棉酚的特性與棉籽粕脫毒方法的研究進展

（1.新疆希普生物科技股份有限公司，新疆 昌吉，832208；2.新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆 烏魯木齊市，830052；3．安徽大學生命科學學院，安徽 合肥，230601）
　　我國是產棉大國，年產棉籽粕600萬t，其中新疆地區是棉籽粕主產地，占總產量60%以上，資源豐富且蛋白質含量較高，是畜禽的主要蛋白質飼料資源之一，由于新疆維吾爾自治區的面積遼闊，運輸成本高，造成需要從沿海地區調運的蛋白飼料----豆粕的價格居高不下，而當地資源棉籽粕價格低廉，但棉籽粕中含有游離棉酚( FG)對動物有很強毒性，很大程度上限制了其在畜禽飼糧中的應用，顯然，開發優質低毒性棉籽粕，提高棉籽粕在飼料中用量，可降低飼料原料成本。畜禽長期采食 FG易引起中毒甚至死亡，即使是對FG抗性較高的奶牛，長期大量采食棉籽粕也會影響產奶量。根據不同年度報道的數據發現棉籽粕餅中棉酚含量在呈現一個顯著的增長。上世紀80年代國內棉花主產區棉籽浸出粕抽樣檢測結果游離棉酚518 mg/kg，20世紀90年代在新疆建設兵團主產棉區所測樣品中游離棉酚平均含量為608 mg/kg；2001年棉粕中游離棉酚含量為760 mg/kg；2009年，王安平收集的中國 5個不同主產區棉粕樣品游離棉酚平均含量為1021 mg/kg。主要原因是隨著油脂提取工藝的改進，降低了棉油中FG含量，將更多棉酚保留棉粕副產物中，因而棉粕中棉酚含量呈上升趨勢。因此進一步研究我國棉籽蛋白的營養價值及棉酚特性，開發具有經濟效益的棉酚降解技術，對于促進棉籽粕及棉籽蛋白的合理利用具有重要意義。
1 棉酚的毒副作用
1.1 棉酚的化學組成與基本性質

　　游離棉酚又稱棉毒素，存在于葉、莖、根及種子的色素腺體，分子式為C30H30 O8 ，分子量518 .6；2個萘環通過各自的內部萘單元上的2--和2’--碳原子聯合而成。經證實，萘單元8--和 8’--上的醛基是棉酚產生毒性的主要原因，棉酚存在酚醛型、半縮醛型和環狀羧基型三種異構體，其結構見圖1。棉酚的結構式中含有醛基和羧基，化學性質很活潑，羧基具有很強的酸性，故棉酚能與碳酸鈉、氫氧化鈉反應，生成溶于水的棉酚鹽；棉酚含醛基具有還原性，能發生銀鏡反應和費林反應，易與蛋白質、氨基酸、磷脂等物質作用。常溫下，純棉酚呈黃色結晶，是血管、細胞、神經性毒素，易溶于乙醇、乙醚、丙酮、三氯甲烷等有機溶劑，亦溶于油脂，但不溶于水、己烷及低沸點的石油醚。

1.2 棉酚的毒副作用
1.2.1 對人的毒副作用

　　由于棉酚是脂溶性物質，棉籽榨油后棉酚主要進入棉子油中，初榨棉子油中棉酚的含量通常在1%以上。按GB 2716--2005《 食用植物油衛生標準》的規定，食用植物油中的棉酚含量≤0.02％。初榨棉籽油中的棉酚含量遠遠高于食用安全標準，食用粗制棉籽油的人群可發生慢性中毒，易患低血鉀軟病和燒熱病，前者以皮膚灼熱但無汗為特征，可伴有頭暈、乏力、煩躁、惡心、瘙癢等，后者以肢體無力、麻木、口渴、心悸、肢體軟癱為主。
　　通過大量動物試驗和臨床觀察后證實，棉酚有良好的抗生精功能，棉酚的抗生精的主要機制是對睪丸生精上皮產生作用，抑制多種脫氫酶的活性，從而導致精子畸形、死亡，這是迄今為止世界上唯一的高效抗生精藥物，但當服用劑量過大、服用時間過久時，停藥后不能恢復生育力，從而導致絕育，據估計棉酚導致的絕育發生率為20%～30%；其次，約10%服藥者發生低血鉀反應，即棉酚中毒；其三，研究還表明棉酚能抑制肝臟藥物代謝酶活性，從而抑制肝臟解毒功能。因此，1986年國家決定不再支持棉酚作為避孕藥的研究。2001年，中國科學院劉以訓院士呼吁重新進行棉酚的研究，這使得棉酚作為男性避孕藥的研究又出現了轉機，目前仍在研究階段。

