王清華　賀永惠　魯紅偉　劉興友

(河南科技學院動物科學學院，畜禽智能化清潔生產(chǎn)河南省工程實驗室，新鄉(xiāng)453003)

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蒸汽爆破技術對棉籽粕中游離棉酚脫毒效果研究

王清華賀永惠*魯紅偉劉興友

(河南科技學院動物科學學院，畜禽智能化清潔生產(chǎn)河南省工程實驗室，新鄉(xiāng)453003)

摘要：本試驗旨在研究蒸汽爆破技術對棉籽粕中游離棉酚的脫毒效果。采用市售棉籽粕，對其進行7種不同的蒸汽爆破處理，蒸汽壓強均固定為2.0 MPa，以水料比為0時進行維壓30 s的蒸汽爆破處理為對照，水料比為30%、50%時分別進行維壓10、20、30 s的爆破處理，每處理重復3次，以游離棉酚含量、蛋白質溶解度為指標，篩選出較佳的處理測定氨基酸含量和營養(yǎng)物質豬仿生消化率數(shù)據(jù)。結果表明：固定蒸汽壓強時，游離棉酚的脫毒率與蛋白質溶解度隨著蒸汽維壓時間延長而增加，隨著水料比的增加先增大后減少。以游離棉酚的脫毒效果與蛋白質溶解度為指標，篩選出的適宜蒸汽爆破處理為蒸汽壓強2.0 MPa，水料比30%，維壓時間30 s。此時棉籽粕中游離棉酚含量達85.0 mg/kg，脫毒率達87.0%，蛋白質溶解度為42.3%。與對照組相比，蒸汽爆破可極顯著降低棉籽粕中賴氨酸含量和精氨酸含量(P<0.01)，對體外干物質消化率和總能消化率無顯著影響(P>0.05)，極顯著降低體外粗蛋白質消化率和賴氨酸消化率(P<0.01)。由此可見，蒸汽爆破處理可降低棉籽粕游離棉酚含量、蛋白質溶解度、賴氨酸含量、精氨酸含量、體外粗蛋白質消化率和賴氨酸消化率。篩選出的適宜蒸汽爆破處理為蒸汽壓強2.0 MPa，水料比30%，維壓時間30 s。

關鍵詞：蒸汽爆破；棉籽粕；游離棉酚；蛋白質溶解度；仿生消化系統(tǒng)

蛋白質飼料資源短缺是我國畜牧業(yè)及飼料工業(yè)發(fā)展面臨的主要問題，供求缺口大，需大量進口。我國年產(chǎn)棉籽餅粕達600萬t以上，但長期以來得到高效利用的餅粕資源不足總量的30%。這一狀況與飼料行業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)乃至農業(yè)發(fā)展的實際需求存在很大差距。限制棉籽粕廣泛利用的原因是棉籽粕含有游離棉酚這一有毒有害成分。游離棉酚可直接對單胃動物產(chǎn)生毒害作用，嚴重時還會使心肌受損，降低動物的生產(chǎn)性能，嚴重制約了棉籽粕在動物飼料上的應用[1]。游離棉酚的脫毒方法可分為物理脫毒方法、化學脫毒方法和生物脫毒方法。物理脫毒方法主要包括螺旋壓榨法、熱處理法和膨化處理技術；化學脫毒方法主要包括硫酸亞鐵法、堿處理法；生物脫毒方法主要包括微生物發(fā)酵法、酶解法、遺傳學等方法。然而傳統(tǒng)的擠壓脫毒法脫毒率低；堿處理之類的化學鈍化法對設備的抗腐蝕要求高，會降低飼料的適口性；溶劑浸出法會造成溶劑殘留等缺點；微生物發(fā)酵法的處理時間長，而且優(yōu)良菌種難以培育、保種困難。本領域迫切需要一種克服上述缺點的快速去除棉籽粕中游離棉酚含量的方法。

