棉酚的提取及应用研究进展

荣梦杰，王爽，马磊，匡猛，金云倩，周大云，方丹，徐双娇，王延琴

（中国农业科学院棉花研究所/ 棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000）

棉花是世界上最重要的经济作物之一，也是我国仅次于大豆的油料作物[1]。棉籽由棉籽壳、棉仁和少量纤维组成，是棉花的繁殖器官，也是棉花的副产品[2]。 棉籽因品种的不同棉籽仁所占比例为50%～55%，其棉籽仁含棉籽油30%～35%，含蛋白35%～38%，是一种良好的油料资源，也是优质的动物蛋白质资源[3]。由于棉籽中有毒棉酚的存在，一直制约着棉籽副产品的应用与发展，最近研究表明，棉酚在医药、农业、工业等领域均有广阔的应用潜力，蕴藏着巨大的商业价值，所以对棉酚的开发研究具有广阔的前景。

1 棉酚的结构与性质

棉酚又被叫作棉籽醇或棉毒素，主要存在于棉仁色素腺体中，是一种不溶于水而溶于有机溶剂的黄褐色聚酚色素。 棉酚的存在形式有两种，一种是游离棉酚（Free gossypol，FG），另一种是结合棉酚（Bound gossypol，BG）[4]，两者之和称为总棉酚。 棉酚的分子式为C30H30O8，相对分子质量为518.562[5]，化学式全称为1,1,6,6,7,7-六羟基-5,5-二异丙基-3，3- 二甲基-(2,2- 联二萘)-8,8- 二醛基，具有3 种互变异构体，包括羟醛式、内醚式和羟式[6]。 棉酚由两个萘核连接而成，每个萘核有1 个醛基和3 个羟基，醛邻位的羟基活泼，具有很强的酸性，易和氢氧化钠、 氢氧化钾及碳酸钠的水溶液反应, 生成二钠盐或二钾盐，棉酚的化学脱毒就是利用了它的这个性质。棉酚易溶于甲醇、乙醇、异丙醇、乙醚等，微溶于环己烷及高沸点的石油醚（60～110 ℃），不溶于低沸点的石油醚（30～60 ℃）及水；棉酚具有活泼的化学性质，极易被氧化而变质，它的乙醇溶液或碱金属盐的水溶液对氧化剂很敏感, 易被费林试剂、硝酸银的氨溶液、三氯化铁、过氧化氢等许多氧化剂所氧化，甚至被空气中的氧气所氧化[7]。

2 棉酚的毒性

棉酚在棉籽副产品应用当中一直被当作有毒物质，从棉酚被发现为止，已经有很多棉酚中毒的例子。 棉酚除了对单胃动物有毒害作用之外，还可以引起人类的发热症和低血钾症等。

2.1 棉酚对单胃动物的毒害作用

棉酚包括结合棉酚和游离棉酚两种，棉酚的毒性主要是由活泼醛基和活泼羧基引起，而游离棉酚分子结构中含有较多活性的酚羟基，所以对机体产生的毒害作用主要是游离棉酚。在单胃动物的饲养当中，每日饲料中棉酚的含量如果超过规定含量1 200 mg·kg—1，就会使单胃动物中毒。曾饶琼[8]对棉籽饼中毒患鸭进行了临床症状及病理组织切片的观察，发现饲喂棉籽饼的鸭中毒的靶器官是肝、肾和肠。鸭中毒主要症状为拉稀、消瘦和关节变形。王昕陟[9]曾研究了棉酚对猪的影响，发现猪对棉酚很敏感，易发急性或慢性中毒，主要症状为胸腹腔积水、部分器官和淋巴结充血、贫血、呼吸困难、繁殖力下降，甚至死亡。 陈君满等[10]报道了鸡棉酚中毒的情况，病鸡精神萎靡、体型消瘦、行走无力、鸡冠软瘫、食欲消退、最后会瘫痪无力，衰竭死亡。 另外棉酚不仅对鹅[11]、水貂[12]等产生毒害作用，也会对牛、羊[13]等反刍动物产生毒害作用，饲喂时要严格控制饲料中棉酚含量，避免产生不必要的经济损失。

