玉米蛋白粉的营养特性及其在动物生产中的应用研究进展

刘薇，丁雪，杨运玲*，张广宁，苗晓微，刘文峰，梁代华

（1.谷实生物集团股份有限公司，哈尔滨 150078；2.东北农业大学 动物科学技术学院，哈尔滨 150030）

玉米是全世界种植最广泛的农作物之一，全球玉米年产量约为5.6亿t，我国的种植历史约有460年之久，2012年玉米已成为我国第一大粮食作物品种，2018年后，我国每年的玉米产量在2.5亿t以上。玉米蛋白粉又被称作玉米麸质粉（Corn gluten meal，CGM），是玉米深加工过程中的主要副产物，我国每年产生约8.4万t玉米蛋白粉。玉米蛋白粉的蛋白质含量为60%～71%，但由于其蛋白质多属于谷蛋白和醇溶蛋白，水溶性较差，所以不能直接应用于动物饲粮中。并且玉米蛋白粉的氨基酸比例不均衡，缺少多种家畜家禽所必需的限制性氨基酸，因此玉米蛋白粉还没有广泛应用于动物生产中。经研究，通过发酵、酶解及酶菌协同发酵等处理可以极大地改善玉米蛋白粉的饲用价值，并且已开发出了具有抗氧化、抗菌、降血压、促进乙醇代谢等多种功效的玉米蛋白粉水解产物——玉米肽。本文对玉米蛋白粉的来源、营养特性、加工方法及其在动物生产中的应用进行综述，以期为玉米蛋白粉的开发利用提供参考。

1 玉米蛋白粉的生产

在玉米经湿磨法处理的过程中，去除玉米胚芽和玉米皮分离得到淀粉的过程中会产生大量的玉米麸质水，玉米麸质水经过脱水处理，混合干燥就能得到玉米蛋白粉（见图1），因其颜色发黄，因此也被称为玉米黄粉。玉米蛋白粉产量约占原料总量的5%～6%，蛋白质含量高达60%，但大部分为玉米醇溶蛋白[1]。

图1 玉米蛋白粉的生产过程

2 玉米蛋白粉的营养特性和生物活性

2.1 化学组成

不同玉米品种和不同加工处理手段均会影响玉米蛋白粉的营养物质含量，在我国河北、内蒙古和吉林三个地区的玉米蛋白粉的营养物质组成见表1。可见不同地区的玉米蛋白粉的营养物质组成不尽相同，但一个基本共性是粗蛋白含量均在60%左右，淀粉含量为20%～30%。

表1 不同地区玉米蛋白粉营养物质组成

2.2 蛋白质类型

玉米蛋白粉中的蛋白质主要是玉米醇溶蛋白和谷蛋白，分别占总蛋白的68%和28%。玉米蛋白粉中的蛋白质还可细分为谷蛋白-1、醇溶还原谷蛋白、玉米醇溶蛋白-2、类玉米醇溶蛋白、g-玉米醇溶蛋白、C-玉米醇溶蛋白、D-玉米醇溶蛋白和可溶性蛋白质[3]。玉米醇溶蛋白的蛋白质结构中含有大量的非极性氨基酸残基，分子结构呈螺旋状，由9个相同的基团通过氢键连接并呈反向平行的方式排列[4]，这是其水溶性差的原因。

2.3 氨基酸构成

氨基酸对于动物机体十分重要，是构成关键氮基化合物的骨架，如细胞色素、血红素、激素、黑色素、神经递质、核苷酸及核酸等，饲料蛋白质是家畜和家禽获得必需氨基酸的主要来源。玉米蛋白粉的氨基酸含量见表2[5]，与其他常用蛋白质饲料相比，玉米蛋白粉中赖氨酸和色氨酸的含量较低，由于动物机体自身不能合成赖氨酸，必须从饲料中获取，因此饲料中赖氨酸的缺乏会对家畜家禽的健康和生产性能造成不良影响。

表2 玉米蛋白粉的氨基酸组成（干物质基础） %

2.4 生物活性物质

类胡萝卜素是动物体内维生素A生成的前体物质，具有抗氧化和免疫调节的功能。玉米黄质和叶黄素属于胡萝卜素的衍生物，它们广泛存在于玉米和玉米蛋白粉中，在玉米中，叶黄素主要存在于角质胚乳中。叶黄素含量为11～30 mg·kg-1[6]。有研究表明，黄色马齿状玉米的叶黄素总含量为21.97 μg·g-1，玉米黄质含量为5.7 μg·g-1[7]。商品玉米蛋白粉中叶黄素含量为145 μg·g-1，是玉米含量的7倍，表明叶黄素可能与玉米蛋白粉中的玉米蛋白部分结合。玉米黄质和叶黄素具有抗氧化活性，能显著缓解视觉疲劳，降低黄斑变性和白内障的风险[8-9]。它们还具有调节动物免疫反应、增强巨噬细胞活性、抑制肿瘤细胞增殖、修饰细胞表面信号分子等功能[10-11]。

