摘 要：我国棉粕资源丰富，棉粕是优良的植物性蛋白饲料，粗蛋白含量高，基本都在40%以上，氨基酸种类丰富，但是棉粕中的游离棉酚（FG）严重限制了棉粕的利用。长期饲喂棉粕日粮会引起蛋鸡一系列的不良反应。对FG的毒性机理和脱除方法进行了阐述，总结了FG对产蛋性能、蛋品质的影响以及在体内各组织的残留规律，为棉粕的利用提供参考，并进一步指出棉粕在畜禽生产应用中需要解决的问题。
关键词：游离棉酚；脱毒；生产性能；蛋品质；残留
我国是棉花生产大国，2017年棉花总产量548.6万t，棉籽饼（粕）产量440万t左右，棉籽粕含粗蛋白质40%以上，全脱壳棉籽粗蛋白可达50%以上，此外，棉粕中的脂肪和矿物等营养素与豆粕非常接近，是动物良好的非常规蛋白质饲料资源。但棉粕中含有棉酚等抗营养因子，极大限制了其在畜禽饲料中的应用。
按存在形式不同，棉酚可分为游离棉酚（Free Gossypol，FG）和结合棉酚（Bound Gossypol，BG），其中结合棉酚是游离棉酚与生物体内的蛋白质或游离氨基酸结合而形成的结构稳定的化合物，其化学键不易打开，通常情况下无毒[1]。游离棉酚为纯棉酚与衍生物及其异构体的总和。AOCS（1985）[2]定义棉酚中易被乙醚或丙酮水溶液提取的物质为游离棉酚。大量摄入游离棉酚会引起中毒，其毒性主要由于醛基和羟基的高活性引起，大量游离棉酚进入消化道后可刺激胃肠粘膜引起胃炎，随后从消化道进入血液，随血液循环广泛分布于体内各个器官，损害肝、肾、脾、心等实质性器官[3]，造成一系列病变。
棉酚中毒后，会出现采食量下降，体重减轻，腹泻、粪便色浅、四肢无力、抽搐、呼吸困难等症状；内脏组织心、肝等实质性病变、坏死[4]；睾丸和卵巢病变，精子致畸；甚至引起死亡。单胃动物棉酚急性中毒时会引起循环衰竭，单次口服棉酚的半致死量为：大鼠2 400~3 340 mg/kg体重，小鼠500~950 mg/kg体重，豚鼠280~300 mg/kg体重，兔子350~600 mg/kg体重，猪550 mg/kg体重[5]。家禽由于受到日龄、品种以及饲粮中蛋白质的含量和品质、微量元素尤其是铁的含量 等因素的影响，对FG的耐受从160 mg/kg[6]到1 000 mg/kg[7]不等[8-10]，不同的实验环境对耐受结果影响也较大。肉鸡日粮中添加醋酸棉酚纯品到1 600 mg/kg时，肉鸡死亡率达28%[11]。以蛋鸡产蛋率为指标，部分研究表明蛋鸡可耐受的游离棉酚为200 mg/kg[12]。
1.2.1 游离棉酚对酶促反应的影响
酶促反应是酶催化底物的化学反应。棉酚可通过与酶结合或者与底物结合两种方式来阻止酶促反应。研究发现，在棉籽蛋白中加入棉酚，可降低胰蛋白酶和胃蛋白酶对酪蛋白和棉籽蛋白的消化率[13]。Lyman等[14]研究发现棉酚与底物形成棉酚-蛋白复合体后，蛋白酶对其的消化作用将降低。棉酚还可以抑制多种蛋白激酶C的活性，如蛋白酶、透明质酸酶、顶体酶、芳香基硫酸酯 酶[15]。不仅如此，棉酚还通过呼吸链解偶联作用，抑制三羧酸循环中腺苷酸环化酶等活性，降低精子活力[16]。
1.2.2 游离棉酚对矿物质的影响
棉酚能与镁离子、铁离子等结合，影响动物机能。Herman等[17]认为铁离子对棉酚的脱毒作用是通过与棉酚形成不可溶的化合物来实现的。戴云等[18]研究表明，棉酚可引起兔左心室收缩力不可逆被抑制，但是可通过补充镁离子后缓解。Braham等[19]报道棉酚可引起猪贫血，适当补充钙离子和铁离子贫血症状消失，从而也表明棉酚可与金属离子结合。
为了降低成本，提高棉粕在家畜和家禽饲料中的用量，通常需要先将棉粕脱毒，常用的脱毒技术有物理、化学、微生物等方法。
