随着我国畜牧业的快速发展,饲料资源短缺已成为制约我国畜牧业健康且可持续发展的主要因素。因此,寻求开发新型饲料原料来代替日渐紧缺的常规饲料原料已成为畜牧行业发展的必由之路。与此同时,我国农业农村部于2021年发布了《饲料中玉米豆粕减量替代工作方案》,强调要持续改进和优化饲料配方结构,倡导发掘利用杂粮、杂粕加工副产物等替代原料,推进饲料中的玉米、豆粕的减量替代。这将进一步有助于拓宽我国饲料资源,推动畜牧业可持续发展,同时对于维持我国粮食供应稳定和粮食安全也具有重要意义。
油茶是我国特有的木本油料树种,主要分布在江西、湖南、广西和广东等南方地区[1]。据统计,2020年我国油茶籽产量为3×106 t左右,加工副产物油茶粕的产量占总量的77%以上[2]。目前,油茶粕常用作清塘剂、燃料、肥料或从中提取茶皂素、黄酮、多酚及多糖等活性成分进一步应用于化工、建材、农业、医药和饲料添加剂等领域,但其综合利用率不高,资源浪费较大。因此,有必要拓宽油茶粕的利用方式,促进其高值化利用,进而提高油茶粕的生态、经济和社会效益。油茶粕含有丰富的蛋白质、脂肪和碳水化合物,且氨基酸组成全面,可作为一种理想的饲料原料[3]。然而,油茶粕含有较高含量的茶皂素和粗纤维,以及少量的单宁,而高含量的茶皂素可破坏动物红细胞,产生溶血作用且导致饲料适口性差,极大限制了油茶粕的饲料化利用[4]。因此,通过采用一些技术手段,降解油茶粕中的茶皂素,提高其附加值,对推进饲料行业的可持续发展具有重要战略意义。将适量脱毒后的油茶粕作为饲料原料,不仅可提高动物生产性能,改善产品品质,而且可减轻环境压力,降低生产成本,实现畜禽养殖“节本增效”。基于此,本文主要针对油茶粕的营养特点和成分组成、茶皂素的脱毒工艺及其优缺点以及油茶粕在动物生产中的应用研究进行归纳总结,以期为油茶粕的进一步开发和利用提供参考。
1 油茶粕的营养特点和成分组成
油茶粕是油茶籽提油后的副产物,具有丰富的营养成分(常规营养成分见表1),粗蛋白质含量占8.90%~14.70%,粗脂肪含量占4.30%~11.24%,粗纤维含量占6.26%~18.98%,粗灰分含量占3.90%~8.25%[3,5⇓⇓⇓-9]。同时,油茶粕中氨基酸种类也比较全面,富含17种氨基酸,包括8种必需氨基酸[10]。此外,油茶粕中还含有一定量的矿物元素,如钙、磷、铁、铜、锌和锰等[11]。除营养丰富外,油茶粕中还含有多种生物活性物质,如酚类、黄酮和多糖等,而这些活性物质具有较强的抗氧化、抗炎和抗菌功能[12⇓-14],对维护动物机体健康和促进动物生长发育具有重要作用。因此,以油茶粕作为饲料原料,具有良好的饲用价值和应用潜力。然而,油茶粕中存在茶皂素(含量11.00%~17.00%)、单宁(含量2.00%)以及咖啡碱(含量0.40%)等抗营养物质,特别是茶皂素除了产生抗营养作用外,它还可通过与构成动物红细胞膜的胆固醇成分作用,引起细胞膜破裂和崩解,从而引起溶血,这严重限制了其在饲料中的应用[4]。因此,对油茶粕进行有效的脱毒处理,提高其饲用价值,对促进油茶粕饲料的推广应用具有重要的意义。
2 油茶粕茶皂素的脱除工艺
目前,油茶粕茶皂素的脱除工艺主要有浸提法、辅助法和生物法等。其中,浸提法和辅助法存在营养成分丢失、试剂残留等问题;而生物法包括酶解法、微生物发酵法和菌酶协同发酵法,具有经济、高效和安全等优势,特别是菌酶协同发酵法,可有效降低油茶粕中的茶皂素,改善其营养成分,促进其高值化利用。
2.1 浸提法
2.1.1 热水浸提法
热水浸提法的原理是利用茶皂素易溶于水的特性进行提取,是一种简单、环保和低成本的提取方法。林国卫等[15]研究表明,用水作为提取剂,在料液比为1∶7、温度为60 ℃的条件下浸提4 h,油茶粕中茶皂素得率为12.85%。茶皂素是一类偏酸性混合物,调节油茶粕至中性或偏碱性,可提高茶皂素的浸出率。Ma等[16]研究发现,以油茶粕为原料,以水作为提取剂,在pH为9、料液比为1∶11、温度为80 ℃的条件下浸提6 h,茶皂素的提取率高达95.50%。虽然热水浸提法简单易操作,成本低,但是浸出成分复杂,茶皂素纯度低,不利于其后续的回收利用,并且长时间浸提还会将蛋白质、多糖和淀粉等浸提出来,使得油茶粕的营养价值降低。