蒸汽爆破技術是一種廣泛應用于生物質原料高效利用的蒸汽熱裂解的物理化學反應，因成本低、能耗少、無污染而備受研究者的青睞。該技術基于短時間的高溫高壓蒸汽蒸煮(200～260 ℃, 2.0～5.0 MPa)[2]，然后在毫秒級[3]的時間范圍內將容器內的全部原料炸散出來。因作用時間短、能量密度高而且集中，可引起物料物理化學結構的改變，部分的半纖維素、木質素被降解[4]。蒸汽爆破技術廣泛應用于造紙、生物質能源利用等低質原料高效利用的預處理過程中，在飼料行業(yè)的應用主要集中在小麥、黑麥、燕麥等麥類秸稈[5]及玉米秸稈[6-9]的粗飼料資源開發(fā)方面，目前還沒有對常規(guī)飼料原料開發(fā)利用的研究。宋曉旻等[10]報道，膨化加工技術可使棉籽粕的游離棉酚含量低到120～140 mg/kg。蒸汽爆破技術與膨化技術處理的相同點是它們都是通過高溫高壓發(fā)揮作用，因此本研究的理論假設是蒸汽爆破技術也可以降低棉籽粕游離棉酚含量，起到脫毒作用。本試驗的目的是利用蒸汽爆破技術開展棉籽粕游離棉酚脫毒效果的研究，以期開發(fā)棉籽粕脫毒新技術，為棉籽粕的高效利用提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗選用的市售棉籽粕的游離棉酚含量為642 mg/kg，粗蛋白質含量為33.2%，蛋白質溶解度為60.2%。

1.2試驗設備

蒸汽爆破儀QBS-80B(中國鶴壁)。

1.3試驗處理

市售棉籽粕過10目篩備用。按重量在棉籽粕中加入一定量的蒸餾水調整為一定的水料比，攪拌均勻后于自封袋中密封保存8～10 h，至充分濕潤。預熱蒸汽爆破儀，調節(jié)至一定的蒸汽壓強，把棉籽粕加入料倉，維壓一定時間，進行蒸汽爆破處理，如表1所示。每個處理爆破3次，收集樣品，65 ℃的烘箱中烘至恒重，粉碎，過40目篩的樣品用以測定游離棉酚含量、粗蛋白質含量、蛋白質溶解度與豬營養(yǎng)物質仿生消化率；過60目篩的樣品用以測定氨基酸酸水解。

1.4測定方法

游離棉酚含量按GB 13086—1991《飼料中游離棉酚的測定方法》進行測定，粗蛋白質含量、蛋白質溶解度(0.2%氫氧化鉀溶液法)利用FOSS KJELTEC 8000凱氏定氮系統(tǒng)測定(丹麥)，氨基酸采用酸水解法(6 mol/L鹽酸在110 ℃水解24 h)利用Hitachi L-8800氨基酸自動分析儀(日本)測定，以上測定均參照張麗英[11]《飼料分析及飼料質量檢測技術》的方法檢測。豬體外消化率測定采用的是中國農業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所研發(fā)的“SDS-Ⅱ單胃動物仿生消化系統(tǒng)”和方法[12]，其中消化前后樣品的能量依據(jù)ISO9831:1998，采用PARR 1281全自動氧彈式能量測定儀進行分析(美國)，氮含量采用DUMAS法(AOAC，990.03)使用Rapid N Ⅲ燃燒法快速定氮儀(德國)進行測定。

表1　蒸汽爆破處理設計

1.5統(tǒng)計方法

數(shù)據(jù)采用SAS 9.2統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析，P<0.01時為差異極顯著，P<0.05時為差異顯著。

2結果與分析

2.1蒸汽爆破對棉籽粕中游離棉酚含量與蛋白質溶解度的影響

由圖1可知，與未蒸汽爆破的對照組(游離棉酚含量為642 mg/kg)相比，蒸汽爆破處理均可明顯降低棉籽粕中游離棉酚含量(游離棉酚含量在85.0～293.6 mg/kg)，降幅在54%～87%。

在本試驗的維壓時間范圍內，游離棉酚脫毒效果與蛋白質溶解度從高到低的順序為：30 s>20 s>10 s。隨著維壓時間的延長，脫毒效果越好。在本試驗的蒸汽爆破水料比范圍內，游離棉酚脫毒效果與蛋白質溶解度從高到低的順序為：30%水料比>50%水料比>0水料比。與0水料比的蒸汽爆破相比，添加水的蒸汽爆破均可明顯緩解蛋白質溶解度的下降。