常用的物理脱毒方法是通过膨化、干热、浸泡、蒸煮等方式脱毒。棉籽粕130 ℃干热处理30 min和60 min，FG含量从880 mg/kg分别降低到740和680 mg/kg[20]。如将棉粕加压蒸煮5、10、15 min，FG含量从2 700 mg/kg分别降低到2 400、2 200和15 00 mg/kg。德国卡尔公司利用膨化加工技术，将棉籽中的游离棉酚从5 000 mg/kg降到700 mg/kg，脱毒率高达86%，并使过瘤胃蛋白含量提高20%~30%，同时可增加蛋白吸收率。综合看来，物理方法中膨化法不仅能有效降低毒素含量，还具有成本低，易操作的优点。
化学法常用的有钝化法、碱处理法、萃取法。化学钝化法是利用FG的化学性质，在一定条件下，活性醛基和羟基形成螯合物，使FG变成结合态。钝化法常用的试剂是硫酸亚铁、硫酸铵等。硫酸亚铁是目前公认的最有效的去除FG的方法。机榨棉籽饼FG含量为873 mg/kg，加入1%FeSO4·7H2O脱毒后，其FG含量为502 mg/kg[21]。棉酚是一种酚类化合物，偏酸性，能够与碱反应生成盐，因此在棉籽饼粕中添加碱性化合物，可有效的降低棉酚含量，但是处理过的棉粕味道大，适口性差，且对设备抗腐蚀要求高，投资大，成本高。碱处理法常用的试剂有硫酸亚铁、尿素、氨水、石灰水、碱、草木灰等。混合溶剂萃取法使用混合溶剂从棉粕中萃取棉酚，处理后的棉粕蛋白质质量高，品质好，但是投资大，不易推广。
目前，生物发酵是脱毒效果最好，最安全，生产成本较低，是最有发展前途的脱毒方法。棉粕经过发酵后，可有效降低FG含量，改善营养价值，主要体现在以下几个方面：1）蛋白质含量提高；2）多数必需氨基酸含量及其消化率提高，氨基酸平衡得到改善；3）小肽含量提高；4）部分酶的活性增强；5）风味改善，适口性提高。
王晓玲等[22]把醋酸棉酚与多种菌株在液体条件下共同培养，筛选获得了一株棉酚脱除率达90%以上的枯草芽孢杆菌（ST-141）。Khalaf等[23]采用热带假丝酵母进行发酵，游离棉酚降解率达92.5%。朱德伟等[24]用两种不同酵母菌混合发酵棉粕，脱毒率高达91.3%，棉酚含量从987.5 mg/kg降解至85.9 mg/kg。研究表明，用制取氨基酸液肥剩余的发酵棉粕配制饲料饲喂蛋鸡，当棉粕添加量为9%~12%时，对鸡的健康和生产性能无影响，并且可降生产成本，提高经济效益[25]。
FG可以钝化消化道组织内的多种酶，导致动物消化不良，生长受阻[26]；FG抑制胃泌素引起腹胀，从而影响动物生产性能。我国饲料卫生标准（GB 13078—2017）规定蛋鸡日粮中FG含量应≤20 mg/kg。日粮中高含量FG会影响蛋鸡的生产性能，李建国等[27]研究表明，当日粮FG达到120 mg/kg时，蛋鸡生产性能显著降低（P<0.05）。Panigrahi[28]研究显示，在饲粮中添加30%棉粕（游离棉酚含量255 mg/kg），蛋鸡产蛋量显著降低（P<0.05）。然而，刘茵茵[29]研究表明，蛋鸡日粮中FG含量为140 mg/kg时，对海赛克斯蛋雏 鸡生产性能没有影响。杨茹洁[30]用FG含量为179 mg/kg的日粮饲喂蛋鸡12周，蛋鸡生产性能和死淘率没有影响。Lordelo等[31]研究发现，用含200 mg/kg和400 mg/kg棉酚异构体饲粮饲喂蛋鸡，实验各期产蛋率均无显著（P>0.05）差异。可见，国内外有关蛋鸡饲粮中FG限制量的研究结果差异较大。并且，以生产性能为衡量指标时，蛋鸡对FG的耐受性较高。但是长期饲喂，会增加蛋鸡的死亡率，尤其会显著增加产蛋后期的死亡率，这可能与棉酚长期蓄积造成蛋鸡肝脏功能损伤有关。
