303-45-7 / 微生物發(fā)酵降解棉粕游離棉酚研究進(jìn)展

棉粕(cottonseed meal, CSM)是棉籽經(jīng)脫殼、加熱、壓扁成薄片用溶劑己烷浸出油后，所剩余的副產(chǎn)品。我國(guó)是一個(gè)產(chǎn)棉大國(guó)，2013年棉籽產(chǎn)量為1104.91萬(wàn)噸，棉粕產(chǎn)量437.20萬(wàn)噸。棉粕是我國(guó)重要的餅粕類(lèi)飼料原料,其產(chǎn)量?jī)H次于大豆粕。棉籽餅粕中蛋白質(zhì)含量可達(dá)34%，而棉仁餅粕粗蛋白質(zhì)可達(dá)41%~60%，是一種非常有價(jià)值的飼料蛋白原料[1]。棉籽餅粕賴氨酸含量較低,為1.40%~2.13%,只有豆粕含量的50%左右,而精氨酸含量較高,為3.94%~4.98%，精氨酸和賴氨酸比達(dá)2.7以上，遠(yuǎn)超過(guò)了1.2理想值[2]。由于棉粕含有有毒物質(zhì)游離棉酚,會(huì)對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)、發(fā)育和繁殖等造成不良影響[3-4],棉粕在飼料中的使用量也因此受到了限制，使用量?jī)H為30%左右。棉粕脫毒方法有很多，主要分為物理脫毒[5-6]、化學(xué)脫毒[7-8]、微生物發(fā)酵脫毒[9-11]三大類(lèi)，其中微生物脫毒法是我國(guó)研究發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特方法,在世界處于領(lǐng)先地位,也為世界棉粕脫毒研究工作做出了巨大貢獻(xiàn)。

棉酚的結(jié)構(gòu)及其毒性

棉酚最早是由英國(guó)化學(xué)家Longmore (1886)從棉籽中分離出來(lái)的一種黃色的色素物質(zhì)，后由俄國(guó)人Marchlewski（1899）分離提純，并將其命名為棉酚(Gossypol)[12]。棉酚(gossypol)，分子式為C30H30O8，結(jié)構(gòu)式如圖1所示[13]，分子量為518.5，具有羥基醛型(ald-ald)，半縮醛型(lactol-lactol)和烯醇型(ketol-ketol)三種互變異構(gòu)體。

棉酚是一種易溶于乙醇、甲醇、丙酮、氯仿、乙醚等有機(jī)溶劑的物質(zhì)，但不溶于低沸點(diǎn)的水和石油醚。棉酚大約占棉粕干物質(zhì)量的0.03%~2.0%，通常以結(jié)合棉酚與游離棉酚兩種形式存在，游離棉酚含有活性的羥基和活性醛基，具有毒性，而結(jié)合棉酚只是棉酚與蛋白質(zhì)或氨基酸等的結(jié)合物，不具有毒性。棉酚被動(dòng)物攝取后，大部分在消化道形成結(jié)合物排出體外，只有小部分被機(jī)體吸收,由于游離棉酚的排泄比較緩慢,長(zhǎng)期動(dòng)物體在內(nèi)積蓄會(huì)引起的慢性中毒[14]。

棉粕固態(tài)發(fā)酵及其脫毒機(jī)理

固態(tài)發(fā)酵是將一種或幾種微生物接種在含水量比較豐富卻不含流動(dòng)水的固態(tài)培養(yǎng)基上的發(fā)酵過(guò)程，這些微生物不僅定居在固態(tài)培養(yǎng)基上，并且從中攝取生長(zhǎng)繁殖所需要的各種碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽等各種營(yíng)養(yǎng)成分[15-18]。近年來(lái)由于養(yǎng)殖業(yè)普遍存在飼料原料的短缺及安全問(wèn)題，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)逐漸被應(yīng)用到新飼料開(kāi)發(fā)和利用上。與液態(tài)發(fā)酵相比，固態(tài)發(fā)酵具有發(fā)酵工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、能耗低、環(huán)境污染小等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)研究主要集中在酒糟、醬油渣、餅粕類(lèi)農(nóng)副產(chǎn)品下腳料、畜禽產(chǎn)品加工廢棄物等,用于生產(chǎn)各種蛋白飼料與微生態(tài)制劑[19-20]。

