趙金標 孫志強 劉 嶺

(1.中國農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院,動物營養(yǎng)學國家重點實驗室,北京 100193;2.中農(nóng)志遠咨詢管理有限公司,北京 100193)

近20年來,我國大豆進口量從1 393.9萬t增至9 652.2萬t,年均增長10.2%,大豆進口依存度逐年提高。棉籽餅粕是我國重要的蛋白質飼料原料,其粗蛋白質含量在40%左右,略低于豆粕,具有部分替代豆粕的潛力。但是,棉籽餅粕含有大量的游離棉酚和環(huán)丙烯脂肪酸等抗營養(yǎng)因子,限制了其在畜牧生產(chǎn)中的應用[1]。棉籽蛋白的質量高于棉籽餅粕,與豆粕接近。棉籽蛋白的制備是先將棉籽通過剝殼和仁殼分離裝置將棉籽仁、棉籽殼進行分離,利用分級篩、精選設備減少棉籽仁中含殼量和短絨量,經(jīng)過一系列低溫調制處理后的原料送入浸出器提取棉籽油,浸出后的濕棉籽粕利用浸提和脫酚溶劑進行脫糖、脫毒處理,隨后經(jīng)過機械和低溫烘干去除溶劑。棉籽蛋白的粗蛋白質含量高于豆粕,但賴氨酸含量遠低于豆粕,精氨酸含量高于其他餅粕類原料[2]。棉籽蛋白在加工過程中生成很多小肽,有些小肽具有抑制病原菌活性的作用,同時發(fā)揮抗氧化、抗高血壓、抗癌和免疫調節(jié)的功能[3]。另外,棉籽中棉子糖含量為4%～5%,是一種具有較強增殖雙歧桿菌、增強免疫力和抑制體內毒素產(chǎn)生等作用的功能性低聚糖[4]?？傊?棉籽蛋白不僅可以提供豐富的飼料蛋白質,其在制備過程中還生成許多可調節(jié)宿主健康的功能性物質。

近年來,關于棉籽蛋白在生長豬和斷奶仔豬上應用的相關研究逐漸增多,大量的研究已經(jīng)證實,使用適量的棉籽蛋白替代豬飼糧中的豆粕和大豆?jié)饪s蛋白對于豬生長性能沒有不良影響[5-8],表明在一定程度上棉籽蛋白可以有效地替代大豆蛋白,這對于穩(wěn)定蛋白質飼料有效供給、緩解我國大豆進口的壓力和保障糧食安全具有重要的意義。本文通過綜述棉籽蛋白的加工工藝及其在仔豬飼糧中的應用潛力,旨在為提高仔豬生產(chǎn)中棉籽蛋白利用效率和降低我國大豆進口量提供參考。

1 棉籽蛋白及其加工工藝

傳統(tǒng)的棉籽加工生產(chǎn)屬于高溫生產(chǎn)工藝,主要是通過液壓、螺旋壓榨法、預榨浸出法和直接溶劑法等方法來制取油脂和餅粕,傳統(tǒng)的棉籽加工業(yè)產(chǎn)品結構為棉籽油、棉籽餅粕和皂腳[9]。傳統(tǒng)加工工藝制得的棉籽餅粕由于壓榨時溫度過高,賴氨酸在高溫條件下和游離棉酚結合后阻礙了動物腸道內源蛋白酶對賴氨酸的降解,降低了棉籽蛋白的營養(yǎng)價值和氨基酸利用率[10]。棉籽中維生素B1含量較高,由于其不穩(wěn)定特性受熱后損失較大。另外,棉籽餅粕中含有較多具有毒性作用的棉酚,導致其飼用潛力受到限制[11]。

