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棉籽酶解蛋白研究表明可提高棉籽粕的经济效益和蛋白资

2022-02-13 10:29:07      点击:

一、棉籽饼粕的营养特征:

(一)棉籽饼粕的定义和特点

棉籽饼(cottonseed cake)又名棉饼,是棉籽经脱绒、脱壳和压榨取油后的副产品。传统上棉籽饼按脱壳程度,含壳量低的棉籽饼称为棉仁饼。

棉籽粕(cottonseed meal)又名棉粕,是棉籽经脱绒、脱壳、仁壳分离后,经预压浸提或直接溶剂浸提取油后获得的副产品,或由棉籽饼浸提取油获得的副产品。棉籽粕按脱壳程度,含壳量低的棉籽粕传统上称为棉籽仁粕(棉仁粕)。

棉籽饼粕是一类主要的蛋白质饲料原料,其主要特点是:

1、蛋白含量高且变化大,在38%~50%,氨基酸含量不均衡(与豆粕比),赖氨酸少,精氨酸含量特别高,但棉籽饼粕是饲料中色氨酸、蛋氨酸的优良来源。

2、粗纤维含量随去壳及脱绒程度而不同,有效能值也随之变化。

3、含游离棉酚、单宁、环丙烯类脂肪酸等抗营养因子。

4、棉籽饼粕含有丰富的维生素E和B族维生素等。

5、由于品种、产地、加工工艺不同,棉籽粕营养成分变异大。

(二)棉籽饼粕的营养成分含量

棉籽饼粕中粗蛋白质含量是衡量其质量的重要指标,但蛋白质含量依棉籽含绒、含壳量及制油工艺而异,棉籽粕在38%~50%变化,棉籽饼在32%~40%变化。在棉籽不脱壳制油工艺中,棉籽饼粕的粗纤维达20%以上。传统的棉籽制油为了保证出油率和增加饼粕含量均只部分脱壳,或者脱壳后又将壳返填回饼粕中,因此棉饼、棉粕粗蛋白质在40%以下。近年随着制油工艺的改进以及饲料工业的强烈要求,棉籽制油脱壳比例越来越大,粗蛋白质超过50%的棉粕产品在我国也已批量生产,因此棉粕的粗蛋白质含量已成为其重要的营养质量指标。

(三)棉籽饼粕中的有毒有害物质

1、棉酚

棉酚(gossypol)按其存在形式可分为游离棉酚(freegossypol,FG)和结合棉酚(bindinggossypol,BG),通常将游离棉酚和结合棉酚的总和叫总棉酚(totalgossypol,TG)。游离棉酚是指分子结构中活性基团(醛基和羟基)未被其他物质“封闭”的棉酚,美国油脂化学家学会(AOCS)明确定义:凡能被70%的丙酮水溶液提取的棉酚及其衍生物统称为游离棉酚。

FG因有活性醛基和羟基而对动物有毒性作用,可与酶或其他蛋白质结合,破坏其活性成分,降低蛋白质消化率,甚至使动物的组织器官发生病理变化,从而导致动物生长迟缓、中毒及死亡。结合棉酚是游离棉酚和蛋白质、氨基酸、磷脂等物质互相作用形成的结合物,它不具有活性,也难以被动物消化吸收,动物采食后可经粪便排出,对动物机体无毒害作用。但在动物体内条件下,如微生物及酶作用下,部分可能被再水解为游离棉酚。

单胃动物FG中毒症状表现为:食欲下降、腹泻、脱毛、凝血酶蛋白低、血红蛋白和红细胞及血浆蛋白减少等;严重的会导致心肌损伤、内脏充血和水肿、胸腔腹腔体液渗出、出血至死亡。FG还影响雌性动物的发情周期,影响妊娠及早期胎生。另外FG能引起雄性动物的繁殖障碍。

另据报道,棉酚作为多酚类化合物,通过对蛋白分子及膜基质的结合,以及可能通过自由基机制对膜结构的破坏和对电子传递体系的干扰,从多方面干扰细胞的代谢:可以表现抗生育、抗炎、抗肿瘤、抗血管舒张、抗病毒、抗寄生虫活性,以及多方面毒性。

