棉籽粕脱毒技术研究进展

马晓翠，马 壮，黄秀文，杨东龙，王梓涵，徐御林，杨开伦，王彩蝶

（新疆农业大学动物科学学院/新疆肉乳用草食动物营养重点实验室，乌鲁木齐 830052）

棉籽粕（Cottonseed meal，CSM）是棉籽脱壳榨油后的副产品，蛋白质含量高，营养成分较全面，是优良的植物性蛋白饲料，其粗蛋白质含量高达43.5%～47.0%，营养价值仅次于豆粕，是潜在的优质蛋白饲料原料，常被用作畜禽饲粮中豆粕的替代品［1］。中国饲料特别是蛋白质类饲料资源严重不足，对棉籽粕进行有效的开发和应用，对于解决中国蛋白质类饲料资源不足、实现畜牧业的可持续发展有着十分重要的作用。

棉籽粕中的游离棉酚（Free gossypol，FG）、单宁（Tannin）、植酸（Phytic acid，PA）等抗营养因子会对动物造成伤害，特别是FG 对动物的生长、发育和繁殖都有较大影响。FG 作为重要的抗营养物质，对动物具有一定的毒性，会导致动物的生长发育迟滞、生殖能力下降，严重时会导致动物的死亡，制约着棉籽粕在家畜饲料中的应用。国内外对棉籽粕进行了大量的脱毒研究，发现脱毒不仅能有效地减少其有害物质含量，还能提高其饲用性能。本研究对棉籽粕的营养特性、FG 的毒性及机理和棉籽粕脱毒技术进行了综述，旨在为棉籽粕的开发利用奠定基础。

1 棉籽粕的营养特性

棉籽粕含有丰富的粗蛋白、氨基酸等营养物质，在家畜饲喂中具有较高的应用价值。由于棉籽粕的产地和加工工艺的不同，已有文献报道的棉籽粕在营养成分上存在着较大的差别，其粗蛋白含量为36.34%～50.54%，粗纤维含量为5.97%～13.96%，粗灰分含量为4.28%～6.63%，粗脂肪含量为0.63%～5.50%［2-5］。棉籽粕含有18 种氨基酸，但是其氨基酸分布非常不均衡，而且与豆粕中的精氨酸、组氨酸和苯丙氨酸相比，其含量更高。

有研究报道棉籽粕中精氨酸含量高达3.94%～4.98%，而赖氨酸含量为1.40%～2.13%，只有豆粕的1/2，蛋氨酸含量则较低，约为0.4%；赖氨酸的利用率不高，因此赖氨酸是棉籽粕的第一限制性氨基酸［6］。还有研究显示，与大豆蛋白比较，棉籽蛋白不具有大豆蛋白所具有的独特豆腥味，也不具有膨胀性，且含有大量的B 族维生素和E 族维生素［7］。因此，它是一种很好的植物性蛋白饲料资源。

2 游离棉酚的毒性及其机理

2.1 游离棉酚的毒性

棉籽粕中所含的各种抗营养物质对动物的健康有一定的影响，其中以棉酚最为突出。棉酚是一种黄色多酚羟基双萘醛类化合物，按其存在形态可被划分为两种，一种是结合棉酚（Bound gossypol，BG），另一种是FG。BG 在动物的消化道中不能被吸收，可以通过排泄物排泄出来，无毒。但FG 会被动物所吸收，并在体内积累，从而对动物造成一定的毒害［8］。FG 不仅对饲料中的营养物质的吸收有抑制作用，还对动物的生长发育和生殖产生不良影响，这已成为限制棉籽粕在畜牧业中应用的重要问题。

2.2 游离棉酚的毒性机理

FG 对家畜的毒害作用以活性羟基、醛基为主。有研究表明，FG 会对雄性动物睾丸生精上皮的正常结构造成破坏，从而导致精子合格率下降，影响动物的正常生殖功能［9］；与蛋白质及细胞膜基质结合，使矿物的离子运输机理受到干扰，使动物对矿物质的吸收减少，并对血红蛋白的生成产生影响［10］；通过与氨基酸中的胺基残基结合，形成大分子BG，降低了对赖氨酸的吸收，因此给动物的身体带来危害［11］；与膜蛋白和膜基质结合，会对细胞膜结构造成破坏，对细胞内电子传递系统产生影响，进而对细胞内诸如Ca2+依赖蛋白激酶参与的相关代谢活动产生影响，对细胞、血管、神经系统产生危害［10］。