1.2.2 對動物的毒副作用

　　近年來，我國的棉籽粕主要用于動物飼料，棉籽粕中的棉酚含量根據制油方式的不同而有較大差異。棉籽粕在飼料的限量使用主要以游離棉酚的含量為參考指標，GB/T 21264 -2007 《飼料用棉籽粕》中規定，棉籽粕產品按游離棉酚的含量范圍分為：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《飼料衛生標準》對相關產品中游離棉酚的允許量規定為：棉籽餅粕≤1200 mg/kg，肉用仔雞、生長雞配合飼料≤100 mg/kg，產蛋雞配合飼料≤20 mg/k g，生長肥育豬配合飼料≤60 mg/k g。

1.2.2．1 對家禽的毒副作用

　　游離棉酚主要由活性醛基和活性羥基產生毒性而引起多種危害，棉酚被動物攝入后，盡管部分在消化道中形成結合棉酚直接經腸道糞便排出，但其排泄比較緩慢，極易在機體內和雞蛋中蓄積，大量棉酚進入雞的消化道后可刺激腸黏膜引起腸炎，進入血液后能損害心、肝、腎等器官，心臟損害而致的心力衰竭又會引起肺水腫和全身缺氧性變化；棉酚的脂溶性使其易積累在神經細胞中，使神經系統機能發生紊亂。
棉酚對家禽的毒副作用表現為食欲減退、體重減輕、腿病、肺水腫、肝臟和心肌變性壞死等現象，產蛋性能和種蛋孵化率降低，蛋黃變色，血清中血紅蛋白、總蛋白數量及白蛋白/球蛋白降低。2012年《 新京報》刊登“雞飼料中棉酚過量易致橡皮蛋”的文章引起行業很大風波，可能是飼料中棉酚含量嚴重超標，導致棉酚在體內的積累多，棉酚與蛋白質發生交聯反應，改變蛋白質的結構，使雞蛋蛋白富有彈性。此外，棉酚還會抑制胃腸中的蛋白酶活性，從而影響家禽的生長。有研究表明，棉籽粕在蛋雞料中使用，飼料中FG含量分別為75mg/kg、40 mg/kg和32 mg/kg，前兩組顯著降低雞蛋的濃蛋白高度，降低了雞蛋的品質，32 mg/kg組雞蛋的濃蛋白高度未出現顯著性差異；方琴音等研究38周齡新羅曼商品代蛋雞飼喂添加棉籽粕的日糧（FG 30mg/kg），試驗7天后出現蛋黃變色現象；王開麗和張石蕊等研究低棉酚棉籽蛋白代替豆粕在肉雞在飼養試驗，用低棉酚棉籽粕（FG 325 mg/kg）等蛋白替代豆粕分別為0%、30%、60%、100%，試驗周期49天，試驗全期雞只表現健康和正常，結果是日增重分別為29.57、27.03、27.85和28.31 g/d，料重比分別為2.4、2.45、2.55、2.5。

1.2.2．2 對單胃動物的毒副作用

　　游離棉酚對腸胃黏膜有刺激作用，引起腸胃黏膜發炎和出血，并能增加動物血管壁的通透性，使血紅細胞和血漿滲透到外周組織，致受害組織發生血漿性浸潤；損害細胞血管和神經系統造成心力衰竭和組織水腫。中毒癥狀表現為呼吸困難、生長減慢、食欲減退、鼻腔有黏漿流出等，糞便干黑或帶血，不斷喝水，但尿量少，出現血尿。另外，FG可與體內蛋白質、鐵等結合使酶失活引起缺鐵性貧血；F G還會損害生殖系統、抑制精子生成、影響精子存活率、擾亂雌性動物發情周期、引起子宮萎縮、影響妊娠。錢偉等研究了醋酸棉酚對大鼠和家兔胃分泌和運動機能的影響，結果表明，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釋放的作用，引起腹脹、食欲下降等現象，從而抑制體重增加。

