新型功能性蛋白原料——棉籽酶解蛋白在动物养殖中的应用

2023-08-31

一、棉籽酶解蛋白背景信息
在农业部2012年6月颁布的《饲料原料目录》中有棉籽酶解蛋白的名称，规定为“棉籽或棉籽蛋白粉经酶水解、干燥后获得的产品”，强制性标准要求有“酸溶蛋白（三氯乙酸可溶蛋白）、粗蛋白质、粗灰分、游离棉酚、钙”五项指标。棉籽肽的名称是希普集团在研发初期根据以棉籽粕为原料、产品物质形态为生物活性肽的特征命名为棉籽肽，商品名为“普乐鲜——棉籽酶解蛋白”。
在中国生物发酵产业协会功能性发酵制品分类中属于生物活性肽，在饲用抗生素的替抗产品种类中，棉籽酶解蛋白属于植物提取物中的生物活性肽类物质，有促生长、抗氧化、抗菌、抗病毒、改善肠道健康的功能。小分子活性肽是介于氨基酸与蛋白质之间一种生化物质，它比蛋白质分子量小，又比氨基酸分子量大，是一个蛋白质的片段。其中，10-55个氨基酸组成的肽段被称为多肽，而由2-10个氨基酸组成的肽段是小分子活性肽或低聚肽。生物活性肽具有100%吸收、可直接透过生理屏障、维持畜禽正常生理活动、提高机体免疫力、量小生理活性高等特点。
据生物活性肽原料的来源，分为动物肽、植物肽和微生物肽三类。茂名希普生产的水解鱼蛋白粉或鱼肽是动物肽，新疆希普生产的棉籽肽是植物肽。肽是构成生物所有细胞的基本材料和生物活性物质，没有肽就没有生命！因为对肽的研发，有10位科学家获得诺贝尔奖提名，其中8位科学家获得诺贝尔奖。在新冠疫情期间，活性肽作为提高人体免疫力、修复细胞的首选，广告词是“不服老、就服肽”，人用鱼肽价格达到了1.5万元/公斤，生物活性肽的热度可见一斑！

根据国内外文献检索结果，棉籽肽的生物活性主要集中在抗氧化、对自由基清除作用、抗菌活性、血压调节、糖尿病治疗等方面。研究发现，棉籽酶解蛋白在抑制血管紧张素转换酶活性调节血压、肝细胞抗氧化、抗菌活性等方面都有明确的生物反应机制和实验证据。
棉籽蛋白作为一种优良的蛋白资源，在营养方面比谷类蛋白的价值高，能与大豆蛋白相媲美，而且不存在大豆蛋白特殊的豆腥味；氨基酸组成方面，绝大部分必需氨基酸的含量都符合FAO联合国粮食及农业组织推荐的标准；棉籽粕中蛋白质含量与大豆粕相近，可以代替大豆粕作为一种优质的蛋白质资源应用于饲料及食品行业中。
生产1吨棉花，产出1.5吨棉籽；1吨棉籽，经预榨浸出法取油制备棉籽粕工艺，产出425公斤46%蛋白含量棉籽粕。世界棉花看中国，中国棉花看新疆，2022年新疆棉花产量539万吨，经计算，2022年新疆棉籽粕计算产量343万吨，棉籽粕资源在新疆百万吨级可利用蛋白资源。
十三五期间，我国鱼粉年进口量维持在140万吨以上，我国鱼粉市场对外依存度较高。根据中国海关数据，2020年我国累计进口大豆10033万吨，首次超过1亿吨，相当于2020年天津港100天的吞吐量。这两组数据是减量替代的统计基础数据。
原料棉籽粕由50%棉籽蛋白、17.5%棉壳、12.5%酸洗纤维、8%灰分、11%水分、1%油脂与棉酚等组成。棉籽粕、脱酚棉籽蛋白、棉籽酶解蛋白在饲料和食品中有广泛的应用。棉籽粕蛋白浓度50%、胃蛋白酶消化率45%、游离棉酚含量1000mg/kg，在饲料工业中应用的三大障碍是蛋白浓度、消化吸收率和游离棉酚。
棉酚是多酚萘衍生物，具有活性醛基和羟基，对动物有毒性作用，降低蛋白质消化率，甚至使动物的器官发生病理变化，导致动物生长缓慢、中毒及死亡。不同榨油工艺生产的棉籽粕中游离棉酚含量在1000mg/kg上下波动，根据《GB13078饲料卫生标准》和《GB/T 13086饲料中游离棉酚的检测方法》的规定，不同饲料中的游离棉酚允许量在20-500mg/kg之间，限制了棉籽粕在饲料中的添加量。
游离棉酚的脱除有物理法、化学法、生物法三种。其中物理法可采用γ射线辐射或高温膨化使游离棉酚醛基或羟基开环而脱毒。化学法采用甲醇、石油醚、正己烷等有机溶剂溶解糖类同时将游离棉酚浸提到糖液中脱毒。生物法采用生物发酵与棉酚分解酶酶解的方式降解游离棉酚而脱毒。微生物发酵与酶解法与化学脱毒法和物理脱毒法相比，降解游离棉酚效果明显。
二、棉籽酶解蛋白立项背景、目的意义
棉籽粕是仅次于大豆粕的主要植物非粮蛋白来源，棉酚是限制棉籽蛋白在饲料以及食品工业中应用的主要因素之一，新疆棉籽蛋白资源丰富但利用率低，是新疆畜牧业高效健康生产的挑战，亟待攻克。棉籽酶解蛋白项目拓宽棉籽粕在饲料中应用范围，有利于加快推广生物活性肽在饲料工业中的应用，加快新疆棉花产业产业结构调整，实现棉籽蛋白产品高质量可持续发展。

