棉籽作畜禽飼料的營養(yǎng)價值、脫毒方法及應用研究進展

劉永明，關淑仙，王文靜，任茂智，李付廣*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所/ 棉花生物育種與綜合利用全國重點實驗室，河南 安陽455000；2.四川省內(nèi)江市農(nóng)業(yè)科學院，四川 內(nèi)江641000）

隨著城鄉(xiāng)居民收入的增長和消費結(jié)構的轉(zhuǎn)型升級，全國畜禽產(chǎn)品的需求量持續(xù)增長，導致飼養(yǎng)畜禽所需的蛋白質(zhì)飼料短缺問題日益嚴重。大豆作為我國飼料中蛋白質(zhì)的主要來源， 主要依賴進口；2020 年我國大豆進口量已突破1 億t，是全球最大的大豆進口國[1]。 在全球政治和經(jīng)貿(mào)環(huán)境不斷變化的新形勢下，地緣政治風險和國際貿(mào)易摩擦不斷升級，糧食、油料等進口貿(mào)易面臨許多挑戰(zhàn)和不確定性。因此，為了應對蛋白質(zhì)飼料短缺問題，需要積極尋求新的蛋白質(zhì)飼料資源，并深入開發(fā)現(xiàn)有資源。

棉花作為世界上最重要的經(jīng)濟作物之一，在全球超過70 個國家種植。 棉花的天然纖維可供紡織工業(yè)使用， 其棉籽可用于食品和牲畜飼料等的生產(chǎn)[2]。每生產(chǎn)1 kg 皮棉，平均產(chǎn)生約1.65 kg 棉籽[3]。據(jù)國家糧油信息中心預估（http://www.chinaoils.cn/meeting/rcgq/22457.html），2022 年我國棉籽產(chǎn)量可達1 075.8 萬t，突顯其巨大應用潛力。 棉籽在飼料中的應用形式主要包括全棉籽和棉籽餅、 棉籽粕。 在美國南部和西南地區(qū)，40%～50%的棉籽被直接用作全棉籽飼料，而我國主要利用棉籽榨油后所得的棉籽餅和棉籽粕。全棉籽是經(jīng)軋花去除皮棉后得到的籽粒，包含豐富的能量、蛋白質(zhì)和纖維，具有零加工、價格低廉、供應量大等優(yōu)點，可作為牛等大型反芻動物的飼料補充劑。棉籽餅是榨油后產(chǎn)生的副產(chǎn)品，含有較高的油脂，能提供能量；而棉籽粕則是經(jīng)過預壓浸提或直接溶劑浸提取油后得到的副產(chǎn)品，油脂含量較低，粗蛋白質(zhì)含量在50%（質(zhì)量分數(shù)，下同）左右，主要被用作飼料的蛋白質(zhì)補充劑。綜上所述，棉籽產(chǎn)量巨大且營養(yǎng)豐富，有望成為緩解蛋白質(zhì)飼料短缺問題、降低飼料成本以及提高畜牧業(yè)經(jīng)濟效益的重要資源。

1 棉籽的營養(yǎng)成分與抗營養(yǎng)物質(zhì)

棉籽主要包括短絨、棉籽殼和棉籽仁。 棉籽含有大約21%的油脂、21%的蛋白質(zhì)和一定量的纖維[4-6]，是一種高脂肪、高蛋白、富含粗纖維的優(yōu)質(zhì)飼料。 同時，其種殼能防止棉籽中的蛋白質(zhì)和粗脂肪在反芻動物的瘤胃中大量降解。 研究88 個品種的棉籽蛋白質(zhì)含量發(fā)現(xiàn)， 其可被降解的蛋白質(zhì)含量為42.6%～66.9%，說明棉籽蛋白的利用效率因棉花品種而異[7]。 目前，全棉籽被廣泛用于飼養(yǎng)奶牛、肉牛、綿羊等反芻動物，其添加量一般不超過牲畜干物質(zhì)采食量的15%[8]，并且一般不用于單胃動物或幼齡反芻動物。