FG可与蛋黄中的铁离子结合，形成黄绿或红褐色复合物，影响蛋黄品质；FG可降低鸡蛋蛋白浓度，降低蛋清品质。陈连颐等[32]研究表明，FG可导致蛋黄颜色加深，且随色泽增加煮熟后的蛋黄逐渐变硬。方琴音[33]用FG含量为30 mg/kg的饲粮饲喂蛋鸡，实验第1周即出现蛋黄变色。滑鹏欢等[34]研究表明日粮中添加FG含量达172.6 mg/kg可显著降低蛋壳强度和蛋质量（P< 0.05）。Lordelo等[31]实验表明，蛋鸡采食400 mg/kg正消旋纯棉酚饲粮20天后，异常蛋检出率及蛋黄颜色评分显著升高（P<0.05）。焦洪超等[35]分别用20 mg/kg和40 mg/kg游离棉酚日粮饲喂蛋鸡45周，并未引起鸡蛋蛋白和哈夫单位的显著性变化，但是蛋黄颜色加深。但是，刘茵茵等[29]研究表明，FG含量添加到400 mg/kg，对蛋鸡常规蛋品质（哈夫单位、蛋壳强度、蛋壳厚度、蛋形指数、蛋黄色泽、蛋黄比重）均无显著性（P>0.05）影响。某些研究表明，FG对新产鸡蛋蛋品质无影响，但是鸡蛋储存一段时间后大多出现蛋黄变色问题。Panig研究表明，HGC蛋鸡采食30%棉籽粕饲粮（FG 218 mg/kg）10周，虽然新产鸡蛋无蛋黄变色，但在5 ℃低温条件下储存2个月蛋黄变为褐色[36]；采食含FG 262 mg/kg的棉粕日粮后，鸡蛋在5 ℃存储3个月后会出现微微的桃红色，且随着时间延长，颜色加深[37]。Waldeoup研究表明，蛋鸡采食含118 mg/kg或更高（400~1 200 mg/kg）FG的饲粮，所产鸡蛋经5~6个月存储可致大量蛋黄变色，但是采食含20~59 mg/kg FG饲粮的蛋鸡，其所产鸡蛋蛋黄颜色未受影响[38]，因此，学者们推荐蛋鸡饲粮中FG含量应小于40 mg/kg，以保证鸡蛋储存6个月后蛋黄颜色不改变[38]。
随着蛋鸡每日FG摄入量的增加，蛋中FG残留量显著升高[39]，体组织内FG残留量也逐渐增加。Mohamed[40]利用14C放射追踪的方法研究鼠体内棉酚排出情况，发现76.5%棉酚都可以通过粪便排出体外，3.1%的棉酚通过尿液排出，有8.1%进入到组织中，2.4%集中在肝脏，2.3%集中在肌肉，9天以后，97.5%排出体外，但是，加入铁元素后，可减少棉酚在胃肠道吸收，增加排放速度。Proctor[40]采用放射性元素标记的棉酚对家禽进行研究，摄入的棉酚89.3%从粪便排出，将近8.9%进入鸡的组织中，而组织中50%的棉酚聚集在肝脏。棉酚在动物体内沉积量的多少排序为：肝脏>肌肉>血液>肾脏>肺，之后为心脏、脾脏和脑组织[41]。当肉鸡日粮FG含量达到100 mg/kg时，肉鸡肝脏、肾脏和肌肉中FG含量分别为32.7、6.3、1.1 mg/kg；日粮FG含量为30 mg/kg时，肝脏、肾脏肌肉中FG含量分别为10.8、2.1、0.39 mg/kg[42]。Lordelo 等[43]用含游离棉酚200、400 mg/kg 的日粮饲喂蛋鸡，第3 周时发现蛋黄中FG浓度分别达到235、386 mg/kg。而杨茹洁[30]用添加200 g/kg棉粕的日粮饲喂蛋鸡，第10周时鸡蛋中残留FG为35.27 mg/kg。焦洪超[35]用含游离棉酚20和40 mg/kg的饲粮饲喂蛋鸡，虽然生产性能没有变化，但是其肝脏中游离棉酚的沉积量呈现显著的时间和剂量效应，蛋鸡饲喂5、25和45周后，其肝脏中游离棉酚含量分别达到60、185、462 mg/kg和462、642、955 mg/kg。研究还表明，含量为20 mg/kg FG的饲粮长期饲喂蛋鸡，也会引起棉酚在蛋鸡肝脏中的蓄积，剂量效应明显，45周时蛋鸡肝细胞结构发生紊乱，内质网和线粒体损伤。可见虽然低含量棉酚不会造成畜禽生产性能和产蛋率的变化，但是FG在蛋鸡体内蓄积作用明显，即使是低FG含量日粮长期饲喂蛋鸡，也会造成蛋鸡内脏损伤。