3 棉籽粕脱毒技术

为增加棉籽粕在动物饲料中的使用量，必须对其进行脱毒。棉籽粕脱毒是指利用适当的方法，使棉籽粕中的FG 降解或者转化为BG，从而达到减轻或钝化其毒性的目的，常用的方法有物理、化学、生物等方法。

3.1 物理法

物理法主要是采用高温、高压的方式使蛋白质与FG 结合生成无毒物质，或通过离心将色素腺体去除来达到脱毒的目的。在工业生产中，最常见的方法有热处理、挤压膨化、旋液分离、有机溶剂浸提、辐射技术等。采用热处理可以去除FG，提高其去除率（85%），但热处理蛋白质易与FG 发生美拉德反应，造成蛋白质利用率下降，且加热能耗较大，成本较高。挤压膨化脱毒的优势在于工艺简单、生产连续化，并且不产生废水，但这种方法对温度和湿度有较高的要求，而且在脱毒的过程中，蛋白质容易变性，会降低粗蛋白的含量，进而使棉籽饼的营养价值遭到损害，因为设备的特殊性，生产成本比较高［12］。旋液分离法较为先进，脱毒效果好，可将游离棉酚控制在0.015%～0.020%，且不会破坏棉籽粕中的营养物质，但此方法操作复杂、成本较高，难以大规模推广使用［13］。有机溶剂浸提方法不仅能减少FG 的含量，而且能减少总棉酚的含量，不需要高温处理，极大地减少了对营养成分的破坏，从而增加了棉籽粕的营养价值，但有机溶剂难以分离、循环使用，所以不容易普及［14］。辐射技术对棉籽粕营养物质的破坏作用较小，辐射处理后棉籽粕中FG 和粗纤维含量显著降低，且可去除饲料中的微生物污染［15］，但这种方式造价较高，需要特殊的装置才能生成辐射线，而且必须有保护装置才能确保辐射不外泄。

3.2 化学法

化学法是利用棉酚化学性质，将压榨后得到的棉籽粕经过化学处理，在一定条件下，FG 可以被破坏，也可以被转化成BG，因而减少了FG 的产生，实现脱毒的目的。化学法主要有硫酸亚铁法、碱处理法、氧化处理法和尿素处理法等。硫酸亚铁法简单易行、费用低廉、脱毒效果好，但硫酸亚铁法所形成的络合物会残留在棉籽粕中，导致棉籽饼的颜色变深，适口性变差，营养价值降低，因此该方法很难在商业上应用［16］。碱处理法能有效减少棉酚含量，但加工后棉粕口感碱味较大，适口性不佳，且对设备抗腐蚀要求高、投资大、费用高［17］。尿素处理法使棉籽粕中亮氨酸、异亮氨酸含量增加，剩余氨基酸含量则出现不同幅度降低。在去毒性之前必须从棉籽粕中提取植酸，所以这种方法的操作较复杂，而且还会增加成本［18］。在不改变结合性棉酚含量的情况下，氧化脱酚方法对棉籽饼中的自由棉酚去除率达90%以上［19］。氧化处理法脱毒效果好，但氧化剂与蛋白质反应剧烈，会造成蛋白质剧烈变性，使得棉籽粕的营养价值降低［20］。

3.3 生物法

与物理方法和化学方法相比较，生物发酵技术具有处理效率高、无残留等优点，使用更加安全，且棉籽饼的适口性也得到了极大的提高，对饲料的营养成分造成的破坏和影响也更小，特别是酶技术应用的处理效率非常高、成本低。生物脱毒法是从发霉的棉籽饼和反刍动物对棉酚的耐受性中得到启发而产生的，是在中国对棉籽粕脱毒研究的一种独具特色的方法，在国际上居于领先水平，但国际上鲜有相关报道。其是一种较为有效、安全、经济、极具发展潜力的脱毒法，主要包括微生物发酵法、酶解法和菌酶协同发酵法。