2.2 棉酚对人的毒害作用

2.2.1棉酚导致烧热病。烧热病[14]是食用一定量粗制生棉籽油所出现的一系列临床症状的总称。主要表现为不育、烧热、无汗或少汗、心慌、畏光、头晕或乏力等症状。 黄光照等[15]经过20 余年的调查研究，确定了烧热病是较长期的大量服用粗制生棉油所致的慢性疾病。 邓仲端等[16]成功复制了烧热病主要症状的动物模型，同样确定了长期服用生棉油是烧热病的致病原因，并对发病机制做了初步的讨论。

2.2.2棉酚导致低血钾症。低血钾症常常表现为食欲不振、恶心、呕吐、全身乏力、手足麻木、抽搐、心率失常等，低血钾型若治疗不及时，可致死亡。长期食用粗制生棉籽油会导致低血钾症的发生。这是由于粗制生棉籽油中含有的棉酚等化学物质通过中毒变态反应，降低肾脏保留钾的能力，使肾小管功能受损，引起肾小管失钾，从而导致低血钾症[17]。 王茂山[18]研究发现了棉酚及一些其它化合物对Ⅱ型11 β- 羟基甾体脱氢酶的抑制作用，并提出了棉酚诱发低血钾机制的假说。 周响荣[19]团队通过治疗和护理23 例小儿低血钾症，发现低血钾小儿临床表现均为口渴、多饮、多尿；神志不清、肢体无力、麻木、心音低钝。 病理表现为以肾脏为主的多器官受损，病理生理变化主要为体内显著缺钾。

由上可知，游离棉酚能够导致单胃动物和人中毒，故在使用棉籽饼粕和棉籽油时，需要严格控制棉酚含量，避免中毒事件的发生。

3 棉酚的用途

3.1 棉酚在农业上的应用

自然界中的植物在受到昆虫危害后，会产生一系列的防御反应以提高自身防御能力，进行自我保护，这种自我防御被称为植物的诱导抗性。 植物的防御机制有多种，如产生防御蛋白、有毒次生代谢物或诱导天敌的挥发性化合物，其中棉酚是棉花重要的抗生性次生代谢物[20]。 雒珺瑜等[21]通过网室抗性鉴定和室内测定分析的方法，发现棉酚与绿盲蝽的抗性有关，棉花中棉酚含量越高对绿盲蝽的抗性越高。 刘泽辉[6]通过对不同棉属的棉花品种的抗性差异与棉酚含量相关性的研究发现，棉酚对棉铃虫营养代谢、生长及生殖产生抑制作用，具有很好的抑制生物活性。 棉酚提取液具有抑菌活性，特别是对棉花黄萎病病原菌具有很好的抑菌活性，可阻止病原菌丝的生长、降低孢子萌发几率。 棉酚除了有抗病虫的作用，还能抑制植物生长发育，其原理是通过抑制Ca2+来抑制细胞的传导,抑制细胞的增殖而达到抑制植物生长发育的目的[22]。 棉酚还具有调控果树和烟草腋芽的发育功能, 降低植物过氧化物酶活性，降低植物种子的萌发率, 抑制植物幼苗生长[23]。 棉酚在农业上的应用，不仅可以用来防治农作物的病虫害，还能利用棉酚的抗生育性通过调节棉酚含量来防治棉田鼠害[24]。

3.2 棉酚在工业上的应用

棉酚是在棉株细胞间小的色素腺体中发现的一种含量较高的天然黄色色素[25]。 因此，棉酚较早被染料行业利用]，后因棉酚易被氧化脱色，所以在染料行业未能得到发展。 但因具有抗氧化性，可作为氧化抑制剂，所以在橡胶行业、聚乙烯工业、聚丙烯工业及作为火箭燃料中的抗氧化剂应用[26]。 棉酚还可做阻燃剂，防止机械或仪器用油及干性油过早稠化；在筑路、机械精加工、石油钻探、防锈等行业，还可作为稳定剂。 因此，棉酚在工业应用上有着广阔的开发应用前景[24]。

