棉子餅粕中棉酚的危害與脫毒方法研究進展

王冬梅　郭書賢　梁運祥

摘要：蛋白質飼料資源緊缺，價格不斷攀升已成為影響畜牧業(yè)發(fā)展的一個突出問題。棉子餅粕是一種優(yōu)質的蛋白質飼料資源，但由于含有有毒物質棉酚，制約了其在畜牧業(yè)中的應用。綜述了棉子餅粕的營養(yǎng)價值、棉酚對動物的危害、棉子餅粕脫毒方法研究進展及存在的問題。

關鍵詞：棉子餅粕；游離棉酚；毒害；脫毒；飼料；利用

中圖分類號：S562；0625.31文獻標識碼：A文章編號：0439-8114(2009)02-0487-07

隨著我國畜牧業(yè)的快速發(fā)展，蛋白質飼料資源的緊缺已成為當今我國飼料行業(yè)一個突出的問題，尋找開發(fā)新的蛋白質資源和充分利用蛋白質資源是飼料工業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)急需解決的問題。我國是世界上棉花生產大國之一，年產棉子餅粕600萬t左右。棉子餅粕的營養(yǎng)雖然豐富，但其中占普通棉子的0.7％～4.8％、占棉子餅粕0.2％～2.8％的棉酚(Gossypol)毒素制約了這種優(yōu)質蛋白質飼料資源的利用，居五大餅粕類產量之首的棉子餅粕飼用率僅為30％左右，未能物盡其用。眾多學者對棉子餅粕中棉酚的危害和脫毒方法等諸多方面進行了廣泛而深入的研究，其中，微生物發(fā)酵法被認為是一種綜合效益好、最有發(fā)展?jié)摿Φ拿拮语炂擅摱痉椒?，因而受到廣泛重視。

1棉子餅粕的營養(yǎng)價值及其毒素

1．1棉子餅粕的營養(yǎng)價值

棉子餅粕是提取棉子油后的副產品，其主要營養(yǎng)成分與大豆餅粕相媲美(表1)。我國棉子餅粕中蛋白質含量約占36.3％～47.0％，僅次于豆粕，同大米和小麥相比，蛋白質含量高出5～8倍。棉子餅粕水解后可得到17種氨基酸，其中賴氨酸含量較低，為1.40％～2.13％，而精氨酸含量較高，達3.94％～4.98％，賴氨酸與精氨酸之比遠遠超過了100:120的理想值。從8種必需氨基酸來看，棉子蛋白與大豆蛋白比較接近，從維生素和礦物質方面看，棉子餅粕含有豐富的維生素E和B族維生素等，磷含量在0.83％～1.04％，鈣則低于0.03％。因此，棉子餅粕是重要的蛋白質飼料資源之一。

1．2毒素——棉酚的理化特性

棉酚(Gossypol)俗稱棉毒素，是錦葵科棉屬植物色素腺產生的多酚二萘衍生物，存在于棉花的根、莖、葉和子實的色素腺體中，尤其在子實棉仁的球狀色素腺體中含量較多。棉酚純品為黃色結晶，能溶于大多數有機溶劑如丙酮、乙醚、氯仿、甲醇等，較難溶于甘油、環(huán)已烷和苯，不溶于低沸點石油醚和水，熔點181～185℃。分子式為C30

減少；所產蛋體積小，貯存過程中蛋白變粉紅色，蛋黃變茶青色。且很快死亡。

2．7拮抗維生素A

在棉酚的作用下，血液中不能容納適量的維生素A，引起維生素A缺乏癥，導致消化、呼吸、泌尿等器官的黏膜炎癥、上皮細胞變性角化易受損壞及新生仔畜失明和其他器官畸形。

總之，棉子餅粕中游離棉酚的中毒多為慢性經過，目前尚無特效療法。飼料中游離棉酚含量超過安全界限，將導致畜禽食欲下降、生長遲緩、體重減輕、凝血酶蛋白過低、腹瀉、毛發(fā)脫落、血紅蛋白和紅細胞及血漿蛋自降低等，嚴重的會導致心肌損傷，引起內臟充血和水腫，胸腔和腹腔體液浸出、出血、直到死亡。

