馬曉翠,馬 壯,黃秀文,楊東龍,王梓涵,徐御林,楊開倫,王彩蝶
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院/新疆肉乳用草食動物營養(yǎng)重點實驗室,烏魯木齊 830052)
棉籽粕(Cottonseed meal,CSM)是棉籽脫殼榨油后的副產(chǎn)品,蛋白質(zhì)含量高,營養(yǎng)成分較全面,是優(yōu)良的植物性蛋白飼料,其粗蛋白質(zhì)含量高達(dá)43.5%~47.0%,營養(yǎng)價值僅次于豆粕,是潛在的優(yōu)質(zhì)蛋白飼料原料,常被用作畜禽飼糧中豆粕的替代品[1]。中國飼料特別是蛋白質(zhì)類飼料資源嚴(yán)重不足,對棉籽粕進(jìn)行有效的開發(fā)和應(yīng)用,對于解決中國蛋白質(zhì)類飼料資源不足、實現(xiàn)畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的作用。
棉籽粕中的游離棉酚(Free gossypol,F(xiàn)G)、單寧(Tannin)、植酸(Phytic acid,PA)等抗?fàn)I養(yǎng)因子會對動物造成傷害,特別是FG 對動物的生長、發(fā)育和繁殖都有較大影響。FG 作為重要的抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì),對動物具有一定的毒性,會導(dǎo)致動物的生長發(fā)育遲滯、生殖能力下降,嚴(yán)重時會導(dǎo)致動物的死亡,制約著棉籽粕在家畜飼料中的應(yīng)用。國內(nèi)外對棉籽粕進(jìn)行了大量的脫毒研究,發(fā)現(xiàn)脫毒不僅能有效地減少其有害物質(zhì)含量,還能提高其飼用性能。本研究對棉籽粕的營養(yǎng)特性、FG 的毒性及機理和棉籽粕脫毒技術(shù)進(jìn)行了綜述,旨在為棉籽粕的開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。
棉籽粕含有豐富的粗蛋白、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì),在家畜飼喂中具有較高的應(yīng)用價值。由于棉籽粕的產(chǎn)地和加工工藝的不同,已有文獻(xiàn)報道的棉籽粕在營養(yǎng)成分上存在著較大的差別,其粗蛋白含量為36.34%~50.54%,粗纖維含量為5.97%~13.96%,粗灰分含量為4.28%~6.63%,粗脂肪含量為0.63%~5.50%[2-5]。棉籽粕含有18 種氨基酸,但是其氨基酸分布非常不均衡,而且與豆粕中的精氨酸、組氨酸和苯丙氨酸相比,其含量更高。
有研究報道棉籽粕中精氨酸含量高達(dá)3.94%~4.98%,而賴氨酸含量為1.40%~2.13%,只有豆粕的1/2,蛋氨酸含量則較低,約為0.4%;賴氨酸的利用率不高,因此賴氨酸是棉籽粕的第一限制性氨基酸[6]。還有研究顯示,與大豆蛋白比較,棉籽蛋白不具有大豆蛋白所具有的獨特豆腥味,也不具有膨脹性,且含有大量的B 族維生素和E 族維生素[7]。因此,它是一種很好的植物性蛋白飼料資源。
棉籽粕中所含的各種抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)對動物的健康有一定的影響,其中以棉酚最為突出。棉酚是一種黃色多酚羥基雙萘醛類化合物,按其存在形態(tài)可被劃分為兩種,一種是結(jié)合棉酚(Bound gossypol,BG),另一種是FG。BG 在動物的消化道中不能被吸收,可以通過排泄物排泄出來,無毒。但FG 會被動物所吸收,并在體內(nèi)積累,從而對動物造成一定的毒害[8]。FG 不僅對飼料中的營養(yǎng)物質(zhì)的吸收有抑制作用,還對動物的生長發(fā)育和生殖產(chǎn)生不良影響,這已成為限制棉籽粕在畜牧業(yè)中應(yīng)用的重要問題。