3.3.1 微生物发酵法 微生物发酵的原理是通过菌体在发酵时所产生的酶，将棉籽粕中的棉酚和其他有害物质等转化为无毒性物质。固态发酵法、瘤胃液发酵法和坑埋法是常见的微生物发酵法。

1）固态发酵法。固态发酵法是一种新型的脱除棉籽饼粕毒素的技术，是将特定微生物接种到棉籽饼粕培养基中，在一定的条件下，通过微生物在饲料原料中的生长繁殖和代谢来实现对棉酚的分解利用，或者将FG 转化为BG，从而实现脱毒的目的［21］。这种方法具有操作简单、发酵原料成本较低、前期处理较少、后期处理简便等优点，并且对提高饲料的适口性有很大帮助，因此在畜牧业上得到了广泛的应用。已应用于棉籽粕发酵的微生物有黑曲霉、枯草芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、热带假丝酵母和白地霉等。

固态发酵法又分为单菌发酵和复合微生物发酵两种方式。单菌发酵方面，Sun 等［22］使用枯草芽孢杆菌对棉籽饼进行发酵，其脱毒率达到了61.91%，且粗蛋白质含量提升了12.23%。钟英长等［23］在前期研究中，采用自然筛选和诱变育种筛选到5 株不产黄曲霉毒素且对棉酚有较高脱毒率的真菌（1 株梨饱帚霉属、2 株曲霉属、1 株串珠霉属、1 株红曲霉属），对未加工的棉籽仁粉具有较好的去毒效果，脱毒率为60%～74%。孙建义等［24］将假丝酵母ZAU-1菌株在以棉仁饼粕为主原料的培养基上进行固态发酵，其游离棉酚降解率达90%以上。朱荷琴等［25］利用酵母菌JM-3 于25 ℃、接菌量2.5%条件下发酵含水量44.4%的棉籽饼粕48 h 后，其脱毒率为93.26%。杨继良等［26］筛选出对棉籽饼中棉酚有较好去除作用的酵母菌在30 ℃下连续进行了2 d 固态生料发酵，FG 含量降低到0.03%以下，脱毒率平均达到84.00%，蛋白质含量提高到了4.64%。顾赛红等［27］采用黑曲霉聚乙二醇（Pseudomonas polycerevisiae，PES）对棉籽粕进行固态发酵，脱毒率达86.50%，蛋白质含量增加10.92%。Zhang 等［28］使用热带假丝酵母ZD-3，在30 ℃下将棉籽粕发酵48 h 后，FG 含量从549.06 mg/kg 下降到35.86 mg/kg，脱毒率达93.47%，而粗蛋白质含量则增加了8.49%。何涛等［29］采用白地霉、扣囊内孢霉、热带假丝酵母、产朊假丝酵母、黑曲霉和米曲霉等分别发酵棉籽粕，发现产朊假丝酵母对棉酚的降解率约为70%。Mahmoud 等［30］用热带假丝酵母进行发酵，得到了92.5%的FG 降解率。

