我國主栽棉花品種棉籽質(zhì)量分析

方丹，邢榮花，徐雙嬌，王怡文，雷博，田新權(quán)，王冠峰，馬磊

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/ 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室，河南安陽455000；2. 中華人民共和國安陽海關(guān)，河南安陽455000）

棉花是農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域重要的經(jīng)濟(jì)作物，在我國和世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著重要地位。特別值得關(guān)注的是，棉花作為我國種植業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)業(yè)鏈最長的大田經(jīng)濟(jì)作物[1]，除皮棉作為紡織原料外，生產(chǎn)的棉籽也是我國重要的油料資源。據(jù)國家糧油信息中心的數(shù)據(jù)，2017 年我國油菜籽、花生、大豆、棉籽、葵花籽、芝麻、亞麻籽、油茶籽等八大油料的預(yù)測總產(chǎn)量為6 142.5 萬t， 其中棉籽產(chǎn)量為987.5 萬t， 占比16.08%， 一直為我國種植業(yè)生產(chǎn)的第四大油料作物。 在油料榨油方面，棉籽油產(chǎn)量為104 萬t，占我國食用油脂榨油總量1 168 萬t 的8.9%。棉花的商品化率高達(dá)95%，棉籽油是我國植棉區(qū)主要的食用油，棉籽榨油后獲得的餅粕又是養(yǎng)殖業(yè)重要的植物蛋白來源，可以作為牛羊等反芻動(dòng)物飼喂、水產(chǎn)養(yǎng)殖的飼料原料[2]。 棉籽殼是食用菌人工培養(yǎng)主要的基質(zhì)原料來源[3]。

棉籽中含有大量的不飽和脂肪酸（油酸、亞油酸、亞麻酸），其含量占脂肪酸總量的75%左右，這些不飽和脂肪酸具有降血脂、降血壓、抑制血小板凝聚、減少血栓形成等作用，所以棉籽油是高質(zhì)量的食用油， 更有利于人體正常新陳代謝和身體健康[4-5]。 但是，棉籽中含有抗?fàn)I養(yǎng)成分——環(huán)式脂肪酸對人類健康有害[6]，同時(shí)也限制了棉籽餅粕在畜禽業(yè)中的應(yīng)用。在植物中環(huán)式脂肪酸是具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的不飽和脂肪酸，根據(jù)環(huán)式結(jié)構(gòu)中是否含有碳碳雙鍵， 環(huán)式脂肪酸又被分為飽和的環(huán)丙烷脂肪酸（CPA-FA）與不飽和的環(huán)丙烯脂肪酸（CPE-FA）[7]。氨基酸是油料粕營養(yǎng)成分的重要指標(biāo)，棉籽仁提油后的棉籽餅粕中，蛋白質(zhì)含量高達(dá)40%以上，且易于被吸收， 其中8 種必需氨基酸含量超過10%，是重要的蛋白飼料來源，同時(shí)也是1 種優(yōu)質(zhì)膳食蛋白資源。棉籽餅粕不僅營養(yǎng)豐富，分布廣泛，而且價(jià)格低廉，與大豆棉籽餅粕相比，棉籽餅粕可以大幅度降低動(dòng)物飼料的成本。 在國外，棉籽粉早已應(yīng)用于食品工業(yè)，例如在20 世紀(jì)70 年代，美國食品總署批準(zhǔn)棉籽濃縮蛋白為食品添加劑[8]。 棉籽中的生物毒素棉酚，是阻礙其綜合利用的抗?fàn)I養(yǎng)因子，按照其體內(nèi)形態(tài)分為游離棉酚和結(jié)合棉酚。一般認(rèn)為游離棉酚對人和動(dòng)物具有急性毒性、肝毒性和生殖毒性，所以棉籽粕和棉籽油在食品和飼料中的使用受到極大的限制。棉酚及其衍生物有助于棉花植株適應(yīng)不良環(huán)境，對棉花的多種病原菌和害蟲具有拮抗作用。