一般来说,添加到日粮中的棉籽饼粕游离棉酚含量在200mg/kg时无毒,在200~500mg/kg时有轻微的毒性,高于1500mg/kg时,具有强毒性。棉酚在体内代谢比较慢,所以食用棉酚后的毒性是累积性的。

国家饲料卫生标准规定了FG在各种饲料中的安全使用限量:棉籽饼粕≤1200mg/kg,肉用仔鸡、生长鸡配合饲料≤100mg/kg,产蛋鸡配合饲料≤20mg/kg,生长育肥猪配、混合饲料≤60mg/kg;联合国粮农组织规定,动物日粮中FG<125mg/kg;世界卫生组织建议标准规定FG<400mg/kg(表1)。

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2、环丙烯类脂肪酸

环丙烯类脂肪酸(cyclopropenoid fatty acid,CPFA)主要包括苹婆酸(sterculic acid)和锦葵酸(malva acid),能使家禽形成“桃红蛋”“海绵蛋”,影响蛋品质。其原因是CPFA可改变卵黄膜的通透性,使蛋黄pH不断升高,蛋白pH下降,使蛋黄中的铁离子透过卵黄膜转移到蛋清中,与清蛋白结合形成红色复合物,故称为“桃红蛋”。CPFA还可使蛋黄变硬,加热后形成“海绵蛋”。CPFA主要存在于棉籽油中,当棉籽粕含残油4%~7%时,CPFA为250~500mg/kg,而含残油1%的棉籽粕中,CPFA含量仅在70mg/kg以下。因此,当棉籽粕脱油较彻底时则无害。

3、植酸与单宁

我国棉籽粕的植酸含量平均为1.66%,单宁含量为0.3%。植酸又称肌醇六磷酸,是20世纪70年代以来逐渐引起人们注意的一种抗营养因子,它主要存在于植物的种子中,如大豆、棉籽、油菜籽及其饼粕中。植酸易与动物体内的微量元素Zn2+、Fe2+、Ca2+等金属离子络合,形成溶解度很低的络合物,使这些金属离子不易为动物机体所吸收。动物食用后,会出现疲劳、厌食、生长机能衰退等缺锌症状。另外,植酸盐还能与蛋白质、淀粉、脂肪结合,并使内源淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶的活性降低,因此植酸也是棉粕中重要的抗营养因素,单宁则主要降低蛋白质的消化率和利用率。

二、棉籽蛋白研究进展

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 和WTO 推荐的标准。从棉粕中提取蛋白,对开发棉籽蛋白产品,合理利用棉籽蛋白资源,扩大棉籽蛋白的应用范围具有十分深远的意义。

(一)棉籽蛋白的营养价值

组成棉籽蛋白的成分大致分为两种,一种是球蛋白,另一种是谷蛋白,其中前者占有的比例高达到90%。用超速离心机将棉籽蛋白分离可获取2S、7S、12S三种球蛋白,其中2S球蛋白所含Met 和Lys 丰富,Lys是人体第一限制性氨基酸,具有促进大脑发育,促进脂肪代谢,并提高中枢神经组织功能的作用。其余两种球蛋白中Met和Lys 含量都较低。

棉籽蛋白的氨基酸组成合理,并且有相当丰富的必需氨基酸,其中,His这类有助于婴幼儿发育的氨基酸含量也极其丰富。除此之外,棉籽粕中还含有Mg、P、Fe等多种矿质元素,含量与大豆粕相当,远远高于谷物含量。经过实验发现,棉籽粕中的维E、维B 和叶酸含量高于大豆,是维生素的较好来源。

