棉酚的特性与棉籽粕脱毒方法的研究进展

企划部
2015-08-18

劳泰财1,赵大伟1,叶强2,査向东3,车媛媛1
(1.新疆希普生物科技股份有限公司,新疆 昌吉,832208;
2.新疆农业大学食品科学与药学学院,新疆 乌鲁木齐市,830052;
3.安徽大学生命科学学院,安徽 合肥,230601)


  我国是产棉大国,年产棉籽粕600万t,其中新疆地区是棉籽粕主产地,占总产量60%以上,资源丰富且蛋白质含量较高,是畜禽的主要蛋白质饲料资源之一,由于新疆维吾尔自治区的面积辽阔,运输成本高,造成需要从沿海地区调运的蛋白饲料----豆粕的价格居高不下,而当地资源棉籽粕价格低廉,但棉籽粕中含有游离棉酚( FG)对动物有很强毒性,很大程度上限制了其在畜禽饲粮中的应用,显然,开发优质低毒性棉籽粕,提高棉籽粕在饲料中用量,可降低饲料原料成本。畜禽长期采食 FG易引起中毒甚至死亡,即使是对FG抗性较高的奶牛,长期大量采食棉籽粕也会影响产奶量。根据不同年度报道的数据发现棉籽粕饼中棉酚含量在呈现一个显著的增长。上世纪80年代国内棉花主产区棉籽浸出粕抽样检测结果游离棉酚518 mg/kg,20世纪90年代在新疆建设兵团主产棉区所测样品中游离棉酚平均含量为608 mg/kg;2001年棉粕中游离棉酚含量为760 mg/kg;2009年,王安平收集的中国 5个不同主产区棉粕样品游离棉酚平均含量为1021 mg/kg。主要原因是随着油脂提取工艺的改进,降低了棉油中FG含量,将更多棉酚保留棉粕副产物中,因而棉粕中棉酚含量呈上升趋势。因此进一步研究我国棉籽蛋白的营养价值及棉酚特性,开发具有经济效益的棉酚降解技术,对于促进棉籽粕及棉籽蛋白的合理利用具有重要意义。

1 棉酚的毒副作用
1.1 棉酚的化学组成与基本性质
游离棉酚又称棉毒素,存在于叶、茎、根及种子的色素腺体,分子式为C30H30 O8 ,分子量518 .6;2个萘环通过各自的内部萘单元上的2--和2’--碳原子联合而成。经证实,萘单元8--和 8’--上的醛基是棉酚产生毒性的主要原因,棉酚存在酚醛型、半缩醛型和环状羧基型三种异构体,其结构见图1。棉酚的结构式中含有醛基和羧基,化学性质很活泼,羧基具有很强的酸性,故棉酚能与碳酸钠、氢氧化钠反应,生成溶于水的棉酚盐;棉酚含醛基具有还原性,能发生银镜反应和费林反应,易与蛋白质、氨基酸、磷脂等物质作用。常温下,纯棉酚呈黄色结晶,是血管、细胞、神经性毒素,易溶于乙醇、乙醚、丙酮、三氯甲烷等有机溶剂,亦溶于油脂,但不溶于水、己烷及低沸点的石油醚。
1.2 棉酚的毒副作用
1.2.1 对人的毒副作用
由于棉酚是脂溶性物质,棉籽榨油后棉酚主要进入棉子油中,初榨棉子油中棉酚的含量通常在1%以上。按GB 2716--2005《 食用植物油卫生标准》的规定,食用植物油中的棉酚含量≤0.02%。初榨棉籽油中的棉酚含量远远高于食用安全标准,食用粗制棉籽油的人群可发生慢性中毒,易患低血钾软病和烧热病,前者以皮肤灼热但无汗为特征,可伴有头晕、乏力、烦躁、恶心、瘙痒等,后者以肢体无力、麻木、口渴、心悸、肢体软瘫为主。
通过大量动物试验和临床观察后证实,棉酚有良好的抗生精功能,棉酚的抗生精的主要机制是对睾丸生精上皮产生作用,抑制多种脱氢酶的活性,从而导致精子畸形、死亡,这是迄今为止世界上唯一的高效抗生精药物,但当服用剂量过大、服用时间过久时,停药后不能恢复生育力,从而导致绝育,据估计棉酚导致的绝育发生率为20%~30%;其次,约10%服药者发生低血钾反应,即棉酚中毒;其三,研究还表明棉酚能抑制肝脏药物代谢酶活性,从而抑制肝脏解毒功能。因此,1986年国家决定不再支持棉酚作为避孕药的研究。2001年,中国科学院刘以训院士呼吁重新进行棉酚的研究,这使得棉酚作为男性避孕药的研究又出现了转机,目前仍在研究阶段。
1.2.2 对动物的毒副作用
