棉籽作畜禽饲料的营养价值、脱毒方法及应用研究进展

刘永明，关淑仙，王文静，任茂智，李付广*

（1.中国农业科学院棉花研究所/ 棉花生物育种与综合利用全国重点实验室，河南 安阳455000；2.四川省内江市农业科学院，四川 内江641000）

随着城乡居民收入的增长和消费结构的转型升级，全国畜禽产品的需求量持续增长，导致饲养畜禽所需的蛋白质饲料短缺问题日益严重。大豆作为我国饲料中蛋白质的主要来源， 主要依赖进口；2020 年我国大豆进口量已突破1 亿t，是全球最大的大豆进口国[1]。 在全球政治和经贸环境不断变化的新形势下，地缘政治风险和国际贸易摩擦不断升级，粮食、油料等进口贸易面临许多挑战和不确定性。因此，为了应对蛋白质饲料短缺问题，需要积极寻求新的蛋白质饲料资源，并深入开发现有资源。

棉花作为世界上最重要的经济作物之一，在全球超过70 个国家种植。 棉花的天然纤维可供纺织工业使用， 其棉籽可用于食品和牲畜饲料等的生产[2]。每生产1 kg 皮棉，平均产生约1.65 kg 棉籽[3]。据国家粮油信息中心预估（http://www.chinaoils.cn/meeting/rcgq/22457.html），2022 年我国棉籽产量可达1 075.8 万t，突显其巨大应用潜力。 棉籽在饲料中的应用形式主要包括全棉籽和棉籽饼、 棉籽粕。 在美国南部和西南地区，40%～50%的棉籽被直接用作全棉籽饲料，而我国主要利用棉籽榨油后所得的棉籽饼和棉籽粕。全棉籽是经轧花去除皮棉后得到的籽粒，包含丰富的能量、蛋白质和纤维，具有零加工、价格低廉、供应量大等优点，可作为牛等大型反刍动物的饲料补充剂。棉籽饼是榨油后产生的副产品，含有较高的油脂，能提供能量；而棉籽粕则是经过预压浸提或直接溶剂浸提取油后得到的副产品，油脂含量较低，粗蛋白质含量在50%（质量分数，下同）左右，主要被用作饲料的蛋白质补充剂。综上所述，棉籽产量巨大且营养丰富，有望成为缓解蛋白质饲料短缺问题、降低饲料成本以及提高畜牧业经济效益的重要资源。

1 棉籽的营养成分与抗营养物质

棉籽主要包括短绒、棉籽壳和棉籽仁。 棉籽含有大约21%的油脂、21%的蛋白质和一定量的纤维[4-6]，是一种高脂肪、高蛋白、富含粗纤维的优质饲料。 同时，其种壳能防止棉籽中的蛋白质和粗脂肪在反刍动物的瘤胃中大量降解。 研究88 个品种的棉籽蛋白质含量发现， 其可被降解的蛋白质含量为42.6%～66.9%，说明棉籽蛋白的利用效率因棉花品种而异[7]。 目前，全棉籽被广泛用于饲养奶牛、肉牛、绵羊等反刍动物，其添加量一般不超过牲畜干物质采食量的15%[8]，并且一般不用于单胃动物或幼龄反刍动物。

棉籽粕是棉籽经过油脂提取后得到的副产品，富含蛋白质，被广泛用作奶牛、猪、禽、鱼等精料配方的蛋白补充剂。 根据粗蛋白、粗纤维和粗灰分含量，《饲料用棉籽粕》（GB/T 21264－2007）[9]将棉籽粕划分为5 级。 棉籽粕的营养价值受棉花品种、种植环境及脱壳榨油工艺等多方面因素影响。 据统计，在未去壳的棉籽粕中，蛋白质含量为26.00%～30.90%，粗纤维含量为25.00%～26.20%，而去壳后的棉籽粕中蛋白质含量可超过50%，同时粗纤维含量降低50%以上[10]。此外，棉籽粕中含有钙（0.15%～0.25%）、磷（0.79%～1.71%）、铜（0.001 0%～0.001 8%）、铁（0.011 0%～0.012 6%）、锰（0.002 0%～0.005 8%）、锌（0.006 1%～0.007 0%）等多种矿物质[10]。 研究显示， 每千克去壳棉籽粕的能量在7.96～11.77 MJ，并受到残留油脂含量的影响[11]。 值得注意的是，与豆粕相比，棉籽粕中赖氨酸（含量为1.76%～2.13%）、蛋氨酸（含量为0.48%～0.78%）、苏氨酸（含量为1.31%～1.58%）含量较低，并且消化率较豆粕低[10]。