棉籽粕是棉籽經(jīng)過油脂提取后得到的副產(chǎn)品，富含蛋白質(zhì)，被廣泛用作奶牛、豬、禽、魚等精料配方的蛋白補充劑。 根據(jù)粗蛋白、粗纖維和粗灰分含量，《飼料用棉籽粕》（GB/T 21264－2007）[9]將棉籽粕劃分為5 級。 棉籽粕的營養(yǎng)價值受棉花品種、種植環(huán)境及脫殼榨油工藝等多方面因素影響。 據(jù)統(tǒng)計，在未去殼的棉籽粕中，蛋白質(zhì)含量為26.00%～30.90%，粗纖維含量為25.00%～26.20%，而去殼后的棉籽粕中蛋白質(zhì)含量可超過50%，同時粗纖維含量降低50%以上[10]。此外，棉籽粕中含有鈣（0.15%～0.25%）、磷（0.79%～1.71%）、銅（0.001 0%～0.001 8%）、鐵（0.011 0%～0.012 6%）、錳（0.002 0%～0.005 8%）、鋅（0.006 1%～0.007 0%）等多種礦物質(zhì)[10]。 研究顯示， 每千克去殼棉籽粕的能量在7.96～11.77 MJ，并受到殘留油脂含量的影響[11]。 值得注意的是，與豆粕相比，棉籽粕中賴氨酸（含量為1.76%～2.13%）、蛋氨酸（含量為0.48%～0.78%）、蘇氨酸（含量為1.31%～1.58%）含量較低，并且消化率較豆粕低[10]。

棉籽中含有棉酚和環(huán)丙烯類脂肪酸等抗營養(yǎng)因子，會對牲畜的生長發(fā)育造成不利影響，因此在棉籽飼用中尤其值得注意。棉酚是一種黃色的酚類化合物，作為棉籽中主要抗營養(yǎng)物質(zhì)，占棉籽干物質(zhì)質(zhì)量的0.02%～6.64%，并因棉花品種、種植環(huán)境和加工方法而異[12]。 棉籽中的棉酚包括結(jié)合態(tài)和游離態(tài)2 種形式，其中游離態(tài)一般占總棉酚的90%以上[7]。 結(jié)合棉酚是棉酚與蛋白質(zhì)、磷脂、氨基酸等物質(zhì)結(jié)合形成的化合物，它不能被人或畜禽的消化系統(tǒng)吸收，毒性很低，可通過糞便快速排出。 相反，游離棉酚具有活性醛基和活性羥基，對細胞、神經(jīng)系統(tǒng)和血管等有明顯的毒害作用。游離棉酚不僅會擾亂動物機體正常的生理機能，降低雄性動物的生殖功能，還會導致棉籽粕中賴氨酸的有效利用率下降[13]。 美國食品和藥物監(jiān)督管理局（U.S.Food and Drug Administration, FDA） 以及世界衛(wèi)生組織（World Health Organization,WHO） 分別將食品中游離棉酚的限制含量設定為0.045%和0.060%。 而根據(jù)《飼料衛(wèi)生標準》（GB 13078－2017）[14]， 棉籽餅、棉籽粕中游離棉酚的含量不應高于0.12%。 此外，《無公害食品 漁用配合飼料安全限量》（NY 5072－2002）[15]還規(guī)定，溫水雜食性魚類和蝦類配合飼料中游離棉酚的含量應低于0.030%， 而冷水性魚類和海水魚類配合飼料中游離棉酚的含量應在0.015%以下。 然而，目前棉花生產(chǎn)中主要種植的仍然是高棉酚品種，得到的棉籽粕中的游離棉酚含量最高可達0.53%[11]。

