羽毛粉的加工工藝及在水產(chǎn)飼料中的應(yīng)用

孫靜　鄧岳松　何托宇等

關(guān)鍵詞：羽毛粉；加工工藝；肉禽；水產(chǎn)飼料

0 引言

我國是肉禽生產(chǎn)和消費大國，2022 年全國家禽總出欄量161.4 億只，較2021 年增長了2.5%。羽毛是家禽的屠宰副產(chǎn)物，占家禽體重的5%-7%，我國每年羽毛產(chǎn)量超過100 萬噸[1]。禽類羽毛屬于角蛋白類，蛋白質(zhì)達到85%左右，具有極高的飼用潛力[2]。羽毛粉（FeM）是家禽羽毛經(jīng)過除雜、高溫高壓處理、滅菌和干燥等加工工藝制得的淺黃色、淺灰色的粉狀產(chǎn)品[3]。研究表明，羽毛粉用作飼料原料，對于羽毛資源化利用及緩解魚粉資源供應(yīng)不足的現(xiàn)狀具有重要意義[4]。

1 羽毛粉的營養(yǎng)價值與物理性質(zhì)

羽毛粉蛋白質(zhì)含量在85%以上，由動物難以利用的角蛋白和纖維蛋白組成[2]。氨基酸含量豐富，除Met、Lys、His、Trp 4 種氨基酸含量較低外，其他氨基酸含量均高于魚粉，表1 中比較了羽毛粉和魚粉的營養(yǎng)組成和氨基酸組成。尤其是胱氨酸，在所有飼料原料中含量最高。此外羽毛粉中的維生素B12 的含量很高，礦物質(zhì)元素硫更是高達1.5%，是所有飼料原料中含量最高的[5]。

組成羽毛粉的角蛋白具有致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，角蛋白的外周分布大量的疏水性氨基酸，肽鍵及蛋白質(zhì)骨架的內(nèi)部包裹少量親水性氨基酸及基團，肽鏈之間形成許多二硫鍵，呈索狀結(jié)構(gòu)，物理化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，在水、鹽酸及稀鹽酸溶液中完全不溶解，也很難被常見的酪蛋白酶、胰蛋白酶等動物來源的酶降解[6]。因此，要想將羽毛作為飼料原料，必須先用特殊的加工方式對其進行處理。

2 羽毛粉的加工方式及對品質(zhì)的影響

為了提高羽毛粉的飼用價值，必須通過特殊的加工方式，破壞其中的二硫鍵，形成富含容易消化的可溶性多肽或寡肽，進而提高在動物體內(nèi)的消化利用率[7-8]。羽毛粉常用的加工處理方法有高溫高壓水解、酸堿化學(xué)水解、擠壓膨化、微生物發(fā)酵和酶解法等。

2.1高溫高壓水解法

高溫高壓水解法根據(jù)主要設(shè)備及供熱方式的不同分為兩種：一種是蒸汽高溫高壓水解法，羽毛經(jīng)過清洗、除塵，裝入水解罐中，利用鍋爐產(chǎn)生的熱蒸汽對水解罐中的物料進行加熱，蒸汽壓力為0.45 MPa，持續(xù)時間為60 min，經(jīng)過烘干、粉碎、化驗，最后包裝為成品；另一種是導(dǎo)熱油高溫高壓水解法，利用導(dǎo)熱油對水解罐中的物料進行加熱，在罐中水解和烘干一次性完成，而后粉碎為成品，加工參數(shù)為74 min/30 kPa[6]。

目前該法在小型羽毛粉加工企業(yè)中應(yīng)用較廣泛。高溫高壓的條件徹底破壞了角蛋白空間結(jié)構(gòu)，打破了二硫鍵，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄远嚯幕蚬央?。高溫高壓條件下，羽毛降解率可達90豫以上[9]。但高溫高壓水解條件會破壞對熱敏感的氨基酸，使蛋氨酸和胱氨酸含量減少，而且工藝流程耗能巨大，對生產(chǎn)設(shè)備的安全性能要求很高，同時產(chǎn)生廢氣、廢液污染環(huán)境。隨著機械化水平的不斷進步，蒸汽閃爆技術(shù)逐漸成為研究熱點，張益奇[10]研究證實，經(jīng)1.6 MPa，1 min 蒸汽閃爆處理，羽毛胃蛋白酶消化率和蛋白質(zhì)溶解度分別提升到85%和35%。

