2. 东北农业大学动物营养研究所, 哈尔滨 150030
2. Institute of Animal Nutrition, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China
棉籽粕中约含粗蛋白质40%，据美国农业统计中心(USDA)调查，600万t棉籽粕可满足7千万人1整年的蛋白质需求[1]。我国是产棉大国，年产棉籽粕400～500万t，占各类植物饼粕总产量的30%[2]，资源丰富且蛋白质含量较高，是畜禽的主要蛋白质饲料资源之一。但棉籽粕中含有的游离棉酚(FG)很大程度上限制了其在畜禽饲粮中的应用。畜禽长期采食FG易引起中毒甚至死亡[3]，即使是对FG抗性较高的奶牛，长期大量采食棉籽粕也会影响产奶量[4]。FG会造成产蛋鸡卵巢及输卵管萎缩，采食含FG饲粮会使所产鸡蛋储藏后蛋黄呈黄绿色或红褐色[5]。目前，除了降低棉籽粕在畜禽饲粮中的用量外，还可进一步提高、完善棉籽粕加工工艺，采取一些措施降低棉籽粕中的FG毒性，但具体措施仍需进一步研究。前人关于棉酚的综述主要围绕畜禽体内的毒性、残留问题及其在饲料中的安全量[6,7]。本文基于近年来的研究，重点围绕棉酚的结构及毒性、FG对鸡蛋品质的影响及其脱除方法等作一个简要综述。
棉酚( 图1)[8]，又称棉毒素或棉籽醇，分子式C30H30O8，是一种存在于叶、茎、根及种子的色素腺体内的多酚类混合物，提纯后为黄色晶体，是血管、细胞、神经性毒素。Adams等[9]和Edwards[10]先后确定了棉酚的结构：2个萘环通过各自的内部萘单元上的2-和2’-碳原子联合而成。经证实，萘单元8-和8’-上的醛基是棉酚产生毒性的主要原因[11]，此醛基在棉酚互变异构体中也起到重要作用，主要有双醛式、双醇酮式及双内醚式。
目前主流的观点认为，棉酚主要包含FG和结合棉酚(BG)2种形式，FG与蛋白质或必需氨基酸(特别是赖氨酸)中的游离氨基结合成为BG，结合成为BG后的化学键不易被打开，通常情况下认为BG是无毒的。经证实，大白鼠一次性口服棉酚的半数致死量是2 400~3 340 mg/kg体重，而小白鼠是500~950 mg/kg体重[6]，但事实上，很少会有动物因短期大量食用棉酚而引起急性中毒。棉酚在体内排泄比较缓慢，有明显的蓄积效果[12]，肝脏的沉积量最大。此外，FG还会损害生殖系统、抑制精子生成、影响精子存活率、扰乱雌性动物发情周期、引起子宫萎缩、影响妊娠，这在单胃动物表现尤其明显[13,14,15]。棉酚对家禽有较强的毒性，表现为食欲减退，体重减轻，腿病，肺水肿，肝脏和心肌变性坏死，产蛋性能和种蛋孵化率降低，蛋黄变色，血清中血红蛋白、总红细胞、总蛋白数量及白蛋白/球蛋白降低[16,17,18,19]。
图1 棉酚的晶体结构
Fig.1 The crystal structure of gossypol[8]
浓蛋白高度和哈夫单位是衡量鸡蛋蛋白品质的重要指标，浓蛋白高度和哈夫单位越高，说明蛋白越黏稠，蛋白品质越好。有研究显示，与豆粕饲粮相比，6%棉籽粕替代豆粕饲粮(FG 75.12 mg/kg)和10%膨化棉籽粕替代豆粕饲粮(FG 40.65 mg/kg)饲喂40周龄海兰褐蛋鸡8周后，显著降低了鸡蛋的浓蛋白高度；饲喂8%膨化棉籽粕替代豆粕饲粮(FG 32.48 mg/kg)的鸡蛋浓蛋白高度则未出现显著性差异[20]。而这几个处理之间的不同就是FG的含量，说明FG会降低浓蛋白的黏稠度，降低蛋白品质。蛋鸡采食含30%棉籽粕饲粮(FG 262 mg/kg)，所产鸡蛋5 ℃储存3个月后蛋白会出现略微的桃红色，随着储存时间的延长蛋白颜色会逐渐加深[21]。关于FG降低蛋白品质的具体机制则需要进一步研究。