三、棉籽酶解蛋白关键技术问题、技术创新点
希普酶解法棉籽酶解蛋白生产工艺共8道工序，干棉籽粕在滚筒筛中去除绳头瓦块和金属杂质后，进入棉籽粕蒸煮和复合酶酶解工序，蛋白溶出、棉壳与纤维溶胀，经重力曲筛和压力曲筛筛分洗涤分离出来筛上物湿棉壳与湿纤维和筛下物蛋白液，筛上物湿棉壳与湿纤维经螺旋挤干机或真空抽滤机脱水、管束干燥机烘干作为棉籽壳饲料和纤维饲料销售。棉籽肽液升温灭酶是将复合酶这一过敏原用高温灭除生物酶活性，酶解液经四效蒸发器蒸发浓缩，以高压均质机高压为动力，在喷雾干燥塔中与热空气瞬间热交换转移水分至热空气中，实现喷雾干燥形成棉籽肽粉末颗粒。
棉籽浓缩蛋白项目现已突破棉籽蛋白提取方式、提取浓度、酶解棉籽蛋白产出率、游离棉酚脱毒、棉籽酶解蛋白含量等关键技术问题，棉籽肽项目的技术创新有四个方面：第一，从方法论上实现了湿法提取棉籽蛋白、逆向串流浸提方法提高提取棉籽蛋白浓度、复合酶方法酶解棉籽蛋白制备棉籽肽的创新；第二，从生产工艺上来说，采用一泡二磨三分的工艺，打通了湿法提取棉籽蛋白工艺通路；第三，棉酚降低到300mg/kg以下，表观去除率80%；第四，酶解罐设计采用机械搅拌混合立式生物发酵罐方式，解决了工业化过程中选择水解罐、酶解罐、灭酶罐三罐合一技术设计难题。
新疆希普现已建成年产两万吨棉籽酶解蛋白生产线实现工业化生产，获得2项授权发明专利、3项软著，《高活性棉籽蛋白的提取工艺及应用》项目获得第二十五届全国发明博览会“发明创业奖项目奖”金奖。
经中国科学院新疆科技查新咨询中心科技查新，从工艺方法、棉籽蛋白生产工艺、复合酶分解棉酚、酶解罐结构、蛋白含量、棉籽肽标准六个方面科技查新，得出结论：未见与本项目棉籽粕生物酶解制备年产2万吨饲料用非粮生物活性肽的生产方法、生产线及配套设配和标准相同的成果公开报道，是新疆首家、国内首家。
棉籽酶解蛋白项目入选国家十四五重点研发计划《蛋白饲料生物工程制造前沿技术及新产品创新》项目子课题《非粮蛋白饲料提质增效关键技术及产品创新》。棉籽酶解蛋白现已在湖南农业大学做仔猪饲喂实验、铁骑力士育肥猪饲喂实验、通威集团对虾饲喂实验、广州海洋大学太平洋白对虾饲喂实验，近期与国家粮食和物资储备局科学研究院已开展棉籽肽在猪教槽料和保育料中添加效果评价。

