棉籽粕营养品质的改善及其在动物生产中的应用
孙宏1，方翠林1，吴静1，汤江武2，冯杰1
1.浙江大学动物科学学院；2.浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所
蛋白质原料是动物饲料中重要的组成部分，也在饲料成分中占有最大比例。豆粕和鱼粉是目前应用最为广泛的2种蛋白质原料，但在我国相对匮乏，必须依赖大量进口，且其原料价格波动较大，直接影响到养殖业的健康发展。因此，寻找优质的蛋白质资源已成为目前饲料资源开发的研究热点。
我国是一个产棉大国，棉籽粕产量居世界第一。而棉籽粕中含有30%~50%的蛋白质，精氨酸含量高，营养价值接近豆粕，是一种十分重要的蛋白质原料。但棉籽粕中含有毒物质游离棉酚（FG），FG可直接抑制肠道矿物质离子和六碳糖转运，并影响养殖动物的生产性能。此外，棉籽粕的氨基酸消化率低，特别是赖氨酸的消化率较低。这些原因造成棉籽粕在饲料配方中的用量受到严格限制。由于棉籽粕来源和加工工艺及养殖动物品种不同，其在不同动物配方饲料中的用量和作用效果也不一致。目前，通过各种手段提升棉籽粕营养品质，并通过优化动物生产应用技术来降低饲喂棉籽粕造成的负面影响，已成为蛋白质资源开发的热点。
1棉籽粕营养品质的改良手段
1.1微波及辐照
微波作为一种重要的蛋白改性手段，与传统制油工艺中高温蒸炒压榨工艺较为类似，但其热量的产生源自物料自身水分子的高速运动，大大缩短了热处理时间，因而效率更高。目前，国外已采用微波手段对豆粕、棉籽粕、菜籽粕等多种植物蛋白原料进行改良。Sadegi等采用微波（800w）方式对棉籽粕分别处理2min、4min、6min后发现，处理4min时的效果最佳，显著提高了棉籽粕在动物肠道的消化利用。但其在菜籽粕上的研究表明，过度延长微波作用时间可能会引发蛋白变性及其他必需氨基酸的破坏，反而降低其蛋白消化率。因此，在采用微波提高蛋白品质时，其强度和作用时间需要受到严格控制。
辐照处理是指采用离子射线对蛋白原料进行处理，如γ射线、高能电子束和X射线等。辐照处理的最大优点是对营养成分的影响较小，可有效去除植物蛋白中的植酸、FG、胰蛋白酶抑制剂等抗营养因子。Ebrahimi-Mahmoudabad等采用15kGy、30kGy、45kGy（吸收剂量单位，1Gy=1.0J/kg）不同强度的电子束处理棉籽粕后发现，FG的含量与照射强度呈显著负相关。同时，电子束辐照还显著提高了棉籽粕的蛋白体外消化率。Shawrang等采用γ射线和高能电子束以10kGy、15kGy、20kGy、25kGy、30kGy5个不同能量强度对棉籽粕进行辐照时进一步证实，辐照能够显著降低棉籽粕中的FG，并发现25kGy的辐照强度可以降低棉籽粕的FG至可被肉鸡安全利用的范围之内。上述结果表明，辐照处理能有效提高棉籽粕饲用价值。
1.2蛋白酶酶解
蛋白酶酶解是蛋白改性的一种重要方式。一方面，棉籽粕中的蛋白质大分子在蛋白酶的作用下降解为多肽、小肽及游离氨基酸等可溶性小分子。在动物对蛋白质消化利用过程中，低分子量蛋白（特别是2个~3个氨基酸的小肽）的吸收，具有速度快、耗能低且不易饱和的特点，从而提高蛋白质的利用效率。另一方面，蛋白质水解物往往具有多种生物学活性，如抗氧化性、抗应激等，大大扩展了蛋白质作为能量和氨基酸来源的传统营养学认识。Gao等试验发现，木瓜蛋白酶对棉籽蛋白进行水解后，能获得具有抑制血管紧张素酶活性的棉籽肽。在相似的酶解条件下，又获得了具有抗氧化活性的棉籽肽。最近的研究显示，FG能够抑制电子传递链作用，并刺激细胞产生活性氧自由基（ROS），因而可尝试采用添加抗氧化剂的方式降低FG的不良作用。因此，通过蛋白酶酶解棉籽粕直接获得抗氧化肽，可能也有助于减少FG对动物的毒性。