棉籽蛋白是指棉籽或棉籽粕生產(chǎn)的粗蛋白質含量在50%以上的飼料產(chǎn)品,其加工工藝是在生產(chǎn)棉籽餅粕的基礎上,采用正己烷等非極性溶劑和甲醇等極性溶劑逐步分別萃取棉子糖和游離棉酚,再經(jīng)過脫液和烘干后得到棉籽蛋白。棉籽蛋白加工工藝流程見圖1。棉籽通過剝殼和仁殼分離裝置將棉籽仁、棉籽殼進行分離,再利用分級篩、精選設備減少棉籽仁中含殼量和短絨量,經(jīng)過一系列低溫調制處理后的原料送入浸出器提取棉籽油,浸出后的濕棉籽粕直接進入多級脫酚浸出設備中,利用脫酚溶劑進行脫酚處理,脫酚后的棉籽粕經(jīng)機械和低溫烘干去除溶劑,進而得到棉籽蛋白[12]。與棉籽粕傳統(tǒng)加工工藝相比,棉籽蛋白“液-液-固”三相萃取法的優(yōu)勢主要包括:1)全程采用低溫浸出工藝處理棉籽粕,最大程度地避免了蛋白質變性和破壞,保證了棉籽蛋白的營養(yǎng)價值;2)采用2種不同的溶劑分布萃取棉籽油和脫除棉酚,在短時間內快速萃取出大量的游離棉酚,極大程度地去除游離棉酚,而且避免變性棉酚、結合棉酚及其他形式的棉酚衍生物的生成;3)利用溶劑和水的相互作用去除棉籽蛋白中的單寧、植酸、黃曲霉毒素以及農(nóng)藥殘留等有害物質。

圖1 棉籽蛋白加工工藝流程圖

2 棉籽蛋白營養(yǎng)特性

2.1 化學成分

棉籽蛋白的粗蛋白質含量達50%以上,精氨酸含量高,但是賴氨酸含量較低(表1)。棉籽蛋白的主要成分是球蛋白,約占蛋白質的90%,其次是谷蛋白[13]。棉籽蛋白中的粗纖維含量約為4%,遠遠低于傳統(tǒng)工藝制得的棉籽餅粕,這是由于棉籽蛋白加工過程中剝殼比較徹底,棉籽仁中帶殼較少。

表1 棉籽蛋白和棉籽粕化學組成(干物質基礎)

棉酚是一種黃色多酚羥基雙萘醛類化合物,在棉籽中的含量為0.7%～4.8%。棉籽蛋白中游離棉酚含量較低,可控制在50～400 mg/kg,遠遠低于傳統(tǒng)壓榨工藝制得的棉籽餅粕中游離棉酚含量,有效提高了棉籽蛋白的飼用價值[14]。同時,棉酚在醫(yī)藥上已經(jīng)被用來生產(chǎn)具有免疫抑制作用和抗病毒作用的藥品,而且棉酚及其一些衍生物也是石油和橡膠制品、骨脂、維生素A等制品的有效氧化抑制劑[15]。棉籽蛋白脫酚加工工藝除去的棉酚主要以游離形式存在,這在很大程度上有利于游離棉酚的制取、提純和再利用。

棉籽中棉子糖含量為4%～5%,由半乳糖、果糖和葡萄糖結合而成,是一種具有較強增殖雙歧桿菌、增強免疫力和抑制體內毒素的產(chǎn)生等作用的功能性低聚糖[4]。

2.2 消化速率

本實驗室前期評價了棉籽蛋白粗蛋白質和18種氨基酸標準回腸末端消化率,結果表明,粗蛋白質和氨基酸消化率與豆粕相當,粗蛋白消化率比棉籽粕高5%～10%[11]。最新研究表明,飼糧蛋白質消化速率顯著影響泌乳母豬體損失和哺乳期仔豬生長性能[16]。目前,針對棉籽蛋白加工副產(chǎn)品的蛋白質消化速率相關研究較少。本實驗室通過體外消化試驗測定了豆粕、棉籽粕、棉籽蛋白在不同蛋白酶消化時間點的氨基酸濃度,將小腸階段各時間點總氨基酸含量與體外消化系數(shù)代入動力學模型進行計算獲得動力學參數(shù),模型采用Mahasukhonthachat等[17]已報道的方法:

Ct=Co+C∞×(1-e-kt)。

式中:Ct為體外消化不同時間點氨基酸釋放量(mmol/g);Co為0 min氨基酸釋放量(mmol/g);C∞為氨基酸最大釋放量(mmol/g);k為消化速率(mmol/min);t為孵育時間(min)。

研究結果表明,棉籽蛋白的氨基酸體外釋放速率低于豆粕,但遠遠高于棉籽粕,表明棉籽蛋白生產(chǎn)工藝提高了棉籽蛋白的消化速率,這是由于棉籽蛋白生產(chǎn)過程中可以有效去除棉籽中單寧、粗纖維等抗營養(yǎng)成分[11]。