3 玉米蛋白粉作为蛋白质饲料使用的限制性因素

玉米蛋白粉虽然含有60%左右的蛋白质，但绝大部分为溶解性较差的醇溶蛋白，特殊的氨基酸组成和分子结构上的特异性使其难溶于水，动物采食后在胃肠道中能够稳定存在，很难被动物消化吸收，所以造成利用率较低，这是限制玉米蛋白粉作为蛋白质饲料利用的主要因素。此外，玉米蛋白粉的氨基酸组成不平衡，赖氨酸（0.68%左右）和色氨酸含量低，作为动物限制性氨基酸，这两种氨基酸必须从饲料中摄入，玉米蛋白粉缺乏这两种氨基酸使其营养价值降低。适口性较差也是限制玉米蛋白粉在饲料中广泛应用的重要因素，玉米蛋白粉中含有一些有苦味、臭味和刺激性气味的物质，如乙醛、藏花醛和甲基吲哚[11]，这些气味可能会影响饲料适口性，造成动物采食量降低。

4 玉米蛋白粉的水解处理及玉米肽的特性

由于玉米蛋白粉中醇溶蛋白含量较高且不易溶于水，所以饲用价值较低。通过水解处理可以得到具有较高生物价值和营养价值的玉米肽。常见的水解方法为酶法水解和微生物法水解。

4.1 酶法水解

酶法水解利用特异性或非特异性蛋白酶，在适宜的条件下将大分子玉米蛋白分解成易吸收的小肽，是改善蛋白质特性的常用方法。酶法水解可显著提高玉米蛋白粉的生物利用度，因为水解产物含有许多小肽，尤其是二肽和三肽，它们比完整蛋白质或游离氨基酸更能被有效吸收。此外，蛋白质部分酶解产生的氨基酸残基的摄入对蛋白质合成有一定的促进作用。蛋白酶可以单独使用或搭配其他处理方式以获得更高的效率，Liu X.L.等[12]用Alcalase蛋白酶水解，分别经过4% Na2CO3溶液浸泡、α-淀粉酶去除淀粉和蒸煮预处理的玉米蛋白粉，发现其水解度分别提高了14.02%、14.02%和12.51%。也有研究表明，通过三频超声处理的碱性蛋白酶酶解玉米蛋白粉的酶解效率、酶活性得到显著提高，得到了活性较高的玉米肽[13]。

4.2 微生物法水解

微生物法水解就是接种一些有益菌对玉米蛋白粉进行微生物发酵使蛋白质发生水解，发酵可以产生大量小肽，明显改善蛋白质的营养质量和水溶性[14]。接种植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）有助于产生足够的乳酸以快速降低pH，限制有害菌的活动[15]。接种枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）的玉米蛋白粉中大肽（＞2 500 u）的比例显著降低，氨基酸含量显著升高[16]。布氏乳杆菌（Lactobacillus boulardii）和植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）的组合可以产生高水平的乙酸，提高发酵玉米蛋白粉的有氧稳定性，同时改善玉米蛋白粉的适口性[17]。

4.3 玉米肽的特性

玉米肽是玉米蛋白粉的水解产物。与玉米蛋白粉相比，玉米肽具有渗透压低、吸收快、口感好等优点。此外，除了具有较高生物价值外，玉米肽还具有优于原始蛋白质的功能特性[18]。

玉米肽的化学成分和理化性质不同于玉米蛋白粉，通过控制水解可以改变和改善蛋白质的性质。Lin F.等[19]采用两步酶水解和多级分离来生成低分子量的玉米肽，使得96.77%的玉米肽＜1 000 u，并分析了玉米蛋白粉和玉米肽的化学成分。玉米肽的蛋白质组成高达91.61%，灰分、脂肪和糖含量分别为5.56%、0.52%和0.82%。玉米蛋白粉和玉米肽的氨基酸相对丰度相似，酶水解并没有显著改变玉米中蛋白质的氨基酸组成。玉米肽富含谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸和苏氨酸，分别占24.21%、18.27%、9.68%、8.29%、5.82%和5.51%。

玉米肽具有多种生物活性，如抗氧化、抗肥胖、保护肝脏等功能。Hancock J.T.等[20]研究发现，玉米肽可以激活与细胞防御系统有关的信号通路，并直接清除细胞内的活性氧，以抵抗氧化应激。Zhang F.等[21]研究发现，通过酶水解从玉米蛋白粉中提取的玉米寡肽对大鼠早期酒精性肝损伤具有保护作用。除上述的功能外，玉米肽还表现出一定的抗菌活性，玉米肽的抗菌谱已被发现覆盖了广泛的病原微生物，如大肠杆菌、幽门螺杆菌、李斯特菌、沙门氏菌、葡萄球菌、酵母菌和丝状真菌。