棉花副產(chǎn)品多樣性的用途決定了其在質(zhì)量方面得到更多關(guān)注。 如今在“質(zhì)量興農(nóng)”的倡導(dǎo)下，棉花產(chǎn)品質(zhì)量的評價(jià)體系遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革對農(nóng)產(chǎn)品多樣化開發(fā)的要求。食飼用棉花產(chǎn)品受制于功能性營養(yǎng)品質(zhì)評價(jià)匱乏、加工品質(zhì)不明確等原因，一直處于加工方式粗放、產(chǎn)品用途低端、產(chǎn)品種類單一的階段。對我國國內(nèi)來說，棉籽作為重要的農(nóng)產(chǎn)品加工原料資源，現(xiàn)階段應(yīng)該充分挖掘種質(zhì)資源潛力，強(qiáng)化與飼料、食品加工等產(chǎn)業(yè)需求之間對接，建立多層次、多維度的棉花產(chǎn)品的評價(jià)指標(biāo)體系， 進(jìn)而構(gòu)建棉花產(chǎn)品營養(yǎng)因子數(shù)據(jù)庫，加強(qiáng)棉花產(chǎn)業(yè)鏈上中下游聯(lián)動(dòng)，為遺傳育種品種開發(fā)、農(nóng)產(chǎn)品梯次加工、農(nóng)業(yè)廢棄物綜合開發(fā)利用提供技術(shù)支撐。 同時(shí)，棉花作為“一帶一路”沿線國家重要的經(jīng)濟(jì)作物，在各國國民經(jīng)濟(jì)中均占有舉足輕重的地位。 中國農(nóng)業(yè)“走出去”，加強(qiáng)棉花副產(chǎn)品的綜合利用，保障糧食安全，對提高沿線各國的生活水平及社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集數(shù)量

2018 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室（安陽）積極對接農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)村經(jīng)濟(jì)研究中心的全國棉花生產(chǎn)監(jiān)測工作，與棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系綜合實(shí)驗(yàn)站負(fù)責(zé)人確認(rèn)了取樣計(jì)劃。本次調(diào)查設(shè)置的取樣點(diǎn)覆蓋現(xiàn)階段我國棉花種植的主產(chǎn)區(qū)，由具有專業(yè)背景的人員取樣， 遵循籽棉抽樣原則，采取多點(diǎn)隨機(jī)取樣方法。 按照計(jì)劃于10 月底一共收集到我國主栽棉花品種的178 個(gè)樣本 （陸地棉176 個(gè)， 海島棉2 個(gè)）， 涵蓋127 個(gè)棉花主栽品種（包括125 個(gè)陸地棉品種，2 個(gè)海島棉品種新海48號、新海49 號），取樣分布見表1。

表1 全國棉花取樣地及樣品、涉及品種數(shù)量

1.2 主要儀器與試劑

主要儀器：Agilent7890A 型氣相色譜儀 （氫火焰離子化檢測器） 和Agilent 7890A/5975C 型氣相色譜- 質(zhì)譜聯(lián)用儀 （GC/MS），Agilent 1100 型高效液相色譜儀，DAD 檢測器（美國安捷倫公司）；漩渦混勻器（德國IKA 公司）；高速離心機(jī)5804 型（德國艾本德公司）；Milli-Q 超純水系統(tǒng)（美國Millipore 公司）。

試驗(yàn)試劑：無水甲醇、正己烷、丙酮、乙腈為色譜純試劑，購自阿拉丁試劑公司；19 種脂肪酸甲酯混合標(biāo)準(zhǔn)品（98.7%～99.9%），購自美國Supelco 公司；棉酚標(biāo)準(zhǔn)品（≥95%），購自Sigma 公司；氨基酸混合溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（1 mmol·L－1），購自國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng)；其他試劑為分析純級。

1.3 檢測方法

1.3.1脂肪酸的測定。含油量是衡量油料作物質(zhì)量的重要指標(biāo)，植物油在植物種子中主要以甘油三酯形式存在，由發(fā)育過程中體內(nèi)合成的各種類型的脂肪酸與甘油進(jìn)行酯化反應(yīng)而成。 于是，經(jīng)過樣品整理，對178 個(gè)棉籽樣品利用氣相色譜儀（GC）進(jìn)行脂肪酸譜的檢測分析。采用的分析方法參考棉籽油脂肪酸的組成分析[9-12]。

1.3.2氨基酸的測定。采用鄰苯二甲醛（OPA）―9-芴甲基氯甲酸酯（FMOC）聯(lián)合進(jìn)行柱前衍生反相高效液相色譜法（High performance liquid chromatography，HPLC）[13-15]。

1.3.3游離棉酚的測定。采用HPLC 分析棉籽中游離棉酚的含量[16-17]。

1.3.4棉酚旋光體的測定。棉酚的分子結(jié)構(gòu)中有1個(gè)手性軸，產(chǎn)生左旋棉酚和右旋棉酚2 種位阻光學(xué)異構(gòu)體。 棉花種子是棉酚存在的主要器官， 利用HPLC 方法對棉仁中的游離棉酚進(jìn)行分析，采用柱前衍生拆旋方法[18-20]測定棉籽仁中左、右旋棉酚含量，為棉籽原料的質(zhì)量評價(jià)研究提供依據(jù)。