近年来,我国的棉籽粕主要用于动物饲料,棉籽粕中的棉酚含量根据制油方式的不同而有较大差异。棉籽粕在饲料的限量使用主要以游离棉酚的含量为参考指标,GB/T 21264 -2007 《饲料用棉籽粕》中规定,棉籽粕产品按游离棉酚的含量范围分为:低酚棉籽粕 (小于300 mg/k g )、中酚棉籽粕 ( 300 --750 mg/k g )、高酚棉籽粕( 750 ---1200mg/k g );GB 13078 -2001《饲料卫生标准》对相关产品中游离棉酚的允许量规定为:棉籽饼粕≤1200 mg/kg,肉用仔鸡、生长鸡配合饲料≤100 mg/kg,产蛋鸡配合饲料≤20 mg/k g,生长肥育猪配合饲料≤60 mg/k g。
1.2.2.1 对家禽的毒副作用
游离棉酚主要由活性醛基和活性羟基产生毒性而引起多种危害,棉酚被动物摄入后,尽管部分在消化道中形成结合棉酚直接经肠道粪便排出,但其排泄比较缓慢,极易在机体内和鸡蛋中蓄积,大量棉酚进入鸡的消化道后可刺激肠黏膜引起肠炎,进入血液后能损害心、肝、肾等器官,心脏损害而致的心力衰竭又会引起肺水肿和全身缺氧性变化;棉酚的脂溶性使其易积累在神经细胞中,使神经系统机能发生紊乱。
棉酚对家禽的毒副作用表现为食欲减退、体重减轻、腿病、肺水肿、肝脏和心肌变性坏死等现象,产蛋性能和种蛋孵化率降低,蛋黄变色,血清中血红蛋白、总蛋白数量及白蛋白/球蛋白降低。2012年《 新京报》刊登“鸡饲料中棉酚过量易致橡皮蛋”的文章引起行业很大风波,可能是饲料中棉酚含量严重超标,导致棉酚在体内的积累多,棉酚与蛋白质发生交联反应,改变蛋白质的结构,使鸡蛋蛋白富有弹性。此外,棉酚还会抑制胃肠中的蛋白酶活性,从而影响家禽的生长。有研究表明,棉籽粕在蛋鸡料中使用,饲料中FG含量分别为75mg/kg、40 mg/kg和32 mg/kg,前两组显著降低鸡蛋的浓蛋白高度,降低了鸡蛋的品质,32 mg/kg组鸡蛋的浓蛋白高度未出现显著性差异;方琴音等研究38周龄新罗曼商品代蛋鸡饲喂添加棉籽粕的日粮(FG 30mg/kg),试验7天后出现蛋黄变色现象;王开丽和张石蕊等研究低棉酚棉籽蛋白代替豆粕在肉鸡在饲养试验,用低棉酚棉籽粕(FG 325 mg/kg)等蛋白替代豆粕分别为0%、30%、60%、100%,试验周期49天,试验全期鸡只表现健康和正常,结果是日增重分别为29.57、27.03、27.85和28.31 g/d,料重比分别为2.4、2.45、2.55、2.5。
1.2.2.2 对单胃动物的毒副作用
游离棉酚对肠胃黏膜有刺激作用,引起肠胃黏膜发炎和出血,并能增加动物血管壁的通透性,使血红细胞和血浆渗透到外周组织,致受害组织发生血浆性浸润;损害细胞血管和神经系统造成心力衰竭和组织水肿。中毒症状表现为呼吸困难、生长减慢、食欲减退、鼻腔有黏浆流出等,粪便干黑或带血,不断喝水,但尿量少,出现血尿。另外,FG可与体内蛋白质、铁等结合使酶失活引起缺铁性贫血;F G还会损害生殖系统、抑制精子生成、影响精子存活率、扰乱雌性动物发情周期、引起子宫萎缩、影响妊娠。钱伟等研究了醋酸棉酚对大鼠和家兔胃分泌和运动机能的影响,结果表明,醋酸棉酚有刺激大鼠和家兔胃酸分泌的作用,醋酸棉酚有抑制胃泌素释放的作用,引起腹胀、食欲下降等现象,从而抑制体重增加。
1.2.2.3 对水产品的毒副作用
