指数主要由加性遗传效应所控制，其中含油量主要由母体加性遗传效应所控[8]。种子中的营养成分因棉花基因型而异。可能是低酚棉种子与有酚棉在内含物上存在差异，导致其更容易被啮齿类等动物啃食。此外，低酚棉的纤维品质已与有酚棉不相上下[9]。

2 低酚棉种子的应用领域和利用价值

低酚棉种子经加工可以得到棉短绒、棉籽壳（种皮）和棉籽仁（种胚）三部分，集棉、粮、油、饲、药等多种利用价值于一体。棉短绒是化工的重要原料；棉籽壳和铃壳可作食用菌的培养、化学原料的提取等；棉籽油可作优质保健油，棉仁可作高蛋白优质食品，棉籽饼是高蛋白饲料。

2.1 棉短绒的利用

棉短绒的主要成分是纤维素，其含量一般为92%～93%，是宝贵的工业原料，有广泛的用途。其中，较长的短绒可以用来生产棉毯、绒衣、绒布、高级纸张等；较次的短绒经过化学处理可以生产人造纤维以及无烟火药、清漆、塑料、玻璃纸及胶卷的片基等。

随着工业的进步、多学科领域的交叉发展，棉短绒的利用价值得到进一步的开发。利用价格低廉的棉短绒，运用非织造布技术中的气流成网、针刺、贴膜、热轧等复合技术制作大棚保温材料，大大降低了大棚保温被的成本，而且其保温效果及耐用度优于传统的棉絮被[10]。棉短绒经过除杂、制浆、抄造、液体石蜡浸渍处理及表面施胶定型，可制备能自然降解的棉短绒非织造农用地膜[11]。棉短绒有机基质可替代草炭，作为温室彩椒的基质配方[12]。此外，以棉短绒为原料，可以制备化工新材料[13-14]，或通过有机萃取法提取碱木素和多糖[15]等。

2.2 棉籽壳的利用

棉籽壳主要由纤维素、多缩戊糖和木质素组成，含有少量的蛋白质、脂类和无机盐，经化工处理，可以生产出糠醛、葡萄糖、木糖醇、丙酮、酒精、甘油、醋酸、生物炭、生物总黄酮等产品[16]。生物炭是指生物质在厌氧环境下经过高温裂解生成的含碳物质，发达的孔隙结构使其具有较强的吸附能力，不仅可以固定土壤中的有机碳，还可以用作环境净化吸附剂和土壤改良剂。棉籽壳含纤维素和木质素66%～80%，是生产生物炭的适宜材料[17]。生物总黄酮是指黄酮类化合物，是一大类天然产物，广泛存在于植物界，是许多中草药的有效成分，具有抗炎、抗病毒、利胆、强心、镇静、镇痛、抗氧化、抗衰老、免疫调节和抗肿瘤等作用。研究发现，低酚棉籽壳中总黄酮对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）和2'-联氨-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）自由基具有一定的清除能力[18]。

棉籽壳含有丰富的纤维素、木质素，同时有少量的氮、磷、钾等元素，用于栽培各种食用菌、药用菌无需添加更多的其他辅料，培养出的香菇、平菇、银耳、木耳等食用菌产量高、质量好、营养丰富、美味可口[19]；其也用作培育草莓的基质[20]。

2.3 棉籽仁的利用

棉花是重要的植物油料作物，也是世界上仅次于大豆的重要植物蛋白资源[21]。低酚棉种子含有极为丰富的蛋白质、脂肪、碳水化合物、纤维素和矿质元素等，可作多种利用。

2.3.1畜牧业利用。棉花的棉酚含量高，对牲畜危害较大，常常引发牲畜中毒性疾病，甚至死亡。利用低酚棉仁饼作猪和肉鸡的搭配日粮，其适口性好、营养成分高、成本低，且均发育正常[22]。因此，低酚棉是饲喂家畜的好饲料。

