近20年来,我国大豆进口量从1 393.9万t增至9 652.2万t,年均增长10.2%,大豆进口依存度逐年提高。棉籽饼粕是我国重要的蛋白质饲料原料,其粗蛋白质含量在40%左右,略低于豆粕,具有部分替代豆粕的潜力。但是,棉籽饼粕含有大量的游离棉酚和环丙烯脂肪酸等抗营养因子,限制了其在畜牧生产中的应用[1]。棉籽蛋白的质量高于棉籽饼粕,与豆粕接近。棉籽蛋白的制备是先将棉籽通过剥壳和仁壳分离装置将棉籽仁、棉籽壳进行分离,利用分级筛、精选设备减少棉籽仁中含壳量和短绒量,经过一系列低温调制处理后的原料送入浸出器提取棉籽油,浸出后的湿棉籽粕利用浸提和脱酚溶剂进行脱糖、脱毒处理,随后经过机械和低温烘干去除溶剂。棉籽蛋白的粗蛋白质含量高于豆粕,但赖氨酸含量远低于豆粕,精氨酸含量高于其他饼粕类原料[2]。棉籽蛋白在加工过程中生成很多小肽,有些小肽具有抑制病原菌活性的作用,同时发挥抗氧化、抗高血压、抗癌和免疫调节的功能[3]。另外,棉籽中棉子糖含量为4%~5%,是一种具有较强增殖双歧杆菌、增强免疫力和抑制体内毒素产生等作用的功能性低聚糖[4]。总之,棉籽蛋白不仅可以提供丰富的饲料蛋白质,其在制备过程中还生成许多可调节宿主健康的功能性物质。
1 棉籽蛋白及其加工工艺
棉籽蛋白是指棉籽或棉籽粕生产的粗蛋白质含量在50%以上的饲料产品,其加工工艺是在生产棉籽饼粕的基础上,采用正己烷等非极性溶剂和甲醇等极性溶剂逐步分别萃取棉子糖和游离棉酚,再经过脱液和烘干后得到棉籽蛋白。棉籽蛋白加工工艺流程见图1。棉籽通过剥壳和仁壳分离装置将棉籽仁、棉籽壳进行分离,再利用分级筛、精选设备减少棉籽仁中含壳量和短绒量,经过一系列低温调制处理后的原料送入浸出器提取棉籽油,浸出后的湿棉籽粕直接进入多级脱酚浸出设备中,利用脱酚溶剂进行脱酚处理,脱酚后的棉籽粕经机械和低温烘干去除溶剂,进而得到棉籽蛋白[12]。与棉籽粕传统加工工艺相比,棉籽蛋白“液-液-固”三相萃取法的优势主要包括:1)全程采用低温浸出工艺处理棉籽粕,最大程度地避免了蛋白质变性和破坏,保证了棉籽蛋白的营养价值;2)采用2种不同的溶剂分布萃取棉籽油和脱除棉酚,在短时间内快速萃取出大量的游离棉酚,极大程度地去除游离棉酚,而且避免变性棉酚、结合棉酚及其他形式的棉酚衍生物的生成;3)利用溶剂和水的相互作用去除棉籽蛋白中的单宁、植酸、黄曲霉毒素以及农药残留等有害物质。
2 棉籽蛋白营养特性
2.1 化学成分
表1 棉籽蛋白和棉籽粕化学组成(干物质基础)Table 1 Chemical composition of cottonseed protein and cottonseed meal (DM basis) |
| 项目 Items | 棉籽蛋白 Cottonseed protein | 棉籽粕 Cottonseed meal |
|---|---|---|
| 猪消化能 DE for pigs/(kcal/kg) | 3 814 | 2 772 |
| 猪代谢能 ME for pigs/(kcal/kg) | 3 566 | 2 586 |
| 粗蛋白质 CP/% | 65.89 | 44.47 |
| 粗脂肪 EE/% | 0.46 | 0.53 |
| 粗灰分 Ash/% | 8.15 | 6.10 |
| 中性洗涤纤维 NDF/% | 15.19 | 26.87 |
| 酸性洗涤纤维 ADF/% | 4.67 | 17.69 |
