棉籽浓缩蛋白加工工艺及其在水产饲料中营养价值

■薛 敏

（中国农业科学院饲料加工创新团队，北京 100081）

联合国粮食及农业组织（FAO）指出，未来几十年内渔业和水产养殖对全球粮食安全和减贫至关重要。为了保证水产行业为全球人口提供优质蛋白质，加强水产饲料的可持续性发展研究是十分关键的[1]。水产养殖因其高转化效率和低排放的特征为全球粮食安全和营养健康提供重要保障。中国水产养殖产量从1991年不到800万吨增加到2019年5 027万吨，快速发展的水产养殖对饲料及其蛋白源的需求越来越大[2]。目前，我国水产饲料年鱼粉用量120万～150万吨、豆粕600万吨、菜粕250万吨、棉粕100万吨。然而，我国适合水产动物饲料的优质蛋白源十分短缺，鱼粉年产量仅40万吨，进口量120多万吨，进口依存度超过80%。作为主要饲料蛋白源的豆粕来自大豆，而我国大豆年产量不到1 500万吨，饲料用粮无法占用更多耕地，2020年进口量超一亿吨，进口依存度超过85%，成为我国饲料产业受制于人的“卡脖子”因素。我国非粮蛋白种类丰富，但技术研发严重不足，限制其在水产饲料中应用。因此，开发新型非粮蛋白是解决饲料蛋白源短缺、促进动物养殖可持续发展、保障国家粮食安全的重要途径。

我国是世界第一产棉大国，棉籽资源丰富，年产量约800万吨，其中新疆是主要棉籽产区，产量达到700万吨左右。但传统工艺产棉粕品质较差，纤维素和木质素成分严重限制了其在水产膨化饲料中的应用。从棉粕的氨基酸组成看，除精氨酸、苯丙氨酸含量较高之外，其他必需氨基酸含量均较低，尤其是赖氨酸，被认为是第一限制性氨基酸，且利用率很低，这主要是加工过程中过热预处理造成的美拉德反应及较高的游离和结合棉酚限制了其在饲料中的应用[3-4]。随着近年来加工设备和工艺技术的日趋成熟，加之政府和行业对新型蛋白质原料开发的扶持，目前很多企业通过工艺优化已经基本解决了棉籽中有毒物质和抗营养因子的消除问题，同时使产品的蛋白质含量和质量均得到显著提升，其中棉籽浓缩蛋白（Cottonseed protein concentrated,CPC）就是一类典型产品。

1 棉籽浓缩蛋白加工工艺

1.1 棉籽蛋白生产工艺发展历史

棉籽是分离棉花纤维后的种籽，主要由棉壳和棉仁两部分组成，是我国重要的油料资源。棉壳的主要成分是纤维素和木质素，含量在70%以上，占棉籽总重的25%～40%，另外含大约1%的油脂和3%的蛋白质，其余成分为多缩戊糖和灰分等。棉仁占棉籽总重的60%以上，含39.0%的蛋白质、33.2%的脂肪、14.8%的糖类和2.2%的粗纤维[5]。棉仁由子叶、胚茎、胚根和胚芽四部分组成，是重要的榨油原料，棉籽油含大量的不饱和脂肪酸。去除了棉酚等有毒物质的精炼棉籽油可供人类食用。

20世纪50年代，我国开始通过土法压榨生产棉籽油和棉籽饼，受棉酚毒性影响，摄入一定量棉籽油和棉籽饼作为食物的民众普遍出现“灼烧症”和不育症。进入20世纪80年代，经高温蒸炒/膨化后榨油，再经高温压榨生产棉粕的工艺逐步取代了土法压榨，成为棉籽加工的主流技术。21世纪初，一种“液-液-固”低温提油、脱酚生产脱酚棉籽蛋白（蛋白质含量约50%）的工艺得到普遍应用（专利号ZL00134520.6）。但受棉花产业由内地向新疆战略转移，同时随着棉籽深加工设备和生产工艺技术的逐步改进，粗蛋白质水平可达60%以上的棉籽浓缩蛋白产品得到快速发展。