有研究显示，FG导致蛋黄颜色变深，且煮熟后的蛋黄随色泽的加深而逐渐变硬[22 ,23]。与豆粕饲粮相比，用普通或膨化棉籽粕替代部分豆粕饲粮(FG≥24.32 mg/kg)，饲喂40周龄海兰褐蛋鸡4周后，蛋黄颜色显著增加[20]。以38周龄新罗曼商品代蛋鸡为研究对象，在饲粮中添加棉籽粕(FG≥30 mg/kg)，试验第1周末各组鸡蛋就出现蛋黄变色[24]；母鸡采食含118 mg/kg或更高(400～1 200 mg /kg)FG的饲粮，所产鸡蛋经5～6个月存储可致大量蛋黄变色，但20～59 mg/kg未见蛋黄颜色受影响[18, 25]，藉此,学者们推荐饲粮中FG含量应小于40 mg/kg，以保证贮存6个月后蛋黄颜色仍可接受[2627,28]。还有研究认为，蛋鸡采食用溶剂萃取棉籽粕的饲粮(FG 30 mg/kg)，所产鸡蛋存储5个月后80%蛋黄会变色[29]。蛋鸡采食400 mg/kg正消旋纯棉酚饲粮20 d，蛋黄得分及异常蛋检出率显著升高[30]；用含10.0%棉籽粕饲粮(FG 71 mg/kg)饲喂51周龄海兰蛋鸡12周，蛋黄颜色显著升高[31]。以上结果说明FG对蛋黄颜色的影响与蛋鸡年龄、基因型、棉籽粕的加工工艺及饲喂时间有关，其具体原因有待进一步研究。
储存温度也会影响FG引起的蛋黄变色程度。蛋鸡采食含螺旋压榨棉籽粕饲粮(FG 255 mg/kg)，所产鸡蛋30 ℃储存4周不会出现蛋黄变色现象，但会出现斑点，而在5 ℃储存3个月蛋黄就会变色；当蛋鸡采食含30%棉籽粕饲粮(FG 262 mg/kg)，所产新鲜鸡蛋无蛋黄变色现象[32]。22 ℃储存4周会致蛋黄斑点；5 ℃储存3～6个月会致蛋黄变色，多数蛋黄表面出现杏黄色，蛋白呈现略微的桃红色[21]。研究表明，母鸡采食含30%棉籽粕饲粮(FG 197 mg/kg)，棉酚引起所产新鲜鸡蛋及23 ℃储存鸡蛋的蛋黄变色与蛋鸡的基因型无关[33]；HGC蛋鸡采食30%棉籽粕饲粮(FG 218 mg/kg)10周，新产鸡蛋无蛋黄变色，但5 ℃储存2个月产生褐色蛋黄[34]。用含15.0%普通棉籽粕饲粮(FG 57.9 mg/kg)饲喂26周龄Shaver Starcross蛋鸡，所产鸡蛋储存(7.2 ℃，56 d)后72.5%的蛋黄变色[35]。因此，蛋黄变色与FG、低温等因素有关，单个因素均不会增加蛋黄变色的发生率。
为提高棉籽粕在家禽饲粮中的用量，常用的脱酚方法有物理、化学、微生物处理等。
物理处理包括浸泡、干热、蒸煮、膨化等。浸泡法指将棉籽粕浸泡于不同比例的水中[1∶ (30～60)]30～60 min，可降低FG含量，但同时也会损失蛋白质[36]；棉籽粕于130 ℃干热处理30和60 min，FG含量从880 mg/kg分别降低到740和680 mg/kg[37]。蒸煮棉籽粕10 min，可降低44%的FG含量，如将棉籽粕加压蒸煮5、10和15 min，FG含量从2 700 mg/kg分别降低到2 400、2 200和1 500 mg/kg[38]；但有研究认为，棉籽粕蒸煮15 min降低FG含量(3 000 mg/kg降低到2 750 mg/kg)有限，且延长蒸煮时间无效[35]。在可消化氨基酸基础上配制试验饲粮，以28%先膨化后萃取的棉籽粕替代豆粕饲粮(FG 504 mg/kg)，对于1～3周龄肉仔鸡的体重、料重比(2周龄末的料重比除外)无显著影响[39]。因此，目前来看物理处理法中的蒸煮和膨化似乎最有发展前景，但实际生产中蒸煮法的能耗较大，大规模使用的可行性较低。