由于游離棉酚的毒性，使棉子餅粕在飼料中的用量受到一定的限制。根據棉酚的毒理與毒性效應，聯(lián)合國糧農組織蛋白質機構規(guī)定：脫毒棉子餅粕中的游離棉酚含量小于0.065％，世界衛(wèi)生組織規(guī)定游離棉酚含量小于0.04％，美國食品藥物管理局規(guī)定食用棉子蛋白標準游離棉酚含量不得超過0.045％。我國國家標準飼料衛(wèi)生標準規(guī)定GB13078～2001，規(guī)定飼料原料棉子餅粕中游離棉酚含量≤1200mg·kg^-1，見表3。

另外，需要特別指出的是，動物種類不同，對棉酚的耐受性不同。豬對游離棉酚更敏感些，其耐受量為100mg·kg^-1，超過此量即抑制生長，并可能中毒死亡。一般乳豬、仔豬飼料不推薦使用棉子餅粕。肉用仔雞對棉酚的耐受量為150mg·kg^-1產蛋雞飼糧中FG最高允許量只能在20mg·kg^-1的限制下使用。反芻動物對棉酚的耐受力最強，肉牛飼料中大量添加棉餅并未出現(xiàn)中毒事件，但在幼小奶牛、高產奶牛及綿羊幼畜中添加過多，會出現(xiàn)乳脂熔點升高變硬及母畜不育等副作用。因此，棉子餅粕蛋白對反芻動物的安全限量還需進一步探討，

3棉子餅粕的脫毒方法

棉子餅粕脫毒即是采用合適的方法，使其中的游離棉酚降解或者變成結合棉酚，降低或鈍化其毒性。國內外對于棉子餅粕脫毒問題做了大量的研究工作，目前主要有物理法、化學法和微生物發(fā)酵法等方法，并在實踐應用中取得了一定的成效。

3．1物理法

3．1．1螺旋壓榨法利用螺桿擠壓機進行棉仁粉和棉子餅粕脫毒。周建國報道用雙螺桿擠壓法所得餅粕中殘留的游離棉酚含量大致都在90～240mg·kg^-1范圍。由于高速、短時、高剪切，擠壓過程中引起的蛋白質變性程度也較小。

3．1．2膨化法膨化脫毒法可分為擠壓膨化法和氣流膨化法(熱噴法)。膨化是一種高溫、高壓、高剪切作用的工藝操作。利用膨化的高溫、高壓使腺體色素破裂釋放出游離棉酚，與賴氨酸發(fā)生美拉德反應，成為結合棉酚，從而達到脫毒目的。雖然棉子粕中的有毒物質游離棉酚一部分發(fā)生降解，一部分在一定溫、壓和水分條件下與蛋白質結合形成結合棉酚，從而大大降低了游離棉酚的含量(小于0.08％)，但它在降低毒性的同時，也降低了賴氨酸的有效性和氨基酸的利用率，并且需要特殊設備，投人大，成本較高。

3．1．3旋液分離法旋液分離法是20世紀70年代美國最先使用的一種分離法(簡稱LC.P.法)。加工過程是將棉仁軋片并干燥到含水2％，后在輕汽油中磨碎到5～15μm，將棉仁細粉及輕汽油一起送入旋液分離器，利用色腺體與棉仁組織的比重不同而達到分離。上部隨輕汽油出來的棉子蛋白粉可作食品，下部棉子粕只可作飼料。本法脫毒效果好，游離棉酚控制在0.015％～0.020％。缺點是結合制油工藝進行。對棉子預處理要求較高，同時又要保證色腺體不破裂，對設備的要求也很高，投人大，成本高，且棉仁細粉和混合油完全分離困難。