棉籽蛋白与其余几种植物蛋白必须氨基酸组成的比对见表2。


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(二)棉籽蛋白的应用现状

棉籽蛋白属于优质蛋白,相比与大豆蛋白不存在“胀气”因子。在我国蛋白饲料资源相对紧缺的条件下,将棉籽蛋白部分或全部代替大豆粕用于饲料行业,对于解决蛋白饲料供不应求,加快我国饲料行业的发展具有重要的意义。棉籽蛋白的应用价值在水产饲料方面得到了充分的体现,国外一些学者经研究得出结论,一半的鱼粉蛋白能够被棉籽蛋白所替代作为虹鳟鱼饲料,且使用能量达到30.5%。

在微生物发酵方面,棉籽蛋白也发挥了其自身的作用。高振等人将培养大肠杆菌所用的蛋白胨和玉米浆替换成棉籽蛋白,研究发现发酵周期缩短了并且 L-Phe得率提高了,说明棉籽蛋白可以作为优质的有机氮源,大范围在发酵领域中发挥作用。

三、棉籽功能性肽的研究进展

植物蛋白具有较大的相对分子质量和紧密的结构,由消化道进入人体后并不能完全地被消化吸收,而蛋白质经水解后其分子空间构象被改变,形成了多肽或小分子氨基酸,吸收率大为提高,而且某些具有活性的多肽片段还同时具有抗氧化、调节人体免疫、降低胆固醇等生理功效。多肽独有的理化特性和生物学活性是蛋白质所不具备的,因此将蛋白水解成功能性肽是当前人们研究的热点。

(一)棉籽多肽制备方法的研究

生物功能活性肽的获取途径一般可以采用以下三种:

(1)直接从组织中提取;

(2)通过化学方法或DNA 重组技术来合成;

(3)采用酶法对蛋白质进行体外水解产生多肽。以酶解的方法制备多肽,反应条件没有刺激性,所产生有害产物较少,不破坏氨基酸的营养价值同时也能减少对环境的污染,已经逐步成为最有效且最热门的水解方式。

(二)棉籽多肽的功能特性及应用

蛋白质在水解过程中的分子量会发生很大的变化,可解离出更多的NH4+、COO-基团,露出分子内部的疏水性残基,某些功能特性如溶解能力、乳化性能、起泡性能和风味等都发生了相应的变化。除此之外,一些小分子的肽还具备不同的生物活性,因此被广泛应用于不同行业中。

研究者们发现,蛋白的粘度会伴随浓度的提高不断增大,但是分子量较小的多肽即使在浓度高达50%时依旧维持较高的流动能力,这是由于小分子肽类的膨胀性不高,造成粘度降低。棉籽被水解形成多肽后,亲水性基团大量暴露导致多肽的吸水性增强,且吸水性能不会随着温度或pH 值的变化而发生较大的变化,将棉籽多肽这种较好的保水性和吸湿性能应用到点心类食品中,可以阻止食品的老化并维持其酥松的口感。

随着多肽的加工性能和生理功能受到越来越大的关注,有必要对功能性棉籽多肽的开发和利用进行更深层次的探究和拓展。

四、结语

我国有着丰富且廉价的棉籽粕资源,年产量达到500~600万吨,由于棉籽粕含有棉酚、环丙烯类脂肪酸、植酸与单宁等抗营养物质,蛋白消化利用率低(为豆粕的65%左右)等原因,限制了其在饲料中的大规模利用,造成了资源的极大浪费。许多研究表明,蛋白质经过降解成低分子量多肽后,能有效促进动物机体蛋白质合成,使整体蛋白质沉积高于相应氨基酸日粮或完整蛋白质日粮,从而提高蛋白饲料的利用率。同时,蛋白质在降解过程中,还可产生具有抗氧化等多种生理功能的活性肽。目前,国内外学者在棉籽粕脱毒方面做了大量研究工作,已开发出以固态发酵为主的棉籽粕脱毒工艺。

因此,以棉籽粕为原料制备生物活性棉籽肽,对于提高棉籽粕的综合经济效益,缓解蛋白资源短缺瓶颈显得十分必要。棉籽肽的研发拓宽了棉籽粕在饲料中应用范围,有助于缓解饲料原料匮乏问题,促进畜牧业健康发展。


实战操作技术——棉菜籽饼脱毒变身优质饲料替代豆粕操作新技术

当前豆粕价格很高有些地方货源紧缺,而棉菜籽饼(棉籽粕、菜籽粕)价格相对便宜,棉菜籽饼是棉子、油菜籽榨油后剩下的饼状残渣,蛋白质含量较高,含有各种氨基酸成分。但由于棉菜籽饼中含有植酸、芥子碱等物质,这些物质含有一定的毒性,还会影响动物的消化吸收,不能大量使用,因此不建议直接饲喂给动物!

