玉米蛋白粉的營養(yǎng)特性及其在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉薇，丁雪，楊運(yùn)玲*，張廣寧，苗曉微，劉文峰，梁代華

（1.谷實生物集團(tuán)股份有限公司，哈爾濱 150078；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150030）

玉米是全世界種植最廣泛的農(nóng)作物之一，全球玉米年產(chǎn)量約為5.6億t，我國的種植歷史約有460年之久，2012年玉米已成為我國第一大糧食作物品種，2018年后，我國每年的玉米產(chǎn)量在2.5億t以上。玉米蛋白粉又被稱作玉米麩質(zhì)粉（Corn gluten meal，CGM），是玉米深加工過程中的主要副產(chǎn)物，我國每年產(chǎn)生約8.4萬t玉米蛋白粉。玉米蛋白粉的蛋白質(zhì)含量為60%～71%，但由于其蛋白質(zhì)多屬于谷蛋白和醇溶蛋白，水溶性較差，所以不能直接應(yīng)用于動物飼糧中。并且玉米蛋白粉的氨基酸比例不均衡，缺少多種家畜家禽所必需的限制性氨基酸，因此玉米蛋白粉還沒有廣泛應(yīng)用于動物生產(chǎn)中。經(jīng)研究，通過發(fā)酵、酶解及酶菌協(xié)同發(fā)酵等處理可以極大地改善玉米蛋白粉的飼用價值，并且已開發(fā)出了具有抗氧化、抗菌、降血壓、促進(jìn)乙醇代謝等多種功效的玉米蛋白粉水解產(chǎn)物——玉米肽。本文對玉米蛋白粉的來源、營養(yǎng)特性、加工方法及其在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，以期為玉米蛋白粉的開發(fā)利用提供參考。

1 玉米蛋白粉的生產(chǎn)

在玉米經(jīng)濕磨法處理的過程中，去除玉米胚芽和玉米皮分離得到淀粉的過程中會產(chǎn)生大量的玉米麩質(zhì)水，玉米麩質(zhì)水經(jīng)過脫水處理，混合干燥就能得到玉米蛋白粉（見圖1），因其顏色發(fā)黃，因此也被稱為玉米黃粉。玉米蛋白粉產(chǎn)量約占原料總量的5%～6%，蛋白質(zhì)含量高達(dá)60%，但大部分為玉米醇溶蛋白[1]。

圖1 玉米蛋白粉的生產(chǎn)過程

2 玉米蛋白粉的營養(yǎng)特性和生物活性

2.1 化學(xué)組成

不同玉米品種和不同加工處理手段均會影響玉米蛋白粉的營養(yǎng)物質(zhì)含量，在我國河北、內(nèi)蒙古和吉林三個地區(qū)的玉米蛋白粉的營養(yǎng)物質(zhì)組成見表1?？梢姴煌貐^(qū)的玉米蛋白粉的營養(yǎng)物質(zhì)組成不盡相同，但一個基本共性是粗蛋白含量均在60%左右，淀粉含量為20%～30%。

表1 不同地區(qū)玉米蛋白粉營養(yǎng)物質(zhì)組成

2.2 蛋白質(zhì)類型

玉米蛋白粉中的蛋白質(zhì)主要是玉米醇溶蛋白和谷蛋白，分別占總蛋白的68%和28%。玉米蛋白粉中的蛋白質(zhì)還可細(xì)分為谷蛋白-1、醇溶還原谷蛋白、玉米醇溶蛋白-2、類玉米醇溶蛋白、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質(zhì)[3]。玉米醇溶蛋白的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中含有大量的非極性氨基酸殘基，分子結(jié)構(gòu)呈螺旋狀，由9個相同的基團(tuán)通過氫鍵連接并呈反向平行的方式排列[4]，這是其水溶性差的原因。

2.3 氨基酸構(gòu)成

氨基酸對于動物機(jī)體十分重要，是構(gòu)成關(guān)鍵氮基化合物的骨架，如細(xì)胞色素、血紅素、激素、黑色素、神經(jīng)遞質(zhì)、核苷酸及核酸等，飼料蛋白質(zhì)是家畜和家禽獲得必需氨基酸的主要來源。玉米蛋白粉的氨基酸含量見表2[5]，與其他常用蛋白質(zhì)飼料相比，玉米蛋白粉中賴氨酸和色氨酸的含量較低，由于動物機(jī)體自身不能合成賴氨酸，必須從飼料中獲取，因此飼料中賴氨酸的缺乏會對家畜家禽的健康和生產(chǎn)性能造成不良影響。