2.1.2 有机溶剂浸提法
利用茶皂素易溶解于有机试剂中的特点,常采用甲醇、乙醇等试剂进行提取,该方法相对于水提法来说,时间短、提取率高。Zhang等[17]对油茶粕茶皂素的乙醇提取条件进行响应面优化发现,在乙醇体积分数为76.21%、料液比为1∶12.91、提取温度为72.92 ℃的条件下浸提3.13 h,茶皂素得率可达21.55%。杨建安等[18]研究发现,当乙醇体积分数为85%、料液比为1∶9、提取温度为70 ℃、浸提时间为2 h时,茶皂素脱除率最佳,为89.87%。一项甲醇对油茶粕中茶皂素的提取条件的正交试验分析表明,茶皂素的最佳提取工艺条件为甲醇体积分数75%、料液比1∶4、浸提温度55 ℃、浸提时间3.5 h,在此工艺下,茶皂素得率为25.26%[19]。而且茶皂素的浸出效果与试剂的极性相关。刘尧刚[20]研究发现,分别利用水、95%甲醇和95%乙醇对油茶粕中茶皂素进行提取,95%的甲醇的提取效果要优于95%的乙醇。然而,有机溶剂浸提法存在工艺复杂、条件要求高、能耗高以及环境不友好等缺点。
2.2 辅助法
2.2.1 超声波辅助法
超声波技术的原理是通过产生空化效应,从而使被萃取物质细胞壁破裂,加强胞内成分的释放。杜金婷等[21]利用超声耦合双水相体系提取油茶粕中茶皂素的工艺进行优化后发现,在乙醇质量分数为27.50%、硫酸铵质量分数为9.60%、料液比为1∶50、超声时间为32 min、超声功率为300 W、提取温度为60 ℃的条件下,可得到最佳的茶皂素得率。Zhang等[22]等以油茶粕为原料,以超声波辅助法为技术手段,发现在乙醇体积分数为75%、料液比为1∶10、超声波(20/50/35 kHz)时间为20 min、浸提温度为60 ℃的条件下,茶皂素得率为22.79%。超声波辅助法具有短时、高效、耗能低和有效成分破坏少等优点。然而,超声波技术会使细胞中的其他物质析出,影响后续产品的纯化和利用,同时,超声波会使人出现不适反应,因而未被广泛推广使用。
2.2.2 微波辅助法
微波辅助法的原理是通过利用微波的能量,使被萃取物质细胞内部温度和压力增大,促使物料颗粒加速运动,从而加快有效成分的萃取。He等[23]采用正交试验法对油茶粕的茶皂素提取条件进行优化,结果表明,在乙醇体积分数为65%、料液比为1∶13、微波功率为400 W、辐射时间为4 min的条件下,茶皂素的得率为14.73%。虽然微波辅助法具有简便、快速和高效等优点,但是,缺点也相当明显,比如对人体有辐射且耗能高等。
2.2.3 超声波-微波协同辅助法
超声波与微波共同辅助提取茶皂素具有良好的协同作用,其提取茶皂素的效果要高于单一超声波或微波技术手段。司喜艳等[24]研究发现,以油茶粕为原料,在相同条件下,采用超声波-微波协同辅助法、超声波辅助法和微波辅助法提取茶皂素,提取率分别为98.30%、69.06%和71.40%。胡福田等[25]研究表明,采用微波对油茶粕进行预处理,并用水作为提取剂,在料液比为1∶11、超声波功率为500 W、超声时间为0.5 h、提取温度为65 ℃、pH为11的条件下,茶皂素的得率可达12.38%。超声波-微波协同辅助法综合了超声波和微波技术手段的优点,可达到省时、节能和高效提取的目的。然而,仍存在前期设备费投入过大、对人体危害过大等一系列问题。
2.3 生物法
2.3.1 酶解法