3．2化學法

化學法常用的脫毒方法有化學鈍化法和混合溶劑萃取法等。化學鈍化法是在棉子餅粕中添加一定量的化學試劑，并在一定條件下使游離棉酚變性或轉化成結合態(tài)棉酚。包括添加硫酸亞鐵、尿素、堿、石灰水，甚至氨水和硫酸銨等。其中硫酸亞鐵法是目前公認的游離棉酚的有效去毒法。該方法投入少，操作簡便，脫毒效果也較好，適于農村個體養(yǎng)殖戶或小型養(yǎng)殖場使用：其缺點是所形成的絡合物仍保留在棉粕中，不但使其營養(yǎng)價值降低，而且適口性變差，不易消化?；旌先軇┹腿》ㄊ怯没旌先軇拿奁芍休腿〕雒薹邮蛊淙ザ?，此法優(yōu)點是處理后的棉粕蛋白質含量高，品質較好，能回收部分苯胺棉酚，但整套設備投資大，不易迅速推廣。

3．2．1硫酸亞鐵法Fe²⁺能與雙醛式游離棉酚反應生成變性棉酚一鐵絡合物，使游離棉酚的活性羥基失去作用而達到脫毒的目的，棉酚一鐵絡甘物不能被吸收，最終排出體外，不會對動物體產生不良的副作用。因為硫酸亞鐵與游離棉酚是以1:1比例進行反應，所以添加硫酸亞鐵量應大致與餅粕中棉酚含量相等，換算成FeSO₄·7H₂O粉末則約為5:1，占餅粕總重0.2％～0.4％。硫酸亞鐵的添加方式可以是以粉末直接加入到棉子餅中，也可以配成硫酸亞鐵的飽和溶液噴灑到餅粕，為了充分脫毒，甚至可以用其飽和溶液對棉子餅進行浸泡，然后再烘干作為飼料。也有的將硫酸亞鐵與氫氧化鈣進行混合使用，效果更好。張躍順報到了實驗室內不同棉子餅的脫毒方法的脫酚結果：在機榨棉子餅(FG含量為0.0873％)中加入的1％FeSO₄·7H₂O脫毒后，其FG的含量為0.0502％；在土榨棉子餅(FG0.1719％)中加入的1％FeSO₄·7H₂O脫毒后，其FG的含量為0.0516％。

3．2．2堿處理法棉酚是一種酚類物質，呈酸性，能夠與堿反應生成鹽，因此可以在棉子餅粕中添加堿性化合物如燒堿、純堿、石灰水、氨、草木灰等進行脫毒。Nagalakshmi等將棉子粕放在含1％的Ca(OH)₂溶液中浸泡24h，然后測定里面的營養(yǎng)成分，與未經處理的棉子粕中的營養(yǎng)成分相比較，經過Ca(OH)₂處理的棉子粕適合酶的作用。易于被動物的吸收，營養(yǎng)價值更高。戴衛(wèi)東等報道棉酚含量為0.15％的棉子粕(原料)，通過熱堿法去毒后其中的棉酚含量為0.032％。經過堿液處理后，雖然游離棉酚含量已極其微小，但酸、堿進行處理對設備的抗腐蝕性要求高，投資大，成本高。用石灰水進行堿法脫毒時，雖也可大大降低棉酚含量，但處理過的棉子餅粕會殘留石灰味，影響動物的適口性。

3．2．3氧化法氧化脫酚法主要是利用棉酚是一類極活潑的酚類物質，在通常情況下就很容易氧化變質，使用氧化性較強的氧化劑可用來降解棉酚。

常用的氧化劑是H₂O₂。Mirzakarimov等用33％H₂O₂處理棉子餅，添加量為4-7kg·t^-1，在105～110℃下反應30-60min，可以將游離棉酚量從0.18％～0.23％降至0.009％～0.013％，0.36％～0.45％降到0.02％～0.028％。在用H₂O₂2處理時，反應時間不宜過長，以免蛋白質變性劇烈，進一步減少水溶性蛋白的含量，以至影響餅粕營養(yǎng)價值。