1.2.2．3 對水產品的毒副作用

　　研究認為，魚蝦等水生變溫動物似乎對游離棉酚的抵抗能力遠比畜禽動物強，棉酚對魚類的影響主要表現在采食量下降、生長受抑制、肝臟脂肪沉積增加等。不同魚類對于游離棉酚的敏感程度不一樣，有報道表明。有研究表明飼料中的游離棉酚在290 mg/kg以上時，虹鱒表現出生長抑制：當游離棉酚在531 mg/kg以上時，虹鱒的血細胞比容、血紅蛋白和血漿蛋白均顯著下降。以醋酸棉酚形式添加游離棉酚，當棉酚含量在400 mg/kg以上時，鯉魚的生長明顯受到抑制，且肝臟中棉酚蓄積量與飼料中棉酚含量呈正相關；鯉魚腹腔注射醋酸棉酚 0、7.3、54、100、200、400 mg/kg體重，96 h后，死亡率分別是0、0、20%、70%、90 %、100 %；96h的半致死劑量是63.6mg/kg體重。蔣明、仲維瑋等研究低棉酚棉粕替代1/3和2/3豆粕時對尼羅羅非魚幼魚（初始體重7.27g/條）生長、體內組織游離棉酚含量的影響，結果是各組尼羅羅非魚幼魚的體質量增長率、特定生長率、成活率及魚體粗蛋白和粗脂肪含量均無顯著差異(P>0.05)，但未經脫毒處理棉粕替代2/3豆粕組的飼料系數顯著高于其他組(P<0.05)。低棉酚棉粕替代2/3豆粕組肌肉游離棉酚含量較未處理棉粕替代2/3組降低了70.27% (P<0.05)。胡毅等研究以初始平均體重為7.01±0.05g的青魚為研究對象，以含40%豆粕的飼料作為對照飼料，含41%棉籽粕的飼料作為高棉籽粕飼料，試驗期為8周，結果表明：與豆粕對照組相比，高棉籽粕組青魚的特定生長率、血液紅細胞數量以及血清補體含量和總超氧化物歧化酶、溶菌酶活力均顯著降低(P<0.05)。Cheng等（2002）對虹鱒幼魚的研究發現，當高溫壓榨棉籽粕在飼料中添加量超過15%時，魚體增重率和飼料轉化效率就顯著降低。羅琳等（2005）用含0%、15.2%、30.5%和46%低酚棉籽蛋白的飼料喂養日本鱸魚，結果顯示，對鱸魚的生長、飼料消化率及魚體成分組成無顯著不良影響。

2 棉籽粕的脫酚方法

　　為降解棉籽粕中FG含量，提高其在畜禽日糧中的用量，常用的脫酚方法有物理法、化學法、微生物發酵處理等。

2.1 物理處理

　　物理處理包括浸泡、干熱、蒸煮和離心分離等。浸泡法指將棉籽粕浸泡于不同比例的水中1：5～10、浸泡時間 30～60 mi n，可降低FG含量，但會造成棉籽粕中大量水溶蛋白質流失；棉籽粕于130℃干熱處理30和60 min，F G含量從880 mg/k g分別降低到740和680mg/k g。棉酚存在于色素腺體內，色素腺體的外殼相當堅硬，分布在整個棉仁內，腺體的直徑在50～400 μm范圍內變化，其中大部分直徑為80～120 μm，如果能在加工中保持腺體的完整，不使棉酚逸出，再將其分散在溶劑介質中，利用色素腺體的形狀、大小及密度與其他物料間的差異進行離心分離。美國首先將離心分離技術應用于棉籽蛋白粉的生產，這樣得到的棉籽粉蛋白質可高達65％，游離棉酚含量少于 0.045％，但該方法對設備的要求很高，國內尚未商業生產化。物理法的能耗較大，營養物質變性損失大，規模生產的可行性較低。

2.2 化學處理

　　棉酚是一種酸性成分，能夠與堿反應生成復合鹽，可選用堿性物質如純堿、氫氧化鈣、草木灰水溶液浸泡脫毒，Nagalakshmi等用1％氫氧化鈣浸泡棉籽粕24h，棉籽粕經清洗脫堿后，棉籽蛋白更易消化，營養價值提高；戴衛東等報道棉酚含量為 0.15%的棉籽粕原料，通過熱堿法去毒后其棉酚含量為0.032%。但堿處理后的棉籽粕風味較差，需用水清洗，干燥較困難，因此不適宜工業化生產。
　　棉酚是一類極活潑的酚類物質，在通常情況下就很容易氧化變質，使用氧化性較強的氧化劑可用來降解棉酚，常用的氧化劑是H2O2。但氧化劑與蛋白質反應劇烈，降低蛋白質溶解度，口感苦味重，并降低棉粕中維生素的活性，從而降低棉籽粕的營養價值。

2.3 溶劑萃取法：

　　它是根據溶劑萃取法“ 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。棉仁經低溫軟化、壓坯、成型、烘干后，進入浸出提油系統，經溶劑提取油脂后，濕粕進入脫酚浸出器，再經溶劑兩次萃取使棉酚含量達到工藝要求，脫去溶劑后，進行低溫烘干，得到棉酚含量小于0.04%的棉籽粕，蛋白質含量大于50%。一般是利用工業己烷（輕汽油或異己烷等）萃取棉子仁中的棉籽油，醇類（乙醇、甲醇、異丙醇、正丁醇、丙酮等）萃取棉酚。此法在油脂提取和脫酚全過程中，對物料的處理始終是低溫操作，最大程度地避免了蛋白質的熱變性，保證了蛋白營養效價。戴衛東等利用丙酮、己烷與水混合溶劑提取棉酚，所得棉籽粕中殘留的游離棉酚<0.06%、總棉酚<0.8%。
　　采用該技術脫酚比較徹底，所得成品的蛋白質含量高，蛋白質和氨基酸破壞程度很低，但溶劑回收工藝比較復雜，兩種溶劑分離困難，溶劑互溶和共沸現象嚴重，溶劑消耗大，成本較高。