复合微生物发酵方面，有研究显示，用热带假丝酵母ZD-3、黑曲霉ZD-8 和二者复合发酵对棉籽饼进行发酵后脱毒率分别为94.57%、85.16%、91.64%。结果表明，与单一菌种发酵相比，复合发酵效果更好，发酵后棉籽饼底物粗蛋白、总氨基酸、必需氨基酸含量分别提高了27.83%、18.15%、19.18%［31］。另外，有学者采用以乳酸菌和酵母菌为主体的复合菌对棉籽壳进行发酵，使其脱毒率达到了75.40%，主要营养成分粗蛋白增加了2.29%，中性洗涤纤维减少了18.20%，酸性洗涤纤维减少了16.04%［32］。张庆华等［33］采用三菌种的协同固态发酵方法，在pH 5.0、25 ℃、棉粕∶玉米∶麸皮=6∶2∶2 的条件下，其脱毒效果可达85.30%。朱德伟等［34］用两种不同酵母菌混合发酵棉粕，热带假丝酵母JD-9 和卡氏酵母JD-13 接种量分别为4.40%和0.56%，于30 ℃、料水比1∶0.8，发酵48 h 后棉粕脱毒率高达91.3%。王小磊［35］采用黑曲霉、米曲霉和酿酒酵母进行固态混合发酵，在34 ℃、85%相对湿度、10%接菌量、原料干基∶水=1∶1 的情况下，经过48 h 发酵，棉籽饼粕中的FG 脱除率为96.2%，粗蛋白的含量提高1.8%。颜雨薇［36］利用响应面法分析优化三菌（植物乳杆菌-L1、发酵乳杆菌-L2、酿酒酵母-Y1）复合发酵棉籽粕的最佳生长培养基和培养条件，当初始含水量为53%，周期44 h，麸皮添加量15%，发酵温度30 ℃时，棉籽粕脱毒率为80.38%。洪振［37］利用乳酸菌、枯草芽孢杆菌、酵母菌3 株菌种混合固态发酵棉粕，脱毒率达到85.11%，粗蛋白含量达到43.25%，较发酵前提高了4.1%。有研究发现，混菌发酵比2∶1（枯草芽孢杆菌∶酵母菌）、接种量10%、料液比2∶3、发酵时间48 h、发酵温度30 ℃，此时棉籽粕脱毒率高达86.57%［38］。此外，一些研究人员采用枯草芽孢杆菌（PTCC1156）、黑曲霉（PTCC5010）、米曲霉（PTCC5163）对棉籽粕进行发酵，FG 和粗纤维的含量明显减少，但其粗蛋白含量和乳酸菌的数量却明显增加［3］。还有研究显示，采用枯草芽孢杆菌和酿酒酵母1∶1 混合发酵棉籽粕72 h，其总游离氨基酸、酸溶蛋白及棉籽肽等都有较大幅度的增加［39］。利用乳酸菌对棉籽粕进行固态发酵，对棉籽粕中FG 和PA 的降解能力有限，可显著改善其风味，增加其有机酸及其他营养素含量，但对FG 的降解能力很低［40］。徐晶等［41］通过固态发酵生料棉籽粕，其脱毒效率达到50.03%，且混菌发酵效果比单菌发酵更好，地衣芽孢杆菌B12 和产朊假丝酵母Cu1 为较好的混合菌种。

综上所述，单菌发酵和混菌发酵都能在一定程度上实现对棉籽饼中FG 的高效降解，并提高其营养价值。与其他的物理、化学等脱毒方法比较，固态发酵法不仅可以大幅度减少FG 含量，还可以在一定程度上降解其他的抗营养因子，同时还可以降低生产成本，不需添加化学药剂，没有化学残留，因此是比较安全的。然而，其发酵过程耗时较长，一般需要48～72 h，导致能耗高、产量低。

2）瘤胃液发酵法。瘤胃液发酵法的主要步骤是先将棉籽粕进行粉碎、过筛，将新鲜、冻结的瘤胃液进行混合，从而获得黏稠的瘤胃液混合物，再将粉碎的棉籽粕添加到此混合物中，进行体外瘤胃液体发酵。有研究表明，通过在瘤胃中发酵棉籽粕，能够明显减少游离棉酚的含量，而且不会造成其他营养成分的损失，还具有很强的脱毒效果［42］。但其对发酵环境及工艺条件的要求较高，故未被普遍采用。

3）坑埋法。坑埋法是一种通过天然发酵来去除有毒物质的方法，这种方法主要是通过在棉籽饼粕或者泥土中发现的微生物来实现的。此工艺工艺简便，但存在原料耗量大、周期长、脱毒效果差等缺点，限制了其规模化生产。