1.2 棉籽浓缩蛋白加工工艺

与利用传统热榨工艺生产的棉粕相比，加工CPC的工艺流程更为完善，加工条件温和且对原料的损伤更少，因此产品质量更高。以目前棉籽浓缩蛋白生产的主流工艺流程为例（见图1），经过脱绒的毛棉籽首先通过刀板剥壳机进行仁壳分离以去除绒壳，并通过精分工序最大程度去除纤维成分，保证后续加工过程中原料的蛋白质含量。CPC与棉粕最大的工艺区别在于取消了高温蒸炒的过程，取而代之的是将经过仁壳分离的产品在一定水分含量下进行软化轧胚，获得厚度约0.4 mm的更薄且坚硬的胚片，以便于后续的溶剂浸出。软化轧胚以及胚片的烘干过程均采用低温处理（60～70℃，辅助风送），尽量降低蛋白质热变性程度。经过烘干处理的胚片被输送进入浸出器，在不同浓度的甲醇和正己烷混合溶剂中进行提油脱酚。此过程中溶剂浓度和浸出时间可控，因此可以根据不同的产品需求控制棉籽蛋白产品中的棉酚以及棉籽糖含量。经浸出后的胚片通过挤液机脱除溶剂后进行快速低温烘干（不高于90℃）处理并获得最终产品。不同企业生产棉籽浓缩蛋白的工艺流程总体上基本一致，但在一些设备和工艺细节方面存在一定差异。比如对仁壳分离设备和浸出器的改进、软化轧胚和烘干过程中的温度设定、脱溶方式（挤压后烘干脱溶或直接烘干脱溶）、脱酚方式（喷淋或浸出）以及浸出步骤（混合溶剂同时提油、脱酚或单一溶剂分别提油、脱酚）等，这些设备和工艺上的区别也导致棉籽蛋白产品在加工特性上存在一定差异。

图1 棉籽浓缩蛋白加工工艺流程

总体来说，经过上述工艺的棉籽浓缩蛋白产品一般蛋白质含量可达60%～70%，并且由于采用软化轧胚、低温烘干等工艺取代了高温蒸炒，相比于棉粕可以有效降低了蛋白质的热变性程度，更容易被动物消化吸收。

除此之外，在加工棉籽浓缩蛋白的过程中通过溶剂萃取提油和脱酚，从根本上较为彻底地剔除了棉酚等有害物质，进一步提高了其安全性及营养价值。因此棉籽浓缩蛋白是一种在水产饲料行业具备优秀潜力的非粮蛋白源。

2 棉籽浓缩蛋白营养价值研究进展

2.1 棉籽蛋白结构与功能特性

按照溶解性分，棉籽蛋白主要包括球蛋白和谷蛋白，其中2S占30%，7S和12S占60%。棉籽蛋白分子量主要分布在45 ku和50 ku，还原条件下在14 ku和35 ku之间有亚基分布，存在相互作用的二硫键，不含导致动物过敏反应的抗原因子。而大豆中2S（伴大豆球蛋白，8～21.5 ku）仅占18%，7S（β-伴大豆球蛋白，110～210 ku）和11S（大豆球蛋白，350 ku）含量高达70%，还有约10%的15S（600 ku）大分子蛋白[4]。此外与大豆蛋白相比，棉籽蛋白没有生大豆腥味和其他异味，口味温和，能与其他食品原料的风味相互协调，同时，棉籽蛋白中不能被消化的低聚糖含量很低，不会导致肠胃胀气[6]。棉籽蛋白的赖氨酸含量稍低于大豆蛋白，但蛋氨酸含量稍高于大豆蛋白，水平更接近FAO的推荐值[7]。因此，对于动物而言，棉籽蛋白应具有更高的营养价值和适口性。

马梦婷[4]分别测定了热榨、冷榨及亚临界萃取工艺棉籽蛋白粉的色差值，发现与4种热榨棉籽饼粉相比，冷榨和亚临界萃取棉籽饼粉的亮度(L)值较大，红绿(a*)值、黄蓝(b*)值和总色差(ΔE)值较小，表明其亮度较高，与标准白板差异较小。亚临界萃取棉籽饼粉L值最大，b*值和ΔE值最小，表明其亮度高，与标准白板差异最小。因棉籽饼中含有一定量的结合棉酚和变性棉酚，高温工艺使得大量色素生成，糖类和磷脂类物质焦化，造成热榨棉饼颜色较深[8-9]。从图2可见，低温处理获得的含蛋白质约50%的脱酚棉籽蛋白(B)或含蛋白质65%的CPC(C)颜色呈金黄色，经高温处理的棉粕(A)受褐变反应影响，颜色较深。

图2 棉粕（A）、脱酚棉籽蛋白（B）和棉籽浓缩蛋白（C）产品外观性状

2.2 棉籽蛋白营养价值

利用传统方法高温压榨获得的棉籽饼粕，游离棉酚会与赖氨酸的ε-NH2结合，发生褐变反应，从而大大降低赖氨酸的有效利用率，因此赖氨酸是棉籽饼粕的第一限制性氨基酸[8]。CPC、棉粕、豆粕和鱼粉的必需氨基酸组成见表1。从表1可以看出，CPC中必需氨基酸含量均较普通棉粕有很大幅度提高，其中赖氨酸提高40%以上。与去皮豆粕相比，CPC中精氨酸和含硫氨基酸（蛋氨酸+胱氨酸）均大幅提高。CPC中精氨酸、组氨酸、苯丙氨酸含量超过鳀鱼粉，蛋氨酸+胱氨酸含量与鳀鱼粉接近，但其他氨基酸水平仍然低于鳀鱼粉。因此，在动物饲料中CPC与豆粕具有氨基酸互补效应，替代鱼粉时需注意限制性氨基酸的平衡。