2.2酸堿化學(xué)水解

將一定量的羽毛、一定濃度和體積的酸（或者堿）混合煮沸，并不斷攪拌使羽毛受熱均勻，煮至待處理羽毛既保持原有色澤又可輕輕拉斷。撈出榨取膠液，用清水沖洗酸（或堿）或者用堿（或酸）中和，最后烘干、粉碎過篩即得成品[6]。目前，關(guān)于酸或堿溶液的選擇方面， 主要集中在氫氧化鈉（NaOH）、氫氧化鉀（KOH）、氫氧化鈣[Ca（OH）₂]、亞硫酸鈉（Na₂SO₃）、鹽酸（HCl）、硫酸（H₂SO₄） 和磷酸（H₃PO₄）等試劑。

強酸、強堿溶液破壞角蛋白中的二硫鍵和肽鍵，從而破壞其空間結(jié)構(gòu)，將其降解為游離氨基酸。此法常用于工業(yè)制取胱氨酸，但缺點是強堿對氨基酸破壞嚴(yán)重。實際生產(chǎn)中常用鹽酸和硫酸對羽毛進行水解，但該工藝對設(shè)備耐腐蝕性要求高，涉及強酸的安全管理，要求嚴(yán)格，產(chǎn)物廢水排放量大，干燥成本高。這些缺點限制了該工藝的應(yīng)用[1]。

2.3酶解法

酶解法主要是采用現(xiàn)代水解酶工程技術(shù)，通過多種酶及催化劑分步低溫低壓催化，然后經(jīng)過規(guī)定的高壓高溫水解滅菌，再按照科學(xué)整合的加工工藝，經(jīng)過一系列添加劑的添加，形成優(yōu)質(zhì)高效復(fù)合型酶解蛋白質(zhì)原料。酶解羽毛的蛋白酶主要有角蛋白酶、堿性蛋白酶、中性蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。郝魯江等[11]采用角蛋白酶酶解羽毛粉，羽毛分解率達到50.5%，酶解液可溶性蛋白含量為225.7 mg/L，胃蛋白酶體外消化率達到23%；單春喬等[12]先采用高溫和強堿預(yù)處理，在此基礎(chǔ)上采用角蛋白酶進行酶解，所得羽毛粉不僅肽含量高，而且約有70%的肽分子質(zhì)量臆2 000u；朱珈琪等[13]采用堿性蛋白酶制備羽毛多肽，最終制得羽毛粉的羽毛多肽含量達到80.68%，可溶性蛋白含量達到92.02%。陳明等[14]通過實驗證實，加酶條件下的水解羽毛粉蛋白質(zhì)降解率比普通水解羽毛粉降解率顯著提高。

用酶解法加工溫度低，生產(chǎn)的羽毛粉熱敏氨基酸基本不會被破壞，效果較好而且穩(wěn)定，因此在實際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

2.4微生物發(fā)酵法

微生物發(fā)酵法利用微生物對羽毛進行降解。1988 年，研究人員發(fā)現(xiàn)馬爪甲團囊菌能分解角蛋白。分解羽毛粉角質(zhì)蛋白的微生物在自然界普遍存在，主要來自包括細(xì)菌、真菌和放線菌在內(nèi)的30余種微生物，這些微生物可以分泌大量高效降解羽毛的降解酶。周童娜等[15]篩選出的金黃色節(jié)桿菌經(jīng)過72 h 發(fā)酵，對羽毛角蛋白的降解率可達75%。劉標(biāo)等[16]篩選出的1 株凝結(jié)芽孢桿菌對豬毛角蛋白降解率為77.3%。

楊剛等[17]通過測定蛋白酶活力和羽毛中可溶性蛋白含量評價米曲霉和枯草芽孢桿菌對羽毛的降解效果，結(jié)果表明，米曲霉和枯草芽孢桿菌均可對羽毛粉起到降解作用，其中米曲霉的降解效果更為明顯。楊可心[18]篩選出可3 天降解羽毛、產(chǎn)可溶性蛋白的菌株貝萊斯芽孢桿菌NLG1，羽毛發(fā)酵液上清液中可溶性蛋白含量達到32.76 滋g/mL。