| 游离棉酚 Free gossypol/(mg/kg) | 397 | 602 |
| 必需氨基酸 Essential amino acids/% | ||
| 精氨酸 Arg | 8.32 | 4.53 |
| 组氨酸 His | 1.86 | 0.93 |
| 异亮氨酸 Ile | 2.05 | 1.01 |
| 亮氨酸 Leu | 3.66 | 1.95 |
| 赖氨酸 Lys | 2.96 | 1.24 |
| 蛋氨酸 Met | 0.86 | 0.55 |
| 苯丙氨酸 Phe | 3.61 | 2.01 |
| 苏氨酸 Thr | 2.03 | 1.07 |
| 色氨酸 Trp | 0.79 | 0.41 |
| 缬氨酸 Val | 2.97 | 1.51 |
| 非必需氨基酸 Nonessential amino acids/% | ||
| 丙氨酸 Ala | 2.48 | 1.23 |
| 天门冬氨酸 Asp | 6.03 | 3.09 |
| 半胱氨酸 Cys | 0.93 | 0.54 |
| 谷氨酸 Glu | 13.09 | 7.61 |
| 甘氨酸 Gly | 2.69 | 1.33 |
| 脯氨酸 Pro | 2.43 | 1.59 |
| 丝氨酸 Ser | 2.67 | 1.39 |
| 酪氨酸 Tyr | 1.66 | 0.93 |
1kcal/kg≈4.184 kJ/kg。 |
棉籽中棉子糖含量为4%~5%,由半乳糖、果糖和葡萄糖结合而成,是一种具有较强增殖双歧杆菌、增强免疫力和抑制体内毒素的产生等作用的功能性低聚糖[4]。
2.2 消化速率
Ct=Co+C∞×(1-e-kt)。
式中:Ct为体外消化不同时间点氨基酸释放量(mmol/g);Co为0 min氨基酸释放量(mmol/g);C∞为氨基酸最大释放量(mmol/g);k为消化速率(mmol/min);t为孵育时间(min)。
研究结果表明,棉籽蛋白的氨基酸体外释放速率低于豆粕,但远远高于棉籽粕,表明棉籽蛋白生产工艺提高了棉籽蛋白的消化速率,这是由于棉籽蛋白生产过程中可以有效去除棉籽中单宁、粗纤维等抗营养成分[11]。
2.3 氨基酸组合效应
机体正常的氨基酸周转代谢对氨基酸的需求种类、数量和比例都是有要求的,特别是必需氨基酸和非必需氨基酸的数量和种类符合木桶理论,缺任何一种的情况下,即使其他氨基酸数量再多比例再合理,也不能满足机体生长或者日常代谢周转的需要。最理想的情况就是摄入的氨基酸的数量和比例刚好满足机体需要。机体对蛋白质的真正需要就是对氨基酸种类数量和比例的需求。周维仁等[8]使用脱酚棉籽蛋白分别替代生长猪饲粮中50%和100%的豆粕,结果表明,与完全添加豆粕或者棉籽蛋白饲粮组相比,添加50%豆粕+50%棉籽蛋白饲粮组的生长猪平均日增重分别提高了3%和3.5%。李敏[6]用棉籽蛋白分别替代断奶仔猪饲粮中60%的豆粕,结果表明,40%豆粕+60%棉籽蛋白组比豆粕组断奶仔猪在保育阶段结束后的平均体增重增加了1.8 kg,平均日采食量提高了7.5%;在育肥阶段,使用棉籽蛋白分别替代猪饲粮中50%的豆粕,50%豆粕+50%棉籽蛋白组比豆粕组育肥猪的平均体增重增加了4 kg,平均日采食量和平均日增重分别提高了5.4%和6.7%。上述研究结果表明,豆粕和棉籽蛋白之间存在一定程度的组合效应,这可能是由于棉籽蛋白非必需氨基酸含量较高,与豆粕的氨基酸组成互补,从而提高猪的生长性能。然而,棉籽蛋白与其他蛋白质饲料原料之间的氨基酸组合效应只是处于初步的研究阶段,缺少理论基础,深入探究不同蛋白质饲料原料中氨基酸组合对猪生产性能的影响具有重要意义。