FG 對家畜的毒害作用以活性羥基、醛基為主。有研究表明,F(xiàn)G 會對雄性動物睪丸生精上皮的正常結(jié)構(gòu)造成破壞,從而導(dǎo)致精子合格率下降,影響動物的正常生殖功能[9];與蛋白質(zhì)及細(xì)胞膜基質(zhì)結(jié)合,使礦物的離子運輸機理受到干擾,使動物對礦物質(zhì)的吸收減少,并對血紅蛋白的生成產(chǎn)生影響[10];通過與氨基酸中的胺基殘基結(jié)合,形成大分子BG,降低了對賴氨酸的吸收,因此給動物的身體帶來危害[11];與膜蛋白和膜基質(zhì)結(jié)合,會對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)造成破壞,對細(xì)胞內(nèi)電子傳遞系統(tǒng)產(chǎn)生影響,進(jìn)而對細(xì)胞內(nèi)諸如Ca2+依賴蛋白激酶參與的相關(guān)代謝活動產(chǎn)生影響,對細(xì)胞、血管、神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生危害[10]。
為增加棉籽粕在動物飼料中的使用量,必須對其進(jìn)行脫毒。棉籽粕脫毒是指利用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ姑拮哑芍械腇G 降解或者轉(zhuǎn)化為BG,從而達(dá)到減輕或鈍化其毒性的目的,常用的方法有物理、化學(xué)、生物等方法。
物理法主要是采用高溫、高壓的方式使蛋白質(zhì)與FG 結(jié)合生成無毒物質(zhì),或通過離心將色素腺體去除來達(dá)到脫毒的目的。在工業(yè)生產(chǎn)中,最常見的方法有熱處理、擠壓膨化、旋液分離、有機溶劑浸提、輻射技術(shù)等。采用熱處理可以去除FG,提高其去除率(85%),但熱處理蛋白質(zhì)易與FG 發(fā)生美拉德反應(yīng),造成蛋白質(zhì)利用率下降,且加熱能耗較大,成本較高。擠壓膨化脫毒的優(yōu)勢在于工藝簡單、生產(chǎn)連續(xù)化,并且不產(chǎn)生廢水,但這種方法對溫度和濕度有較高的要求,而且在脫毒的過程中,蛋白質(zhì)容易變性,會降低粗蛋白的含量,進(jìn)而使棉籽餅的營養(yǎng)價值遭到損害,因為設(shè)備的特殊性,生產(chǎn)成本比較高[12]。旋液分離法較為先進(jìn),脫毒效果好,可將游離棉酚控制在0.015%~0.020%,且不會破壞棉籽粕中的營養(yǎng)物質(zhì),但此方法操作復(fù)雜、成本較高,難以大規(guī)模推廣使用[13]。有機溶劑浸提方法不僅能減少FG 的含量,而且能減少總棉酚的含量,不需要高溫處理,極大地減少了對營養(yǎng)成分的破壞,從而增加了棉籽粕的營養(yǎng)價值,但有機溶劑難以分離、循環(huán)使用,所以不容易普及[14]。輻射技術(shù)對棉籽粕營養(yǎng)物質(zhì)的破壞作用較小,輻射處理后棉籽粕中FG 和粗纖維含量顯著降低,且可去除飼料中的微生物污染[15],但這種方式造價較高,需要特殊的裝置才能生成輻射線,而且必須有保護(hù)裝置才能確保輻射不外泄。