3．2．4尿素處理法棉子餅粕中游離棉酚通常情況下呈相對穩(wěn)定的雙醛式，它與酰氨類化合物在一定溫度和濕度下生成西佛堿類加成物。經干燥脫水后生成西佛堿，使游離態(tài)棉酚轉變?yōu)榻Y合態(tài)棉酚，達到脫毒的目的。仲明等指出向棉子餅粕中加入0.25％～2.50％的尿素并加水10％～50％，去毒時保溫85～110℃，經過20～40min可使棉子毒性降至微毒。張嗣炯用尿素對含游離棉酚0.1649％的棉子餅加熱處理，添加尿素的量為游離棉酚質量的8～20倍，于100℃；處理15min再于50℃下烘干，脫毒后餅粕中游離棉酚含量降到0.0307％，餅粕中蛋白質含量為54.81％，用作肉用仔雞飼料，經喂養(yǎng)試驗表明效果好于常用配合飼料。

3．2．5有機溶劑浸出法利用棉酚在醇類溶劑中溶解的特點，用單一溶劑或混合有機溶劑從棉仁中同時提取棉子油和游離棉酚。一般是利用工業(yè)己烷(輕汽油或異己烷等)萃取棉子仁中的棉子油，醇類(乙醇、甲醇、異丙醇、正丁醇、丙酮等)萃取棉酚。按萃取棉酚工藝步驟分為同時脫毒法(與浸提棉子油同時進行)和分步脫毒法(先脫毒再提油或先提油再脫毒)。黃祖德報道了乙醇／輕汽油混合溶劑一次浸出棉仁脫酚制取棉子蛋白工藝，得到棉子仁粕中殘油＜1.5％、總棉酚＜0.9％、游離棉酚＜0.04％的滿意結果。另外丙酮／己烷混合溶劑浸出法進行脫毒也取得很好的效果。戴衛(wèi)東等利用丙酮、己烷與水混合溶劑使棉粕中殘留的游離棉酚＜0.060％，總棉酚＜0.80％。祝強等開發(fā)分步脫毒法，先用工業(yè)已烷萃取出棉仁胚中的油脂，再用醇類脫出粕中的棉酚。

目前，國內外使用的溶劑浸出法主要為混合或單一溶劑一步提取棉子油和脫毒，該法的優(yōu)點是避免了蛋白質的熱變性和氨基酸與游離棉酚的結合，保存了其營養(yǎng)價值。存在的問題是兩種溶劑的互溶性好，造成溶劑分離困難(共沸點現(xiàn)象嚴重)，溶劑消耗大，回收體系復雜，且混合溶劑對提取油的質量造成不良影響，使油品質量下降。而兩次分步浸出雖然可以有效去除棉酚、且棉子蛋白質量較好，但投資大，成本高，棉子粕易形成粉末狀，與有機溶劑分離困難，且油品質差，有異味等缺點。

3．2２6液一液一固三相萃取法是一種新型的棉子餅粕脫毒技術，采取2種溶液分步萃取。經清理去雜，仁殼分離后。棉仁經低溫軟化、壓坯、成型、烘干后，進入浸出提油系統(tǒng)，經溶劑提取油脂后，濕粕進入脫酚浸出器，再經溶劑兩次萃取使棉酚含量達到工藝要求。脫去溶劑后，進行低溫烘干，得到棉酚含量小于0.04％(能達到小于0.02％)、蛋白質含量大于50％的棉子蛋白成品。此法在全程提取和脫酚過程中，對物料的處理始終是低溫操作，最大程度地避免了蛋白質的熱變性，保證了蛋白營養(yǎng)效價。用該技術脫酚比較徹底，蛋白質和氨基酸破壞程度很低，但工藝比較復雜，需要特殊的設備與設施，投資大，成本較高叫。