5 玉米蛋白粉在动物生产中的应用

5.1 玉米蛋白粉在反刍动物中的应用

玉米蛋白粉在反刍动物生产中的应用较为常见，尤其是奶牛和肉牛中，饲喂高水平的湿玉米蛋白粉代替饲料已被证明能提高干物质采食量（DMI）和能量校正乳（ECM）[22]。断奶前饲喂湿玉米蛋白粉的犊牛生长性能提高，饲喂发酵玉米蛋白粉的犊牛还表现出腹泻发生率、腹泻天数和腹泻严重程度降低，瘤胃发酵得到改善，抗氧化能力和免疫力得到提高[4]。日粮中添加发酵玉米蛋白粉可提高断奶后犊牛的日增重和饲料效率，从而提高犊牛的生长性能[23]。

已有研究还发现，当玉米蛋白粉替代75%以上的豆粕时，对牛奶蛋白质含量有负面影响[24]。在玉米蛋白粉替代70%以下的豆粕时，没有观察到对乳蛋白含量的影响[25]。由于玉米蛋白粉中缺乏赖氨酸，当玉米蛋白粉补充水平过高时，可能会降低赖氨酸浓度，从而降低牛奶的蛋白质浓度[26]。同时，由于玉米蛋白粉中主要含有醇溶蛋白和谷蛋白，在瘤胃液中的溶解度很低，在瘤胃内不易分解。这些含有大量过瘤胃蛋白的蛋白质饲料在与能够提高瘤胃有机物降解率和微生物蛋白合成的饲料同时饲喂时，才能够被最大限度地利用。同时这种饲粮结构必须提供瘤胃微生物所需的能量、氨、氨基酸和肽。如果将玉米蛋白粉作为蛋白质的来源，还需要提供额外的氨基酸与蛋白质以补充小肠的需要[27]。

5.2 玉米蛋白粉在猪生产中的应用

玉米蛋白粉作为一种高蛋白低纤维的蛋白质饲料对单胃动物有重要的应用价值，与豆粕和鱼粉相比，玉米蛋白粉的氨基酸结构不平衡，赖氨酸和色氨酸含量很低，但考虑到当前合成氨基酸的使用比较广泛，玉米蛋白粉可能会成为猪饲粮的原料之一[28]。Mahan D.C.等[29]研究发现，用玉米蛋白粉和乳糖替代断奶仔猪日粮中的玉米和干乳清不影响仔猪的生产性能，且在与乳糖结合使用的35 d试验期内，在不影响仔猪生产性能的前提下，最多可在日粮中加入15%的玉米蛋白粉。然而，不同产地、品种的玉米所得到的玉米蛋白粉组成可能有一些差异，目前关于这方面的研究较为稀缺。

5.3 玉米蛋白粉在禽类生产中的应用

玉米蛋白粉作为一种高效的含硫氨基酸来源，常被添加到肉鸡日粮中以提供蛋氨酸。且玉米蛋白粉作为一种优秀的叶黄素来源，也常常添加到肉鸡和蛋鸡的饲粮中，以改善其皮肤颜色和蛋黄颜色。在饲粮中添加5%、10%的玉米蛋白粉显著改善了三黄鸡的生长性能、血清参数、肠道形态和免疫性能[30]。在蛋鸡日粮中用玉米蛋白粉替代部分能量和蛋白质饲料具有降低日耗料量、料蛋比和蛋鸡死淘率的效果[31]。有研究表明，在雏鸡日粮中添加3%、6%、9%和12%的玉米蛋白粉能够有效改善肉鸡增重、饲料转化率和胴体品质，且进一步增加玉米蛋白粉在肉鸡日粮中的比例不会对肉鸡的生产性能产生负面影响[32]。

5.4 玉米蛋白粉在水产动物生产中的应用

玉米蛋白粉是水产动物饲料中重要的蛋白质饲料替代来源，与其他植物性蛋白来源相比，玉米蛋白粉具有有效蛋白质含量高、纤维和抗营养因子少、价格低廉、供应稳定等优点，在一些肉食性鱼类中，如军花鱼、鲈鱼和海鲷，玉米蛋白粉可替代日粮中50%以上的鱼粉蛋白，且对于生产性能没有任何负面影响[33]。玉米蛋白粉替代60%以上的鱼粉（日粮中玉米蛋白粉含量为33.6%）对鲈鱼特定生长率无显著影响。但是与对照组相比，较高的替代水平会导致特定生长率显著降低。由此可见，玉米蛋白粉可在不影响鲈鱼生长的情况下替代60%的鱼粉。

6 小结

目前我国畜牧业发展遇到诸多挑战，在新冠疫情的影响下，存在饲料资源短缺的情况，尤其是以豆粕为主的蛋白质饲料资源。玉米蛋白粉蛋白质含量高，在我国产量丰富，能够水解成多种玉米肽，但还没有被大规模应用于动物生产中，仍需通过发酵、酶解、酶菌协同发酵等手段进一步开发玉米蛋白粉作为蛋白质饲料的潜力，对于解决玉米蛋白粉氨基酸组分不平衡、醇溶蛋白含量高、适口性差等问题仍需进一步探讨研究。