此方法则是利用FG的化学性质，在一定条件下，使FG变成结合态。二价铁离子(Fe2+)与FG中的活性醛基和羟基形成螯合物，成为BG进而脱去毒性。目前认为硫酸亚铁是最简单、有效的去除FG的方法。含30%棉籽粕饲粮中补铁(FG∶ 铁=1∶ 4)后，鸡蛋在20或30 ℃储存4周会降低蛋黄斑点的形成率，5 ℃存储3个月后褐色鸡蛋的变色情况也会降低[32]，说明铁会导致FG失活，使鸡蛋变色发生率降低。无论是溶液还是晶体形式的七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)都会有效抑制鲜蛋、22 ℃储存4周及5 ℃储存3个月蛋黄变色现象的发生，但3个月后这些蛋会有杏黄色蛋黄和桃红色蛋清，同时伴随着蛋黄和蛋白pH的升高，但FeSO4·7H2O溶液形式处理棉籽粕组的蛋品质会稍稍好一些[21,33,34]。
对于蛋鸡而言，饲粮中补充铁盐，使铁与FG比例为(4～8)∶ 1，当饲粮FG小于或等于100 mg/kg，可缓解其对蛋重、产蛋量的不利影响，降低异常蛋数；但若FG>100 mg/kg，则效果不明显[18]。与30%棉籽粕饲粮组(FG 197 mg/kg)相比，用晶体形式FeSO4·7H2O处理30%棉籽粕饲粮组的日采食量、日产蛋量和产蛋率降低[33]，而这可能是由于铁的过量添加造成的。铁过量会降低磷吸收[40]，干扰铜[41]和锰[42]代谢。每吨含棉籽粕饲粮中添加300 g铁(FG∶ 铁=1∶ 4)和2 g磷，能够减轻铁造成的产蛋率降低现象，但生产性能依然低于对照组，说明单补磷不能有效克服食入过量铁所造成的危害[41]。
FeSO4·7H2O的晶体形式和溶液形式处理棉籽粕对于产蛋性能的影响似乎是不一样的，与豆粕饲粮或30%棉籽粕饲粮(FG 262 mg/kg)相比，用730 g FeSO4·7H2O溶液处理含30.0%棉籽粕饲粮(FG∶ 铁=1∶ 4)，采食量只是稍许降低[21]。而进一步的研究显示，与豆粕组相比，以FeSO4·7H2O(FG∶ 铁=1∶ 4)溶液处理30%棉籽粕饲粮(FG 262 mg/kg)饲喂蛋鸡，第1周采食量降低11.2%，产蛋性能少许降低，但饲喂10 d后采食量和产蛋性能与豆粕组相当；而FeSO4·7H2O晶体处理的蛋鸡第1周采食量下降36.2%，且一直是较低的产蛋性能[34]，具体原因则需要进一步的探索研究。此外，用氢氧化钙或钙盐处理棉籽粕，可有效降低FG含量[43]，用0.5%氢氧化钙处理棉籽粕，可使FG含量降低21.25%[38]。但碱处理后的棉籽粕风味较差，需用水清洗，干燥较困难，因此不适宜工业化生产。