3.3.2 酶解法 酶解法脱毒的原理类似于微生物发酵法，都是通过生物自身产生的酶来降解棉粕中的FG 等有毒物质实现脱毒。有研究表明，在棉酚降解酶（CPR-CYP9A12）作用下，棉籽粕的去毒效率达到92.67%，与热带假丝酵母ZD-3 作用下的去毒效率相比，提高了4.46%，且两种处理对棉籽粕的营养成分均没有明显影响，但棉酚降解酶处理却明显缩短了反应时间［9］。另外，在添加1 000 U/g 中性蛋白酶发酵条件下，发酵48 h，对棉粕的去毒率为73.29%。用1 000 U/g 中性蛋白酶对乳酸杆菌BLCC2-0092 进行24 h 发酵，棉粕中棉酚降解率达到了67.13%［43］。研究人员将0.8%的β-甘露聚糖酶加入棉粕中，发现该酶可以对其中的可溶性β-甘露聚糖进行高效降解，明显提高了可溶性甘露糖和葡萄糖的含量，从而提高了饲料的利用率［44］。黄明媛［45］在豆粕及棉粕中添加BOSAR 蛋白酶后其消化率分别升高了5.2%和15.1%，豆粕中小肽含量提高到13.25%，豆粕中有毒物质快速降解，大大改善了豆粕饲用安全性。有学者发现，采用乳酸菌与酸性蛋白酶作为发酵剂，对棉籽粕进行固态厌氧发酵，能够有效地增加棉籽饼中的粗蛋白，使其pH 下降，并且能够将棉籽粕中的单宁降解，但是对FG 和PA 却没有太大的作用［40］。

3.3.3 菌酶协同发酵法 利用菌酶协同发酵法对棉籽粕进行脱毒的研究较少。一些学者在对蛋白酶种类和添加量进行筛选的基础上，建立了一种利用枯草芽孢杆菌和木瓜蛋白酶共同发酵棉籽粕的新技术。与单菌发酵相比，菌酶协同处理可以有效降低棉籽粕FG 的含量，还可以增加其粗蛋白质和氨基酸的含量，有效降解棉籽蛋白，此外，还能改善其体外蛋白质消化性能及抗氧化能力［46］。有研究将碱性蛋白酶和复合风味酶的酶解物加入到棉粕的培养基中，再用产朊假丝酵母和地衣芽孢杆菌两种细菌对棉粕进行发酵，发现棉粕中的FG下降到202.35 mg/kg，粗蛋白和总氨基酸的含量增加，粗纤维的含量减少，还含有蛋白酶、淀粉酶和益生菌等物质，这种发酵方式在消除一些有害物质的同时，也使其营养价值得到了提高［47］。郭媛媛［48］对比了两种处理方法（先发酵后酶解和发酵与酶解同时进行）对棉粕的粗纤维含量、棉酚含量、蛋白溶解性等方面的影响，结果表明，同时进行发酵和酶解能更有效地提高棉粕的品质。利用微生物-酶联合发酵技术可以有效地提高棉籽蛋白质量，对于促进脱毒棉籽粕的工业化利用具有十分重要的意义。

4 小结与讨论

中国畜禽饲料以大豆为主要蛋白原料，在畜禽养殖中对进口大豆的依赖性较强，限制了畜禽养殖的健康发展。因此，探索新的饲料和对已有饲料进行有效利用，是实现中国畜牧业可持续发展的关键。棉籽粕是优质杂粕，经理化及生物脱毒可降低其FG含量，提高其营养品质。

生物法是有效、安全、经济、极具发展潜力的一种方法，其中应用最多的是以固态发酵为主要手段的微生物脱毒法，但是其过程缓慢、效率低下。而且微生物发酵降解棉酚的机理研究仍然缺乏，详细的棉酚代谢途径尚不明确，有待进一步研究。基于酶学原理的棉酚酶解脱毒化方法鲜见报道，尚未取得突破。同时，生物法降解棉酚的效率不稳定，且没有一个标准的降解方法，不同的酶和菌降解棉酚的机制仍不清楚。这些问题的解决对提高脱毒棉籽粕品质及其在生产中的应用具有重要意义。