低酚棉種子利用研究進(jìn)展

劉祎，錢玉源，崔淑芳，金衛(wèi)平，王廣恩，張曦，張海娜，李俊蘭

（河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所/農(nóng)業(yè)部黃淮海半干旱區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊050051）

棉花種子簡(jiǎn)稱棉籽，是由受精后的胚珠發(fā)育而成。棉籽是棉花所有遺傳信息的攜帶者，可作為最基本的生產(chǎn)資料——生產(chǎn)用種，也是植物油、蛋白、飼料和有機(jī)肥料等主要副產(chǎn)品的重要來(lái)源[1]。低酚棉[2]又稱“無(wú)毒棉”，它與普通棉花的區(qū)別在于其各個(gè)組織器官中游離棉酚的含量較低。游離棉酚是1種對(duì)人畜及其他生物有毒害作用的酚類衍生物，含量在0.1%以上即對(duì)人畜及其他生物有毒害作用[3]，其安全使用范圍是含量低于國(guó)家食用安全標(biāo)準(zhǔn)（0.02%）和世界衛(wèi)生組織標(biāo)準(zhǔn)（0.02%～0.04%）。普通棉花品種棉仁棉酚含量為0.5%～2.5%，需要脫酚才能利用。脫酚處理會(huì)破壞棉粕的營(yíng)養(yǎng)成分，且工藝復(fù)雜、成本高、易污染。因此，深入研究、推廣低酚棉品種，充分開發(fā)、挖掘低酚棉種子的利用價(jià)值，具有重要意義。

1 低酚棉種子的特點(diǎn)

棉花種子在成熟過程中，可溶性酚類物質(zhì)會(huì)消耗于木質(zhì)素、種皮單寧和其他化合物的形成上，充分成熟的棉種種皮呈深褐色且酚類含量較低；未成熟的棉種種皮呈白色或淺褐色，吸水時(shí)，種皮中的酚類物質(zhì)和水一起進(jìn)入胚內(nèi)。通常，種子中棉酚含量降低后，脂肪含量隨之增加。一般海島棉種仁棉酚含量較高 （1.23%～1.71%），其次為亞洲棉（0.87%～1.48%），陸地棉品種的種仁內(nèi)含棉酚一般不超過種仁質(zhì)量的2%，非洲棉棉酚含量最少（0.36%～0.93%），野生種之間種仁棉酚含量也有差異[1]，有的澳洲棉野生棉種仁不含游離棉酚[4]。棉酚腺體的多少和棉酚含量呈連續(xù)性變異，是受多基因控制的數(shù)量性狀。研究表明高酚棉品種（系）種仁棉酚含量至少是低酚棉品種（系）種仁棉酚含量的10倍以上，差異極顯著[5]。我國(guó)目前所選育的低酚棉品種（系）具有較豐富的遺傳基礎(chǔ)。

棉花種仁蛋白質(zhì)含量與油分含量的和是1個(gè)穩(wěn)定常數(shù)[6]。低酚棉種子營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的總體水平較優(yōu)，種仁蛋白質(zhì)含量、油分總量分別為39.34%和73.55%；種仁蛋白質(zhì)中氨基酸組成與有酚棉基本相同，但各種氨基酸的含量和總量均高于有酚棉。低酚棉棉酚含量與含油率和蛋白質(zhì)含量無(wú)顯著相關(guān)；其部分新品系種仁粗脂肪、色氨酸含量高于有酚品種，不飽和脂肪酸總含量超過70%，油酸相對(duì)含量略低于有酚品種，亞油酸、亞麻酸、棕櫚油酸相對(duì)含量、不飽和脂肪酸總含量、必需氨基酸含量以及氨基酸總含量與有酚品種相近[7]。袁有祿等研究指出，低酚棉種子的含油量、蛋白質(zhì)含量、油分指數(shù)、蛋白質(zhì)指數(shù)主要由加性遺傳效應(yīng)所控制，其中含油量主要由母體加性遺傳效應(yīng)所控[8]。種子中的營(yíng)養(yǎng)成分因棉花基因型而異?？赡苁堑头用薹N子與有酚棉在內(nèi)含物上存在差異，導(dǎo)致其更容易被嚙齒類等動(dòng)物啃食。此外，低酚棉的纖維品質(zhì)已與有酚棉不相上下[9]。

2 低酚棉種子的應(yīng)用領(lǐng)域和利用價(jià)值

低酚棉種子經(jīng)加工可以得到棉短絨、棉籽殼（種皮）和棉籽仁（種胚）三部分，集棉、糧、油、飼、藥等多種利用價(jià)值于一體。棉短絨是化工的重要原料；棉籽殼和鈴殼可作食用菌的培養(yǎng)、化學(xué)原料的提取等；棉籽油可作優(yōu)質(zhì)保健油，棉仁可作高蛋白優(yōu)質(zhì)食品，棉籽餅是高蛋白飼料。