棉粕固態(tài)微生物發(fā)酵是將一種或幾種微生物接種到固態(tài)棉粕培養(yǎng)基上，讓其在適應(yīng)條件下生長(zhǎng)繁殖和代謝，最終通過(guò)發(fā)酵來(lái)降低毒物游離棉酚的含量。目前關(guān)于棉粕發(fā)酵脫毒機(jī)理還無(wú)明確的定論，一般被歸納成兩個(gè)方面，其一就是微生物在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中產(chǎn)生某種特定的酶降解棉粕中的游離棉酚，其二就是某些蛋白質(zhì)或氨基酸被微生物利用的同時(shí)與游離棉酚發(fā)生結(jié)合，形成沒(méi)有毒性的結(jié)合棉酚[2]。

菌種篩選及其脫毒效果

微生物發(fā)酵脫毒菌種篩選最為關(guān)鍵，不同的微生物之間的脫毒能力有很大的差異。施安輝等（1998）從發(fā)霉的棉粕中分離得到兩株酵母菌與兩株霉菌,游離棉酚降解率都在70%以上。張文舉等（2006）通過(guò)醋酸棉酚無(wú)糖查氏培養(yǎng)基與醋酸棉酚麥芽汁培養(yǎng)基平板篩選技術(shù),并利用棉籽餅生物發(fā)酵的方法,從實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有菌種中選育出一株對(duì)棉酚具有較高脫毒率的菌種熱帶假絲酵母ZD-3，其脫毒率可達(dá)94.57%。朱德偉等（2010）利用醋酸棉酚從實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有菌種（產(chǎn)朊假絲酵母4株、熱帶假絲酵母5株、啤酒酵母3株、卡氏酵母1株）中篩選出具有高效脫毒作用的熱帶假絲酵母JD-9，并與棉籽糖利用率高的卡氏酵母JD-13進(jìn)行復(fù)合菌固態(tài)好氧發(fā)酵滅菌棉粕，經(jīng)過(guò)各種發(fā)酵工藝的優(yōu)化，最終使得棉粕脫毒率達(dá)到91.3%。劉建成等（2011）利用枯草芽孢桿菌屬、酵母菌屬、乳酸菌屬的6株菌對(duì)滅菌棉粕(121℃，20min)進(jìn)行復(fù)合厭氧發(fā)酵，游離棉酚含量從618.52 mg/kg降低到274.16 mg/kg，降低了55.7%。張叢等（2012）從棉田土壤中分離篩選出一株對(duì)棉酚具有降解作用的高效菌株M-9，經(jīng)鑒定為枯草芽孢桿菌，對(duì)滅菌棉粕進(jìn)行好氧發(fā)酵，其游離棉酚降解率可達(dá)到94.74%。