通常每吨棉籽可提取150 kg棉籽油，产生425 kg含蛋白质45%的棉籽饼（粕）或370 kg含蛋白质65%的CPC[10]。由表1可见，CPC氨基酸含量占粗蛋白的94%，此比例远远高于经高温处理的棉粕（83%）。游离棉酚含量可根据不同市场需求控制在100～300 mg/kg，远远低于普通棉粕1 200 mg/kg的水平。以我国用于榨油的棉籽总量800万吨计，棉粕向CPC的产业转型，相当于额外增加了50万吨氨基酸的产量，对我国棉籽蛋白资源价值提升起到了重要的推动作用。

表1 CPC、棉粕、去皮豆粕和鱼粉的必需氨基酸组成(n=5)

3 棉籽蛋白产品在动物饲料中应用

从动物生长性能及营养学角度考虑，大量国内外研究者在斑点叉尾鮰、尼罗罗非鱼、花鲈等品种上进行了棉粕及脱酚棉籽蛋白替代鱼粉的应用研究[12-14]。这些研究结果显示，用不同工艺棉籽蛋白部分替代鱼粉是可行的，其适宜替代水平则因棉籽蛋白的品质，饲料加工方法，试验鱼的种类、大小和养殖条件的差异而不同，总体而言，受高含量非水溶性纤维和营养价值限制，棉粕和含蛋白质50%的脱酚棉籽蛋白产品在肉食性鱼类饲料中使用量均不高于20%。高纤维物质会限制物料在加工过程中的膨胀作用，因此，不适用在高档水产膨化饲料中使用[15]。而CPC已经脱除了大部分的不溶性纤维，少量的棉子糖还具有明确的肠道健康保护功能[16-18]。CPC作为一种新型非粮蛋白源，近年来在水产动物中的应用得到广泛的认可。申建飞等[19]以卵形鲳鲹幼鱼为研究对象，使用CPC梯度替代配方中12%～60%鱼粉，结果发现各替代组中卵形鲳鲹的生长性能并未受到影响。Zhao等[20]使用脱酚棉籽浓缩蛋白替代10%～50%鱼粉后，发现各替代组中虹鳟的生长性能也未受到影响；而Chen等[21]以珍珠龙胆石斑鱼为研究对象，发现在配方中使用CPC替代24%鱼粉后，杂交石斑鱼的增重率和特定生长率会明显高于鱼粉对照组。在条纹锯鮨幼鱼饲料中用CPC替代60%和80%的鱼粉，同时添加牛磺酸和硒酵母，虽未对鱼的摄食、生长、饲料利用效率、体组成（灰分和磷含量除外）以及养殖废物排放量产生影响，但添加牛磺酸和硒酵母能够进一步提高成活率，改善摄食低鱼粉饲料时条纹锯鮨的硒营养状态，由此推测硒可能是限制棉籽浓缩蛋白替代饲料鱼粉的原因之一[22]。Liang等[23]在花鲈饲料中使用40.8%CPC和23%大豆浓缩蛋白(Soy protein concentrated,SPC)全部替代鱼粉后发现，虽然前2周花鲈表现出厌食症，4周后适应日粮并表现出补偿生长。之后，Zhang等[24]采用与Liang等[23]相似的配方饲喂花鲈，发现摄食适应后花鲈可完全摄食以CPC和SPC制备的全植物蛋白饲料，但全植物蛋白饲料会导致花鲈葡萄糖和脂肪代谢异常，并诱发胆固醇缺乏从而导致胆汁酸合成不足，引发轻度脂肪肝。该现象说明当CPC高水平替代鱼粉后，需考虑条件性必需营养素，如胆固醇的补充。用CPC替代饲料中20%的秘鲁鱼粉饲喂大口黑鲈，其生长性能甚至优于高鱼粉对照组，且对肠道和肝脏健康未产生不良影响。此外，梁晓芳等[25]报道高蛋白水产饲料中添加CPC替代鱼粉，显著提高了花鲈膨化饲料的径向膨胀度，降低颗粒容重，利于加工浮性饲料。

综上所述，经低温浸提、脱酚、适度脱糖的棉籽浓缩蛋白产品显著提升了蛋白质营养价值，适口性好，不含致敏性抗原，可高水平替代鱼粉及大豆蛋白。我国棉籽蛋白加工产业的技术升级和产品质量优化，是我国应对饲料蛋白资源缺乏的重要途径。