化學(xué)法是利用棉酚化學(xué)性質(zhì),將壓榨后得到的棉籽粕經(jīng)過化學(xué)處理,在一定條件下,F(xiàn)G 可以被破壞,也可以被轉(zhuǎn)化成BG,因而減少了FG 的產(chǎn)生,實現(xiàn)脫毒的目的。化學(xué)法主要有硫酸亞鐵法、堿處理法、氧化處理法和尿素處理法等。硫酸亞鐵法簡單易行、費用低廉、脫毒效果好,但硫酸亞鐵法所形成的絡(luò)合物會殘留在棉籽粕中,導(dǎo)致棉籽餅的顏色變深,適口性變差,營養(yǎng)價值降低,因此該方法很難在商業(yè)上應(yīng)用[16]。堿處理法能有效減少棉酚含量,但加工后棉粕口感堿味較大,適口性不佳,且對設(shè)備抗腐蝕要求高、投資大、費用高[17]。尿素處理法使棉籽粕中亮氨酸、異亮氨酸含量增加,剩余氨基酸含量則出現(xiàn)不同幅度降低。在去毒性之前必須從棉籽粕中提取植酸,所以這種方法的操作較復(fù)雜,而且還會增加成本[18]。在不改變結(jié)合性棉酚含量的情況下,氧化脫酚方法對棉籽餅中的自由棉酚去除率達(dá)90%以上[19]。氧化處理法脫毒效果好,但氧化劑與蛋白質(zhì)反應(yīng)劇烈,會造成蛋白質(zhì)劇烈變性,使得棉籽粕的營養(yǎng)價值降低[20]。
與物理方法和化學(xué)方法相比較,生物發(fā)酵技術(shù)具有處理效率高、無殘留等優(yōu)點,使用更加安全,且棉籽餅的適口性也得到了極大的提高,對飼料的營養(yǎng)成分造成的破壞和影響也更小,特別是酶技術(shù)應(yīng)用的處理效率非常高、成本低。生物脫毒法是從發(fā)霉的棉籽餅和反芻動物對棉酚的耐受性中得到啟發(fā)而產(chǎn)生的,是在中國對棉籽粕脫毒研究的一種獨具特色的方法,在國際上居于領(lǐng)先水平,但國際上鮮有相關(guān)報道。其是一種較為有效、安全、經(jīng)濟、極具發(fā)展?jié)摿Φ拿摱痉ǎ饕ㄎ⑸锇l(fā)酵法、酶解法和菌酶協(xié)同發(fā)酵法。
3.3.1 微生物發(fā)酵法 微生物發(fā)酵的原理是通過菌體在發(fā)酵時所產(chǎn)生的酶,將棉籽粕中的棉酚和其他有害物質(zhì)等轉(zhuǎn)化為無毒性物質(zhì)。固態(tài)發(fā)酵法、瘤胃液發(fā)酵法和坑埋法是常見的微生物發(fā)酵法。
1)固態(tài)發(fā)酵法。固態(tài)發(fā)酵法是一種新型的脫除棉籽餅粕毒素的技術(shù),是將特定微生物接種到棉籽餅粕培養(yǎng)基中,在一定的條件下,通過微生物在飼料原料中的生長繁殖和代謝來實現(xiàn)對棉酚的分解利用,或者將FG 轉(zhuǎn)化為BG,從而實現(xiàn)脫毒的目的[21]。這種方法具有操作簡單、發(fā)酵原料成本較低、前期處理較少、后期處理簡便等優(yōu)點,并且對提高飼料的適口性有很大幫助,因此在畜牧業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。已應(yīng)用于棉籽粕發(fā)酵的微生物有黑曲霉、枯草芽孢桿菌、嗜酸乳桿菌、熱帶假絲酵母和白地霉等。
固態(tài)發(fā)酵法又分為單菌發(fā)酵和復(fù)合微生物發(fā)酵兩種方式。單菌發(fā)酵方面,Sun 等[22]使用枯草芽孢桿菌對棉籽餅進(jìn)行發(fā)酵,其脫毒率達(dá)到了61.91%,且粗蛋白質(zhì)含量提升了12.23%。鐘英長等[23]在前期研究中,采用自然篩選和誘變育種篩選到5 株不產(chǎn)黃曲霉毒素且對棉酚有較高脫毒率的真菌(1 株梨飽帚霉屬、2 株曲霉屬、1 株串珠霉屬、1 株紅曲霉屬),對未加工的棉籽仁粉具有較好的去毒效果,脫毒率為60%~74%。孫建義等[24]將假絲酵母ZAU-1菌株在以棉仁餅粕為主原料的培養(yǎng)基上進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,其游離棉酚降解率達(dá)90%以上。