2.4 微生物處理

　　目前，生物發酵法被認為是安全、脫毒效果好、生產成本低、最有發展前途的脫毒方法。不但能除去棉酚毒性，而且原料的營養價值也大為提高，研究表明，發酵棉籽粕中含有大量糖類、脂類、蛋白質等代謝途徑產生的小分子代謝產物以及維生素、消化酶等。微生物發酵脫毒中最關鍵的是菌種選育，菌種的發酵代謝性能與棉籽粕脫毒效果和營養價值密切關聯。發酵棉籽粕的生產可分為液體發酵法和固體發酵法，液體發酵法生產中微生物代謝旺盛，微生物與棉酚充分接觸，脫毒效果好，植酸磷被轉化為可利用磷，大分子蛋白質被分解成小分子肽類物質，提高其生物活性，但由于液體發酵法工藝設備投資大、烘干成本高，在飼料生產加工中難以產業化；固體發酵棉籽粕的工藝關鍵參數如溫度、水分、氧氣濃度、pH值等，通過儀器監控發酵全過程，所得產品的脫毒穩定性好，由于其生產成本低，所以目前生產發酵棉籽粕主要采用固體發酵法。

　　何濤篩選白地霉、扣囊、熱帶假絲酵母、產朊假絲酵母、黑曲霉和米曲霉單一菌種發酵棉籽粕，結果表明，產朊假絲酵母對棉酚的降解率在70%左右；楊繼良等篩選出對棉籽餅中棉酚具有較強脫毒能力的酵母菌， 在固態生料發酵30℃條件下培養2天，游離棉酚的含量均下降至 0.03%以下， 脫毒率平均為84%，蛋白質含量增加4.64%；顧賽紅利用黑曲霉對棉籽粕進行固體發酵，游離棉酚由498mg/kg降為67mg/kg，脫毒率高達86.5%，蛋白質含量提高了10.92%；金紅春等（2011）采用5株芽孢桿菌和酵母菌共同發酵棉籽粕，發酵溫度40℃，物料含水量50%，接種量6%，發酵后粗蛋白質含量提高6.99個百分點，淀粉酶活力提高766U/g；院江等利用由乳酸菌與酵母菌等主要有益菌組成的復合菌發酵棉籽殼，棉子殼發酵后游離棉酚含量降低，脫毒率達到75.4%，主要營養成分粗蛋白提高 2.29% ，中性洗滌纖維降低18.2%，酸性洗滌纖維降低16.04%，微生物細胞數量達到9.8×109個/g；吳小月等選用多種微生物（包括真菌、細菌、酵母菌）分別進行了單一菌種棉仁餅粕發酵實驗（餅粕含水量為50%，在30℃發酵 4---6天），游離棉酚從 608mg/kg下降至270---189mg/kg。朱德偉等（2010）通過響應面分析法和典型性分析得出，熱帶假絲酵母JD-9， 接種量4.4%，卡氏酵母JD-13，接種量0.56%，發酵時間48h，發酵溫度30℃，料水比為1：0.8，棉籽粕中的棉酚從987.5mg/kg降解至85.9mg/kg。秦金勝等（2010）等研究發酵棉粕和普通棉粕替代豆粕對豬生長性能的影響，選用杜×長×大三元雜交閹公豬進行生長期（65 ～130d ）和育肥期( 131 ～162 d )兩個階段，結果表明：5%普通棉粕替代豆粕降低生長期豬只的日增重，10%普通棉粕替代豆粕降低育肥期豬只的日增重，15%發酵棉粕替代豆粕對生長期和育肥期豬只的生產性能無顯著性差異。

2.5 生物技術途徑

　　通常情況下，無腺體棉籽粕 FG含量小于100mg/kg，比傳統棉籽粕的真賴氨酸消化率和代謝能高，經試驗表明含15％無腺體棉籽粕飼糧飼喂蛋雞，所產雞蛋在 7℃條件下儲存56d后，未見蛋黃變色。但因棉酚具有對棉花中昆蟲和疾病的防御作用，無腺體棉花的病蟲害多、產量低，因此基因改良培育無腺體棉籽尚未作為去除 FG的主要方法。

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