2.1 棉短絨的利用

棉短絨的主要成分是纖維素，其含量一般為92%～93%，是寶貴的工業(yè)原料，有廣泛的用途。其中，較長(zhǎng)的短絨可以用來(lái)生產(chǎn)棉毯、絨衣、絨布、高級(jí)紙張等；較次的短絨經(jīng)過化學(xué)處理可以生產(chǎn)人造纖維以及無(wú)煙火藥、清漆、塑料、玻璃紙及膠卷的片基等。

隨著工業(yè)的進(jìn)步、多學(xué)科領(lǐng)域的交叉發(fā)展，棉短絨的利用價(jià)值得到進(jìn)一步的開發(fā)。利用價(jià)格低廉的棉短絨，運(yùn)用非織造布技術(shù)中的氣流成網(wǎng)、針刺、貼膜、熱軋等復(fù)合技術(shù)制作大棚保溫材料，大大降低了大棚保溫被的成本，而且其保溫效果及耐用度優(yōu)于傳統(tǒng)的棉絮被[10]。棉短絨經(jīng)過除雜、制漿、抄造、液體石蠟浸漬處理及表面施膠定型，可制備能自然降解的棉短絨非織造農(nóng)用地膜[11]。棉短絨有機(jī)基質(zhì)可替代草炭，作為溫室彩椒的基質(zhì)配方[12]。此外，以棉短絨為原料，可以制備化工新材料[13-14]，或通過有機(jī)萃取法提取堿木素和多糖[15]等。

2.2 棉籽殼的利用

棉籽殼主要由纖維素、多縮戊糖和木質(zhì)素組成，含有少量的蛋白質(zhì)、脂類和無(wú)機(jī)鹽，經(jīng)化工處理，可以生產(chǎn)出糠醛、葡萄糖、木糖醇、丙酮、酒精、甘油、醋酸、生物炭、生物總黃酮等產(chǎn)品[16]。生物炭是指生物質(zhì)在厭氧環(huán)境下經(jīng)過高溫裂解生成的含碳物質(zhì)，發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的吸附能力，不僅可以固定土壤中的有機(jī)碳，還可以用作環(huán)境凈化吸附劑和土壤改良劑。棉籽殼含纖維素和木質(zhì)素66%～80%，是生產(chǎn)生物炭的適宜材料[17]。生物總黃酮是指黃酮類化合物，是一大類天然產(chǎn)物，廣泛存在于植物界，是許多中草藥的有效成分，具有抗炎、抗病毒、利膽、強(qiáng)心、鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、抗氧化、抗衰老、免疫調(diào)節(jié)和抗腫瘤等作用。研究發(fā)現(xiàn)，低酚棉籽殼中總黃酮對(duì)1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）和2'-聯(lián)氨-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）自由基具有一定的清除能力[18]。

棉籽殼含有豐富的纖維素、木質(zhì)素，同時(shí)有少量的氮、磷、鉀等元素，用于栽培各種食用菌、藥用菌無(wú)需添加更多的其他輔料，培養(yǎng)出的香菇、平菇、銀耳、木耳等食用菌產(chǎn)量高、質(zhì)量好、營(yíng)養(yǎng)豐富、美味可口[19]；其也用作培育草莓的基質(zhì)[20]。

2.3 棉籽仁的利用

棉花是重要的植物油料作物，也是世界上僅次于大豆的重要植物蛋白資源[21]。低酚棉種子含有極為豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、纖維素和礦質(zhì)元素等，可作多種利用。

2.3.1畜牧業(yè)利用。棉花的棉酚含量高，對(duì)牲畜危害較大，常常引發(fā)牲畜中毒性疾病，甚至死亡。利用低酚棉仁餅作豬和肉雞的搭配日糧，其適口性好、營(yíng)養(yǎng)成分高、成本低，且均發(fā)育正常[22]。因此，低酚棉是飼喂家畜的好飼料。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所對(duì)低酚棉籽仁的飼用品質(zhì)進(jìn)行了分析，蛋白質(zhì)、脂肪含量較高，分別為45%、33%，有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。河北省畜牧獸醫(yī)研究所等單位用低酚棉餅粉代替部分豆餅粉飼喂育肥豬、蛋雞、肉雞、兔、蝦等，結(jié)果證明，低酚棉餅是1種優(yōu)質(zhì)蛋白飼料，與菜籽餅粉和豆餅粉配合使用，可提高賴氨酸和蛋氨酸的含量。棉粕及棉籽是奶牛常用蛋白原料，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。高棉籽粕飼料中補(bǔ)充鐵和賴氨酸能促進(jìn)青魚幼魚的生長(zhǎng)，提高機(jī)體免疫力[23]。飼糧中棉籽比例為15%時(shí)可有效地改善荷斯坦公牛育肥性能[24]。