3.3 棉酚在医药上的应用

根据最近几年的研究可以发现，棉酚在医药的应用最为广泛，在抗生育、抗肿瘤和治疗妇科疾病等方面医用价值也很高。

3.3.1抗生育。在发生烧热病的同时，我国科研人员就已经发现了棉酚可能具有抗生育的功能，并进行了相关的研究与考察。 在20 世纪80、90年代对棉酚的抗生育性研究较为深入，较早的实验是对大鼠的抗生育作用的研究。 张寅恭等[27]通过对50 只健康雄性大鼠进行的研究发现棉酚对雄大鼠有明显的抗生育效应，其作用在停药后还能维持一段较长的时间，并在研究中证明棉酚是在睾丸内影响精子发生过程。 童夙明等[28]从自愿试服棉酚的对象中选择28 例，进行精液细胞学研究，发现药物对精子发育的影响是显著的，服药期间正常精子数量下降，畸形精子率和生精细胞数增高。 另外线粒体对药物的反应比较敏感，供能作用会受到严重影响，也是造成不育的原因之一。棉酚的抗生育作用不仅限于男性，而且对女性也有一定的抗生育作用，有文献报道将棉酚琼脂冷霜作为阴道内灭精子外用药物，临床观察在宫颈粘液和阴道内仅有少数活动精子；棉酚还具有抗淋菌和抗病毒作用，并试用于治疗艾滋病。 棉酚在棉花植株的各个部位均有分布，所以棉酚抗生育研究有着丰富的自然资源和广阔的应用前景[29]。

3.3.2抗肿瘤。棉酚及其衍生物能抑制肿瘤细胞的生长、增殖。 朱美霞等[30]通过体外试验，发现了棉酚对起源于淋巴及粒细胞、肾上腺、乳腺、宫颈、直肠和中枢神经系统的肿瘤细胞株均有明显的增殖抑制活性。肿瘤发生的一个重要原因是抑癌基因甲基化，使其无法正常表达并发挥抑制癌症的作用，棉酚具有去甲基化作用，从而起到抑制癌症的作用；棉酚还可以作用于激素，影响体内的激素水平和信号转导，以达到抑制肿瘤生长的目的；陈黄鸿等[31]研究发现棉酚还能促进肿瘤细胞凋亡和抑制肿瘤细胞迁移。 彭彦等[32]通过比较棉酚及4 种棉酚衍生物对移植性肿瘤的抗肿瘤活性，发现4 种样品对实体瘤均有一定的抑制作用，且抑制效果比棉酚效果强，说明棉酚及其衍生物均能起到抗肿瘤的作用，但如果对棉酚结构稍加修饰，既能减小其毒性，又能提高其抗肿瘤效果，也是一种比较理想的抗肿瘤药物。 林洁[33]以人多发性骨髓瘤细胞系为研究对象，将醋酸棉酚和单醛棉酚进行比较，研究棉酚了在多发性骨髓瘤细胞中的作用，首次验证了棉酚对多发性骨髓瘤细胞具有抗增殖和诱导凋亡的作用。另外棉酚对多发性骨髓瘤的抑制作用在动物体内也得到了证实，上述研究为棉酚在多发性骨髓瘤中进一步临床前以及临床实验提供了依据。

3.3.3治疗妇科疾病。棉酚对妇科疾病的治疗应用主要集中在子宫和卵巢方面。1980年韩美玲[34]报道了用棉酚治疗更年期功能性子宫出血、子宫肌瘤及子宫内膜异位症的初步结果，证实其疗效显著而持久，是一种新的保守疗法。剂量适当时副作用不大。周兰芳等[35]用组织学和组织化学的方法，观察经醋酸棉酚治疗后雌性大鼠子宫内膜和卵巢的变化，同时研究了妇科病人经过棉酚治疗后子宫内膜的改变。研究发现经棉酚治疗后，子宫内膜的糖原、核糖核酸、酸性及碱性磷酸酶、脂质以及大鼠子宫肌层糖原等含量和阴道涂片的变化均能反映出性周期或经周期激素水平的变化，这些变化与临床上所看到的一致。