表2 玉米蛋白粉的氨基酸組成（干物質(zhì)基礎(chǔ)） %

2.4 生物活性物質(zhì)

類胡蘿卜素是動物體內(nèi)維生素A生成的前體物質(zhì)，具有抗氧化和免疫調(diào)節(jié)的功能。玉米黃質(zhì)和葉黃素屬于胡蘿卜素的衍生物，它們廣泛存在于玉米和玉米蛋白粉中，在玉米中，葉黃素主要存在于角質(zhì)胚乳中。葉黃素含量為11～30 mg·kg-1[6]。有研究表明，黃色馬齒狀玉米的葉黃素總含量為21.97 μg·g-1，玉米黃質(zhì)含量為5.7 μg·g-1[7]。商品玉米蛋白粉中葉黃素含量為145 μg·g-1，是玉米含量的7倍，表明葉黃素可能與玉米蛋白粉中的玉米蛋白部分結(jié)合。玉米黃質(zhì)和葉黃素具有抗氧化活性，能顯著緩解視覺疲勞，降低黃斑變性和白內(nèi)障的風(fēng)險[8-9]。它們還具有調(diào)節(jié)動物免疫反應(yīng)、增強(qiáng)巨噬細(xì)胞活性、抑制腫瘤細(xì)胞增殖、修飾細(xì)胞表面信號分子等功能[10-11]。

3 玉米蛋白粉作為蛋白質(zhì)飼料使用的限制性因素

玉米蛋白粉雖然含有60%左右的蛋白質(zhì)，但絕大部分為溶解性較差的醇溶蛋白，特殊的氨基酸組成和分子結(jié)構(gòu)上的特異性使其難溶于水，動物采食后在胃腸道中能夠穩(wěn)定存在，很難被動物消化吸收，所以造成利用率較低，這是限制玉米蛋白粉作為蛋白質(zhì)飼料利用的主要因素。此外，玉米蛋白粉的氨基酸組成不平衡，賴氨酸（0.68%左右）和色氨酸含量低，作為動物限制性氨基酸，這兩種氨基酸必須從飼料中攝入，玉米蛋白粉缺乏這兩種氨基酸使其營養(yǎng)價值降低。適口性較差也是限制玉米蛋白粉在飼料中廣泛應(yīng)用的重要因素，玉米蛋白粉中含有一些有苦味、臭味和刺激性氣味的物質(zhì)，如乙醛、藏花醛和甲基吲哚[11]，這些氣味可能會影響飼料適口性，造成動物采食量降低。

4 玉米蛋白粉的水解處理及玉米肽的特性

由于玉米蛋白粉中醇溶蛋白含量較高且不易溶于水，所以飼用價值較低。通過水解處理可以得到具有較高生物價值和營養(yǎng)價值的玉米肽。常見的水解方法為酶法水解和微生物法水解。

4.1 酶法水解

酶法水解利用特異性或非特異性蛋白酶，在適宜的條件下將大分子玉米蛋白分解成易吸收的小肽，是改善蛋白質(zhì)特性的常用方法。酶法水解可顯著提高玉米蛋白粉的生物利用度，因為水解產(chǎn)物含有許多小肽，尤其是二肽和三肽，它們比完整蛋白質(zhì)或游離氨基酸更能被有效吸收。此外，蛋白質(zhì)部分酶解產(chǎn)生的氨基酸殘基的攝入對蛋白質(zhì)合成有一定的促進(jìn)作用。蛋白酶可以單獨使用或搭配其他處理方式以獲得更高的效率，Liu X.L.等[12]用Alcalase蛋白酶水解，分別經(jīng)過4% Na2CO3溶液浸泡、α-淀粉酶去除淀粉和蒸煮預(yù)處理的玉米蛋白粉，發(fā)現(xiàn)其水解度分別提高了14.02%、14.02%和12.51%。也有研究表明，通過三頻超聲處理的堿性蛋白酶酶解玉米蛋白粉的酶解效率、酶活性得到顯著提高，得到了活性較高的玉米肽[13]。