棉籽中的環(huán)丙烯脂肪酸主要包括錦葵酸、蘋婆酸和二氫蘋婆酸，在棉籽油和棉籽粕中會有少量殘留。 環(huán)丙烯脂肪酸是去飽和酶系統(tǒng)的拮抗因子，對蛋雞的肝臟健康和雞蛋質(zhì)量產(chǎn)生不利影響[16]，同時還會改變蛋雞脂肪酸組成和膽固醇含量[17-18]。此外，棉籽中還存在植酸及植酸鹽、α- 半乳糖苷、非淀粉多糖等抗營養(yǎng)因子，它們也在一定程度上影響動物的生長和繁殖[19]。

2 棉籽的脫毒處理

2.1 創(chuàng)制低棉酚種質(zhì)

阻礙棉籽在畜牧生產(chǎn)中廣泛應用的主要原因是游離棉酚的存在。棉酚可以協(xié)助棉花抵御病蟲害和非生物脅迫，但也會對動物的正常呼吸、生殖和免疫系統(tǒng)造成嚴重影響，只有牛等大型反芻動物才能安全地消化這種毒素[20]。 因此，育種家一直嘗試培育出植株有腺體、種子無腺體的理想棉花種質(zhì)材料。目前部分棉酚生物合成基因和腺體形成關鍵調(diào)控因子已經(jīng)被鑒定[21-22]，而其功能缺失突變體已經(jīng)成功應用在高產(chǎn)和高抗病性的低棉酚或無腺體品種的選育中[23-24]。隨著生物技術的快速發(fā)展，人們更傾向于通過基因工程來快速地在棉籽中特異性降低棉酚含量。通過組織特異性RNA 干擾技術，靶向沉默棉酚合成途徑的關鍵基因CDN或者腺體形成基因GoPGF， 可使種子中棉酚含量降低95%以上且并不影響植株其他器官的棉酚含量[3，25]。最近，國內(nèi)研究者通過基因編輯技術靶向左旋棉酚合成基因GhDIR5， 特異地清除具有生殖毒性的左旋棉酚，而保留具有抗蟲抗菌活性的右旋棉酚，創(chuàng)制出高抗、棉籽低毒的棉花材料[26]。

2.2 生產(chǎn)低棉酚籽粕

為了確保棉籽及其加工產(chǎn)品在非反芻動物（如雞、豬和魚）中的安全使用，可以采用物理、化學和生物等多種方式，通過脫毒的流程來降低其棉酚含量[27-28]。最初，從棉籽粕中去除棉酚采用的是傳統(tǒng)的物理方法，如腺體浮選技術、熱處理、壓力蒸煮和液體旋風分離過程。 然而，這些工藝的加工成本較高[20]。近年來，適宜劑量的伽馬射線、電子束輻照和脈沖磁場等物理手段，以其操作簡便、經(jīng)濟高效和環(huán)境友好等優(yōu)勢，被廣泛應用于降低棉籽及其加工產(chǎn)品中游離棉酚或總棉酚的含量[29-31]。 棉酚可以溶解于極性溶劑， 因此針對從棉籽粕中提取棉酚，已經(jīng)開發(fā)了基于乙醇、甲醇、異丙醇、丁醇和丙酮等溶劑的提取工藝。 研究表明，采用經(jīng)過磷酸酸化的乙醇、丙酮等溶劑可以有效地降低棉籽粕中的總棉酚含量，降低幅度可達90%～95%[32]。 在另一項研究中， 通過使用2- 丙醇與草酸的酸化極性溶劑成功去除了棉籽粕中高達95.43%的棉酚[33]。 此外，研究發(fā)現(xiàn)，一些屬于念珠菌屬、擬球酵母屬、曲霉屬、毛霉屬、根霉屬和芽孢桿菌屬的微生物能夠有效降解游離棉酚[34-35]。相較于前述的物理和化學方法，微生物固體發(fā)酵法不僅能降低棉籽粕中的抗營養(yǎng)因子含量，還能在發(fā)酵過程中產(chǎn)生氨基酸、消化酶、有機酸、維生素、益生菌等，顯著提高棉籽粕的營養(yǎng)價值和適口性[28，36-37]。最近的研究表明，結(jié)合高壓蒸汽和生物發(fā)酵的復合方法能夠更高效地去除棉籽粕中的棉酚，并提高蛋白質(zhì)含量[38]。 可以預見，如果未來能實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化種植植株有腺體、種子無腺體的棉花品種，上述加工過程將不再必要。