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现在通过微生物饲料发酵剂的除毒脱毒技术,可以成功将菜籽饼变为优质添加饲料,直接按照1公斤发酵的棉菜籽饼(发酵前的重量)代替约0.85公斤豆粕进行使用。饲料发酵剂中的有益微生物,在发酵过程中分泌的代谢产物,可将棉菜籽饼中的毒性物质等有效分解。

豆粕、菜粕、棉粕成分对比

1.豆粕是一种高蛋白原料,无需脱毒即可用作饲料。其中蛋白质含量为40%-48%,赖氨酸含量为2.5%-3.0%,色氨酸含量为0.6%-0.7%,蛋氨酸含量为0.5%-0.7%。2020年11月12日报价每吨在3500元左右。

2.菜粕的粗蛋白含量在34%-38%之间,特点是蛋氨酸含量高(仅次于芝麻饼、粕),赖氨酸含量亦高。而精氨酸含量低,是饼、粕饲料中含量最低的。菜籽粕的有效能值偏低(淀粉含量低、菜籽壳难以消化利用)。矿物质中,钙和磷的含量均高,硒和锰的含量亦高。特别是硒的含量是常用植物饲料中最高的。2020年11月12日报价每吨在2900元左右。

3.棉粕蛋白质含量一般为44.32%,仅次于豆粕的蛋白质含量48%,而高于菜籽粕的蛋白质含量36.04%。精氨酸含量高达3.6%-3.8%,而赖氨酸含量仅有1.3%-l.5%,只有豆粕的一半。2020年11月12日报价每吨在3000元左右。


是否需要脱毒处理

1.豆粕无需经过脱毒即可用作饲料。而且豆粕中富含蛋白质和多种氨基酸,在不需要额外加入动物性蛋白的情况下,仅豆粕中含有的蛋白质和氨基酸足以平衡家禽和猪的食谱,促进它们的营养吸收。只有当其他粕类单位蛋白成本远低于豆粕时,豆粕才有可能被替代。

2.菜粕菜籽中含有硫葡萄糖苷、芥酸、单宁、皂角苷等不良成分,其中主要是硫葡萄糖苷。硫葡萄糖苷本身无毒,但在一定温度和水分条件下,经过菜籽本身含有的芥子酶的酶解作用而产生异硫氰酸酯、唑烷硫酮和腈类等有害物质。这些物质可引起甲状腺肿大,从而造成动物生长速度下降,繁殖力减退。单宁则妨碍蛋白质的消化,降低适口性。而芥酸阻挠脂肪代谢,造成心脏脂肪蓄积及生长受到抑制。。使用前需进行一定的脱毒处理,并且使用时要加以限制,具体喂量应根据菜粕中有害成分含量而定。经过脱毒处理的菜籽粕喂量可以加大,而“双低”油菜籽生产的菜粕喂量要受限制。同时,应结合菜粕的氨基酸组成特点,适当搭配其它饼粕。