近几年棉酚在医药上的应用日渐广泛。 杨菲菲[36]研究了棉酚及其衍生物抗血吸虫病的活性；刘志成[37]研究了棉酚抗炎活性及作用机制，此外，棉酚还具有抗疟疾的作用，可杀死疱疹病毒[38]。

4 棉酚的脱毒方法

我国每年棉籽产量在900 万t 以上，棉籽粕年产量约400～500 万t，约占各类植物饼粕总产量的30%。 然而，由于棉酚的存在，使得棉籽粕不能有效地被利用，绝大部分只能作肥料，极大地制约了棉籽蛋白资源在饲料和食品等方面的应用，造成了资源的极大浪费。因此，对棉籽粕进行脱毒处理，充分开发利用我国棉籽蛋白资源，对于促进养殖业和食品业的发展具有积极的推动作用。 脱除棉酚毒性的方法主要有化学钝化法、 物理脱毒法及生物发酵脱毒法等，还可以通过提取棉酚的方法达到脱除的目的。

4.1 化学钝化脱毒法

化学钝化法一般认为是将化学试剂加入到棉籽油或者棉籽粕中，将有毒的游离棉酚转化为无毒的结合棉酚，或是游离棉酚与试剂发生化学反应，生成沉淀与棉籽油或棉籽粕分离，达到脱毒的目的。化学钝化法主要包括硫酸亚铁法、热碱法、尿素处理法等。 祁庆生等[39]比较了蒸煮法与添加硫酸亚铁、生石灰之后饲料棉酚的含量，并进行了生物实验，结果得出蒸煮法没有添加试剂的脱毒效果好，但是添加试剂后饲料的适口性又不如蒸煮法。赵国志等[40]通过在饲料的脱毒过程中添加新型脱棉酚化学剂，使棉酚处于双烯酮异物体的状态当中，从而有效地脱除棉酚，通过饲养肉鸡实验结果表明，脱毒棉酚有利于饲料转化，同时降低了在肉鸡各器官中的残留量，从而减少了对肉鸡的损伤；并且工艺路线短，设备简单易行，技术可靠性大，有一定的优越性。 王薇薇等[41]探讨了对棉籽粕化学脱毒的最佳方法，通过单一溶剂实验和混合溶剂实验的比较，发现硫酸亚铁、硫酸铜和双氧水3 种溶剂脱毒效果较佳，双氧水和硫酸亚铁的混合溶剂作为一种脱毒剂，能有效脱除棉籽粕棉酚，而且能提高棉籽粕粗蛋白消化率和仿生消化能，为棉籽脱毒提供了良好的理论基础和技术支持。 戴卫东等[42]介绍了热碱法对棉籽粕进行脱毒，得到了口味比较纯正且色泽呈浅黄色的棉籽粕，棉酚的残留量也符合国家规定含量。化学钝化法对棉籽粕和棉籽油脱毒的效率比较高，操作也简单易行，但不太适合大规模工业化生产，因为有的化学试剂不易清除，造成饲料等的适口性差。