研究认为,鱼虾等水生变温动物似乎对游离棉酚的抵抗能力远比畜禽动物强,棉酚对鱼类的影响主要表现在采食量下降、生长受抑制、肝脏脂肪沉积增加等。不同鱼类对于游离棉酚的敏感程度不一样,有报道表明。有研究表明饲料中的游离棉酚在290 mg/kg以上时,虹鳟表现出生长抑制:当游离棉酚在531 mg/kg以上时,虹鳟的血细胞比容、血红蛋白和血浆蛋白均显著下降。以醋酸棉酚形式添加游离棉酚,当棉酚含量在400 mg/kg以上时,鲤鱼的生长明显受到抑制,且肝脏中棉酚蓄积量与饲料中棉酚含量呈正相关;鲤鱼腹腔注射醋酸棉酚 0、7.3、54、100、200、400 mg/kg体重,96 h后,死亡率分别是0、0、20%、70%、90 %、100 %;96h的半致死剂量是63.6mg/kg体重。蒋明、仲维玮等研究低棉酚棉粕替代1/3和2/3豆粕时对尼罗罗非鱼幼鱼(初始体重7.27g/条)生长、体内组织游离棉酚含量的影响,结果是各组尼罗罗非鱼幼鱼的体质量增长率、特定生长率、成活率及鱼体粗蛋白和粗脂肪含量均无显著差异(P>0.05),但未经脱毒处理棉粕替代2/3豆粕组的饲料系数显著高于其他组(P<0.05)。低棉酚棉粕替代2/3豆粕组肌肉游离棉酚含量较未处理棉粕替代2/3组降低了70.27% (P<0.05)。胡毅等研究以初始平均体重为7.01±0.05g的青鱼为研究对象,以含40%豆粕的饲料作为对照饲料,含41%棉籽粕的饲料作为高棉籽粕饲料,试验期为8周,结果表明:与豆粕对照组相比,高棉籽粕组青鱼的特定生长率、血液红细胞数量以及血清补体含量和总超氧化物歧化酶、溶菌酶活力均显著降低(P<0.05)。Cheng等(2002)对虹鳟幼鱼的研究发现,当高温压榨棉籽粕在饲料中添加量超过15%时,鱼体增重率和饲料转化效率就显著降低。罗琳等(2005)用含0%、15.2%、30.5%和46%低酚棉籽蛋白的饲料喂养日本鲈鱼,结果显示,对鲈鱼的生长、饲料消化率及鱼体成分组成无显著不良影响。
2 棉籽粕的脱酚方法
为降解棉籽粕中FG含量,提高其在畜禽日粮中的用量,常用的脱酚方法有物理法、化学法、微生物发酵处理等。
2.1 物理处理
物理处理包括浸泡、干热、蒸煮和离心分离等。浸泡法指将棉籽粕浸泡于不同比例的水中1:5~10、浸泡时间 30~60 mi n,可降低FG含量,但会造成棉籽粕中大量水溶蛋白质流失;棉籽粕于130℃干热处理30和60 min,F G含量从880 mg/k g分别降低到740和680mg/k g。棉酚存在于色素腺体内,色素腺体的外壳相当坚硬,分布在整个棉仁内,腺体的直径在50~400 µm范围内变化,其中大部分直径为80~120 µm,如果能在加工中保持腺体的完整,不使棉酚逸出,再将其分散在溶剂介质中,利用色素腺体的形状、大小及密度与其他物料间的差异进行离心分离。美国首先将离心分离技术应用于棉籽蛋白粉的生产,这样得到的棉籽粉蛋白质可高达65%,游离棉酚含量少于 0.045%,但该方法对设备的要求很高,国内尚未商业生产化。物理法的能耗较大,营养物质变性损失大,规模生产的可行性较低。
2.2 化学处理
棉酚是一种酸性成分,能够与碱反应生成复合盐,可选用碱性物质如纯碱、氢氧化钙、草木灰水溶液浸泡脱毒,Nagalakshmi等用1%氢氧化钙浸泡棉籽粕24h,棉籽粕经清洗脱碱后,棉籽蛋白更易消化,营养价值提高;戴卫东等报道棉酚含量为 0.15%的棉籽粕原料,通过热碱法去毒后其棉酚含量为0.032%。但碱处理后的棉籽粕风味较差,需用水清洗,干燥较困难,因此不适宜工业化生产。
棉酚是一类极活泼的酚类物质,在通常情况下就很容易氧化变质,使用氧化性较强的氧化剂可用来降解棉酚,常用的氧化剂是H2O2。但氧化剂与蛋白质反应剧烈,降低蛋白质溶解度,口感苦味重,并降低棉粕中维生素的活性,从而降低棉籽粕的营养价值。
2.3 溶剂萃取法:
它是根据溶剂萃取法“ 相似相溶”的原理,采用先萃取棉籽油后再萃取棉酚的分步萃取方法。棉仁经低温软化、压坯、成型、烘干后,进入浸出提油系统,经溶剂提取油脂后,湿粕进入脱酚浸出器,再经溶剂两次萃取使棉酚含量达到工艺要求,脱去溶剂后,进行低温烘干,得到棉酚含量小于0.04%的棉籽粕,蛋白质含量大于50%。一般是利用工业己烷(轻汽油或异己烷等)萃取棉子仁中的棉籽油,醇类(乙醇、甲醇、异丙醇、正丁醇、丙酮等)萃取棉酚。此法在油脂提取和脱酚全过程中,对物料的处理始终是低温操作,最大程度地避免了蛋白质的热变性,保证了蛋白营养效价。戴卫东等利用丙酮、己烷与水混合溶剂提取棉酚,所得棉籽粕中残留的游离棉酚<0.06%、总棉酚<0.8%。