朱荷琴等[25]利用酵母菌JM-3 于25 ℃、接菌量2.5%條件下發(fā)酵含水量44.4%的棉籽餅粕48 h 后,其脫毒率為93.26%。楊繼良等[26]篩選出對棉籽餅中棉酚有較好去除作用的酵母菌在30 ℃下連續(xù)進(jìn)行了2 d 固態(tài)生料發(fā)酵,F(xiàn)G 含量降低到0.03%以下,脫毒率平均達(dá)到84.00%,蛋白質(zhì)含量提高到了4.64%。顧賽紅等[27]采用黑曲霉聚乙二醇(Pseudomonas polycerevisiae,PES)對棉籽粕進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,脫毒率達(dá)86.50%,蛋白質(zhì)含量增加10.92%。Zhang 等[28]使用熱帶假絲酵母ZD-3,在30 ℃下將棉籽粕發(fā)酵48 h 后,F(xiàn)G 含量從549.06 mg/kg 下降到35.86 mg/kg,脫毒率達(dá)93.47%,而粗蛋白質(zhì)含量則增加了8.49%。何濤等[29]采用白地霉、扣囊內(nèi)孢霉、熱帶假絲酵母、產(chǎn)朊假絲酵母、黑曲霉和米曲霉等分別發(fā)酵棉籽粕,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)朊假絲酵母對棉酚的降解率約為70%。Mahmoud 等[30]用熱帶假絲酵母進(jìn)行發(fā)酵,得到了92.5%的FG 降解率。
復(fù)合微生物發(fā)酵方面,有研究顯示,用熱帶假絲酵母ZD-3、黑曲霉ZD-8 和二者復(fù)合發(fā)酵對棉籽餅進(jìn)行發(fā)酵后脫毒率分別為94.57%、85.16%、91.64%。結(jié)果表明,與單一菌種發(fā)酵相比,復(fù)合發(fā)酵效果更好,發(fā)酵后棉籽餅底物粗蛋白、總氨基酸、必需氨基酸含量分別提高了27.83%、18.15%、19.18%[31]。另外,有學(xué)者采用以乳酸菌和酵母菌為主體的復(fù)合菌對棉籽殼進(jìn)行發(fā)酵,使其脫毒率達(dá)到了75.40%,主要營養(yǎng)成分粗蛋白增加了2.29%,中性洗滌纖維減少了18.20%,酸性洗滌纖維減少了16.04%[32]。張慶華等[33]采用三菌種的協(xié)同固態(tài)發(fā)酵方法,在pH 5.0、25 ℃、棉粕∶玉米∶麩皮=6∶2∶2 的條件下,其脫毒效果可達(dá)85.30%。朱德偉等[34]用兩種不同酵母菌混合發(fā)酵棉粕,熱帶假絲酵母JD-9 和卡氏酵母JD-13 接種量分別為4.40%和0.56%,于30 ℃、料水比1∶0.8,發(fā)酵48 h 后棉粕脫毒率高達(dá)91.3%。王小磊[35]采用黑曲霉、米曲霉和釀酒酵母進(jìn)行固態(tài)混合發(fā)酵,在34 ℃、85%相對濕度、10%接菌量、原料干基∶水=1∶1 的情況下,經(jīng)過48 h 發(fā)酵,棉籽餅粕中的FG 脫除率為96.2%,粗蛋白的含量提高1.8%。顏雨薇[36]利用響應(yīng)面法分析優(yōu)化三菌(植物乳桿菌-L1、發(fā)酵乳桿菌-L2、釀酒酵母-Y1)復(fù)合發(fā)酵棉籽粕的最佳生長培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件,當(dāng)初始含水量為53%,周期44 h,麩皮添加量15%,發(fā)酵溫度30 ℃時,棉籽粕脫毒率為80.38%。