4.2 微生物法水解

微生物法水解就是接種一些有益菌對玉米蛋白粉進(jìn)行微生物發(fā)酵使蛋白質(zhì)發(fā)生水解，發(fā)酵可以產(chǎn)生大量小肽，明顯改善蛋白質(zhì)的營養(yǎng)質(zhì)量和水溶性[14]。接種植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）有助于產(chǎn)生足夠的乳酸以快速降低pH，限制有害菌的活動[15]。接種枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）和嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）的玉米蛋白粉中大肽（＞2 500 u）的比例顯著降低，氨基酸含量顯著升高[16]。布氏乳桿菌（Lactobacillus boulardii）和植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）的組合可以產(chǎn)生高水平的乙酸，提高發(fā)酵玉米蛋白粉的有氧穩(wěn)定性，同時改善玉米蛋白粉的適口性[17]。

4.3 玉米肽的特性

玉米肽是玉米蛋白粉的水解產(chǎn)物。與玉米蛋白粉相比，玉米肽具有滲透壓低、吸收快、口感好等優(yōu)點。此外，除了具有較高生物價值外，玉米肽還具有優(yōu)于原始蛋白質(zhì)的功能特性[18]。

玉米肽的化學(xué)成分和理化性質(zhì)不同于玉米蛋白粉，通過控制水解可以改變和改善蛋白質(zhì)的性質(zhì)。Lin F.等[19]采用兩步酶水解和多級分離來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學(xué)成分。玉米肽的蛋白質(zhì)組成高達(dá)91.61%，灰分、脂肪和糖含量分別為5.56%、0.52%和0.82%。玉米蛋白粉和玉米肽的氨基酸相對豐度相似，酶水解并沒有顯著改變玉米中蛋白質(zhì)的氨基酸組成。玉米肽富含谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸和蘇氨酸，分別占24.21%、18.27%、9.68%、8.29%、5.82%和5.51%。

玉米肽具有多種生物活性，如抗氧化、抗肥胖、保護(hù)肝臟等功能。Hancock J.T.等[20]研究發(fā)現(xiàn)，玉米肽可以激活與細(xì)胞防御系統(tǒng)有關(guān)的信號通路，并直接清除細(xì)胞內(nèi)的活性氧，以抵抗氧化應(yīng)激。Zhang F.等[21]研究發(fā)現(xiàn)，通過酶水解從玉米蛋白粉中提取的玉米寡肽對大鼠早期酒精性肝損傷具有保護(hù)作用。除上述的功能外，玉米肽還表現(xiàn)出一定的抗菌活性，玉米肽的抗菌譜已被發(fā)現(xiàn)覆蓋了廣泛的病原微生物，如大腸桿菌、幽門螺桿菌、李斯特菌、沙門氏菌、葡萄球菌、酵母菌和絲狀真菌。

5 玉米蛋白粉在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

5.1 玉米蛋白粉在反芻動物中的應(yīng)用

玉米蛋白粉在反芻動物生產(chǎn)中的應(yīng)用較為常見，尤其是奶牛和肉牛中，飼喂高水平的濕玉米蛋白粉代替飼料已被證明能提高干物質(zhì)采食量（DMI）和能量校正乳（ECM）[22]。斷奶前飼喂?jié)裼衩椎鞍追鄣臓倥ＩL性能提高，飼喂發(fā)酵玉米蛋白粉的犢牛還表現(xiàn)出腹瀉發(fā)生率、腹瀉天數(shù)和腹瀉嚴(yán)重程度降低，瘤胃發(fā)酵得到改善，抗氧化能力和免疫力得到提高[4]。日糧中添加發(fā)酵玉米蛋白粉可提高斷奶后犢牛的日增重和飼料效率，從而提高犢牛的生長性能[23]。

已有研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玉米蛋白粉替代75%以上的豆粕時，對牛奶蛋白質(zhì)含量有負(fù)面影響[24]。在玉米蛋白粉替代70%以下的豆粕時，沒有觀察到對乳蛋白含量的影響[25]。由于玉米蛋白粉中缺乏賴氨酸，當(dāng)玉米蛋白粉補(bǔ)充水平過高時，可能會降低賴氨酸濃度，從而降低牛奶的蛋白質(zhì)濃度[26]。同時，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，在瘤胃內(nèi)不易分解。這些含有大量過瘤胃蛋白的蛋白質(zhì)飼料在與能夠提高瘤胃有機(jī)物降解率和微生物蛋白合成的飼料同時飼喂時，才能夠被最大限度地利用。同時這種飼糧結(jié)構(gòu)必須提供瘤胃微生物所需的能量、氨、氨基酸和肽。如果將玉米蛋白粉作為蛋白質(zhì)的來源，還需要提供額外的氨基酸與蛋白質(zhì)以補(bǔ)充小腸的需要[27]。