随着中美贸易战的拉开，豆粕价格水涨船高，寻找优质的豆粕替代原料迫在眉睫，棉粕作为优质的蛋白质饲料资源，一直未得到广泛应用，主要由于我国对棉粕的评价还不够系统，评价结果差异较大。棉粕在畜禽生产中应用问题还很多，但是主要体现在以下几个方面。一是，我国在棉酚检测技术还不成熟，组织中游离棉酚检测方法差异较大，没有形成统一的标准。二是，我国饲料卫生标准中规定蛋鸡饲料游离棉酚含量≤20 mg/kg，但是对于鸡蛋及组织中棉酚残留的安全值数据研究的还比较少，棉粕经过脱毒后对蛋鸡毒性研究数据也比较少，不同蛋鸡品种、不同日龄、以及棉粕不同的加工工艺、饲粮蛋白质水平等得出的蛋鸡的毒性反应也不同，对其他畜禽的相关研究也比较少。三是，我国缺乏棉粕利用的系统的预警体系，缺乏畜禽产品质量安全风险评估系统。这些都严重限制了棉粕的广泛应用，为了能够充分利用棉粕资源，降低人类饮食风险，还需加大对棉酚及发酵棉粕安全限量等方面的研究。
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Research progress on detoxification of gossypol in cottonseed meal and the effects of free gossypol on the performance of laying hens
Abstract:China is rich in cottonseed meal resources, which contains high-quality protein with more than 40% of crude protein content and high amount of amino acid. However, it contains free gossypol (FG), a antinutrient, which seriously limits its utilization in feed industry. Laying hens can catch a series of untoward effect if being fed cottonseed meal for a long time. The toxicity mechanism of FG and the detoxification methods were summarized, as well as the effects of FG on production performance, egg quality and residual. It provides reference for application of cottonseed meal, and further points out the problems to be solved in the application of cotton meal in livestock and poultry production.
Key words:free gossypol; detoxification; production performance; egg quality; residual
DOI: 10.16210/j.cnki.1007-7561.2019.02.010
中图分类号：TS229
文献标识码：A
文章编号：1007-7561(2019)02-0050-05
收稿日期：2018-10-30
基金项目：国家重点研究计划项目（2016YFD0501200）