4.2 物理脱毒法

物理法也叫高压热喷法、热处理法，可使游离棉酚的脱除率达70%[43]。 曲连发等[44]研究了湿热处理对棉籽饼粕的脱毒作用，其原理是棉籽色素腺体在水中可被破坏, 释放出游离棉酚, 在高温下与蛋白质和氨基酸结合形成结合棉酚而脱去毒性。湿热处理是一种传统的脱毒处理方法，研究结果表明，湿度为50%、温度为120 ℃时，棉籽饼粕的脱毒效果最好。 王清华等[45]利用蒸汽爆破技术对棉籽粕中游离棉酚进行脱除，并筛选出了适宜蒸汽爆破处理的条件为蒸汽压强2.0 MPa，水料比30%，维压时间30 s。 研究发现蒸汽爆破脱毒率可达87%，脱毒效果良好。 周建国等[46]运用膨化脱毒方法分别对棉籽粉和棉籽粕进行脱毒，脱毒方法可行且可以大规模的进行棉籽粉和棉籽粕的脱毒。 膨化是一种高温、高压、高剪切作用的工艺过程。膨化脱毒法可以有效杀灭有害微生物和病毒，还可以引起棉籽理化性质的改变，破坏棉籽色素腺体，达到脱毒的目的。另外，还有报道微波也可以实现棉酚脱毒。 众所周知棉酚主要存在于棉籽色素腺体中，色素腺体外壳坚硬，分布在整个棉仁中，若能在加工工程中保持色素腺体的完整性，使棉酚不逸出，可利用色素腺体的形状、大小及密度与其他物料间的差异进行离心分离，达到脱毒的目的，同时可得到棉酚产品。但此技术对设备要求较高，美国将其应用在棉籽蛋白粉的生产上，得到的棉籽粉蛋白质含量可高达65%，游离棉酚含量低于0.045%。 但赵大伟等[47]的研究表明，物理脱毒方法能耗较大，改变了营养物质的性质，不适宜大规模生产。

4.3 微生物发酵脱毒法

微生物发酵法[48]是指在一定条件下将特定的微生物菌种接种到棉籽粕固态培养基中，利用微生物在原料培养基中的生长繁殖和新陈代谢活动产生的一些酶类( 包括蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶、果胶酶等)，将棉籽粕中的游离棉酚分解利用或与棉籽粕中的蛋白质、氨基酸和脂类等物质结合形成没有生理活性的结合棉酚，从而达到脱毒的目的。 院江等[49]利用纤维分解菌、乳酸菌与酵母菌等主要有益菌组成的复合菌对棉籽壳进行发酵处理，结果在降低棉酚含量的同时降解了纤维素，使棉籽壳营养价值提高。 乔晓艳等[50]利用热带假丝酵母JD-9 和干酪乳杆菌MX-48 使棉籽粕发酵，改善了棉籽粕的饲用品质，在其前期实验当中棉酚脱毒率达到了91.3%。微生物发酵棉籽粕去除了多种抗营养因子，同时达到了脱毒的目的，而且使得棉籽粕的营养价值得到了综合改善。 赵静[51]从48 株以醋酸棉酚为唯一碳源的菌株中挑选了脱毒效果最好的菌株，并找到了该菌株脱毒最佳的条件是以10%的麦芽糖为碳源、3%的蛋白胨为氮源，料水比为1∶0.6（质量比），接种量为6%，置于30 ℃恒温条件下发酵72 h。目前微生物发酵脱毒法研究较为广泛，其脱毒率高，脱毒后棉籽粕的综合营养价值高是最大的优点，但其脱毒原理尚不明朗而且后续处理复杂，限制了微生物脱毒的大规模发展。

4.4 棉酚提取脱毒法

棉酚的物理脱毒法、化学脱毒法和微生物发酵等都是将有毒的游离棉酚转化为结合棉酚，或者变为沉淀从棉籽油或棉籽粕中分离出去，虽然棉副产品得到了发展，但是却遏制了对棉酚的利用和发展。 近几年棉酚在医药方面抗肿瘤、抗癌的作用被人们挖掘出来以后，使棉酚具有了很高的经济价值。 将棉酚从棉籽中提取出来既达到了脱毒的目的，又能使棉酚发挥其应用价值，一举多得。