綜上，通過采用先進(jìn)的加工設(shè)備及工藝加工棉籽生產(chǎn)油脂和棉粕，以合理的飼喂配方技術(shù)，將棉籽或棉粕作為飼料在畜禽養(yǎng)殖中利用，可實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)結(jié)合，高效利用棉副產(chǎn)品。

2.3.2 食品業(yè)的利用。（1）棉籽油。棉籽含有十分豐富的油脂（18%～20%），主要有豆蔻酸、棕櫚酸、棕櫚油酸、十七酸、硬脂酸、錦葵酸、油酸、順式異油酸、亞油酸、蘋婆酸、二氫蘋婆酸、亞麻酸和花生酸等，以不飽和脂肪酸亞油酸和油酸等為主。研究表明，棉籽中脂肪酸組成具有差異性，但主要為亞油酸、棕櫚酸、油酸和硬脂酸；成熟棉籽中油酸與亞油酸含量占脂肪酸總含量的72%左右，是棉籽脂肪酸的重要組分；同時(shí)，棉籽的脂肪含量和脂肪酸組成與產(chǎn)地有一定的聯(lián)系[25-27]。

亞油酸是人體必需的多不飽和脂肪酸，具有降低血液中膽固醇、血脂的作用；因此，棉籽油被視為高質(zhì)量食用油[25]。棉籽油還是不含反式脂肪酸的天然起酥油。而用低酚棉籽制作的成品油色香味俱佳，是營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高的保健油。低酚棉籽仁中亞油酸的含量高達(dá)62%，能強(qiáng)烈抑制膽固醇的吸收，對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓、原發(fā)性脂肪酸缺乏癥等老年性疾病在預(yù)防和治療方面的生理功能已為醫(yī)學(xué)界所公認(rèn)；棉籽油中維生素E含量為0.1%，卵磷脂的含量達(dá)46.2%，既具有延緩細(xì)胞衰老、軟化血管的功效，又具有抗氧化、乳化增溶等功能；賴氨酸含量高，有利兒童和青年人生長(zhǎng)發(fā)育；所含的18種氨基酸中，精氨酸、谷氨酸和酪氨酸的含量均較高[28]。

（2）棉籽蛋白。棉籽仁含蛋白質(zhì)30%～35%。榨過油的棉籽餅和脫脂棉仁粉，蛋白質(zhì)含量可高達(dá)43%～50%，比稻米、小麥或玉米高4～6倍[25]。棉籽餅粕是氨基酸組成較齊全的優(yōu)質(zhì)高蛋白質(zhì)飼料，蛋氨酸與色氨酸含量高于大豆[29]（表1）。

表1 棉籽蛋白質(zhì)與各油料蛋白中人體必需氨基酸含量比較 %

低酚棉蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)全面，不用脫酚處理即可直接用于主食制作；與牛奶共飲，可與牛奶中蛋白很好地結(jié)合，使蛋白質(zhì)增效；棉籽蛋白經(jīng)蛋白酶水解后，發(fā)泡性能得到明顯改善，可用來(lái)生產(chǎn)棉籽蛋白發(fā)泡粉；還可以生產(chǎn)可供人食用的棉籽粉、食品的蛋白添加劑等[29]。

（3）棉籽糖。棉籽糖又稱蜜三糖，是純天然的功能性低聚糖。棉籽是該糖的重要來(lái)源，從棉籽粕中提取，可提高棉籽加工的附加值。棉籽糖能促進(jìn)雙歧桿菌（Bifidobacterium）增殖，抑制腸內(nèi)腐敗菌類如大腸桿菌 （Escherichia coli）和產(chǎn)氣莢膜梭菌（Clostridium perfringens）的生長(zhǎng)，顯著改善腸道菌群，改善排便功能，防止便秘，具有增加機(jī)體免疫力、降血壓、保護(hù)肝臟、治療皮炎、抗腫瘤等多種藥效。棉籽糖還是優(yōu)良的食品基料，因其難被人體消化吸收，提供的能量很低，具有一定的甜度，能作為糖尿病人的甜品替代品。此外，還可在藥品工業(yè)，作為冷凍精液和人體移植器官的穩(wěn)定劑[30]。棉籽糖作為魚油的穩(wěn)定劑，可有效延緩酸敗變質(zhì)；添加至雞飼料中，可提高肉仔雞的品質(zhì)，促進(jìn)肉雞的骨骼生長(zhǎng)和蛋白質(zhì)代謝；添加到餅干中，可使餅干變軟。另外，有研究表明，棉籽糖還可促進(jìn)肉雞對(duì)鈣的吸收及促進(jìn)細(xì)胞質(zhì)玻璃化，保證細(xì)胞膜保護(hù)功能[31]。添加0.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）棉籽糖后仔豬對(duì)粗蛋白質(zhì)、粗脂肪、粗灰分、中性洗滌纖維和總能的表觀消化率提高[32]。