中国农业科学院畜牧研究所对低酚棉籽仁的饲用品质进行了分析，蛋白质、脂肪含量较高，分别为45%、33%，有很高的营养价值。河北省畜牧兽医研究所等单位用低酚棉饼粉代替部分豆饼粉饲喂育肥猪、蛋鸡、肉鸡、兔、虾等，结果证明，低酚棉饼是1种优质蛋白饲料，与菜籽饼粉和豆饼粉配合使用，可提高赖氨酸和蛋氨酸的含量。棉粕及棉籽是奶牛常用蛋白原料，具有较高的经济价值。高棉籽粕饲料中补充铁和赖氨酸能促进青鱼幼鱼的生长，提高机体免疫力[23]。饲粮中棉籽比例为15%时可有效地改善荷斯坦公牛育肥性能[24]。

综上，通过采用先进的加工设备及工艺加工棉籽生产油脂和棉粕，以合理的饲喂配方技术，将棉籽或棉粕作为饲料在畜禽养殖中利用，可实现种养结合，高效利用棉副产品。

2.3.2 食品业的利用。（1）棉籽油。棉籽含有十分丰富的油脂（18%～20%），主要有豆蔻酸、棕榈酸、棕榈油酸、十七酸、硬脂酸、锦葵酸、油酸、顺式异油酸、亚油酸、苹婆酸、二氢苹婆酸、亚麻酸和花生酸等，以不饱和脂肪酸亚油酸和油酸等为主。研究表明，棉籽中脂肪酸组成具有差异性，但主要为亚油酸、棕榈酸、油酸和硬脂酸；成熟棉籽中油酸与亚油酸含量占脂肪酸总含量的72%左右，是棉籽脂肪酸的重要组分；同时，棉籽的脂肪含量和脂肪酸组成与产地有一定的联系[25-27]。

亚油酸是人体必需的多不饱和脂肪酸，具有降低血液中胆固醇、血脂的作用；因此，棉籽油被视为高质量食用油[25]。棉籽油还是不含反式脂肪酸的天然起酥油。而用低酚棉籽制作的成品油色香味俱佳，是营养价值极高的保健油。低酚棉籽仁中亚油酸的含量高达62%，能强烈抑制胆固醇的吸收，对动脉粥样硬化、高血压、原发性脂肪酸缺乏症等老年性疾病在预防和治疗方面的生理功能已为医学界所公认；棉籽油中维生素E含量为0.1%，卵磷脂的含量达46.2%，既具有延缓细胞衰老、软化血管的功效，又具有抗氧化、乳化增溶等功能；赖氨酸含量高，有利儿童和青年人生长发育；所含的18种氨基酸中，精氨酸、谷氨酸和酪氨酸的含量均较高[28]。

（2）棉籽蛋白。棉籽仁含蛋白质30%～35%。榨过油的棉籽饼和脱脂棉仁粉，蛋白质含量可高达43%～50%，比稻米、小麦或玉米高4～6倍[25]。棉籽饼粕是氨基酸组成较齐全的优质高蛋白质饲料，蛋氨酸与色氨酸含量高于大豆[29]（表1）。

表1 棉籽蛋白质与各油料蛋白中人体必需氨基酸含量比较 %

低酚棉蛋白质营养全面，不用脱酚处理即可直接用于主食制作；与牛奶共饮，可与牛奶中蛋白很好地结合，使蛋白质增效；棉籽蛋白经蛋白酶水解后，发泡性能得到明显改善，可用来生产棉籽蛋白发泡粉；还可以生产可供人食用的棉籽粉、食品的蛋白添加剂等[29]。