1.3.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。利用Graphpad Prism 8.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，利用MS Excel 2007 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉籽脂肪酸成分的分析

2.1.1總脂肪酸分析。結(jié)果表明：棉籽中的脂肪酸主要由豆蔻酸（C14:0）、棕櫚酸（C16:0）、棕櫚油酸（C16:1）、十七酸（C17:0）、硬脂酸（C18:0）、錦葵酸、油酸（C18:1）、亞油酸（C18:2）、蘋婆酸、二氫蘋婆酸、亞麻酸（C18:3）和花生酸（C20:0）等脂肪酸組成。 陸地棉棉仁中總脂肪酸含量在16.15%～34.94%，平均含量為25.0%（表2）。 而海島棉棉仁中總脂肪酸含量平均高達(dá)37.9%。 值得注意的是，通過文獻(xiàn)資料查詢，孫善康等[21]對1984 年采收的種子樣品進(jìn)行營養(yǎng)品質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)陸地棉主栽品種棉仁平均含油量為39.03%， 盡管檢測方法有不同，但整體上顯著高于現(xiàn)在25%的水平。 對比分析表明,在將近40 年中，我國棉花棉籽中的油分含量呈下降趨勢，也與本實(shí)驗(yàn)室對棉籽加工企業(yè)實(shí)地調(diào)查的結(jié)果相一致，推測應(yīng)該與我國如今棉花育種總體方向注重衣分、產(chǎn)量相關(guān)，因?yàn)楫a(chǎn)量性狀與種子含油量整體呈簡單負(fù)相關(guān)[22]。 從圖1 可以看出，樣品數(shù)目最多的新疆（42 個(gè)）和山東（83 個(gè)）樣品總脂肪酸含量沒有顯著性差異（P＝0.5＞0.05）。

表2 陸地棉棉仁中脂肪酸總含量以及其中不同脂肪酸占比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖1 不同省區(qū)陸地棉棉仁中總脂肪酸含量的箱線圖

2.1.2不飽和脂肪酸分析。不飽和脂肪酸含量是評價(jià)食用油營養(yǎng)水平的重要依據(jù)。表2 中陸地棉棉仁中油酸（C18:1）在總脂肪酸中的占比在12.28%～21.38%，平均為16.10%；亞油酸（C18:2）占比在47.89%～60.65%，平均為55.50%（表2）。 樣品數(shù)目最多的新疆和山東棉籽油酸占比 （t＝5.678，P＜0.01）和亞油酸占比（t＝2.418，P＝0.017＜0.05）都有顯著差異（圖2），表明新疆棉籽的脂肪酸品質(zhì)優(yōu)于山東。

圖2 山東和新疆陸地棉棉仁中油酸含量和亞油酸占比的箱線圖

2.1.3環(huán)式脂肪酸分析。經(jīng)分析主栽棉花棉籽中的環(huán)式脂肪酸主要包括蘋婆酸（C19:1）、二氫蘋婆酸（C19:0）、錦葵酸，毒性方面蘋婆酸大于錦葵酸。 由表2 可知，陸地棉棉仁中環(huán)式脂肪酸（蘋婆酸和二氫蘋婆酸） 含量在0.35%～1.10%， 平均含量僅為0.59%。 如果動(dòng)物長期食用含有環(huán)丙烯脂肪酸的棉籽，會(huì)出現(xiàn)生理紊亂，像雞蛋粉白化、產(chǎn)蛋率下降，母雞性成熟的推遲以及牛肉肉質(zhì)硬化等現(xiàn)象[23]，因此造成畜牧產(chǎn)品質(zhì)量下降， 帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。借助于基因工程手段，可使環(huán)式脂肪酸含量降到低于0.1%的安全水平[24]。

2.2 氨基酸的分析

對棉籽中除色氨酸之外的17 種氨基酸檢測結(jié)果 （表3） 顯示， 棉仁中總氨基酸平均含量為38.26%，相較于孫善康等[21]1984 年陸地棉34.64%的平均水平有了一些提高。 通過相關(guān)性分析，總氨基酸含量與總脂肪酸含量顯著負(fù)相關(guān) （P＜0.05），與之前的研究一致。 另外，總氨基酸含量與衣分是極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。 氨基酸中具體種類以谷氨酸（27.59%（占總氨基酸比例， 下同））、 精氨酸（10.85%）、天冬氨酸（9.67%）為主，其中必需氨基酸占28.24%。 棉籽中必需氨基酸賴氨酸的含量與其他油料相比含量較低，是棉籽利用的第一限制性氨基酸，占總氨基酸的4.38%。 棉籽中精氨酸含量占總氨基酸的10.85%， 其氧化產(chǎn)物一氧化氮在心腦血管調(diào)節(jié)、神經(jīng)、免疫調(diào)節(jié)等方面有十分重要的生物學(xué)作用[25]。