1.3微生物发酵
微生物发酵手段与蛋白酶解作用存在相似性，其实质是利用微生物所产的各种功能酶将棉籽蛋白降解为小分子蛋白、小肽，并去除FG。但与酶法相比，微生物发酵能够产生大量的益生菌、乳酸和未知生长因子等活性物质，综合提升棉籽粕的营养品质。目前，用于棉籽粕发酵的微生物以真菌为主。Yang等研究发现，真菌能针对FG分泌多种降解蛋白，并认为深入解析这些蛋白序列结构可能为改良棉籽粕提供新的途径。Zhang等利用6株真菌发酵棉籽粕表明，其发酵后总氨基酸最高可提高11.5%（P<0.05）。本实验室研究结果表明，枯草芽孢杆菌发酵可使棉籽粕中的FG含量降低74.3%，并显著提高赖氨酸含量。因此，微生物发酵一方面降低了棉籽粕中有毒物质的含量，另一方面提高了其营养价值。但目前对微生物通过何种方式降解棉酚尚未明确，有待进一步研究。
2棉籽粕在动物生产中的应用效果
2.1棉籽粕在畜禽生产中的应用效果
目前，棉籽粕在禽类饲料中的添加十分普遍，但其安全合适的添加量尚未定论。Jalees等研究发现，日粮中添加13%的棉籽粕对饲料转化效率和日增重都没有影响，但会降低雄性个体的繁殖能力。Gamboa等将棉籽粕在肉鸡饲料配方中的含量提高至28%后发现，其生长性能并无显著影响，但在血浆、肝脏、肾脏和肌肉中都检测到FG残留，其中肝脏的残留浓度最高。这表明肝脏可能是FG在禽机体内代谢分解的主要器官。禽类对棉籽粕的耐受差异可能与肉鸡品种、日龄和棉籽粕来源有关。此外，日粮的蛋白与氨基酸水平对棉籽粕的添加量也有影响。Sterling等研究表明，在添加棉籽粕的肉鸡日粮中，适当提高日粮的蛋白含量，能够使肉鸡的生产性能达到与饲喂豆粕一致的效果。这表明肉鸡日粮中添加棉籽粕可能造成了日粮蛋白利用率的降低；而提高蛋白含量恰好可以弥补这一损失。另一方面，棉籽粕中赖氨酸的回肠真消化率在83%左右，据此估算的可消化赖氨酸需求量占日粮的比重为1.28%~1.55%，赖氨酸的不足可直接影响肉鸡的生长性能。Azman等进一步研究发现，在肉鸡日粮中额外添加1.5%或3.0%的赖氨酸，可提高肉鸡对棉籽粕的耐受力。考虑到赖氨酸是棉籽粕的第一限制性氨基酸，加之FG在榨油过程中能与氨基酸，特别是赖氨酸结合，进一步降低赖氨酸的有效含量，因而推测添加赖氨酸可能与提高棉籽粕蛋白利用率有关。
Fombad等试验发现，在给生长育肥猪饲喂含有棉籽粕（300g/kg）的日粮后，显著降低了猪日增重，推测这可能是由于棉籽粕中可消化赖氨酸的缺乏和FG的存在引起。Fombad等进一步比较了添加富含赖氨酸的血粉与添加游离赖氨酸对生长猪的影响，并总结认为添加血粉的效果要优于游离氨基酸。但Moreira等研究表明，断奶仔猪日粮中添加12%的棉籽粕对其生长性能无不良影响。因此，不同猪品种、生长阶段和棉籽粕的FG含量可能是影响棉籽粕在猪日粮中添加量的主要原因。
目前为止，有关改良棉籽粕对动物生产的影响报道不多，且主要集中在发酵棉籽粕。本实验室研究表明，黄羽肉鸡日粮中添加8%的发酵棉籽粕，可显著提高肉鸡的日增重和饲料转化效率，同时提升血清中的免疫球蛋白含量和补体水平。同样，添加5%发酵棉籽粕替代豆粕可显著降低AA肉鸡血清的尿素氮含量，但对生长性能没有显著影响以上结果表明，发酵棉籽粕对肉鸡健康状况和生产性能无显著影响，但却提高了肉鸡的免疫功能，同时降低了饲料成本，为禽业的健康养殖提供了借鉴。但究竟是发酵棉籽粕本身，还是发酵产生的有益物质，如短链脂肪酸、未知生长因子和益生菌影响了肉鸡的生理功能还需要进一步阐明。此外，丁超等研究表明，采用发酵棉籽粕替代豆粕同样可显著提高生长猪的生产性能和饲料报酬。由此可见，在不添加外源赖氨酸的情况下，发酵棉籽粕与普通棉籽粕相比其优势明显。