蒸汽爆破處理在降低棉籽粕中游離棉酚含量的同時，也可明顯降低棉籽粕的蛋白質溶解度。未處理棉籽粕的蛋白質溶解度為60.18%，蒸汽爆破處理后的蛋白質溶解度是23.8%～42.3%。不同處理均表現(xiàn)為蛋白質溶解度隨著維壓時間延長而提高，隨著水料比的增加而增加，但水料比為50%時，蒸汽爆破處理的蛋白質溶解度反而下降。

綜合評價游離棉酚含量與蛋白質溶解度2項指標，在固定蒸汽爆破壓強為2.0 MPa時，適合的水料比為30%，維壓時間為30 s，此時，棉籽粕中游離棉酚含量可達85.0 mg/kg，脫毒率達87.0%，蛋白質溶解度為42.3%。

圖1　蒸汽爆破處理對棉籽粕中游離棉酚含量和蛋白質溶解度的影響

2.2蒸汽爆破處理對棉籽粕氨基酸含量的影響

由表2可知，與對照組相比，蒸汽爆破處理(水料比30%、壓強2.0 MPa、維壓時間30 s)可極顯著降低棉籽粕中賴氨酸含量(P<0.01)，降幅高

達38.77%；精氨酸其次(P<0.01)，降幅達28.81%，對其他氨基酸含量影響不顯著(P>0.05)。

表2　蒸汽爆破處理對棉籽粕氨基酸含量的影響

續(xù)表2氨基酸Aminoacids對照組Controlgroup蒸汽爆破處理組Steamexplosiontreatedgroup變化率Variability精氨酸Arg5.26±0.41A3.74±0.35B-28.81脯氨酸Pro1.82±0.271.96±0.237.63

同行數(shù)據(jù)肩標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，相同或無字母表示差異不顯著(P>0.05)。下表同。

In the same row, values with different small letter superscripts mean significant difference (P<0.05), and with different capital letter superscripts mean significant difference (P<0.01), while with the same or no letter superscripts mean no significant difference (P>0.05). The same as below.

2.3蒸汽爆破處理對棉籽粕營養(yǎng)物質體外營養(yǎng)物質消化率的影響

由表3豬仿生消化試驗可知，與對照組相比，蒸汽爆破處理(水料比30%、壓強2.0 MPa、維壓時間30 s)對棉籽粕體外干物質消化率、總能消化率的影響不顯著(P>0.05)，但可極顯著降低棉籽粕體外粗蛋白質消化率和賴氨酸消化率(P<0.01)，降幅分別達20.99%和11.24%，對其他氨基酸的體外消化率無顯著影響(P>0.05)。

表3　蒸汽爆破處理對棉籽粕體外營養(yǎng)物質消化率的影響

3討論

棉籽粕是養(yǎng)殖業(yè)的一種非常規(guī)蛋白質飼料資源，棉酚含量是限制其廣泛應用的瓶頸。本試驗適宜蒸汽爆破處理棉籽粕的游離棉酚含量為85.0 mg/kg，脫毒率達87.0%，該脫毒效果與朱德偉等[13]的生物脫毒效果相當(可使棉籽粕中游離棉酚含量降低到85.9 mg/kg)。遠遠高于邱良偉等[14](固態(tài)發(fā)酵棉籽粕中游離棉酚降低到197.68 mg/kg)、馬麗等[15](發(fā)酵棉籽粕中游離棉酚含量降低到640 mg/kg)、湯江武等[16](發(fā)酵棉籽粕中游離棉酚含量降低到250 mg/kg)和聶蓬勃等[17](游離棉酚的降解率達43.0%)生物發(fā)酵棉籽粕的脫毒效果。

蒸汽爆破技術屬物理加工技術，其對棉籽粕中游離棉酚的脫毒效果高于宋曉旻等[10]報道的膨化加工處理效果(棉籽粕的游離棉酚含量為120～140 mg/kg)，也高于姚忠等[18]的硫酸亞鐵與高速粉碎(游離棉酚含量為324.5 mg/kg)與賽買提·艾買提等[19]的硫酸亞鐵(脫毒率為82.08%)對棉籽粕的脫毒效果。