细胞壁是影响油茶粕中茶皂素提取效率的关键要素之一,添加纤维素酶、果胶酶等,可通过破坏其细胞壁,从而提升茶皂素的浸出效果。酶解法具有简单、经济和环保等特点。周红宇等[26]通过对水酶法提取茶皂素条件进行正交试验优化,结果发现,在添加6 mg/kg纤维素酶、料液比为1∶25、温度为50 ℃的条件下酶解2 h,茶皂素得率最高。喻冬秀等[27]通过对纤维素酶提取茶皂素的条件进行正交试验优化,结果表明,在添加0.6 mL纤维素酶、料液比为1∶20、pH为6.5、温度为70 ℃、提取时间为0.5 h的条件下,对样本进行3次提取,茶皂素的最高提取率为3.97%。另有研究表明,采用酸性纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶对油茶粕进行酶解,可有效降低粗纤维含量,并提高总氨基酸和总必需氨基酸含量,但是对茶皂素的降解效果并不明显,仅降低了27.71%[5]。因此,仅采用酶解法并不能使油茶粕达到饲用化的标准,还需与其他方法联合处理。
2.3.2 微生物发酵法
微生物发酵法被视为是一种最具发展潜力脱毒方法之一,不仅可降解油茶粕中的有毒和抗营养成分,而且可提高油茶粕的营养价值。影响微生物发酵的重要因素之一是菌种的选择,不同微生物以及不同组合对茶皂素的降解能力各不相同。研究表明,采用蜡样芽孢杆菌对油茶粕进行固态发酵,在接种量为10.0%、温度为31.1 ℃、含水量为109.9%、发酵时间为48 h的工艺条件下,不仅降低了油茶粕中的茶皂素、单宁和粗纤维含量(分别降低76.04%、12.90%和18.12%),而且还提高了粗蛋白质、总必需氨基酸和总黄酮等含量;通过电子舌和风味分析进一步发现,油茶粕发酵后苦味、涩味明显减少,同时3,3-二甲基辛烷、丙位庚内酯等风味物质明显增加[7]。黄浦等[28]采用铜绿假单胞菌对油茶粕进行液态发酵,发现茶皂素的最佳发酵条件为菌悬液接种量9.0 mL、摇床转速150 r/min、温度29 ℃、发酵时间13 d,在此工艺条件下,茶皂素的降解率为71.95%。任泽文等[29]采用黑曲霉对油茶粕中茶皂素进行固态发酵,结果表明,在温度为31.3 ℃、初始加酸量为4.57 mL、发酵时间为103.5 h的条件下,茶皂素的含量降低了93.96%。据报道,用黑曲霉对油茶粕进行固态发酵,当黑曲霉接种量为1.5%、基质比为1∶1、料水比为2∶1、pH为5、温度为28 ℃时,油茶粕中茶皂素、单宁和粗纤维的含量分别降低了65.3%、78.7%和38.0%,并且粗蛋白质、必需氨基酸和真蛋白质的含量也得到了很大提升[30]。Chang等[31]采用枯草芽孢杆菌和黑曲霉对油茶粕进行固态发酵处理,发现油茶粕中茶皂素的含量降解了67.84%。研究表明,分别采用枯草芽孢杆菌、黑曲霉菌和产朊假丝酵母以及它们的混合菌对油茶粕进行固态发酵8 d,茶皂素的降解率分别为81.36%、78.87%、66.67%和87.63%,且混合菌发酵组的粗蛋白质含量也要优于所有单菌发酵组[32]。使用微生物发酵技术对油茶粕进行处理,除了可有效脱毒和提高营养价值外,还可为宿主提供更多的有益微生物和生物活性代谢物,进而维护宿主肠道健康,是一种经济、绿色无污染的方法。
2.3.3 菌酶协同发酵法
菌酶协同发酵法是指饲料原料在微生物发酵过程中额外添加酶制剂或在饲料原料酶解过程中加入微生物进行发酵的方法。王郝为[5]通过对比复合酶制剂法、混菌发酵法和菌酶协同发酵法对油茶粕中茶皂素的降解效果发现,菌酶协同发酵法效果最好,茶皂素的降解率高达70.70%,并且粗纤维的含量降低了67.34%,粗蛋白质、总氨基酸和总必需氨基酸的含量也分别提高了64.99%、18.44%和18.77%。菌酶协同发酵法综合了微生物发酵法和酶解法的优点,弥补了微生物发酵产酶不足的缺点,同时额外加入的酶制剂可极大提高微生物在发酵过程中对饲料原料中大分子物质的利用效率。因此,未来采用微生物发酵与酶解技术相结合这一方式,是促进油茶粕类废弃物资源的高值化利用的一个重要技术手段。
2.4 其他脱毒方法
2.4.1 蒸汽爆破法