3．3微生物固體發(fā)酵法

鐘英長等用添加棉酚的培養(yǎng)基從垃圾土和霉變棉子餅中篩選獲得5株不產黃曲霉毒素的霉菌，0]號菌為梨孢帚霉屬(Scopulariopsis sp.)，對棉仁餅粕發(fā)酵脫毒率達60％～74％，發(fā)酵后使棉子仁粉和棉子餅粉的蛋白質含量分別提高了5.18％和5.75％，氨基酸含量分別提高了7.14％和21.90％。吳小月等用12個種微生物(包括真菌、細菌、酵母菌)分別進行了單一菌種棉仁餅粕發(fā)酵實驗(餅粕含水量為50％。在30℃發(fā)酵4～6d)，表現(xiàn)出不同的脫毒效果，游離棉酚從608mg·kg^-1下降至270～189mg·kg^-1，其中篩選的菌種N25脫毒率最高，達到96.9％，脫毒后餅粕中氨基酸含量由原來的35.11％提高到38.36％。孫建義等從土壤中分離出一種高效降解FG的熱帶假絲酵母(Candida tropicalisStrain ZAU-I)，通過固體發(fā)酵試驗，其游離棉酚脫毒率達90％以上，含游離棉酚368mg·kg^-1的棉仁餅經該菌株發(fā)酵后未檢出游離棉粉。施安輝等篩選了4種酵母混合固體發(fā)酵30h左右，使FG得到高效降解，脫毒率高達97.45％。4個菌種Y1、Y2、Y4、Y6作用各有側重，Y1和Y4主要降解棉酚，Y2、Y6分別在增殖過程中產生蛋氨酸、賴氨酸和精氨酸以及B族維生素。脫毒棉子餅粗蛋白增加4.5％，17種氨基酸均有明顯提高，其中蛋氨酸由1.02％提高到1.22％，賴氨酸由1.95％提高到2.18％，精氨酸由1.76％提高到1.92％。楊景芝等經反復脫毒試驗，篩選出了1株棉酚脫毒菌種S9606，該菌能將含棉酚在0.045％～0.180％范圍內的各種棉子餅(粕)一次性脫毒，使游離棉酚殘留量在0.026％以下，脫毒率隨棉酚含量的升高而升高(49.0％～85.3％)，發(fā)酵后的棉子餅中有6種必需氨基酸的含量增加，其中蛋氨酸提高35.7％～40.0％，賴氨酸提高19.4％～27.6％，同時精氨酸減少20％，使賴氨酸與精氨酸之比較接近正常的吸收比值；可溶性蛋白質含量增加，但是總蛋白質含量無顯著變化。楊繼良等從酵母菌JM-1、JM-2、JM-3、JM-4、JM-5和木霉菌MM-1 6個微生物菌種利用棉酚能力的比較分析，篩選出了對棉子餅中棉酚具有較強脫毒能力的酵母菌株JM-3，在固態(tài)靜置發(fā)酵條件下30℃培養(yǎng)發(fā)酵2d，底物經滅菌處理的。其游離棉酚的含量下降至0.01％以下，不經滅菌而直接發(fā)酵的，游離棉酚的含量均下降至0.03％以下，脫毒率平均為84.37％，蛋白質含量增加了4.64％，同時餅粕色澤變淺，有淡淡的甜香氣味。該菌種的最大優(yōu)點是抗雜菌污染能力強，生長速度快，顧賽紅利用黑曲霉PES對棉子粕進行固體發(fā)酵，游離棉酚由498mg·kg^-1降為67mg·kg^-1，脫毒率高達86.50％，發(fā)酵后棉子粕的粗蛋白質提高10.92％，必需氨基酸除精氨酸外均增加，賴氨酸、蛋氨酸和蘇氨酸分別提高12.73％、22.39％和52.00％：發(fā)酵后棉子粕的干物質、粗蛋白質和氨基酸等養(yǎng)分體外消化率也明顯提高，其中粗

蛋白、賴氨酸、蛋氨酸和蘇氨酸的體外消化率分別提高了11.11％、15.17％、27.07％和12.90％。張文舉等利用熱帶假絲酵母ZD-3、黑曲霉ZD-8對棉子餅進行單菌及復合固體發(fā)酵，復合發(fā)酵可極顯著(P＜0.01)地降低棉子餅底物游離棉酚含量，脫毒率為91.64％，棉子餅底物粗蛋白、總氨基酸、必需氨基酸含量分別提高27.83％、18.15％、19.18％；粗蛋白、總氨基酸及必需氨基酸體外消化率分別提高20.90％、26.16％、24.47％。賴氨酸和蛋氨酸分別增加20.24％、66.29％。院江等利用由乳酸菌與酵母菌等主要有益菌組成的復合菌發(fā)酵棉子殼，棉子殼發(fā)酵后游離棉酚含量降低，脫毒率達到75.4％，主要營養(yǎng)成分粗蛋白(CP)提高2.29％，中性洗滌纖維(NDF)降低18.21％，酸性洗滌纖維(ADF)16.04％，微生物細胞數量達到9.85×10⁹個／g，棉子殼營養(yǎng)價值明顯提高，張慶華等研究了熱帶假絲酵母CA61、擬內孢霉EO2和植物乳桿菌3菌株協(xié)同固態(tài)發(fā)酵，結果表明3菌株混合培養(yǎng)可顯著降低棉粕底物中游離棉酚含量，脫毒率最高達85.30％，發(fā)酵后棉粕的粗蛋白、總氨基酸含量分別提高4.8％和10.54％，棉粕外觀蓬松變軟，氣味芳香，同時酶活力增加，可提高其消化吸收率，培養(yǎng)后的活菌數可達59.7×10⁸個／g。