（3）棉籽糖。棉籽糖又称蜜三糖，是纯天然的功能性低聚糖。棉籽是该糖的重要来源，从棉籽粕中提取，可提高棉籽加工的附加值。棉籽糖能促进双歧杆菌（Bifidobacterium）增殖，抑制肠内腐败菌类如大肠杆菌 （Escherichia coli）和产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens）的生长，显著改善肠道菌群，改善排便功能，防止便秘，具有增加机体免疫力、降血压、保护肝脏、治疗皮炎、抗肿瘤等多种药效。棉籽糖还是优良的食品基料，因其难被人体消化吸收，提供的能量很低，具有一定的甜度，能作为糖尿病人的甜品替代品。此外，还可在药品工业，作为冷冻精液和人体移植器官的稳定剂[30]。棉籽糖作为鱼油的稳定剂，可有效延缓酸败变质；添加至鸡饲料中，可提高肉仔鸡的品质，促进肉鸡的骨骼生长和蛋白质代谢；添加到饼干中，可使饼干变软。另外，有研究表明，棉籽糖还可促进肉鸡对钙的吸收及促进细胞质玻璃化，保证细胞膜保护功能[31]。添加0.4%（质量分数）棉籽糖后仔猪对粗蛋白质、粗脂肪、粗灰分、中性洗涤纤维和总能的表观消化率提高[32]。

2.3.3 工业利用。随着石油资源的日益枯竭和人们环保意识的提高，生物能源受到世界各国的重视。生物柴油是从富含油脂的能源植物之中提取植物油，经脂化处理得到的脂肪酸燃料油，是典型的“绿色能源”。大力发展生物柴油对经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。

棉籽含油率一般在18%～20%，脱壳后的棉籽仁含油率超过30%，高于玉米、甜高粱等作物，适合制备生物柴油。我国每年生产棉籽约1 200万t，只有5%留作种用；因此，棉籽是1种巨大的油料、能源资源[33]。国家发展和改革委员会2007年发布的《可再生能源中长期发展规划》和2008年发布的《可再生能源发展“十一五”规划》均提到发展以棉籽为原料的生物柴油。以棉籽仁榨油为原料制备生物柴油，其产率超过95%[17]。

3 低酚棉种子利用的前景

3.1 低酚棉品种的选育与开发

结合低酚棉种子在生产中的利用情况，制定低酚棉品种的选育目标，提高低酚棉的产量。开发低酚棉品种的选育，可使棉籽仁中的棉酚含量接近于零，大幅度提高棉籽蛋白质和棉籽油的利用价值[34]。结合棉酚的抗病虫性的特点，可将种子低棉酚、棉株高棉酚类型的棉花品种选择作为育种方向；同时结合棉籽仁高蛋白、高赖氨酸等性状，加强高亚油酸低酚棉的选育，进一步提高其营养和经济价值。

3.2 深入研究相关配套的加工工艺，实现棉花副产品的充分利用

目前，国内一些大型公司如中国集团（CG集团）公司可以生产高质量的棉蛋白、棉油、棉短绒、棉壳等产品[35]。CG集团公司拥有从剥壳、压胚，棉酚处理、萃取油脂产生精炼棉毛油、产出半成品蛋白，再进一步加工产出精炼棉籽油、棉籽糖、棉酚等物质的提取等较为完善的生产线。但仍需要产学研相结合，各领域协同发展，优化棉副产品生产工艺流程，提高现有生产线的产能，降低生产成本，充分提炼棉花种子中的各种成分，如单宁、植酸、氟铃脲等多抗营养因子[36]，提高棉花副产品产值。

3.3 减轻外界环境和栽培管理对低酚棉种子质量的影响

温度、干旱、微量元素用量、施肥、地力和棉株长势等因素都会影响低酚棉种子的发育[37]。低温影响棉花种子干物质和油分的积累，导致种子质量变小，含油量降低；长期干旱显著降低蛋白质和脂肪含量；受风雨侵蚀的棉花种子，游离脂肪酸含量增加[1]；种仁中脂肪和蛋白质含量与棉株长势或施氮[1]、钾量高低有关，但钾肥会明显提高棉花种子中棉酚的含量，不利于种子的综合利用[38]。收获时期和棉铃着生部位也会影响棉籽的蛋白质含量、油分含量、脂肪酸组分中棕榈酸和油酸含量[39]。综上，适当调节田间管理措施，减轻外界环境对低酚棉种子的影响，以生产出优质的低酚棉种子，利于实现低酚棉种子利用价值的最大化。