2.3 氨基酸組合效應

機體正常的氨基酸周轉代謝對氨基酸的需求種類、數(shù)量和比例都是有要求的,特別是必需氨基酸和非必需氨基酸的數(shù)量和種類符合木桶理論,缺任何一種的情況下,即使其他氨基酸數(shù)量再多比例再合理,也不能滿足機體生長或者日常代謝周轉的需要。最理想的情況就是攝入的氨基酸的數(shù)量和比例剛好滿足機體需要。機體對蛋白質的真正需要就是對氨基酸種類數(shù)量和比例的需求。周維仁等[8]使用脫酚棉籽蛋白分別替代生長豬飼糧中50%和100%的豆粕,結果表明,與完全添加豆粕或者棉籽蛋白飼糧組相比,添加50%豆粕+50%棉籽蛋白飼糧組的生長豬平均日增重分別提高了3%和3.5%。李敏[6]用棉籽蛋白分別替代斷奶仔豬飼糧中60%的豆粕,結果表明,40%豆粕+60%棉籽蛋白組比豆粕組斷奶仔豬在保育階段結束后的平均體增重增加了1.8 kg,平均日采食量提高了7.5%;在育肥階段,使用棉籽蛋白分別替代豬飼糧中50%的豆粕,50%豆粕+50%棉籽蛋白組比豆粕組育肥豬的平均體增重增加了4 kg,平均日采食量和平均日增重分別提高了5.4%和6.7%。上述研究結果表明,豆粕和棉籽蛋白之間存在一定程度的組合效應,這可能是由于棉籽蛋白非必需氨基酸含量較高,與豆粕的氨基酸組成互補,從而提高豬的生長性能。然而,棉籽蛋白與其他蛋白質飼料原料之間的氨基酸組合效應只是處于初步的研究階段,缺少理論基礎,深入探究不同蛋白質飼料原料中氨基酸組合對豬生產(chǎn)性能的影響具有重要意義。

3 棉籽蛋白加工過程中主要的功能性物質

3.1 抗氧化、抑菌活性小肽

研究報道,通過固態(tài)發(fā)酵法和蛋白酶水解法生產(chǎn)棉籽生物活性小肽具有抗氧化活性[18-19]。韓曉燕等[20]用胃蛋白酶和胰蛋白酶制備的棉籽蛋白水解物在濃度為100 mg/mL時具有抑菌活性,分離的蛋白水解產(chǎn)物I2-2和G2-2對大腸桿菌的生長有明顯的抑制作用。宋偉光[3]以脫脂棉籽蛋白粉為原料,通過蛋白酶水解和離子交換分離制備出對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和鏈球菌具有抑菌活性的水解產(chǎn)物,并且使用液質聯(lián)用技術鑒定出小肽的氨基酸序列和結構。上述結果表明,棉籽蛋白在加工過程中可以生成具有抑菌和抗氧化功能的小肽等活性物質。

3.2 功能性氨基酸

飼糧中氨基酸不僅是動物合成機體蛋白質的主要來源,而且其經(jīng)血液循環(huán)運輸至其他組織器官發(fā)揮功能性作用[21]。風干狀態(tài)下,棉籽蛋白的精氨酸含量高達6%～8%,遠遠高于豆粕(3.0%～3.5%)。精氨酸是一氧化氮、多胺等多種代謝分子的前體物質,研究表明,一氧化氮在加強母體和胎兒血液間營養(yǎng)物質傳遞和改善血液流動等方面發(fā)揮重要作用,有利于胎兒的生長發(fā)育[22]。研究發(fā)現(xiàn),從經(jīng)產(chǎn)母豬妊娠第30天開始飼喂含1%L-精氨酸的飼糧,母豬窩產(chǎn)活仔數(shù)和仔豬初生窩重分別提高了22%和24%,而血漿尿素氮含量明顯下降,表明精氨酸有利于改善母豬肝臟氨基酸代謝[23]。在整個妊娠階段添加1%精氨酸鹽酸鹽,母豬窩產(chǎn)仔數(shù)增加了1.15頭以及仔豬出生窩重提高了1.39 kg[24]。在初產(chǎn)母豬妊娠和泌乳期飼糧中添加1%精氨酸鹽酸鹽,結果發(fā)現(xiàn),母豬體重、背膘厚度和采食量均無顯著性差異,但是提高了母豬血漿胰島素含量以及乳仔豬在哺乳階段的平均日增重和斷奶體重[25]。妊娠早期母豬飼糧中添加0.2%L-精氨酸改善了母豬窩活仔重,降低了窩木乃伊豬的百分比,還提高了母豬腸道纖維桿菌門的豐度[26]。在仔豬上研究發(fā)現(xiàn),斷奶仔豬飼糧中添加0.6%精氨酸提高了仔豬平均日增重和平均日采食量,并且降低了血清尿素氮含量,這表明精氨酸有利于緩解仔豬早期斷奶的應激反應[27]。另外,研究表明,21日齡早期斷奶的仔豬飼糧中添加1%精氨酸提高了仔豬血清中免疫球蛋白含量,提高了仔豬免疫功能[28]。綜上所述,精氨酸不僅參與合成機體蛋白質,還具有提高母豬繁殖性能以及仔豬免疫和抗應激功能的作用。