4棉子餅粕脫毒與利用存在的問題

1)目前，棉子餅粕的處理方法很多，各種脫毒方法雖都可顯著降低棉子餅粕中棉酚含量，但都存在一定的問題。它們或者脫毒率不夠高，或操作性差，或設備尚未完善，或者成本高，或有較大環(huán)境污染。且大部分加工工藝會影響棉子餅粕中的營養(yǎng)成分，降低營養(yǎng)價值。同時，用化學制劑、有機溶劑處理后殘存的氣味和色澤往往降低了棉子餅粕的飼用價值，嚴重影響棉酚脫毒技術推廣。因此，有必要繼續(xù)尋找工藝簡便、脫毒效果較好而成本又較低的脫毒方法，同時注重強化棉子餅粕的營養(yǎng)價值，提高營養(yǎng)物質利用率。

2)在物理法中如膨化脫毒法在降低毒性的同時，也降低了賴氨酸的有效性和氨基酸的利用率，且需特殊設備，成本較高。旋液分離法對預處理要求較高。同時又要保證色腺體不破裂，對設備的要求也高，棉仁細粉和混合油完全分離困難。

3)在化學法中如硫酸亞鐵脫毒法只能去除游離棉酚，棉酚總量不會發(fā)生改變，所形成的絡合物仍保留在棉粕中，棉子餅粕的適口性差。堿液處理法需要用酸、堿進行處理，對設備的抗腐蝕性要求高，投資大。用石灰水進行堿法脫毒時，雖也可大大降低棉酚含量，但經處理過的棉子餅粕會殘留石灰味，影響動物的適口性。混合溶劑萃取法加工成本較高，兩種溶劑分離困難(溶劑互溶和共沸現(xiàn)象嚴重)，溶劑消耗大，回收體系復雜，毛油品質差，在工藝體系中水分的控制及毛油精煉色澤是較難解決的問題。三相萃取法生產的棉子蛋白，脫酚比較徹底，蛋白質和氨基酸破壞程度很低，但整個工藝比較復雜，需要特殊的設備與設施，成本較高。

4)微生物發(fā)酵法被認為最有發(fā)展?jié)摿Φ拿蘖孙炂擅摱痉ǎ坏艹ッ薹佣拘?，而且原料的營養(yǎng)價值也大為提高，但優(yōu)良菌種選育較為困難：水分干燥成本太大，物料粉碎、發(fā)酵和烘干工藝路線較長。影響企業(yè)效應；微生物轉化的具體作用機制仍不十分清楚，工藝控制難度較大，脫毒效果有時無法保證：單一菌種微生物和好氧發(fā)酵脫毒研究較多，復合菌種微生物和厭氧發(fā)酵研究少：另外對發(fā)酵脫毒技術及發(fā)酵前后棉酚含量和餅粕營養(yǎng)的變化規(guī)律及飼用效果研究不夠。

5)棉子餅粕脫毒后的允許添加量還沒有統(tǒng)一標準，棉子餅粕對動物的安全限量受脫毒工藝、動物品種、性別、年齡等諸多因素的影響，但國內尚未進行過系統(tǒng)的研究。目前棉子餅粕主要作為反芻動物飼料，水產飼料中常用的替代魚粉的植物蛋白源，在畜禽上應用較少。

(責任編輯昌炎新)