2.2棉籽粕在水产动物生产中的应用效果
由于水产动物的消化道较短，FG较容易排出体外，从而降低了FG的毒性。因此，棉籽粕在水产动物中的研究广泛。棉籽粕对鱼体生长的影响主要与鱼类食性有关，一般肉食性越强的鱼类，对棉籽粕（包括其中的FG）的耐受性就越低。在幼年鲶鱼上，棉籽粕用量小于30%（替代鱼粉），都不影响鱼体生长、饲料消化和体成分；但当用量超过59%时，显著抑制鱼体生长。而对银鲫而言，日粮中棉籽粕的添加量可达到40%（或FG含量低于642mg/kg）对鱼生长、体成分无显著影响。Yue等研究发现，采用33.76%的棉籽粕替代罗非鱼日粮中约60%的豆粕，对其鱼体生长、消化和血清指标没有明显影响。Saidy等进一步证实，采用41.25%的棉籽粕替代日粮中75%的豆粕，对罗非鱼的生长、饲料利用和体成分组成都无显著不良影响。另一方面，鱼类的生理阶段也是影响棉籽粕在饲料中用量的一个重要因素。如Lee等发现，棉籽粕在虹鳟幼鱼的合适用量为14.7%，不影响其生长性能。而在虹鳟成鱼饲料中采用31%的棉籽粕完全替代日粮中的豆粕时，对鱼体生长和饲料利用无显著影响。此外，Barros等研究发现，在日粮中补充铁，以27.5%棉籽粕替代日粮中50%的豆粕，能有效改善斑点叉尾鲴幼鱼的增重率和饲料效率；但当采用55%棉籽粕完全替代豆粕后，其增重率、饲料效率等显著降低。这表明通过适当处理（补充矿物质等）可以增加棉籽粕在水产动物饲料中的用量，但其具体机理需要进一步研究。
棉籽粕的不同处理手段也是影响其在鱼类日粮中替代豆粕或鱼粉比例的重要因素。研究表明，鲫鱼日粮中添加50g/kg棉籽蛋白水解物，可有效提高其生长，并增加鱼体成分中的蛋白含量；调控血清超氧化物歧化酶、葡萄糖和皮质醇含量。这表明酶解棉籽粕对鱼的作用可能通过调控机体代谢过程来影响其生长。最近的研究显示，发酵棉籽粕能够提高罗非鱼幼鱼体组织中的抗氧化活性；同时降低FG在鱼体肝脏中的残留。因此，微生物发酵能提高棉籽粕的品质，使其更利于在水产饲料中的添加。
2.3棉籽粕在瘤胃动物生产中的应用效果
由于FG可在瘤胃中与氨基酸螯合成无毒的复合物，因此一般认为棉籽粕对反刍动物是无毒的。Solomon等通过添加棉籽粕测定山羊消化性能和肉品质相关指标后发现，300g/kg的添加量对提高山羊的生产性能的改善有显著效果。但试验表明，瘤胃对游离棉酚的脱毒作用受到棉籽粕饲喂量的影响，当瘤胃动物饲喂高剂量的棉籽粕时，游离棉酚的钝化脱毒作用就变得十分薄弱。此时，瘤胃动物表现出与单胃动物相似的病理反应。Solaiman等在努比亚公山羊日粮中添加不同浓度的（0、15.7%和32.7%）棉籽粕后发现，其可耐受32.7%的棉籽粕添加量，但高剂量的添加对山羊血清指标和繁殖性能都有不良影响。Pan等在长期饲喂高剂量棉籽粕的美利奴细毛羊的膀胱和肾脏中均发现结石，推测可能与日粮有关。目前对处理棉籽粕在反刍动物中的研究较少，需要继续深入开展研究。
3结语
棉籽粕作为一种可替代豆粕和鱼粉的蛋白原料，具备了很高的研究价值。采用微波及辐照、蛋白酶解和微生物发酵等处理手段可在去除FG的基础上，提高其营养价值。不同养殖动物、养殖周期和棉籽粕品质对动物的饲养效果差异很大。为了进一步扩展棉籽粕在动物养殖中的应用，以下几个方面还有待深入研究：（1）不同处理手段的结合在提升棉籽粕营养品质中的作用；（2）将养殖结果与改良手段有机结合，扩展对棉籽粕营养特性的研究；（3）确定各种动物中棉籽粕最为经济的添加量，特别是开展其在猪养殖中的作用。