微生物發(fā)酵法可以提高羽毛粉的消化率和氨基酸的平衡率，改善其適口性。

3 在水產(chǎn)飼料中的應(yīng)用

3.1對水產(chǎn)動物生長的影響

目前，關(guān)于水解羽毛粉在水產(chǎn)動物中的研究結(jié)果表明，適量的羽毛粉可替代魚粉為水產(chǎn)動物提供蛋白，且不會對魚體造成影響。對牙鲆、三文魚、胡子鯰、歐洲鱸等的研究表明，羽毛粉替代一定比例的魚粉不會對生長產(chǎn)生影響[19]。吳桐強等[20]研究發(fā)現(xiàn)黃顙魚飼料中羽毛粉替代7.5%的魚粉不會對生長造成影響，但是超過7.5%的替代水平則會抑制黃顙魚生長。在彭澤鯽中研究表明全水解羽毛粉蛋白替代15%-45%魚粉蛋白對彭澤鯽生長無顯著影響，而替代比例達到60%時，魚的生長被顯著抑制[21]。水解工藝處理的羽毛粉容易造成氨基酸不平衡，賴氨酸含量較低，則會影響動物生長。曹素會[5]和劉興旺等[22]在異育銀鯽和大菱鲆中的研究顯示，在添加羽毛粉的飼料中補充晶體賴氨酸和蛋氨酸對水產(chǎn)動物的生長指標(biāo)有一定改善作用。劉峰等[23]在黑鯛的研究中發(fā)現(xiàn)，飼料中添加5%的酶解羽毛粉或膨化羽毛粉用于替代魚粉，對黑鯛的生長性能無顯著影響，而5豫酸解羽毛粉和高溫高壓水解羽毛粉替代黑鯛飼料中的魚粉則顯著降低了黑鯛幼魚的SGR 和FCR 等生長性能指標(biāo)。筆者認(rèn)為黑鯛作為肉食性魚類對氨基酸需求較多，酶解羽毛粉與膨化羽毛粉中氨基酸含量充足，而酸解羽毛粉和高溫高壓水解羽毛粉加工過程中對氨基酸的破壞性大，導(dǎo)致適口性、限制性氨基酸含量以及消化率等變差，因此替代魚粉后對黑鯛幼魚的生長性能帶來負(fù)面影響。因此，飼料中添加羽毛粉對生長的影響可能與羽毛粉的加工方式、水產(chǎn)動物種類及其生長所需營養(yǎng)條件有關(guān)。

3.2對免疫及抗氧化能力的影響

目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖集約化程度越來越高，魚類固有的行為、營養(yǎng)、生理等生物學(xué)需求受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，極易受到環(huán)境因子、飼料、飼養(yǎng)管理等方面的影響發(fā)生應(yīng)激。大量研究證明：在眾多應(yīng)激中，氧化應(yīng)激是尤為重要的一種方式。GPX、CAT、SOD是水生生物中3 種主要的抗氧化酶。劉峰等[23]在黑鯛的研究中發(fā)現(xiàn)，5%的高溫高壓水解羽毛粉組與酸解羽毛粉組替代魚粉，羽毛粉組的SOD 活性顯著低于對照組，可能是替代魚粉對黑鯛的免疫系統(tǒng)有一定的影響。同時還發(fā)現(xiàn)高溫高壓水解羽毛粉組與酸解羽毛粉組轉(zhuǎn)氨酶活性顯著高于對照組，說明這兩種羽毛粉替代魚粉可能會對肝臟造成一定損傷。陳秀梅等[24]在異育銀鯽飼料中添加羽毛粉部分替代10%的魚粉，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，羽毛粉組的異育銀鯽肝胰臟和腸道抗氧化酶SOD、CAT 和GSH-Px 活力顯著下降，MDA 含量顯著上升。這表明，羽毛粉的直接添加對異育銀鯽造成了一定程度的應(yīng)激。而添加200-400 mg/kg 的角蛋白酶，對異育銀鯽的抗氧化能力無不良影響。曹宏忠[21]測定腸道血清中抗氧化酶的活性，結(jié)果表明45%和60%的全水解羽毛粉蛋白替代魚粉蛋白后，彭澤鯽的血清、肝臟和中腸組織的消化、免疫和抗氧化指標(biāo)及組織形態(tài)結(jié)構(gòu)受到顯著影響。而Campos 等[19]發(fā)現(xiàn)添加12.5%水解羽毛粉替代76%魚粉飼喂歐洲海鱸幼魚不影響免疫功能。綜上，用羽毛粉產(chǎn)品飼喂水產(chǎn)動物時會因羽毛粉種類、用量等不同而導(dǎo)致免疫及抗氧化能力不同。