3 棉籽的飼用研究

3.1 牛飼喂研究

由于瘤胃微生物能夠有效分解棉酚，?？梢赃M食全棉籽或脫脂棉籽餅粕。 在奶牛飼喂方面，通常全棉籽的飼喂量可占日糧干物質(zhì)的10%～15%，但對于6 個月內(nèi)的犢牛，一般應禁用全棉籽。目前，棉籽和脫脂棉籽餅、棉籽粕對奶牛產(chǎn)奶量、奶質(zhì)、經(jīng)濟效益、生長發(fā)育和干物質(zhì)采食量等的影響已經(jīng)有廣泛研究。 通過對近4 000 頭奶牛的飼養(yǎng)試驗和大規(guī)模生產(chǎn)試驗，發(fā)現(xiàn)在奶牛飼料中，用10%～15%的脫酚棉籽蛋白代替豆粕，可以使奶牛的產(chǎn)奶量提高13.83%，并增加25%～30%的總利潤[39]。 用棉籽飼喂泌乳盛期的奶?？商岣弋a(chǎn)奶量9.74%，平均每頭奶牛每日經(jīng)濟效益增加2.48 元， 同時能加快泌乳盛期奶牛體質(zhì)的恢復， 使自然發(fā)情率提高30 百分點[40]。 比較發(fā)現(xiàn)，棉籽粕和豆粕作為蛋白飼料時，牛的產(chǎn)奶量和奶質(zhì)相近[41-42]，其干物質(zhì)采食量和體質(zhì)量增加量也沒有顯著差異[41]。

然而，過量添加全棉籽可能產(chǎn)生不良效果。 研究發(fā)現(xiàn)， 將全棉籽的添加量從13%增加到23%會顯著降低奶牛瘤胃中甲烷的產(chǎn)生量，并導致其平均體質(zhì)量增長率和產(chǎn)奶量分別減少31%和10%[43]。類似地， 通過飼喂無棉籽、8%全棉籽、12%全棉籽和16%全棉籽飼料的試驗，發(fā)現(xiàn)：奶牛干物質(zhì)采食量和牛奶成分如乳蛋白、乳糖和非脂乳固體物含量在不同飼料處理間沒有顯著差異； 飼喂8%全棉籽的奶牛的產(chǎn)奶量比飼喂無棉籽飼料提高5.65%，但飼喂12%和16%全棉籽的奶牛的日產(chǎn)奶量并未顯著提升[44]。 最新研究發(fā)現(xiàn)，棉籽進行粉碎和混合堿預處理后飼喂， 可以顯著提高奶牛的干物質(zhì)采食量、產(chǎn)奶量以及牛奶中乳蛋白、乳脂、短鏈不飽和脂肪酸等的含量[45-46]。

除了奶牛，關于飼喂棉籽對肉牛生產(chǎn)效益的影響也有較多研究。 多項研究發(fā)現(xiàn)，飼喂15%全棉籽能夠顯著增加肉牛的體質(zhì)量、平均日增質(zhì)量、熱胴體質(zhì)量和脂肪厚度等指標，表明全棉籽可以有效地提供肉牛所需的大部分粗飼料養(yǎng)分、 脂肪和蛋白質(zhì)[47-48]。研究表明，對公牛連續(xù)2 個月飼喂其體質(zhì)量的0.7%的全棉籽，并不會影響公牛的生育能力[49]。此外， 棉籽餅可作為肉牛飼養(yǎng)中有效的纖維來源，并且比玉米青貯飼料更為經(jīng)濟[50]。