2.3.3 工業(yè)利用。隨著石油資源的日益枯竭和人們環(huán)保意識(shí)的提高，生物能源受到世界各國(guó)的重視。生物柴油是從富含油脂的能源植物之中提取植物油，經(jīng)脂化處理得到的脂肪酸燃料油，是典型的“綠色能源”。大力發(fā)展生物柴油對(duì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，推進(jìn)能源替代，減輕環(huán)境壓力，控制城市大氣污染具有重要的戰(zhàn)略意義。

棉籽含油率一般在18%～20%，脫殼后的棉籽仁含油率超過30%，高于玉米、甜高粱等作物，適合制備生物柴油。我國(guó)每年生產(chǎn)棉籽約1 200萬(wàn)t，只有5%留作種用；因此，棉籽是1種巨大的油料、能源資源[33]。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)2007年發(fā)布的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》和2008年發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》均提到發(fā)展以棉籽為原料的生物柴油。以棉籽仁榨油為原料制備生物柴油，其產(chǎn)率超過95%[17]。

3 低酚棉種子利用的前景

3.1 低酚棉品種的選育與開發(fā)

結(jié)合低酚棉種子在生產(chǎn)中的利用情況，制定低酚棉品種的選育目標(biāo)，提高低酚棉的產(chǎn)量。開發(fā)低酚棉品種的選育，可使棉籽仁中的棉酚含量接近于零，大幅度提高棉籽蛋白質(zhì)和棉籽油的利用價(jià)值[34]。結(jié)合棉酚的抗病蟲性的特點(diǎn)，可將種子低棉酚、棉株高棉酚類型的棉花品種選擇作為育種方向；同時(shí)結(jié)合棉籽仁高蛋白、高賴氨酸等性狀，加強(qiáng)高亞油酸低酚棉的選育，進(jìn)一步提高其營(yíng)養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3.2 深入研究相關(guān)配套的加工工藝，實(shí)現(xiàn)棉花副產(chǎn)品的充分利用

目前，國(guó)內(nèi)一些大型公司如中國(guó)集團(tuán)（CG集團(tuán)）公司可以生產(chǎn)高質(zhì)量的棉蛋白、棉油、棉短絨、棉殼等產(chǎn)品[35]。CG集團(tuán)公司擁有從剝殼、壓胚，棉酚處理、萃取油脂產(chǎn)生精煉棉毛油、產(chǎn)出半成品蛋白，再進(jìn)一步加工產(chǎn)出精煉棉籽油、棉籽糖、棉酚等物質(zhì)的提取等較為完善的生產(chǎn)線。但仍需要產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，各領(lǐng)域協(xié)同發(fā)展，優(yōu)化棉副產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程，提高現(xiàn)有生產(chǎn)線的產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本，充分提煉棉花種子中的各種成分，如單寧、植酸、氟鈴脲等多抗?fàn)I養(yǎng)因子[36]，提高棉花副產(chǎn)品產(chǎn)值。

3.3 減輕外界環(huán)境和栽培管理對(duì)低酚棉種子質(zhì)量的影響

溫度、干旱、微量元素用量、施肥、地力和棉株長(zhǎng)勢(shì)等因素都會(huì)影響低酚棉種子的發(fā)育[37]。低溫影響棉花種子干物質(zhì)和油分的積累，導(dǎo)致種子質(zhì)量變小，含油量降低；長(zhǎng)期干旱顯著降低蛋白質(zhì)和脂肪含量；受風(fēng)雨侵蝕的棉花種子，游離脂肪酸含量增加[1]；種仁中脂肪和蛋白質(zhì)含量與棉株長(zhǎng)勢(shì)或施氮[1]、鉀量高低有關(guān)，但鉀肥會(huì)明顯提高棉花種子中棉酚的含量，不利于種子的綜合利用[38]。收獲時(shí)期和棉鈴著生部位也會(huì)影響棉籽的蛋白質(zhì)含量、油分含量、脂肪酸組分中棕櫚酸和油酸含量[39]。綜上，適當(dāng)調(diào)節(jié)田間管理措施，減輕外界環(huán)境對(duì)低酚棉種子的影響，以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的低酚棉種子，利于實(shí)現(xiàn)低酚棉種子利用價(jià)值的最大化。