棉籽蛋白营养价值及其在仔猪饲粮中的应用前景

赵金标 孙志强 刘 岭

(1.中国农业大学动物科学技术学院,动物营养学国家重点实验室,北京 100193;2.中农志远咨询管理有限公司,北京 100193)

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。

近年来,关于棉籽蛋白在生长猪和断奶仔猪上应用的相关研究逐渐增多,大量的研究已经证实,使用适量的棉籽蛋白替代猪饲粮中的豆粕和大豆浓缩蛋白对于猪生长性能没有不良影响[5-8],表明在一定程度上棉籽蛋白可以有效地替代大豆蛋白,这对于稳定蛋白质饲料有效供给、缓解我国大豆进口的压力和保障粮食安全具有重要的意义。本文通过综述棉籽蛋白的加工工艺及其在仔猪饲粮中的应用潜力,旨在为提高仔猪生产中棉籽蛋白利用效率和降低我国大豆进口量提供参考。

1 棉籽蛋白及其加工工艺

传统的棉籽加工生产属于高温生产工艺,主要是通过液压、螺旋压榨法、预榨浸出法和直接溶剂法等方法来制取油脂和饼粕,传统的棉籽加工业产品结构为棉籽油、棉籽饼粕和皂脚[9]。传统加工工艺制得的棉籽饼粕由于压榨时温度过高,赖氨酸在高温条件下和游离棉酚结合后阻碍了动物肠道内源蛋白酶对赖氨酸的降解,降低了棉籽蛋白的营养价值和氨基酸利用率[10]。棉籽中维生素B1含量较高,由于其不稳定特性受热后损失较大。另外,棉籽饼粕中含有较多具有毒性作用的棉酚,导致其饲用潜力受到限制[11]。

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。

图1 棉籽蛋白加工工艺流程图

2 棉籽蛋白营养特性

2.1 化学成分

棉籽蛋白的粗蛋白质含量达50%以上,精氨酸含量高,但是赖氨酸含量较低(表1)。棉籽蛋白的主要成分是球蛋白,约占蛋白质的90%,其次是谷蛋白[13]。棉籽蛋白中的粗纤维含量约为4%,远远低于传统工艺制得的棉籽饼粕,这是由于棉籽蛋白加工过程中剥壳比较彻底,棉籽仁中带壳较少。

表1 棉籽蛋白和棉籽粕化学组成(干物质基础)

棉酚是一种黄色多酚羟基双萘醛类化合物,在棉籽中的含量为0.7%～4.8%。棉籽蛋白中游离棉酚含量较低,可控制在50～400 mg/kg,远远低于传统压榨工艺制得的棉籽饼粕中游离棉酚含量,有效提高了棉籽蛋白的饲用价值[14]。同时,棉酚在医药上已经被用来生产具有免疫抑制作用和抗病毒作用的药品,而且棉酚及其一些衍生物也是石油和橡胶制品、骨脂、维生素A等制品的有效氧化抑制剂[15]。棉籽蛋白脱酚加工工艺除去的棉酚主要以游离形式存在,这在很大程度上有利于游离棉酚的制取、提纯和再利用。

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

本实验室前期评价了棉籽蛋白粗蛋白质和18种氨基酸标准回肠末端消化率,结果表明,粗蛋白质和氨基酸消化率与豆粕相当,粗蛋白消化率比棉籽粕高5%～10%[11]。最新研究表明,饲粮蛋白质消化速率显著影响泌乳母猪体损失和哺乳期仔猪生长性能[16]。目前,针对棉籽蛋白加工副产品的蛋白质消化速率相关研究较少。本实验室通过体外消化试验测定了豆粕、棉籽粕、棉籽蛋白在不同蛋白酶消化时间点的氨基酸浓度,将小肠阶段各时间点总氨基酸含量与体外消化系数代入动力学模型进行计算获得动力学参数,模型采用Mahasukhonthachat等[17]已报道的方法:

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

研究报道,通过固态发酵法和蛋白酶水解法生产棉籽生物活性小肽具有抗氧化活性[18-19]。韩晓燕等[20]用胃蛋白酶和胰蛋白酶制备的棉籽蛋白水解物在浓度为100 mg/mL时具有抑菌活性,分离的蛋白水解产物I2-2和G2-2对大肠杆菌的生长有明显的抑制作用。宋伟光[3]以脱脂棉籽蛋白粉为原料,通过蛋白酶水解和离子交换分离制备出对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和链球菌具有抑菌活性的水解产物,并且使用液质联用技术鉴定出小肽的氨基酸序列和结构。上述结果表明,棉籽蛋白在加工过程中可以生成具有抑菌和抗氧化功能的小肽等活性物质。

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

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。