目前，生物发酵法被认为是安全、脱毒效果好、生产成本低、最有发展前途的脱毒方法。经诱变的微生物发酵可显著降低棉酚含量，提高棉籽粕的营养价值[44]。从棉田土壤中分离得到的一株枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)，可将棉籽饼中FG含量降至33.18 mg/kg[45]；将产朊假丝酵母按10%接种到棉籽粕中(棉籽粕121 ℃灭菌20 min)发酵，棉籽粕的脱毒率约86%[46]；棉田土壤中分离的毕赤酵母经紫外诱变、接种、发酵，可将棉籽粕中棉酚脱除58%。当前，多数微生物发酵研究均基于棉籽粕湿热灭菌后发酵，研究认为该过程中微生物脱毒仅占11%，而中温干燥后发酵的微生物脱毒占54%，非湿热处理发酵更能反映微生物对棉酚的降解能力，且耗能较低[47]；这使得微生物脱毒在实际生产中成为一种可能。研究显示，发酵棉籽粕中含有大量糖类、脂类、蛋白质等代谢途径产生的小分子代谢产物，含量因发酵菌种的不同而异[48]。对于棉籽粕脱毒菌种需要进一步的筛选，抗逆性强、遗传特征稳定、脱毒效果明显的菌种及发酵脱毒的具体机制是未来的研究方向，此外，关于微生物处理棉籽粕对鸡蛋品质影响这一方面的数据，目前也是比较缺乏的。
FG可溶于乙醇、正己烷、丙酮等有机溶剂，用乙醇(95%)或异丙醇(91%)萃取已取得了令人满意的效果，如用95%乙醇萃取，可减少棉籽粕中70%的棉酚[49]。含15.0%棉籽粕饲粮对产蛋性能有不利影响，用异丙醇萃取棉籽粕可减轻这种不利影响；与未经处理棉籽粕饲粮(FG 101.5 mg/kg)相比，用含异丙醇处理的15.0%棉籽粕的饲粮(FG 3.0 mg/kg)饲喂蛋鸡，所产鸡蛋储存(7.2 ℃)56 d，蛋黄变色发生率降低[50]。虽然溶剂可显著降低FG，但因其工艺、经济、残留溶剂的致癌作用及环境污染等原因，而使得溶剂萃取法较少采用。
通常情况下，无腺体棉籽粕FG含量小于100 mg/kg，与传统棉籽粕的真赖氨酸消化率和代谢能(71.7%，11.76 MJ/kg)相比，无腺体棉籽粕 的真赖氨酸消化率和代谢能(81.9%，12.76 MJ/kg )均较高，用含15.0%无腺体棉籽粕饲粮(FG 17.7 mg/kg)饲喂蛋鸡，所产鸡蛋在7.2 ℃储存56 d后，未见蛋黄变色，市场可接受[35]。蛋鸡饲粮中含20.0%无腺体棉籽粕，不影响产蛋性能，且变色蛋黄发生率降低，蛋黄中未检测到棉酚[51]。但因棉酚具有对棉花中昆虫和疾病的防御作用，因此基因改良培育无腺体棉籽尚未作为去除FG的主要方法。当今通过苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuriingiensis，Bt)棉花，克服了上述问题。Bt棉花的混合基因是将土壤细菌的基因植入到棉花植株基因内，这种基因可抵抗棉铃虫和其他鳞翅类昆虫的损害。在不加铁前提下，肉仔鸡饲粮中可用10.0%的Bt棉籽粕(300 mg/kg FG)替代豆粕和米糠[52]。研究显示，对FG含量较低的BGⅡ棉籽粕，肉仔鸡饲粮中加入10.0%，可安全替代豆粕而不需添加铁[53]。但目前在蛋鸡上相关研究较少。
对于蛋鸡，棉籽粕作为蛋白质原料的主要限制性因素是FG含量。FG毒性与蛋鸡品种和年龄、棉花品种、产地、棉籽饼粕加工工艺、饲粮中蛋白质的质量和品质及矿物质的比例和种类等有关。FG会沉积于鸡蛋中，但目前比较缺乏饲粮中FG到鸡蛋中FG的转化率数据，而且国家对于鸡蛋中棉酚残留的安全值还没有规定，因此，蛋鸡饲粮FG安全限量还需严格控制，进而降低人类饮食风险。此外，关于FG影响鸡蛋内部品质的研究，多局限于表观指标，至于其如何沉积于蛋黄中进而影响蛋品质则需进一步研究；此外，寻找新颖、简单、有效的降解FG毒性的方法也需要更深一步研究。
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