棉籽中含有棉酚和环丙烯类脂肪酸等抗营养因子，会对牲畜的生长发育造成不利影响，因此在棉籽饲用中尤其值得注意。棉酚是一种黄色的酚类化合物，作为棉籽中主要抗营养物质，占棉籽干物质质量的0.02%～6.64%，并因棉花品种、种植环境和加工方法而异[12]。 棉籽中的棉酚包括结合态和游离态2 种形式，其中游离态一般占总棉酚的90%以上[7]。 结合棉酚是棉酚与蛋白质、磷脂、氨基酸等物质结合形成的化合物，它不能被人或畜禽的消化系统吸收，毒性很低，可通过粪便快速排出。 相反，游离棉酚具有活性醛基和活性羟基，对细胞、神经系统和血管等有明显的毒害作用。游离棉酚不仅会扰乱动物机体正常的生理机能，降低雄性动物的生殖功能，还会导致棉籽粕中赖氨酸的有效利用率下降[13]。 美国食品和药物监督管理局（U.S.Food and Drug Administration, FDA） 以及世界卫生组织（World Health Organization,WHO） 分别将食品中游离棉酚的限制含量设定为0.045%和0.060%。 而根据《饲料卫生标准》（GB 13078－2017）[14]， 棉籽饼、棉籽粕中游离棉酚的含量不应高于0.12%。 此外，《无公害食品 渔用配合饲料安全限量》（NY 5072－2002）[15]还规定，温水杂食性鱼类和虾类配合饲料中游离棉酚的含量应低于0.030%， 而冷水性鱼类和海水鱼类配合饲料中游离棉酚的含量应在0.015%以下。 然而，目前棉花生产中主要种植的仍然是高棉酚品种，得到的棉籽粕中的游离棉酚含量最高可达0.53%[11]。

棉籽中的环丙烯脂肪酸主要包括锦葵酸、苹婆酸和二氢苹婆酸，在棉籽油和棉籽粕中会有少量残留。 环丙烯脂肪酸是去饱和酶系统的拮抗因子，对蛋鸡的肝脏健康和鸡蛋质量产生不利影响[16]，同时还会改变蛋鸡脂肪酸组成和胆固醇含量[17-18]。此外，棉籽中还存在植酸及植酸盐、α- 半乳糖苷、非淀粉多糖等抗营养因子，它们也在一定程度上影响动物的生长和繁殖[19]。

2 棉籽的脱毒处理

2.1 创制低棉酚种质

阻碍棉籽在畜牧生产中广泛应用的主要原因是游离棉酚的存在。棉酚可以协助棉花抵御病虫害和非生物胁迫，但也会对动物的正常呼吸、生殖和免疫系统造成严重影响，只有牛等大型反刍动物才能安全地消化这种毒素[20]。 因此，育种家一直尝试培育出植株有腺体、种子无腺体的理想棉花种质材料。目前部分棉酚生物合成基因和腺体形成关键调控因子已经被鉴定[21-22]，而其功能缺失突变体已经成功应用在高产和高抗病性的低棉酚或无腺体品种的选育中[23-24]。随着生物技术的快速发展，人们更倾向于通过基因工程来快速地在棉籽中特异性降低棉酚含量。通过组织特异性RNA 干扰技术，靶向沉默棉酚合成途径的关键基因CDN或者腺体形成基因GoPGF， 可使种子中棉酚含量降低95%以上且并不影响植株其他器官的棉酚含量[3，25]。最近，国内研究者通过基因编辑技术靶向左旋棉酚合成基因GhDIR5， 特异地清除具有生殖毒性的左旋棉酚，而保留具有抗虫抗菌活性的右旋棉酚，创制出高抗、棉籽低毒的棉花材料[26]。