3.棉籽中含有对动物有害的棉酚及环丙烯脂肪酸,尤其是棉酚的危害很大。在制油过程中,由于蒸炒,压榨等热作用,大部分棉酚与蛋白质、氨基酸结合而变成结合棉酚,结合棉酚在动物消化道内不被动物吸收,故毒性很小。另一部分棉酚则以游离形式存在于饼、粕及油品中,这部分游离棉酚对动物毒性较大,尤其单胃动物过量摄取或摄取时间较长,可导致生长迟缓、繁殖性能及生产性能下降,甚至导致死亡。幼小动物对棉酚的耐受能力更低。由于棉籽饼、粕中游离棉酚对动物有害,因此,在使用棉饼、粕时,要根据饲喂对象及饼粕中游离棉酚的含量加以限量。反刍家畜在有优质粗料及多汁青料的情况下,棉籽饼、粕的用量不受限制,不会造成中毒。对单胃动物要限制喂量,最好使用经过脱毒处理的棉籽饼粕。同时,使用棉籽饼、粕配制饲粮要注意氨基酸平衡,尤其是棉籽饼、粕的赖氨酸含量低,且利用率差,应注意添加赖氨酸。

发酵操作技术

发酵棉菜籽饼其实也是一个脱毒技术,具体操作如下:

1.仔细检查棉菜籽饼,剔除棉菜籽饼中严重变质发霉的部分,轻度发霉的原料可以忽略,因为微生物发酵能够脱霉。

2.将棉菜籽饼粉碎并添加适量的玉米粉淀粉类的能量饲料等,调节饲料营养比例。

3.每吨棉菜籽饼加入2公斤食盐、玉米粉(其它淀粉、面粉次粉等也可以,或者粉碎的生红薯300公斤也可以)100公斤、“99多功能饲料发酵剂”1包(500g/包,市场售价约25元,以高浓度乳酸菌、酵母菌、复合酶制剂的专业发酵剂)。

4.在混合物料中添加适量水分,使混合物料含水量保持在55%左右,以“手抓一把并紧握,无水滴落,松手后轻触即散”为宜,一般上述配方中需要加入清水约500-600公斤。

5.发酵方式根据实际环境条件各异,在桶、缸、塑料袋等容器中发酵均可。

6.发酵时要尽可能排尽空气进行密封发酵。如果使用的发酵容器有密封不严实的隐患,要在一开始就在其外层包裹一层塑料袋并扎紧。发酵过程中不能启封。

7.发酵时间受环境温度影响,通常夏季发酵2-3天,冬季发酵5-7天即可完成。发酵完成后,有较为强烈的酸香味,ph值在3-4。

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规模运用混合发酵现场

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塑料缸、饲料袋(有内膜)均可做发酵饲料

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采用池子发酵

发酵完成的棉菜粕饲喂动物技术

需要注意的是,发酵后的饲料酸度较低,不可以取代禽畜全部日粮。其他类发酵饲料同理。饲喂时根据不同情况,将发酵饲料按照一定比例添加到日粮中,发酵完成的棉菜粕为湿料,具体使用量每大概1.5-2公斤发酵棉菜粕(湿料)代替动物日粮配方中1公斤豆粕的使用量进行代替使用,与其它饲料混合后直接饲喂,由于棉菜籽粕蛋白较高,最高使用量不要超过禽畜日粮饲喂量的40%(湿料重量)。如果发现发酵饲料过酸适口性变差,可在饲喂前在阳光下晒1-2小时,或添加适量的碳酸氢钠(小苏打)即可改善。

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发酵过程中与发酵后使用过程中,发酵的容器要一直保持密封状态,可以长时间保存(一年左右)。

当前养殖业成本高居不下,而饲料成本是其中最高的,利用廉价原料发酵饲料(包括一些轻度发霉的粕类低价收回)是极佳解决办法。通过微生物饲料发酵剂的发酵作用,可以将轻度霉变饲料变成优质饲料,将不易消化的物质分解为可被畜禽吸收的小分子糖类、氨基酸等。同时发酵饲料中富含有益微生物、酶制剂、酸化剂等,可调节畜禽肠胃微生态环境并进一步提高饲料利用率。发酵饲料气味清香,提高了饲料的适口性,加上发酵饲料中有大约4℃的酒度,能够促进动物新陈代谢促进健康抵御疾病,是当前养殖业发展中重要的一环。

本技术也可以同样发酵菜籽粕(饼)、棕榈粕等,方法同上。

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