3 棉籽蛋白加工过程中主要的功能性物质
3.1 抗氧化、抑菌活性小肽
3.2 功能性氨基酸
饲粮中氨基酸不仅是动物合成机体蛋白质的主要来源,而且其经血液循环运输至其他组织器官发挥功能性作用[21]。风干状态下,棉籽蛋白的精氨酸含量高达6%~8%,远远高于豆粕(3.0%~3.5%)。精氨酸是一氧化氮、多胺等多种代谢分子的前体物质,研究表明,一氧化氮在加强母体和胎儿血液间营养物质传递和改善血液流动等方面发挥重要作用,有利于胎儿的生长发育[22]。研究发现,从经产母猪妊娠第30天开始饲喂含1% L-精氨酸的饲粮,母猪窝产活仔数和仔猪初生窝重分别提高了22%和24%,而血浆尿素氮含量明显下降,表明精氨酸有利于改善母猪肝脏氨基酸代谢[23]。在整个妊娠阶段添加1%精氨酸盐酸盐,母猪窝产仔数增加了1.15头以及仔猪出生窝重提高了1.39 kg[24]。在初产母猪妊娠和泌乳期饲粮中添加1%精氨酸盐酸盐,结果发现,母猪体重、背膘厚度和采食量均无显著性差异,但是提高了母猪血浆胰岛素含量以及乳仔猪在哺乳阶段的平均日增重和断奶体重[25]。妊娠早期母猪饲粮中添加0.2% L-精氨酸改善了母猪窝活仔重,降低了窝木乃伊猪的百分比,还提高了母猪肠道纤维杆菌门的丰度[26]。在仔猪上研究发现,断奶仔猪饲粮中添加0.6%精氨酸提高了仔猪平均日增重和平均日采食量,并且降低了血清尿素氮含量,这表明精氨酸有利于缓解仔猪早期断奶的应激反应[27]。另外,研究表明,21日龄早期断奶的仔猪饲粮中添加1%精氨酸提高了仔猪血清中免疫球蛋白含量,提高了仔猪免疫功能[28]。综上所述,精氨酸不仅参与合成机体蛋白质,还具有提高母猪繁殖性能以及仔猪免疫和抗应激功能的作用。
3.3 棉子糖
棉子糖是一种三糖,是由半乳糖、果糖和葡萄糖结合而成的功能性寡糖。由于棉子糖能通过胃肠道而不被消化吸收,是一种天然的活性因子,具有改善胃肠消化功能和增强机体免疫力等功能[29]。棉子糖对人体发挥益生功能是通过增殖肠道内双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌群来实现的。由于人的唾液、胃液以及小肠中都不含α-半乳糖苷酶,棉子糖进入肠道内被双歧杆菌等有益菌选择性地发酵利用,使自身生长速度加快,并且抑制有害菌群的生长,形成此消彼长的健康肠道菌群环境[30-31]。Zeng等[32]报道了生长猪饲粮中添加0.5%棉子糖可以显著提高回肠绒毛高度与隐窝深度的比值,改善肠道形态。除此之外,由于棉酚的分子结构中含有多个酚羟基,是一种新型的抗氧化添加剂,其抗氧化作用优于二丁基羟基甲苯以及γ-生育酚[33]。
4 棉籽蛋白在仔猪饲粮中的应用
棉籽蛋白在仔猪饲粮中的应用研究如表2所示。李敏[6]用棉籽蛋白分别替代饲粮中0、20%、40%、60%的豆粕,结果表明,不同棉籽蛋白替代水平组之间平均日增重和平均日采食量差异不显著,60%替代水平组料重比显著高于0和20%替代水平组,并且棉籽蛋白替代水平对血清生化指标没有显著影响。赵建飞等[34]报道,使用4%棉籽蛋白等比例替代大豆浓缩蛋白或者鱼粉后对断奶仔猪生长性能、腹泻率、营养物质表观消化率以及血清生化和免疫指标均无显著影响,仔猪对棉籽蛋白的能量表观消化率为86.64%,消化能为15.61 MJ/kg,棉籽蛋白组的能量和粗脂肪表观消化率显著低于对照组。