2.2 生产低棉酚籽粕

为了确保棉籽及其加工产品在非反刍动物（如鸡、猪和鱼）中的安全使用，可以采用物理、化学和生物等多种方式，通过脱毒的流程来降低其棉酚含量[27-28]。最初，从棉籽粕中去除棉酚采用的是传统的物理方法，如腺体浮选技术、热处理、压力蒸煮和液体旋风分离过程。 然而，这些工艺的加工成本较高[20]。近年来，适宜剂量的伽马射线、电子束辐照和脉冲磁场等物理手段，以其操作简便、经济高效和环境友好等优势，被广泛应用于降低棉籽及其加工产品中游离棉酚或总棉酚的含量[29-31]。 棉酚可以溶解于极性溶剂， 因此针对从棉籽粕中提取棉酚，已经开发了基于乙醇、甲醇、异丙醇、丁醇和丙酮等溶剂的提取工艺。 研究表明，采用经过磷酸酸化的乙醇、丙酮等溶剂可以有效地降低棉籽粕中的总棉酚含量，降低幅度可达90%～95%[32]。 在另一项研究中， 通过使用2- 丙醇与草酸的酸化极性溶剂成功去除了棉籽粕中高达95.43%的棉酚[33]。 此外，研究发现，一些属于念珠菌属、拟球酵母属、曲霉属、毛霉属、根霉属和芽孢杆菌属的微生物能够有效降解游离棉酚[34-35]。相较于前述的物理和化学方法，微生物固体发酵法不仅能降低棉籽粕中的抗营养因子含量，还能在发酵过程中产生氨基酸、消化酶、有机酸、维生素、益生菌等，显著提高棉籽粕的营养价值和适口性[28，36-37]。最近的研究表明，结合高压蒸汽和生物发酵的复合方法能够更高效地去除棉籽粕中的棉酚，并提高蛋白质含量[38]。 可以预见，如果未来能实现大规模商业化种植植株有腺体、种子无腺体的棉花品种，上述加工过程将不再必要。

3 棉籽的饲用研究

3.1 牛饲喂研究

由于瘤胃微生物能够有效分解棉酚，牛可以进食全棉籽或脱脂棉籽饼粕。 在奶牛饲喂方面，通常全棉籽的饲喂量可占日粮干物质的10%～15%，但对于6 个月内的犊牛，一般应禁用全棉籽。目前，棉籽和脱脂棉籽饼、棉籽粕对奶牛产奶量、奶质、经济效益、生长发育和干物质采食量等的影响已经有广泛研究。 通过对近4 000 头奶牛的饲养试验和大规模生产试验，发现在奶牛饲料中，用10%～15%的脱酚棉籽蛋白代替豆粕，可以使奶牛的产奶量提高13.83%，并增加25%～30%的总利润[39]。 用棉籽饲喂泌乳盛期的奶牛可提高产奶量9.74%，平均每头奶牛每日经济效益增加2.48 元， 同时能加快泌乳盛期奶牛体质的恢复， 使自然发情率提高30 百分点[40]。 比较发现，棉籽粕和豆粕作为蛋白饲料时，牛的产奶量和奶质相近[41-42]，其干物质采食量和体质量增加量也没有显著差异[41]。

然而，过量添加全棉籽可能产生不良效果。 研究发现， 将全棉籽的添加量从13%增加到23%会显著降低奶牛瘤胃中甲烷的产生量，并导致其平均体质量增长率和产奶量分别减少31%和10%[43]。类似地， 通过饲喂无棉籽、8%全棉籽、12%全棉籽和16%全棉籽饲料的试验，发现：奶牛干物质采食量和牛奶成分如乳蛋白、乳糖和非脂乳固体物含量在不同饲料处理间没有显著差异； 饲喂8%全棉籽的奶牛的产奶量比饲喂无棉籽饲料提高5.65%，但饲喂12%和16%全棉籽的奶牛的日产奶量并未显著提升[44]。 最新研究发现，棉籽进行粉碎和混合碱预处理后饲喂， 可以显著提高奶牛的干物质采食量、产奶量以及牛奶中乳蛋白、乳脂、短链不饱和脂肪酸等的含量[45-46]。