4.4.1有机溶剂浸出法。棉酚易溶于大多数有机溶剂中，如甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮等，难溶于甘油、苯，不溶于低沸点的石油醚和水，根据相似相溶原理，采取单溶剂或多相溶剂可将棉酚从棉仁中提取出来[52]。 陶少媚等[53]采用双液相溶剂甲醇- 正己烷和乙醇- 正己烷两种混合溶剂浸出棉仁，同时提取棉籽油和棉酚，研究结果表明无论是哪种组合，溶剂比为3∶2 （体积比） 时醇相中游离棉酚含量最大，溶剂比为2∶3（体积比）时提油量最大。 徐世江等[54]提出用碱性缓冲液提取棉酚的新方法, 首先用10%Na2CO3-NaHCO3缓冲液处理棉籽油，静止后弃去油层，然后加HCL，接着加乙醚，滤液中加乙酸溶液，最后得到纯棉酚。 杨锐[55]利用甲醇溶液提取棉酚，使棉籽粕中的游离棉酚含量降低到0.01%以下，棉酚的提取率达55%，棉酚含量85%以上。 吴媛瑾等[56]以盐酸和80%乙醇混合溶液作为提取液浸提棉籽饼粕中棉酚，采用响应曲面法的Box-Behnken 模式对生产工艺进行了优化，并建立提取棉酚的二次多项数学模型，探讨了主要因素的影响效应及其交互作用，优化得出最佳工艺条件为浸提温度60 ℃，提取液用量为26 mL·g—1，盐酸浓度为1 mol·L—1，浸提时间为3.6 h，提取次数1 次时，提取量为8.80 mg·g—1。 这些方法提供了切实可行的提取棉酚的生产工艺。

4.4.2萃取法。祝强等[57]分析了棉籽油与棉酚之间的差异，采用6 号溶剂萃取棉籽油的同时，用甲醇萃取棉酚。运用这种方法使棉籽粕中游离棉酚含量小于0.045%。 邵仕香等[58]利用微波萃取技术辅助提取棉酚，与索氏抽提法比较，用时较短，且提取率提高。 田小红等[59]利用超声、70%丙酮水对棉仁进行预处理，通过比较发现料液比1∶131（质量比），提取时间50 min、 超声功率90W 是提取棉酚的最佳条件。 Zhu 等[60]通过改良的两相萃取，同时得到棉籽油、棉酚，甾醇和棉籽糖等，而棉酚的纯度达到92.1%。 通过萃取的方法提取棉酚，方法简单，棉酚提取率和纯度较高，是常用的棉酚提取方法。

除了以上脱除棉酚的方法，在棉花育种方面采取基因工程的技术培育低酚棉同样可以解决棉酚的问题，随着对棉酚合成途径基因和色素腺体合成基因的深入研究和解析，为利用基因工程创制低酚棉提供了理论基础[61]。 肖松华等[62]通过对比研究显性无腺体新品系的各项指标，发现低酚基因Gl2e对棉花种仁脂肪酸、氨基酸组成及其含量并未产生负效应。 刘慧等[63]研究棉花不同器官的色素腺体与棉酚旋光体含量的相关性，得出可以通过花瓣棉酚的含量来判断棉仁中棉酚的含量的结论。选育低酚棉的研究对棉酚脱除不失为一种很好的解决方式。

5 展望

在发生烧热病、 低血钾症的棉酚中毒事件之后，能使棉酚快速高效地从棉籽油和棉籽饼粕中脱除一直是研究热点；而且随着棉酚在农业、工业以及医药方面的作用被发现和发展，棉酚作为理想的天然资源被更有效地利用起来。所以棉酚仅仅作为有毒物质除去，不仅造成资源浪费，而且对于棉酚后续的发展也带来不利影响。棉酚的提取不仅达到脱毒的目的，更提高了棉籽油和棉籽饼粕的质量，使得棉酚能够被更好地利用。

在棉酚的提取上，常规的提取方法相对比较繁琐，而且很难达到预期的提取效果。 随着亚临界及超临界流体萃取技术的迅速发展，将其应用到棉酚的提取分离上，是一项值得研究的新课题。 我国每年棉籽产量达900 万t 以上，如果以棉酚占棉籽1%的含量计算，每年棉酚的产量约为9 万t。 棉酚作为潜在的天然资源，如果能得到合理开发和充分利用，就会变废为宝，对于我国的油脂企业来说将是一笔巨大的收入，同时也将会带来巨大的社会效益和经济效益。 总之，棉酚开发利用的前景是非常乐观的。