Li等[2]研究表明,4%棉籽蛋白等比例替代鱼粉后对断奶仔猪平均日增重、平均日采食量和料重比无显著影响,但可以降低仔猪每千克增重的粪氮排放量。本实验室前期研究表明,在断奶仔猪饲粮中使用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浓缩蛋白,对断奶仔猪和乳仔猪的平均日增重、平均日采食量、料重比、腹泻率、营养物质表观消化率和血清生化指标均无负面作用[5,11,35]。
表2 棉籽蛋白在仔猪饲粮中的应用研究Table 2 Application research of cottonseed protein in piglets’ diet |
| 项目 Items | 粗蛋白 质含量 CP content | 替代原料 Substitutive ingredient | 添加比例 Supplemental proportion | 研究结果 Research result | 参考文献 Reference |
|---|---|---|---|---|---|
| 断奶仔猪 Weaned piglets | 50% | 豆粕 | 4.9%、9.8% 和14.7% | 棉籽蛋白替代不同比例的豆粕对断奶仔猪 生长性能和血清生化指标均无显著影响 | [8] |
| 断奶仔猪 Weaned piglets | 65% | 大豆浓缩蛋白 | 5%和10% | 棉籽蛋白等比例替代大豆浓缩蛋白对断奶 仔猪生长性能、腹泻率和营养物质表观 消化率均无显著影响 | [6] |
| 断奶仔猪 Weaned piglets | 60% | 大豆浓缩蛋 白或鱼粉 | 4% | 4%棉籽蛋白等比例替代鱼粉对断奶仔猪 生长性能、营养物质表观消化率以及 血清生化指标均无显著影响 | [5] |
| 断奶仔猪 Weaned piglets | 60% | 鱼粉 | 4% | 4%棉籽蛋白等比例替代鱼粉对断奶仔猪生长 性能无显著影响,但可以降低仔猪每千克增 重的粪氮排放量,并改善肠道上皮屏障功能 | [34] |
| 断奶仔猪 Weaned piglets | 60% | 大豆浓缩蛋白 | 2%、4% 和6% | 不同添加水平的棉籽蛋白替代大豆浓 缩蛋白对断奶仔猪生长性能、营养物质表观 消化率及血清生化指标均无显著影响 | [11] |
| 乳仔猪 Suckling piglets | 60% | 大豆浓缩蛋白 | 3% | 教槽料中添加3%棉籽蛋白等比例替代大豆浓 缩蛋白对乳仔猪生长性能、营养物质表观 消化率和血清生化指标均无显著影响 | [35] |
5 小结
传统的棉籽油萃取技术生产的棉籽饼粕中游离棉酚、单宁和粗纤维等抗营养因子含量较高,且氨基酸平衡性较差,严重限制了棉籽饼粕在畜牧生产中的应用。在棉籽油萃取技术生产工艺的基础上,通过脱糖、脱酚等工艺生产出来的棉籽蛋白,可以极大程度地去除游离棉酚,而且提高了棉籽蛋白的营养价值。研究表明,使用适量的棉籽蛋白替代仔猪饲粮中大豆浓缩蛋白对于仔猪的生长性能没有不良影响,在教槽料和保育料中推荐添加比例分别为3%和6%。总之,棉籽蛋白替代仔猪饲粮中大豆浓缩蛋白或鱼粉有利于降低饲料成本和对大豆进口的依赖。
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