3.3對水產(chǎn)動物品質(zhì)的影響

肉質(zhì)和體色是評價水產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。影響魚肉品質(zhì)的因素眾多，包括魚的生長環(huán)境、營養(yǎng)獲取量、魚的貯藏方式、魚的健康狀況、魚的屠宰方式等。在彭澤鯽研究中，肌肉的硬度、內(nèi)聚性和咀嚼度隨著全水解羽毛粉蛋白替代魚粉蛋白比例的上升而呈上升趨勢。因此推測全水解羽毛粉蛋白可能會通過影響彭澤鯽肌肉細(xì)胞的發(fā)育來影響彭澤鯽肌肉的肉質(zhì)，但具體的原因還需后續(xù)實驗進一步探明[21]。祝焱彬[25]在凡納濱對蝦的研究中發(fā)現(xiàn)，2%-8%的水解羽毛粉替代魚粉對凡納濱對蝦肌肉脂肪酸的組成無顯著影響。當(dāng)水解羽毛粉替代魚粉蛋白添加水平為4%時，凡納濱對蝦肌肉的嫩度、系水性及蒸煮損失均無顯著變化，但添加水平升高到8%時，其肌肉品質(zhì)顯著下降，嫩度、系水性及蒸煮損失均有顯著變化[26]。當(dāng)羽毛粉代替魚粉的比例超過25%時，可以提高黃顙魚肌肉硬度、膠黏性，表明水解羽毛粉有助于黃顙魚肌肉品質(zhì)的提升[20]。水產(chǎn)動物的體色一方面直接受到飼料源中色素物質(zhì)的影響，另一方面也會間接受到外界環(huán)境、飼料營養(yǎng)與機體健康狀況的影響。對黃顙魚來說，黑色素細(xì)胞和黃色素細(xì)胞及相關(guān)色素體在體色形成中的作用最為重要，當(dāng)羽毛粉替代魚粉水平為5%時，對魚體黑色素合成能力會產(chǎn)生不利影響。隨著HFM 水平的升高，葉黃素含量會出現(xiàn)先下降后上升的趨勢，且在替代水平為5%時，黃顙魚葉黃素含量最低，且與對照組差異顯著。可能是由于當(dāng)HFM 替代水平為5%時，黃顙魚消化率較低，營養(yǎng)素吸收效率較低，導(dǎo)致飼料葉黃素攝入不足，魚體葉黃素沉積減少。在中華鱉中，飼料中添加酶解羽毛粉可以影響中華鱉的腹部a* 值（紅度），然而對于背部體色無顯著影響[26]。目前關(guān)于羽毛粉對體色的相關(guān)影響機制還不完全清楚，有待今后做進一步研究。

4 展望

羽毛粉是一種利用價值較高的蛋白質(zhì)資源，在水產(chǎn)飼料中應(yīng)用潛力巨大。不同的加工方式對羽毛粉的營養(yǎng)成分和品質(zhì)影響很大。合理地將各種加工方法有機結(jié)合，找到一個更高效、穩(wěn)定的方式，將成為今后羽毛粉蛋白研究的熱點方向。羽毛粉由于適口性差、氨基酸不平衡等原因?qū)λa(chǎn)動物的生長、抗氧化性能及品質(zhì)都有一定影響，與其他蛋白源混合或者添加包被晶體氨基酸，可以改善其適口性和氨基酸平衡，從而使羽毛粉廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)飼料中，進一步降低水產(chǎn)動物對魚粉的依賴。