3.2 羊飼喂研究

作為反芻動物，羊也可以安全進食全棉籽和棉籽餅、棉籽粕。 目前的研究主要關注全棉籽和棉籽餅、棉籽粕飼喂對羊的健康和生產(chǎn)性能的影響。 通過設定棉籽餅替代豆粕的4 個水平（替代豆粕的比例分別為0%、33%、66%和100%）的處理，發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)成分的消化率、氮平衡、山羊的平均日增質(zhì)量和飼料轉(zhuǎn)化率等指標并未隨著飼料中棉籽餅占比的變化而改變，這表明棉籽餅可以完全替代山羊飼料中的豆粕[51]。 與此類似，研究發(fā)現(xiàn)棉籽餅可以完全替代豆粕用于羔羊的飼喂，而不會對其生產(chǎn)性能和肉質(zhì)造成損害[52]。 多項研究證實，在連續(xù)一段時間進食棉籽或棉籽餅后，山羊的血清生物化學（生化）參數(shù)未發(fā)生明顯變化，且未出現(xiàn)臨床上的中毒癥狀[53-54]。通過給綿羊分別飼喂全棉籽、棉籽餅和棉籽粕（棉酚含量分別為1 276、350、190 mg·kg－1），發(fā)現(xiàn)各處理組與未進食棉籽產(chǎn)品的對照組在干物質(zhì)進食量和瘤胃中甲烷產(chǎn)量上沒有明顯差異[55]。 在以山羊的日增質(zhì)量和胴體參數(shù)作為測量指標的研究中，添加棉籽餅或亞麻籽餅到干草中較僅喂食干草的對照組能夠顯著提高山羊的日增質(zhì)量，且這2種添加物對山羊日增質(zhì)量和胴體參數(shù)的影響相似[56]。 然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，在圈養(yǎng)羊中，添加飼喂脫絨全棉籽會影響其采食量、 消化率和攝食行為，并建議脫絨全棉籽在圈養(yǎng)羊飼料中的添加量不超過80 g·kg－1[57]。

3.3 豬飼喂研究

豬等單胃動物不能安全地消化棉酚，并且對粗纖維的消化能力非常有限，因此通常不將全棉籽加入它們的飼料中，而是使用棉籽餅或棉籽粕。 研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)營養(yǎng)消化率和氮滯留率的測定，斷奶仔豬的飼料中最高可含10%未脫絨未剝皮的棉籽餅[58]?；诿拮哑芍械睦w維含量和仔豬對氨基酸的消化率，研究者建議在仔豬斷奶后的2 周內(nèi)，添加的脫酚棉籽粕不應超過飼料的5%， 后期可以提高到10%[59]。

一些研究發(fā)現(xiàn)，飼喂棉籽餅和棉籽粕可能對豬的生長發(fā)育產(chǎn)生不良影響。 與大豆餅相比，飼喂棉籽餅會增加豬的心臟、腎臟和肝臟的質(zhì)量，同時對豬的采食量和體質(zhì)量增長有負面影響。 然而，在飼料中添加300 g·kg－1棉籽餅，顯示出較高的經(jīng)濟效益[60]。 此外，在飼料中添加60 g·kg－1脫酚棉籽粕可能對0～14 d 仔豬的營養(yǎng)消化率和腸道形態(tài)產(chǎn)生不良影響，但隨著仔豬生長，這種負面影響會逐漸減輕[61]。

3.4 雞飼喂研究

棉酚可抑制雞的生長、造成雞的跛行、降低雞蛋質(zhì)量和孵化率，因此一般采用脫酚棉籽粕進行飼喂。 多項研究表明，棉籽粕在雞日糧中10%～15%的添加量可實現(xiàn)安全飼喂， 且能夠部分替代豆粕，降低成本[62]。 生理生化指標測定顯示，將發(fā)酵后的棉籽粕以0%～12%的添加量加入肉雞飼料中，不會影響其血清生化參數(shù)或免疫器官相對質(zhì)量。 此外，8%的棉籽粕添加量可以促使肉雞體質(zhì)量快速達到最高水平[63]。一些研究表明，添加6%的棉籽粕會降低蛋雞的產(chǎn)蛋性能和雞蛋品質(zhì)[18]；然而，也有報告稱添加少量棉籽粕（5.00%、9.83%、14.42%和18.90%）和棉籽餅（3.23%～12.97%）對產(chǎn)蛋率或飼料效率沒有影響[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雞的生長性能和營養(yǎng)消化率[66]。