蒸汽爆破法可通过破坏原有的生物质组织细胞层间的细胞壁结构,继而增加茶皂素的表面张力,最终发挥高效降解、脱毒的作用。研究表明,将油茶粕置于1.2 MPa的压力下,预爆破1 min,可明显见到油茶粕的表面粗糙蓬松,细胞壁结构被破坏,茶皂素的释放增加[33]。然而,蒸汽爆破设备造价昂贵、成本高,这限制了它的广泛使用。
2.4.2 二氧化碳(CO2)超临界萃取法
CO2超临界萃取是一种利用超临界流体与原料内部成分充分接触的方法,通过减压条件使目标物被提取出来。王羚等[34]研究发现,在30 MPa的压力、50 ℃的温度条件下,用75%的乙醇对油茶粕萃取3.5 h,茶皂素的提取率高达89.21%。CO2超临界萃取法具有流程短、工艺简单和价格低廉等特点,且能有效保留油茶粕中的活性成分,同时采用该方法得到的茶皂素表面张力和接触角较小,发泡、乳化能力较强,有助于利于茶皂素的进一步加工利用。
2.4.3 超高压法
超高压法的原理是通过快速升压,使被提取物质颗粒细胞在压力下破裂,有利于溶剂进入颗粒内和成分溶解,其具有提取温度相对较低、用时短和环境友好等优点。研究表明,利用响应面优化超高压提取茶皂素的工艺条件,发现在压力为308 MPa、提取时间为8.5 min,乙醇体积分数为65%、料液比为1∶20的条件下,茶皂素得率最高,为19.87%[35]。
3 油茶粕在动物生产中的应用
茶皂素是限制油茶粕饲料化利用的主要因素之一,不仅会对饲料适口性造成影响,而且会破坏动物红细胞,产生溶血作用。因此,常对油茶粕进行脱毒处理。目前,油茶粕在部分畜禽动物中已有一些应用。
在肉鸡上的研究发现,用发酵的脱毒油茶粕替代15%的豆粕,可提高肉鸡的全净膛率、腿肌率和腿肌肌苷酸含量,并降低胸肌和腿肌的剪切力和滴水损失,且对其生长性能无负面影响,这表明发酵油茶粕可作为一种良好的饲料原料,改善肉鸡的胴体性能和肉品质[3]。在肉仔鸡饲粮中,用4%的油茶粕菌体蛋白饲料替代等量的豆粕42 d后,肉仔鸡平均日增重提高了15.11%,饲料报酬提高了5.10%[36]。以上生长性能存在一定差异的原因可能与肉鸡日龄、油茶粕的添加形式及其添加量等因素有关。除上述作用外,发酵油茶粕还可通过提高十二指肠绒毛高度及其绒毛高度与隐窝深度比值,同时降低十二指肠大肠杆菌数量,并提高乳酸杆菌数量,进而改善肉鸡的肠道健康[3]。
以上结果表明,用脱毒的油茶粕合理地替代动物的部分基础饲粮,可改善动物生产性能、产品品质、免疫力和肠道健康,但研究多集中在肉鸡、生长猪、犊牛、奶牛和部分水产动物中,不够系统和深入,在其他畜禽动物上的研究也相对有限,在不同畜禽动物及不同生长阶段的适宜添加比例也有待探究,其具体的作用机制也尚需进一步研究。因此,未来应进一步探究油茶粕在不同畜禽及不同生长阶段的应用效果,确定其最适添加量,揭示其具体作用机制。
4 小结
油茶粕含有丰富的营养物质及多种生物活性成分,对动物生长和健康有很高的价值,具有较大的饲料开发潜力。然而,油茶粕存在高含量的茶皂素和粗纤维,特别是高含量的茶皂素限制了其在动物饲粮中的使用。传统的物理、化学方法仅满足简单的脱毒,存在一系列问题,如效率低、成本高等。而采用生物方法,特别是对油茶粕进行菌酶协同发酵处理,不仅可有效降低油茶粕中茶皂素和粗纤维含量,提高粗蛋白质、必需氨基酸等含量,还可替代部分基础饲粮,提高动物生产性能、改善产品品质和维护肠道健康。然而,目前关于油茶粕的研究多集中在食品、日用化工、农业和医药等领域,在动物生产中的应用相对较少。因此,油茶粕在动物饲料中的应用还需进一步研究,研究探索更加简便、高效、低成本的物理、化学或生物技术方法,在降低或消除油茶粕中有毒和抗营养因子成分的同时,改善其营养成分含量;研究不同脱毒工艺对油茶粕营养成分和活性成分的影响及其作为饲料原料时在不同种类及不同生长阶段动物中的最适添加量,以期为油茶粕的饲料化利用提供更多理论依据。