采用该技术脱酚比较彻底,所得成品的蛋白质含量高,蛋白质和氨基酸破坏程度很低,但溶剂回收工艺比较复杂,两种溶剂分离困难,溶剂互溶和共沸现象严重,溶剂消耗大,成本较高。
2.4 微生物处理
目前,生物发酵法被认为是安全、脱毒效果好、生产成本低、最有发展前途的脱毒方法。不但能除去棉酚毒性,而且原料的营养价值也大为提高,研究表明,发酵棉籽粕中含有大量糖类、脂类、蛋白质等代谢途径产生的小分子代谢产物以及维生素、消化酶等。微生物发酵脱毒中最关键的是菌种选育,菌种的发酵代谢性能与棉籽粕脱毒效果和营养价值密切关联。发酵棉籽粕的生产可分为液体发酵法和固体发酵法,液体发酵法生产中微生物代谢旺盛,微生物与棉酚充分接触,脱毒效果好,植酸磷被转化为可利用磷,大分子蛋白质被分解成小分子肽类物质,提高其生物活性,但由于液体发酵法工艺设备投资大、烘干成本高,在饲料生产加工中难以产业化;固体发酵棉籽粕的工艺关键参数如温度、水分、氧气浓度、pH值等,通过仪器监控发酵全过程,所得产品的脱毒稳定性好,由于其生产成本低,所以目前生产发酵棉籽粕主要采用固体发酵法。
何涛筛选白地霉、扣囊、热带假丝酵母、产朊假丝酵母、黑曲霉和米曲霉单一菌种发酵棉籽粕,结果表明,产朊假丝酵母对棉酚的降解率在70%左右;杨继良等筛选出对棉籽饼中棉酚具有较强脱毒能力的酵母菌, 在固态生料发酵30℃条件下培养2天,游离棉酚的含量均下降至 0.03%以下, 脱毒率平均为84%,蛋白质含量增加4.64%;顾赛红利用黑曲霉对棉籽粕进行固体发酵,游离棉酚由498mg/kg降为67mg/kg,脱毒率高达86.5%,蛋白质含量提高了10.92%;金红春等(2011)采用5株芽孢杆菌和酵母菌共同发酵棉籽粕,发酵温度40℃,物料含水量50%,接种量6%,发酵后粗蛋白质含量提高6.99个百分点,淀粉酶活力提高766U/g;院江等利用由乳酸菌与酵母菌等主要有益菌组成的复合菌发酵棉籽壳,棉子壳发酵后游离棉酚含量降低,脱毒率达到75.4%,主要营养成分粗蛋白提高 2.29% ,中性洗涤纤维降低18.2%,酸性洗涤纤维降低16.04%,微生物细胞数量达到9.8×109个/g;吴小月等选用多种微生物(包括真菌、细菌、酵母菌)分别进行了单一菌种棉仁饼粕发酵实验(饼粕含水量为50%,在30℃发酵 4---6天),游离棉酚从 608mg/kg下降至270---189mg/kg。朱德伟等(2010)通过响应面分析法和典型性分析得出,热带假丝酵母JD-9, 接种量4.4%,卡氏酵母JD-13,接种量0.56%,发酵时间48h,发酵温度30℃,料水比为1:0.8,棉籽粕中的棉酚从987.5mg/kg降解至85.9mg/kg。秦金胜等(2010)等研究发酵棉粕和普通棉粕替代豆粕对猪生长性能的影响,选用杜×长×大三元杂交阉公猪进行生长期(65 ~130d )和育肥期( 131 ~162 d )两个阶段,结果表明:5%普通棉粕替代豆粕降低生长期猪只的日增重,10%普通棉粕替代豆粕降低育肥期猪只的日增重,15%发酵棉粕替代豆粕对生长期和育肥期猪只的生产性能无显著性差异。
2.5 生物技术途径
通常情况下,无腺体棉籽粕 FG含量小于100mg/kg,比传统棉籽粕的真赖氨酸消化率和代谢能高,经试验表明含15%无腺体棉籽粕饲粮饲喂蛋鸡,所产鸡蛋在 7℃条件下储存56d后,未见蛋黄变色。但因棉酚具有对棉花中昆虫和疾病的防御作用,无腺体棉花的病虫害多、产量低,因此基因改良培育无腺体棉籽尚未作为去除 FG的主要方法。
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