3.3 棉子糖

棉子糖是一種三糖,是由半乳糖、果糖和葡萄糖結合而成的功能性寡糖。由于棉子糖能通過胃腸道而不被消化吸收,是一種天然的活性因子,具有改善胃腸消化功能和增強機體免疫力等功能[29]。棉子糖對人體發(fā)揮益生功能是通過增殖腸道內雙歧桿菌、乳酸桿菌等有益菌群來實現(xiàn)的。由于人的唾液、胃液以及小腸中都不含α-半乳糖苷酶,棉子糖進入腸道內被雙歧桿菌等有益菌選擇性地發(fā)酵利用,使自身生長速度加快,并且抑制有害菌群的生長,形成此消彼長的健康腸道菌群環(huán)境[30-31]。Zeng等[32]報道了生長豬飼糧中添加0.5%棉子糖可以顯著提高回腸絨毛高度與隱窩深度的比值,改善腸道形態(tài)。除此之外,由于棉酚的分子結構中含有多個酚羥基,是一種新型的抗氧化添加劑,其抗氧化作用優(yōu)于二丁基羥基甲苯以及γ-生育酚[33]。

4 棉籽蛋白在仔豬飼糧中的應用

棉籽蛋白在仔豬飼糧中的應用研究如表2所示。李敏[6]用棉籽蛋白分別替代飼糧中0、20%、40%、60%的豆粕,結果表明,不同棉籽蛋白替代水平組之間平均日增重和平均日采食量差異不顯著,60%替代水平組料重比顯著高于0和20%替代水平組,并且棉籽蛋白替代水平對血清生化指標沒有顯著影響。趙建飛等[34]報道,使用4%棉籽蛋白等比例替代大豆?jié)饪s蛋白或者魚粉后對斷奶仔豬生長性能、腹瀉率、營養(yǎng)物質表觀消化率以及血清生化和免疫指標均無顯著影響,仔豬對棉籽蛋白的能量表觀消化率為86.64%,消化能為15.61 MJ/kg,棉籽蛋白組的能量和粗脂肪表觀消化率顯著低于對照組。Li等[2]研究表明,4%棉籽蛋白等比例替代魚粉后對斷奶仔豬平均日增重、平均日采食量和料重比無顯著影響,但可以降低仔豬每千克增重的糞氮排放量。本實驗室前期研究表明,在斷奶仔豬飼糧中使用2%、4%和6%以及在教槽料中使用3%棉籽蛋白等比例替代大豆?jié)饪s蛋白,對斷奶仔豬和乳仔豬的平均日增重、平均日采食量、料重比、腹瀉率、營養(yǎng)物質表觀消化率和血清生化指標均無負面作用[5,11,35]。

表2 棉籽蛋白在仔豬飼糧中的應用研究

5 小 結

傳統(tǒng)的棉籽油萃取技術生產(chǎn)的棉籽餅粕中游離棉酚、單寧和粗纖維等抗營養(yǎng)因子含量較高,且氨基酸平衡性較差,嚴重限制了棉籽餅粕在畜牧生產(chǎn)中的應用。在棉籽油萃取技術生產(chǎn)工藝的基礎上,通過脫糖、脫酚等工藝生產(chǎn)出來的棉籽蛋白,可以極大程度地去除游離棉酚,而且提高了棉籽蛋白的營養(yǎng)價值。研究表明,使用適量的棉籽蛋白替代仔豬飼糧中大豆?jié)饪s蛋白對于仔豬的生長性能沒有不良影響,在教槽料和保育料中推薦添加比例分別為3%和6%?？傊?棉籽蛋白替代仔豬飼糧中大豆?jié)饪s蛋白或魚粉有利于降低飼料成本和對大豆進口的依賴。