四、棉籽酶解蛋白检验检测数据
棉籽酶解蛋白6550型产品规格为粗蛋白含量65%以上、酸溶蛋白50%以上。棉籽酶解蛋白在pH为2-10范围内溶解度均大于93%，30℃速溶于水中，说明棉籽酶解蛋白具有良好的水溶性。

棉籽酶解蛋白经中广测检测小肽含量分布，其中分子量低于1000Da的肽段所占比例为86.6%，1000-2000Da的肽段所占比例10.9%，2000-5000Da的肽段所占比例2.5%，5000-10000Da的肽段所占比例0.0%，低聚肽比例85%以上。
经广州汇标检测，氨基酸总量60.69%，其中精氨酸含量6.64%、天冬氨酸5.73%、赖氨酸2.45%，氨基酸种类齐全、数量丰富。6550型棉籽酶解蛋白18种氨基酸标准回肠消化率平均为85.50%，其中精氨酸标准回肠消化率平均值95.05%；棉籽酶解蛋白中氨基酸态氮含量值3.47%，说明棉籽酶解蛋白中单个氨基酸含量低，棉籽蛋白酶解控制到位。
棉籽酶解蛋白干基酶水解物能值13.65MJ/kg、风干总能值18.82MJ/kg。

五、棉籽酶解蛋白产品特性与在饲料工业中的应用
棉籽酶解蛋白克服了棉籽粕应用的三大障碍：蛋白浓度从50%提高到了65%以上、消化吸收率从45%左右提高到90%以上、游离棉酚从1000ppm左右降低到400ppm以下。希普棉籽酶解蛋白产品有营养丰富无抗原、小肽含量高生物活性足、功能性氨基酸含量高且处于肽链活性端抗应激、游离棉酚含量低适用于幼龄畜禽、高水溶性和高消化率易消化吸收、有明显诱食性提高采食量等六大特性。
棉籽蛋白与棉籽肽在动物饲料、食品包装材料、生物塑料、食品功能性添加剂、生物酶合成等领域有广泛的工业化应用，棉籽酶解蛋白工业化应用有动物饲料蛋白原料、食品蛋白原料与功能性添加剂、发酵培养基有机氮源、保健品和特殊医学用途食品蛋白原料、微生物菌肥和有机肥有机氮源、化妆品功能性原料与添加剂、生物降解复合材料原料等七个应用场景。
棉籽酶解蛋白65%蛋白含量，在限制性氨基酸方面类型齐全、数量充足，是理想蛋白，促进畜禽合成体蛋白、改善生长性能，充分体现了棉籽酶解蛋白的营养性；有95%以上的胃蛋白酶消化率的加持在低蛋白日粮中将起到降本增效的作用；棉籽酶解蛋白50%以上含量的生物活性肽，对于维持畜禽肠道健康、缓解应激、抗病免疫、改善肉质方面充分体现了棉籽酶解蛋白的功能性，对于饲料配方师调配特色日粮增加了功能性原料选择的多样性，将大幅提升优质畜禽水产产品的品质。
6550型棉籽酶解蛋白中精氨酸含量为6.64%，且位于肽链活性端，作为一氧化氮的前体，精氨酸可以协助舒张血管。精氨酸是一氧化氮、尿素、鸟氨酸及肌丁胺的直接前体，是合成肌肉素、骨蛋白的重要引导物质。精氨酸是鸟氨酸循环中的一个组成成分，多吃精氨酸，可以增加肝脏中精氨酸酶(arg inase)的活性，有助于将血液中的氨转变为尿素而排泄出去，所以，精氨酸对高氨血症、肝脏机能障碍等均有功效。精氨酸也是精子蛋白的主要成分，有转化为生物多胺、促进生长激素合成、提高精子质量、提升精子运动活性的作用，对于雄性动物维持第二性征、促进发情交配降低空怀率提供了生物物质基础。
亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸三种必须氨基酸合称为分支链氨基酸或运动员氨基酸，对于运动员来说具有快速供能防止肌肉分解、促进肌肉合成、助力运动后恢复等功能。对于畜禽来说具有氧化供能、应激恢复、采食调控、保障肠道健康、提高繁殖性能、促进肌肉生长等功能，6550型棉籽酶解蛋白中含有亮氨酸2.92%、异亮氨酸1.62%、缬氨酸3.24%，BCAAs总量7.78%，占6550型棉籽酶解蛋白氨基酸总量的12.82%。
棉籽酶解蛋白在畜禽动物饲料中的应用有高蛋白高消化率、小肽含量高具备替抗功能、富含活性精氨酸与BCAAs畜禽生长性能好、无抗原蛋白四大优势。棉籽酶解蛋白在畜禽料中的应用价值体现在喷雾干燥粉末降低能耗提高饲料生产效率、减少鱼粉肉粉添加量降低饲料配方成本、氨基酸平衡增加饲料可选原料多样性、仔猪犊牛无抗原过敏反应有效改善饲料性能四个方面。
其中乳仔猪料中添加1-3%棉籽酶解蛋白可有效防治仔猪腹泻，母猪料0.5-1%添加量能提高日增重，禽料中添加0.5-1%的棉籽酶解蛋白可使禽类羽毛光顺，水产料中添加1-2%棉籽酶解蛋白能有效增加鱼虾蟹采食量，宠物料添加2-5%棉籽酶解蛋白显著增加宠物毛皮光亮度和毛长且断毛减少，奶牛反刍料中添加0.5-1%棉籽酶解蛋白饲喂后有降低牛奶中体细胞的作用。
酶解棉籽蛋白在酸溶蛋白、生物活性、胃蛋白酶消化率、水溶性、精氨酸腥味、诱食性等方面有优势，可作为65%脱酚棉籽蛋白的蛋白替代原料补充到饲料中，与进口鱼粉相比，酶解棉籽蛋白在酸溶蛋白含量、生物活性、全水溶性、组胺零含量、喷雾干燥粉末等方面有优势。
以棉籽酶解蛋白为饲料蛋白原料对35日龄三元杂交断奶仔猪60头进行28天饲喂效果试验，对照组进口鱼粉3%，实验组酶解棉籽蛋白3%，其余饲料配方相同，确保配方中可消化能量DE值、粗蛋白质、钙、总磷、赖氨酸、蛋氨酸值等营养指标一致。经过统计平均个体始重、个体末重、日增重、日采食量数据，实验组料肉比1.56，明显低于对照组料肉比1.60；试验组仔猪的精神状态和肤色明显优于对照组；试验组仔猪的肤色较亮，形体更丰满，且群体均匀度好于对照组仔猪。
试验所用棉籽酶解蛋白通过酶解解除棉籽蛋白中的游离棉酚抗营养因子，将大分子蛋白降解为小肽和氨基酸，为仔猪胃肠道补充功能性活性肽，促进胃肠道的微生态平衡，提高仔猪对不良刺激的抵抗、耐受能力。断奶仔猪受到环境改变、驱赶、惊吓等转栏应激的影响后，其胃肠道内微生物区系发生紊乱，原有的正常菌群平衡状态被破坏，进一步导致仔猪胃肠道的消化和吸收能力下降。仔猪机体的自身抵抗力下降，最终使仔猪的采食量急剧下降、精神状态变差、腹泻等。
棉籽酶解蛋白是经过蛋白酶、纤维素酶等酶解制成的，产生了大量的有利于棉籽酶解蛋白肽链游离端精氨酸、谷氨酸、天冬氨酸等酶解产物，使得棉籽酶解蛋白具有了鲜甜味，从而改善了适口性，增加了猪的采食量。


分享