除了奶牛，关于饲喂棉籽对肉牛生产效益的影响也有较多研究。 多项研究发现，饲喂15%全棉籽能够显著增加肉牛的体质量、平均日增质量、热胴体质量和脂肪厚度等指标，表明全棉籽可以有效地提供肉牛所需的大部分粗饲料养分、 脂肪和蛋白质[47-48]。研究表明，对公牛连续2 个月饲喂其体质量的0.7%的全棉籽，并不会影响公牛的生育能力[49]。此外， 棉籽饼可作为肉牛饲养中有效的纤维来源，并且比玉米青贮饲料更为经济[50]。

3.2 羊饲喂研究

作为反刍动物，羊也可以安全进食全棉籽和棉籽饼、棉籽粕。 目前的研究主要关注全棉籽和棉籽饼、棉籽粕饲喂对羊的健康和生产性能的影响。 通过设定棉籽饼替代豆粕的4 个水平（替代豆粕的比例分别为0%、33%、66%和100%）的处理，发现营养成分的消化率、氮平衡、山羊的平均日增质量和饲料转化率等指标并未随着饲料中棉籽饼占比的变化而改变，这表明棉籽饼可以完全替代山羊饲料中的豆粕[51]。 与此类似，研究发现棉籽饼可以完全替代豆粕用于羔羊的饲喂，而不会对其生产性能和肉质造成损害[52]。 多项研究证实，在连续一段时间进食棉籽或棉籽饼后，山羊的血清生物化学（生化）参数未发生明显变化，且未出现临床上的中毒症状[53-54]。通过给绵羊分别饲喂全棉籽、棉籽饼和棉籽粕（棉酚含量分别为1 276、350、190 mg·kg－1），发现各处理组与未进食棉籽产品的对照组在干物质进食量和瘤胃中甲烷产量上没有明显差异[55]。 在以山羊的日增质量和胴体参数作为测量指标的研究中，添加棉籽饼或亚麻籽饼到干草中较仅喂食干草的对照组能够显著提高山羊的日增质量，且这2种添加物对山羊日增质量和胴体参数的影响相似[56]。 然而，也有研究发现，在圈养羊中，添加饲喂脱绒全棉籽会影响其采食量、 消化率和摄食行为，并建议脱绒全棉籽在圈养羊饲料中的添加量不超过80 g·kg－1[57]。

3.3 猪饲喂研究

猪等单胃动物不能安全地消化棉酚，并且对粗纤维的消化能力非常有限，因此通常不将全棉籽加入它们的饲料中，而是使用棉籽饼或棉籽粕。 研究发现，根据营养消化率和氮滞留率的测定，断奶仔猪的饲料中最高可含10%未脱绒未剥皮的棉籽饼[58]。基于棉籽粕中的纤维含量和仔猪对氨基酸的消化率，研究者建议在仔猪断奶后的2 周内，添加的脱酚棉籽粕不应超过饲料的5%， 后期可以提高到10%[59]。

一些研究发现，饲喂棉籽饼和棉籽粕可能对猪的生长发育产生不良影响。 与大豆饼相比，饲喂棉籽饼会增加猪的心脏、肾脏和肝脏的质量，同时对猪的采食量和体质量增长有负面影响。 然而，在饲料中添加300 g·kg－1棉籽饼，显示出较高的经济效益[60]。 此外，在饲料中添加60 g·kg－1脱酚棉籽粕可能对0～14 d 仔猪的营养消化率和肠道形态产生不良影响，但随着仔猪生长，这种负面影响会逐渐减轻[61]。

