303-45-7 / 微生物發(fā)酵降解棉粕游離棉酚研究進展

棉粕(cottonseed meal, CSM)是棉籽經脫殼、加熱、壓扁成薄片用溶劑己烷浸出油后，所剩余的副產品。我國是一個產棉大國，2013年棉籽產量為1104.91萬噸，棉粕產量437.20萬噸。棉粕是我國重要的餅粕類飼料原料,其產量僅次于大豆粕。棉籽餅粕中蛋白質含量可達34%，而棉仁餅粕粗蛋白質可達41%~60%，是一種非常有價值的飼料蛋白原料[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2.7以上，遠超過了1.2理想值[2]。由于棉粕含有有毒物質游離棉酚,會對動物生產、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，使用量僅為30%左右。棉粕脫毒方法有很多，主要分為物理脫毒[5-6]、化學脫毒[7-8]、微生物發(fā)酵脫毒[9-11]三大類，其中微生物脫毒法是我國研究發(fā)現的獨特方法,在世界處于領先地位,也為世界棉粕脫毒研究工作做出了巨大貢獻。

棉酚的結構及其毒性

棉酚最早是由英國化學家Longmore (1886)從棉籽中分離出來的一種黃色的色素物質，后由俄國人Marchlewski（1899）分離提純，并將其命名為棉酚(Gossypol)[12]。棉酚(gossypol)，分子式為C30H30O8，結構式如圖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)三種互變異構體。

棉酚是一種易溶于乙醇、甲醇、丙酮、氯仿、乙醚等有機溶劑的物質，但不溶于低沸點的水和石油醚。棉酚大約占棉粕干物質量的0.03%~2.0%，通常以結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，而結合棉酚只是棉酚與蛋白質或氨基酸等的結合物，不具有毒性。棉酚被動物攝取后，大部分在消化道形成結合物排出體外，只有小部分被機體吸收,由于游離棉酚的排泄比較緩慢,長期動物體在內積蓄會引起的慢性中毒[14]。

棉粕固態(tài)發(fā)酵及其脫毒機理

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水的固態(tài)培養(yǎng)基上的發(fā)酵過程，這些微生物不僅定居在固態(tài)培養(yǎng)基上，并且從中攝取生長繁殖所需要的各種碳源、氮源、無機鹽等各種營養(yǎng)成分[15-18]。近年來由于養(yǎng)殖業(yè)普遍存在飼料原料的短缺及安全問題，固態(tài)發(fā)酵技術逐漸被應用到新飼料開發(fā)和利用上。與液態(tài)發(fā)酵相比，固態(tài)發(fā)酵具有發(fā)酵工藝相對簡單、能耗低、環(huán)境污染小等特點。目前國內固態(tài)發(fā)酵技術研究主要集中在酒糟、醬油渣、餅粕類農副產品下腳料、畜禽產品加工廢棄物等,用于生產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，讓其在適應條件下生長繁殖和代謝，最終通過發(fā)酵來降低毒物游離棉酚的含量。目前關于棉粕發(fā)酵脫毒機理還無明確的定論，一般被歸納成兩個方面，其一就是微生物在生長繁殖過程中產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或氨基酸被微生物利用的同時與游離棉酚發(fā)生結合，形成沒有毒性的結合棉酚[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）通過醋酸棉酚無糖查氏培養(yǎng)基與醋酸棉酚麥芽汁培養(yǎng)基平板篩選技術,并利用棉籽餅生物發(fā)酵的方法,從實驗室現有菌種中選育出一株對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94.57%。朱德偉等（2010）利用醋酸棉酚從實驗室現有菌種（產朊假絲酵母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進行復合菌固態(tài)好氧發(fā)酵滅菌棉粕，經過各種發(fā)酵工藝的優(yōu)化，最終使得棉粕脫毒率達到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株菌對滅菌棉粕(121℃，20min)進行復合厭氧發(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棉酚具有降解作用的高效菌株M-9，經鑒定為枯草芽孢桿菌，對滅菌棉粕進行好氧發(fā)酵，其游離棉酚降解率可達到94.74%。

賈曉峰（2008）通過對棉粕進行不同溫度及不同時間的濕熱滅菌作用，研究發(fā)現各滅菌組脫毒率均在85%以上，不同滅菌溫度及滅菌時間對棉籽粕底物脫毒率的差異不顯著，證實了滅菌作用在熟料發(fā)酵中起到的關鍵性作用。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)酵在實際生產中存在高成本問題，很多專家嘗試著用生料進行發(fā)酵，并進行菌種篩選。楊繼良（2000）結合滅菌和不滅菌固態(tài)發(fā)酵，從六個菌（酵母菌5株，木霉菌1株）中篩選出了對游離棉酚降解效果最好的酵母菌JM-3，經過發(fā)酵工藝的優(yōu)化，不滅菌組游離棉酚含量由原來的0.080%降到0.010%，粗蛋白也由原來的33.170%提高到37.806%。聶蓬勃（2008）從實驗室現有菌種（細菌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，脫毒率達到43%。馬珍等（2013）利用厭氧發(fā)酵與好氧發(fā)酵相結合生料發(fā)酵的方式，從現有菌種中（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67.85%的EF-24菌株，經鑒定為糞鏈球菌。

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；發(fā)酵底物的含水量要根據發(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超過10%，發(fā)酵時間在2~3天。棉粕發(fā)酵多采用真菌進行好氧發(fā)酵，為了避免雜菌污染，發(fā)酵棉粕都會進行滅菌處理，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養(yǎng)價值變化

棉粕通過微生物發(fā)酵，各方面的營養(yǎng)價值都得到了提升，包括蛋白質含量的提高及各種氨基酸含量的提高，各種抗營養(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%，同時精氨酸減少20%。顧賽紅等（2003）用黑曲霉PES對滅菌棉粕（121℃,20min）進行固態(tài)好氧發(fā)酵處理,脫毒率達到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合菌嚴格厭氧發(fā)酵滅菌棉籽殼,脫毒率達到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+產朊假絲酵母）進行棉粕復合菌固態(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)酵存在的問題及前景展望

棉粕固態(tài)微生物發(fā)酵是目前認為最安全有效的脫毒方法，但在實際生產應用中還存在一些問題。滅菌發(fā)酵不僅會導致棉粕蛋白質或氨基酸變性，造成營養(yǎng)成分的丟失，還會使得生產成本大大提高，不利于產業(yè)化生產；酵母菌與霉菌都是真菌，真菌發(fā)酵產熱大，生產過程不易控制，也有可能會產生毒素，危害動物健康。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，因為它大大節(jié)約了生產的成本，而且發(fā)酵工藝也相對簡單容易控制。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要求達不到市場要求的水平。今后棉粕固態(tài)生料厭氧發(fā)酵主要往兩個方面進行深入研究，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，還有就是要往對動物起到保健作用的發(fā)酵棉粕功能肽方面進行深入研究。發(fā)酵棉粕不僅解決了我國蛋白質飼料資源匱乏的問題，而且大大降低了飼料成本，提高了養(yǎng)殖業(yè)的經濟效應。可見未來的飼料行業(yè)中發(fā)酵棉粕將有廣闊的發(fā)展和應用前景。

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