賈曉峰（2008）通過(guò)對(duì)棉粕進(jìn)行不同溫度及不同時(shí)間的濕熱滅菌作用，研究發(fā)現(xiàn)各滅菌組脫毒率均在85%以上，不同滅菌溫度及滅菌時(shí)間對(duì)棉籽粕底物脫毒率的差異不顯著，證實(shí)了滅菌作用在熟料發(fā)酵中起到的關(guān)鍵性作用。由于熟料發(fā)酵不僅在菌種篩選方面存在弊端，而且滅菌發(fā)酵在實(shí)際生產(chǎn)中存在高成本問(wèn)題，很多專(zhuān)家嘗試著用生料進(jìn)行發(fā)酵，并進(jìn)行菌種篩選。楊繼良（2000）結(jié)合滅菌和不滅菌固態(tài)發(fā)酵，從六個(gè)菌（酵母菌5株，木霉菌1株）中篩選出了對(duì)游離棉酚降解效果最好的酵母菌JM-3，經(jīng)過(guò)發(fā)酵工藝的優(yōu)化，不滅菌組游離棉酚含量由原來(lái)的0.080%降到0.010%，粗蛋白也由原來(lái)的33.170%提高到37.806%。聶蓬勃（2008）從實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有菌種（細(xì)菌41株、酵母菌14株、霉菌32株）中篩選出一株游離棉酚棉酚降解率最高的菌株B2，脫毒率達(dá)到43%。馬珍等（2013）利用厭氧發(fā)酵與好氧發(fā)酵相結(jié)合生料發(fā)酵的方式，從現(xiàn)有菌種中（乳酸菌，芽孢桿菌，酵母菌，腸球菌等）篩選游離棉酚降解菌株，發(fā)現(xiàn)在棉粕不滅菌的情況下，厭氧發(fā)酵比好氧發(fā)酵的效果要好，并且成功篩選出一株降解率達(dá)67.85%的EF-24菌株，經(jīng)鑒定為糞鏈球菌。

發(fā)酵工藝的選擇與優(yōu)化

左右；發(fā)酵起始pH值一般選擇自然pH值或略酸性pH值，有利于抑制雜菌生長(zhǎng)；發(fā)酵底物的含水量要根據(jù)發(fā)酵料配方的不同而略有差異,一般控制在60%~70%；至于接菌量一般不會(huì)超過(guò)10%，發(fā)酵時(shí)間在2~3天。棉粕發(fā)酵多采用真菌進(jìn)行好氧發(fā)酵，為了避免雜菌污染，發(fā)酵棉粕都會(huì)進(jìn)行滅菌處理，即熟料好氧發(fā)酵。熟料好氧發(fā)酵由于滅菌與微生物的雙重作用脫毒率較高，普遍能達(dá)到85%以上。生料發(fā)酵研究較少，生料發(fā)酵多采用厭氧發(fā)酵，與熟料好氧發(fā)酵相比，生料厭氧發(fā)酵脫毒率較低，一般在50%~60%。

發(fā)酵脫毒棉籽餅粕的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值變化

棉粕通過(guò)微生物發(fā)酵，各方面的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值都得到了提升，包括蛋白質(zhì)含量的提高及各種氨基酸含量的提高，各種抗?fàn)I養(yǎng)因子減少，適口性也得到較大的改善。楊景芝等（1999）利用篩選出的高效棉酚降解菌S9606高壓滅菌發(fā)酵棉籽粕，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵棉粕有6種必需氨基酸（蛋氨酸、賴氨酸、纈氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸）含量都有不同程度的增加，其中蛋氨酸提高35.7%~40.0%，賴氨酸提高19.4%~27.6%，同時(shí)精氨酸減少20%。顧賽紅等（2003）用黑曲霉PES對(duì)滅菌棉粕（121℃,20min）進(jìn)行固態(tài)好氧發(fā)酵處理,脫毒率達(dá)到86.5%,粗蛋白含量提高了10.92%,賴氨酸、蛋氨酸和蘇氨酸也分別提高了12.73%、22.39%、52.00%。院江等（2006）利用由乳酸菌與酵母菌等益生菌復(fù)合菌嚴(yán)格厭氧發(fā)酵滅菌棉籽殼,脫毒率達(dá)到75.4%,粗蛋白(CP)提高了2.29%,中性洗滌纖維(NDF)與酸性洗滌纖維(ADF)都有不同程度的降低，分別降低了18.21%，16.04%。徐晶等（2012）利用Bl2+Cu1（地衣芽孢桿菌+產(chǎn)朊假絲酵母）進(jìn)行棉粕復(fù)合菌固態(tài)生料厭氧發(fā)酵，取得了良好的效果，其脫毒率可達(dá)50.03%，水溶性蛋白含量為9.11%，小肽含量為6.98%。