洪振[37]利用乳酸菌、枯草芽孢桿菌、酵母菌3 株菌種混合固態(tài)發(fā)酵棉粕,脫毒率達(dá)到85.11%,粗蛋白含量達(dá)到43.25%,較發(fā)酵前提高了4.1%。有研究發(fā)現(xiàn),混菌發(fā)酵比2∶1(枯草芽孢桿菌∶酵母菌)、接種量10%、料液比2∶3、發(fā)酵時間48 h、發(fā)酵溫度30 ℃,此時棉籽粕脫毒率高達(dá)86.57%[38]。此外,一些研究人員采用枯草芽孢桿菌(PTCC1156)、黑曲霉(PTCC5010)、米曲霉(PTCC5163)對棉籽粕進(jìn)行發(fā)酵,F(xiàn)G 和粗纖維的含量明顯減少,但其粗蛋白含量和乳酸菌的數(shù)量卻明顯增加[3]。還有研究顯示,采用枯草芽孢桿菌和釀酒酵母1∶1 混合發(fā)酵棉籽粕72 h,其總游離氨基酸、酸溶蛋白及棉籽肽等都有較大幅度的增加[39]。利用乳酸菌對棉籽粕進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,對棉籽粕中FG 和PA 的降解能力有限,可顯著改善其風(fēng)味,增加其有機酸及其他營養(yǎng)素含量,但對FG 的降解能力很低[40]。徐晶等[41]通過固態(tài)發(fā)酵生料棉籽粕,其脫毒效率達(dá)到50.03%,且混菌發(fā)酵效果比單菌發(fā)酵更好,地衣芽孢桿菌B12 和產(chǎn)朊假絲酵母Cu1 為較好的混合菌種。
綜上所述,單菌發(fā)酵和混菌發(fā)酵都能在一定程度上實現(xiàn)對棉籽餅中FG 的高效降解,并提高其營養(yǎng)價值。與其他的物理、化學(xué)等脫毒方法比較,固態(tài)發(fā)酵法不僅可以大幅度減少FG 含量,還可以在一定程度上降解其他的抗?fàn)I養(yǎng)因子,同時還可以降低生產(chǎn)成本,不需添加化學(xué)藥劑,沒有化學(xué)殘留,因此是比較安全的。然而,其發(fā)酵過程耗時較長,一般需要48~72 h,導(dǎo)致能耗高、產(chǎn)量低。
2)瘤胃液發(fā)酵法。瘤胃液發(fā)酵法的主要步驟是先將棉籽粕進(jìn)行粉碎、過篩,將新鮮、凍結(jié)的瘤胃液進(jìn)行混合,從而獲得黏稠的瘤胃液混合物,再將粉碎的棉籽粕添加到此混合物中,進(jìn)行體外瘤胃液體發(fā)酵。有研究表明,通過在瘤胃中發(fā)酵棉籽粕,能夠明顯減少游離棉酚的含量,而且不會造成其他營養(yǎng)成分的損失,還具有很強的脫毒效果[42]。但其對發(fā)酵環(huán)境及工藝條件的要求較高,故未被普遍采用。
3)坑埋法??勇穹ㄊ且环N通過天然發(fā)酵來去除有毒物質(zhì)的方法,這種方法主要是通過在棉籽餅粕或者泥土中發(fā)現(xiàn)的微生物來實現(xiàn)的。此工藝工藝簡便,但存在原料耗量大、周期長、脫毒效果差等缺點,限制了其規(guī)模化生產(chǎn)。
3.3.2 酶解法 酶解法脫毒的原理類似于微生物發(fā)酵法,都是通過生物自身產(chǎn)生的酶來降解棉粕中的FG 等有毒物質(zhì)實現(xiàn)脫毒。有研究表明,在棉酚降解酶(CPR-CYP9A12)作用下,棉籽粕的去毒效率達(dá)到92.67%,與熱帶假絲酵母ZD-3 作用下的去毒效率相比,提高了4.46%,且兩種處理對棉籽粕的營養(yǎng)成分均沒有明顯影響,但棉酚降解酶處理卻明顯縮短了反應(yīng)時間[9]。另外,在添加1 000 U/g 中性蛋白酶發(fā)酵條件下,發(fā)酵48 h,對棉粕的去毒率為73.29%。用1 000 U/g 中性蛋白酶對乳酸桿菌BLCC2-0092 進(jìn)行24 h 發(fā)酵,棉粕中棉酚降解率達(dá)到了67.13%[43]。