5.2 玉米蛋白粉在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

玉米蛋白粉作為一種高蛋白低纖維的蛋白質(zhì)飼料對單胃動物有重要的應(yīng)用價值，與豆粕和魚粉相比，玉米蛋白粉的氨基酸結(jié)構(gòu)不平衡，賴氨酸和色氨酸含量很低，但考慮到當(dāng)前合成氨基酸的使用比較廣泛，玉米蛋白粉可能會成為豬飼糧的原料之一[28]。Mahan D.C.等[29]研究發(fā)現(xiàn)，用玉米蛋白粉和乳糖替代斷奶仔豬日糧中的玉米和干乳清不影響仔豬的生產(chǎn)性能，且在與乳糖結(jié)合使用的35 d試驗期內(nèi)，在不影響仔豬生產(chǎn)性能的前提下，最多可在日糧中加入15%的玉米蛋白粉。然而，不同產(chǎn)地、品種的玉米所得到的玉米蛋白粉組成可能有一些差異，目前關(guān)于這方面的研究較為稀缺。

5.3 玉米蛋白粉在禽類生產(chǎn)中的應(yīng)用

玉米蛋白粉作為一種高效的含硫氨基酸來源，常被添加到肉雞日糧中以提供蛋氨酸。且玉米蛋白粉作為一種優(yōu)秀的葉黃素來源，也常常添加到肉雞和蛋雞的飼糧中，以改善其皮膚顏色和蛋黃顏色。在飼糧中添加5%、10%的玉米蛋白粉顯著改善了三黃雞的生長性能、血清參數(shù)、腸道形態(tài)和免疫性能[30]。在蛋雞日糧中用玉米蛋白粉替代部分能量和蛋白質(zhì)飼料具有降低日耗料量、料蛋比和蛋雞死淘率的效果[31]。有研究表明，在雛雞日糧中添加3%、6%、9%和12%的玉米蛋白粉能夠有效改善肉雞增重、飼料轉(zhuǎn)化率和胴體品質(zhì)，且進(jìn)一步增加玉米蛋白粉在肉雞日糧中的比例不會對肉雞的生產(chǎn)性能產(chǎn)生負(fù)面影響[32]。

5.4 玉米蛋白粉在水產(chǎn)動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

玉米蛋白粉是水產(chǎn)動物飼料中重要的蛋白質(zhì)飼料替代來源，與其他植物性蛋白來源相比，玉米蛋白粉具有有效蛋白質(zhì)含量高、纖維和抗?fàn)I養(yǎng)因子少、價格低廉、供應(yīng)穩(wěn)定等優(yōu)點，在一些肉食性魚類中，如軍花魚、鱸魚和海鯛，玉米蛋白粉可替代日糧中50%以上的魚粉蛋白，且對于生產(chǎn)性能沒有任何負(fù)面影響[33]。玉米蛋白粉替代60%以上的魚粉（日糧中玉米蛋白粉含量為33.6%）對鱸魚特定生長率無顯著影響。但是與對照組相比，較高的替代水平會導(dǎo)致特定生長率顯著降低。由此可見，玉米蛋白粉可在不影響鱸魚生長的情況下替代60%的魚粉。

6 小結(jié)

目前我國畜牧業(yè)發(fā)展遇到諸多挑戰(zhàn)，在新冠疫情的影響下，存在飼料資源短缺的情況，尤其是以豆粕為主的蛋白質(zhì)飼料資源。玉米蛋白粉蛋白質(zhì)含量高，在我國產(chǎn)量豐富，能夠水解成多種玉米肽，但還沒有被大規(guī)模應(yīng)用于動物生產(chǎn)中，仍需通過發(fā)酵、酶解、酶菌協(xié)同發(fā)酵等手段進(jìn)一步開發(fā)玉米蛋白粉作為蛋白質(zhì)飼料的潛力，對于解決玉米蛋白粉氨基酸組分不平衡、醇溶蛋白含量高、適口性差等問題仍需進(jìn)一步探討研究。