固態(tài)發(fā)酵存在的問(wèn)題及前景展望

棉粕固態(tài)微生物發(fā)酵是目前認(rèn)為最安全有效的脫毒方法，但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題。滅菌發(fā)酵不僅會(huì)導(dǎo)致棉粕蛋白質(zhì)或氨基酸變性，造成營(yíng)養(yǎng)成分的丟失，還會(huì)使得生產(chǎn)成本大大提高，不利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；酵母菌與霉菌都是真菌，真菌發(fā)酵產(chǎn)熱大，生產(chǎn)過(guò)程不易控制，也有可能會(huì)產(chǎn)生毒素，危害動(dòng)物健康。從綜述上看，生料厭氧發(fā)酵是棉粕固態(tài)發(fā)酵中比較有前景的一種發(fā)酵方式，因?yàn)樗蟠蠊?jié)約了生產(chǎn)的成本，而且發(fā)酵工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單容易控制。目前棉粕固態(tài)生料厭氧發(fā)酵研究還比較少，發(fā)酵的效果還不是非常理想，發(fā)酵棉粕各方面的品質(zhì)要求達(dá)不到市場(chǎng)要求的水平。今后棉粕固態(tài)生料厭氧發(fā)酵主要往兩個(gè)方面進(jìn)行深入研究，首先是要篩選出更為高效的游離棉酚降解菌株，使它成為一種安全的飼料蛋白原料，還有就是要往對(duì)動(dòng)物起到保健作用的發(fā)酵棉粕功能肽方面進(jìn)行深入研究。發(fā)酵棉粕不僅解決了我國(guó)蛋白質(zhì)飼料資源匱乏的問(wèn)題，而且大大降低了飼料成本，提高了養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)?？梢?jiàn)未來(lái)的飼料行業(yè)中發(fā)酵棉粕將有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]王紅梅,葉明強(qiáng),鄺哲師,等.微生物發(fā)酵處理棉籽餅粕的研究進(jìn)展[J].中國(guó)飼料,2007,18:7-10.

[2]郭書(shū)賢,王冬梅,梁運(yùn)祥.微生物發(fā)酵棉籽餅粕脫毒與利用研究進(jìn)展[J].中國(guó)釀造,2009,01:4-10.

[3]Gamboa D A, Calhoun M C, Kuhlmann S W, et al. Tissuedistribution of gossypol enantiomers in broilers fed various cottonseed meals [J].Poultry Science, 2001, 80(7): 920-925.

[4]Lordelo M M, Davis AJ, Calhoun M C, et al. Relative toxicity of gossypol enantiomers in broilers[J].Poultry science, 2005, 84(9): 1376-1382.

[5] Hron Sr R J, Kuk M S,Abraham G, et al. Ethanol extraction of oil, gossypol and aflatoxin fromcottonseed[J]. Journal of the American Oil Chemists’ Society, 1994, 71(4):417-421.

[6]ShawrangP, Mansouri M H, Sadeghi A A, et al. Evaluation and comparison of gamma-andelectron beam irradiation effects on total and free gossypol of cottonseed meal[J]. Radiation Physics and Chemistry, 2011, 80(6): 761-762.

[7] Barraza M L, CoppockC E, Brooks K N, et al. Iron sulfate and feed pelleting to detoxify freegossypol in cottonseed diets for dairy cattle[J]. Journal of Dairy science,1991,74(10): 3457-3467.

[8] Nagalakshmi D, SastryV R B, Agrawal D K. Detoxification of undecorticated cottonseed meal by variousphysical and chemical methods[J]. Animal Nutrition and Feed Technology, 2002,2(2): 117-126.

[9]吳小月,陳金湘.利用微生物降解棉仁餅粕中游離棉酚的研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),1989,02:82-86.

[10]鐘英長(zhǎng),吳玲娟.利用微生物將棉籽中游離棉酚脫毒的研究[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1989,03:67-72.