研究人員將0.8%的β-甘露聚糖酶加入棉粕中,發(fā)現(xiàn)該酶可以對其中的可溶性β-甘露聚糖進(jìn)行高效降解,明顯提高了可溶性甘露糖和葡萄糖的含量,從而提高了飼料的利用率[44]。黃明媛[45]在豆粕及棉粕中添加BOSAR 蛋白酶后其消化率分別升高了5.2%和15.1%,豆粕中小肽含量提高到13.25%,豆粕中有毒物質(zhì)快速降解,大大改善了豆粕飼用安全性。有學(xué)者發(fā)現(xiàn),采用乳酸菌與酸性蛋白酶作為發(fā)酵劑,對棉籽粕進(jìn)行固態(tài)厭氧發(fā)酵,能夠有效地增加棉籽餅中的粗蛋白,使其pH 下降,并且能夠?qū)⒚拮哑芍械膯螌幗到?,但是對FG 和PA 卻沒有太大的作用[40]。
3.3.3 菌酶協(xié)同發(fā)酵法 利用菌酶協(xié)同發(fā)酵法對棉籽粕進(jìn)行脫毒的研究較少。一些學(xué)者在對蛋白酶種類和添加量進(jìn)行篩選的基礎(chǔ)上,建立了一種利用枯草芽孢桿菌和木瓜蛋白酶共同發(fā)酵棉籽粕的新技術(shù)。與單菌發(fā)酵相比,菌酶協(xié)同處理可以有效降低棉籽粕FG 的含量,還可以增加其粗蛋白質(zhì)和氨基酸的含量,有效降解棉籽蛋白,此外,還能改善其體外蛋白質(zhì)消化性能及抗氧化能力[46]。有研究將堿性蛋白酶和復(fù)合風(fēng)味酶的酶解物加入到棉粕的培養(yǎng)基中,再用產(chǎn)朊假絲酵母和地衣芽孢桿菌兩種細(xì)菌對棉粕進(jìn)行發(fā)酵,發(fā)現(xiàn)棉粕中的FG下降到202.35 mg/kg,粗蛋白和總氨基酸的含量增加,粗纖維的含量減少,還含有蛋白酶、淀粉酶和益生菌等物質(zhì),這種發(fā)酵方式在消除一些有害物質(zhì)的同時,也使其營養(yǎng)價值得到了提高[47]。郭媛媛[48]對比了兩種處理方法(先發(fā)酵后酶解和發(fā)酵與酶解同時進(jìn)行)對棉粕的粗纖維含量、棉酚含量、蛋白溶解性等方面的影響,結(jié)果表明,同時進(jìn)行發(fā)酵和酶解能更有效地提高棉粕的品質(zhì)。利用微生物-酶聯(lián)合發(fā)酵技術(shù)可以有效地提高棉籽蛋白質(zhì)量,對于促進(jìn)脫毒棉籽粕的工業(yè)化利用具有十分重要的意義。
中國畜禽飼料以大豆為主要蛋白原料,在畜禽養(yǎng)殖中對進(jìn)口大豆的依賴性較強,限制了畜禽養(yǎng)殖的健康發(fā)展。因此,探索新的飼料和對已有飼料進(jìn)行有效利用,是實現(xiàn)中國畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。棉籽粕是優(yōu)質(zhì)雜粕,經(jīng)理化及生物脫毒可降低其FG含量,提高其營養(yǎng)品質(zhì)。
生物法是有效、安全、經(jīng)濟、極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N方法,其中應(yīng)用最多的是以固態(tài)發(fā)酵為主要手段的微生物脫毒法,但是其過程緩慢、效率低下。而且微生物發(fā)酵降解棉酚的機理研究仍然缺乏,詳細(xì)的棉酚代謝途徑尚不明確,有待進(jìn)一步研究?;诿笇W(xué)原理的棉酚酶解脫毒化方法鮮見報道,尚未取得突破。同時,生物法降解棉酚的效率不穩(wěn)定,且沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的降解方法,不同的酶和菌降解棉酚的機制仍不清楚。這些問題的解決對提高脫毒棉籽粕品質(zhì)及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用具有重要意義。