表3 陸地棉棉籽仁中17 種氨基酸含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3 棉籽棉酚的分析

2.3.1游離棉酚的含量分析。結(jié)果表明，陸地棉棉仁中游離棉酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（含量）在0.11%～0.92%之間，平均為0.51%。 海島棉棉仁中游離棉酚含量為1.06%。

我國頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21264－2007 《飼料用棉籽粕》中規(guī)定，棉籽粕產(chǎn)品按游離棉酚的含量范圍如下：低酚棉籽粕的游離棉酚含量小于等于300 mg·kg－1； 中酚棉籽粕的游離棉酚含量大于300 mg·kg－1、小于等于750 mg·kg－1；高酚棉籽粕的游離棉酚含量大于750 mg·kg－1、 小于等于1 200 mg·kg－1[26]。 GB/T 13078－2017《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[27]對飼料原料中游離棉酚的允許量規(guī)定見表4。由此看來， 如果目前種植品種棉籽不經(jīng)過脫酚處理，其副產(chǎn)品中的棉酚含量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的棉籽油、棉籽蛋白及各種畜禽配合飼料中的允許量；因此，棉籽在加工成食用油和飼料時(shí)必須進(jìn)行脫毒或稀釋處理。

表4 飼料中游離棉酚的限量

2.3.2棉酚旋光體的分析。采用柱前衍生拆旋方法對取樣材料棉籽中左右旋棉酚含量進(jìn)行系統(tǒng)的檢測，結(jié)果如圖3 所示。其中：陸地棉棉仁中總棉酚含量在0.24%～1.64%，平均為0.93%；右旋棉酚含量為0.14%～0.77%，平均為0.56%；左旋棉酚含量為0.09%～1.01%，平均為0.37%。 大多數(shù)陸地棉材料種子的左右旋棉酚含量均有差異，右旋棉酚含量高于左旋棉酚含量；而海島棉棉仁中總棉酚的含量為1.61%，其中左旋棉酚含量高于右旋棉酚含量。

圖3 127 個(gè)棉花品種中棉籽仁的棉酚含量

由于棉酚具有對映異構(gòu)體，即左旋棉酚和右旋棉酚， 兩者的光學(xué)性質(zhì)和藥理作用均有較大差異，左旋棉酚表現(xiàn)出更強(qiáng)的毒性與藥理活性，是造成病理變化的主要活性物質(zhì)[28-29]。棉粕、棉餅等含有豐富的蛋白質(zhì)的棉副產(chǎn)品用作飼料，其含有的棉酚會(huì)在動(dòng)物體內(nèi)富集，而人食用棉酚含量較高的動(dòng)物源性食品，又會(huì)對人體產(chǎn)生危害；因此，棉酚旋光異構(gòu)體的含量測定對食品安全問題有重要的意義。

3 結(jié)論

本研究初步表明，隨著社會(huì)時(shí)代的不斷發(fā)展和人工馴化選擇，我國棉籽中油分含量呈下降趨勢，但總氨基酸含量有一些提高，棉籽中油分含量與蛋白質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)；海島棉的總脂肪酸含量顯著高于陸地棉；海島棉棉籽中棉酚含量較高。

由于棉花最重要的功能是紡織原料，于是其評價(jià)體系主要集中在纖維長度、 強(qiáng)度等物理指標(biāo)上，而且棉籽作為種子的來源，其播種質(zhì)量評價(jià)手段主要有凈度、水分、發(fā)芽率、純度等。 反觀棉籽作為全世界第四大油料作物，其理化營養(yǎng)品質(zhì)評價(jià)卻容易被人遺忘，特別是伴隨著我國的消費(fèi)升級，棉籽作為我國自主生產(chǎn)的主要油料作物其市場地位經(jīng)常被人忽視。建立主栽棉花棉籽原料的營養(yǎng)功能評價(jià)體系，可以為棉花育種家遺傳改良、棉籽加工企業(yè)選用適合的高質(zhì)量棉籽、未來棉花產(chǎn)品的精深梯次加工提供依據(jù)。