3.5 其他禽類飼喂研究

棉籽粕在鴨、 鵝等禽類中的飼喂效果也有報道。研究發(fā)現(xiàn)，在肉鴨飼料中添加6%的棉籽粕對其肝臟發(fā)育和血液生化指標沒有顯著影響，可以實現(xiàn)最理想的生產(chǎn)和屠宰性能，同時能在一定程度上改善胴體品質(zhì)[67]。 基于屠宰指標的考慮，建議將棉籽粕在肉鴨飼料中的添加量控制在7.51%～14.78%[68]。棉籽粕占比大于6.73%時，會降低鵝在早期生長階段（28～42 d）的生長性能，但可改善28～70 d 的生長性能。 此外，在70 d 時，各處理的總蛋白、血尿素氮、尿酸、膽固醇、甘油三酯、鈣和血清磷含量等指標沒有明顯差異[69]。 基于相同的試驗設置，發(fā)現(xiàn)飼料中添加棉籽粕對鵝的屠宰性能和肉質(zhì)沒有影響，但全量或高比例的棉籽粕替代豆粕會導致鵝胸肌中氨基酸和脂肪酸組成的變化[70]。

3.6 水產(chǎn)飼喂研究

棉籽粕作為高蛋白飼料，可以在雜食性魚類飼料中部分替代豆粕，以及在肉食性魚類和對蝦飼料中替代魚粉，顯示出良好的經(jīng)濟效益。 在不同種類的水產(chǎn)動物飼料中，棉籽餅、棉籽粕的使用量存在差異。通常，棉籽餅、棉籽粕在草魚、鰱魚、鳊魚和鱔魚等魚類飼料中的使用量為10%～20%，而在鯉魚飼料中可以適度增加至30%[71]。 最新的研究表明，添加賴氨酸和蛋氨酸的棉籽粕可以完全替代魚粉，且不會對金鯧魚的生長、營養(yǎng)狀況、血液、組織和應激生物標志物參數(shù)產(chǎn)生顯著影響[72]，但棉籽粕可能會導致幼年金鯧魚的腸道屏障功能受損[73]。 此外，不同水產(chǎn)動物對棉籽粕中粗蛋白的消化率存在差異，其中羅非魚最高可達88.4%，而中華絨螯蟹最低為71.63%， 其他魚類如草魚、 鯉魚、 花鱸等低于80%[71]。

4 展望

棉花作為一種在全球廣泛種植的纖維作物，已有超過7 000 年的栽培歷史。 我國是世界上主要產(chǎn)棉國之一，也擁有豐富優(yōu)質(zhì)的棉籽資源。目前，對棉籽營養(yǎng)價值的遺傳改良已取得進展，可提高棉籽中油脂、脂肪酸和蛋白質(zhì)含量[24，74]。 此外，有研究發(fā)現(xiàn)棉籽殼中棉酚水平較低且粗纖維含量較高，具有較高的飼用潛力[75]。 利用棉籽作為高蛋白、高能量的飼料資源可以緩解我國飼料資源緊張的現(xiàn)狀，并顯著增加棉花生產(chǎn)者的收益，這對于提升整個棉花產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟效益非常重要。 因此，棉籽的飼用價值越來越受到關注。 未來，為了進一步推廣棉籽及其產(chǎn)品在動物飼料中的應用，需要加大對棉籽脫酚工藝、動物的棉酚耐受性、低酚棉種質(zhì)、新型棉籽飼料產(chǎn)品等的研究力度。