3.4 鸡饲喂研究

棉酚可抑制鸡的生长、造成鸡的跛行、降低鸡蛋质量和孵化率，因此一般采用脱酚棉籽粕进行饲喂。 多项研究表明，棉籽粕在鸡日粮中10%～15%的添加量可实现安全饲喂， 且能够部分替代豆粕，降低成本[62]。 生理生化指标测定显示，将发酵后的棉籽粕以0%～12%的添加量加入肉鸡饲料中，不会影响其血清生化参数或免疫器官相对质量。 此外，8%的棉籽粕添加量可以促使肉鸡体质量快速达到最高水平[63]。一些研究表明，添加6%的棉籽粕会降低蛋鸡的产蛋性能和鸡蛋品质[18]；然而，也有报告称添加少量棉籽粕（5.00%、9.83%、14.42%和18.90%）和棉籽饼（3.23%～12.97%）对产蛋率或饲料效率没有影响[64-65]。 另外，研究表明，在棉籽粕中添加木聚糖酶和β- 葡聚糖酶有助于提高肉鸡的生长性能和营养消化率[66]。

3.5 其他禽类饲喂研究

棉籽粕在鸭、 鹅等禽类中的饲喂效果也有报道。研究发现，在肉鸭饲料中添加6%的棉籽粕对其肝脏发育和血液生化指标没有显著影响，可以实现最理想的生产和屠宰性能，同时能在一定程度上改善胴体品质[67]。 基于屠宰指标的考虑，建议将棉籽粕在肉鸭饲料中的添加量控制在7.51%～14.78%[68]。棉籽粕占比大于6.73%时，会降低鹅在早期生长阶段（28～42 d）的生长性能，但可改善28～70 d 的生长性能。 此外，在70 d 时，各处理的总蛋白、血尿素氮、尿酸、胆固醇、甘油三酯、钙和血清磷含量等指标没有明显差异[69]。 基于相同的试验设置，发现饲料中添加棉籽粕对鹅的屠宰性能和肉质没有影响，但全量或高比例的棉籽粕替代豆粕会导致鹅胸肌中氨基酸和脂肪酸组成的变化[70]。

3.6 水产饲喂研究

棉籽粕作为高蛋白饲料，可以在杂食性鱼类饲料中部分替代豆粕，以及在肉食性鱼类和对虾饲料中替代鱼粉，显示出良好的经济效益。 在不同种类的水产动物饲料中，棉籽饼、棉籽粕的使用量存在差异。通常，棉籽饼、棉籽粕在草鱼、鲢鱼、鳊鱼和鳝鱼等鱼类饲料中的使用量为10%～20%，而在鲤鱼饲料中可以适度增加至30%[71]。 最新的研究表明，添加赖氨酸和蛋氨酸的棉籽粕可以完全替代鱼粉，且不会对金鲳鱼的生长、营养状况、血液、组织和应激生物标志物参数产生显著影响[72]，但棉籽粕可能会导致幼年金鲳鱼的肠道屏障功能受损[73]。 此外，不同水产动物对棉籽粕中粗蛋白的消化率存在差异，其中罗非鱼最高可达88.4%，而中华绒螯蟹最低为71.63%， 其他鱼类如草鱼、 鲤鱼、 花鲈等低于80%[71]。

4 展望

棉花作为一种在全球广泛种植的纤维作物，已有超过7 000 年的栽培历史。 我国是世界上主要产棉国之一，也拥有丰富优质的棉籽资源。目前，对棉籽营养价值的遗传改良已取得进展，可提高棉籽中油脂、脂肪酸和蛋白质含量[24，74]。 此外，有研究发现棉籽壳中棉酚水平较低且粗纤维含量较高，具有较高的饲用潜力[75]。 利用棉籽作为高蛋白、高能量的饲料资源可以缓解我国饲料资源紧张的现状，并显著增加棉花生产者的收益，这对于提升整个棉花产业链的经济效益非常重要。 因此，棉籽的饲用价值越来越受到关注。 未来，为了进一步推广棉籽及其产品在动物饲料中的应用，需要加大对棉籽脱酚工艺、动物的棉酚耐受性、低酚棉种质、新型棉籽饲料产品等的研究力度。