[11]施安輝,張勇,曲品,等.高效降解棉酚菌株的選育及脫毒條件的研究[J].微生物學(xué)報(bào),1998,04:318-320.

[12]張文舉.高效降解棉酚菌種的選育及棉籽餅粕生物發(fā)酵的研究[D].浙江大學(xué),2006.

[13] Gadelha I C N, Fonseca N B S, Oloris SC S, et al. Gossypol Toxicity from Cottonseed Products[J]. The Scientific WorldJournal, 2014, 2014.

[14]王利, 汪開(kāi)毓.動(dòng)物棉酚中毒的研究進(jìn)展[J].畜禽業(yè),2002(5):26-28.

[15]徐福建,陳洪章,李佐虎.固態(tài)發(fā)酵工程研究進(jìn)展[J].生物工程進(jìn)展,2002,01:44-48.

[16]PandeyA, Soccol C R, Mitchell D. New developments in solid state fermentation:I-bioprocesses and products [J]. Process Biochemistry, 2000, 35(10): 1153-1169.

[17]孫森,宋俊梅,張長(zhǎng)山.固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國(guó)食品添加劑,2007,04:54-58.

[18]陳洪章,徐建.現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵原理與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2004.

[19]戴超,冷云偉,宗雯雯. 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的研究進(jìn)展[J].內(nèi)江科技,2008,04:96-97.

[20]常磊.棉粕固態(tài)發(fā)酵及游離棉酚降解的研究[D].暨南大學(xué),2012.

[21]朱德偉,劉志鵬,蔡國(guó)林,等.高效降解棉酚菌種的篩選及棉粕發(fā)酵脫毒工藝研究[J].中國(guó)油脂,2010,02:24-28.

[22]劉建成,馬貴軍,蔣粒薪.復(fù)合菌固態(tài)發(fā)酵棉籽粕工藝的初步研究[J].飼料工業(yè),2011,07:32-36.

[23]張叢,李佳,袁洪水,等.高效降解棉酚菌株的篩選鑒定及毒性試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,12:112-117.

[24]賈曉鋒.固態(tài)發(fā)酵對(duì)棉籽粕棉酚脫毒及蛋白質(zhì)降解的影響[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2008.

[25]楊繼良,周大云,楊偉華,等.高效降解棉酚菌種的篩選及棉餅脫毒參數(shù)的研究[J].棉花學(xué)報(bào),2000,05:225-229.

[26]聶蓬勃.發(fā)酵法降低棉粕中游離棉酚含量及提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的研究[D].華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[27]馬珍.固態(tài)厭氧發(fā)酵生棉粕降低游離棉酚含量的研究[D].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

[28] Zhang W J, Xu Z R, Zhao S H, et al.Optimization of process parameters for reduction of gossypol levels incottonseed meal by Candida tropicalis ZD-3 during solid substrate fermentation[J]. Toxicon,2006, 48:221-226.

[29] Weng X Y, Sun J Y. Biodegradation offree gossypol by a new strain of Candida tropicalis under solid statefermentation: Effects of fermentation parameters [J]. Process Biochem., 2006,41: 1663-1668.

[30]顧賽紅,孫建義,李衛(wèi)芬.黑曲霉PES固體發(fā)酵對(duì)棉籽粕營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的影響[J].中國(guó)糧油學(xué)報(bào),2003,01:70-73.

[31]楊景芝,孫衍華,牛鐘相,等. 棉酚脫毒微生物的篩選及其脫毒效果的研究[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,01:28-32.

[32]院江,孫新文,丁寧,等.微生物發(fā)酵對(duì)棉籽殼營(yíng)養(yǎng)成分及游離棉酚的影響[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,03:299-301.

[33]徐晶,陳光,劉國(guó)明,等.不同菌株固態(tài)生料發(fā)酵棉籽粕的研究[J].中國(guó)油脂,2012,07:16-19.