棉籽粕中棉酚含量隨生產(chǎn)工藝而異，一般來說螺旋壓榨制得棉籽粕的游離棉酚含量最低，預壓浸提法次之，直接浸提法最高[20]。本研究結果證明在傳統(tǒng)的加工工藝基礎上，增加蒸汽爆破技術就可起到在高效脫毒(30 s脫毒效率達87%)的目的。與現(xiàn)有脫毒技術相比，本試驗利用蒸汽爆破技術處理，只需要用水來調整棉籽粕水料比，在室溫進行充分水化處理，不存在污染與腐蝕，不影響飼料的適口性，不需要控制發(fā)酵溫度，蒸汽爆破處理設備需要一次性投入資金，能耗只需要水、電、液化氣，只需要幾十秒的處理時間，可以快速、高效地去除棉籽粕中87%的游離棉酚，處理后的棉籽粕中游離棉酚含量可低至85.0 mg/kg，遠遠低于世界衛(wèi)生組織(規(guī)定棉籽粕中棉酚含量應小于0.04%)和我國飼料衛(wèi)生國家標準(棉籽餅粕中游離棉酚含量應低于1 200 mg/kg)的要求。

蒸汽爆破的效果受原料中的濕度(水料比)、蒸汽壓強、維壓時間3個因素的影響。高溫高壓的水蒸汽可軟化原料，并滲透入原料結構中，削弱分子間的黏結。毫秒級的時間范圍內的突然減壓，原料的急速膨脹產(chǎn)生的爆破作用，可引起原料物理化學結構的改變，從而導致游離棉酚的離解或結合棉酚的形成。

在本試驗條件下，固定蒸汽壓強時，游離棉酚的脫毒率與蛋白質溶解度隨著維壓時間延長而增加，這是因為隨著維壓時間的適當延長，反應室的蒸汽滲入原料組織內部越充分，蒸汽爆破時對原料化學結構的調整達到比較適宜的范圍內，在提高脫毒效率的基礎上對蛋白質的溶解度也起到了促進作用，從而說明本試驗的維壓時間仍處于提高脫毒效果的上升期，還未達到反應的平臺期。

在本試驗條件下，游離棉酚的脫毒率與蛋白質溶解度隨著水料比的增加而加大，但水料比達50%時，脫毒效果與蛋白質溶解度反而下降。這是因為適當增加原料濕度(水料比)，有利于原料的充分溶脹，保證原料受熱均勻，提高蒸汽爆破的處理效果，同時緩解高溫對蛋白質溶解度的不良影響。但濕度過高，會阻礙水蒸氣對原料的滲透作用，反而會降低蒸汽爆破的效果，這與王鑫[21]報道的結果相似。

與未處理的對照組相比，蒸汽爆破處理可降低棉籽粕的蛋白質溶解度、賴氨酸含量、精氨酸含量、粗蛋白質體外消化率和賴氨酸消化率。這是因為高溫高壓條件可促進蛋白質原料中美拉德反應的進行，過熱處理使原料中的還原糖與氨基酸的N-末端，尤其是賴氨酸的ε-側鏈結合，破壞賴氨酸的結構，使其喪失生物學活性，從而顯著降低原料的蛋白質溶解度、賴氨酸含量和動物的蛋白質消化率，過度的蒸汽爆破可使相當多的可消化氨基酸轉變成了“人造纖維”。因此，確立適宜的蒸汽爆破參數(shù)具有非常重要的意義。

蛋白質在0.2%氫氧化鉀溶液中的溶解度是一種評價蛋白質飼料原料過度加熱的體外檢測指標，其與動物的體外消化率呈強相關關系[22]，可作為反映體內法蛋白質利用效率，尤其是反映豆粕、菜籽粕過度加熱的較精確的評價指標。雖然蛋白質溶解度評價棉籽粕時不是一個靈敏的指標[23]，但蛋白質溶解度指標可以間接反映動物對蛋白質原料的利用效率，有助于綜合衡量蒸汽爆破這一物理脫毒方法對棉籽粕的脫毒效果。

按蛋白質溶解度與脫毒率篩選出的適宜蒸汽爆破條件為水料比30%、壓強2.0 MPa、維壓處理30 s。此蒸汽爆破條件對棉籽粕干物質消化率、總能消化率的影響變化較小，對粗蛋白質體外消化率(降幅達20.99%)、賴氨酸消化率(降幅達11.24%)的影響較大。導致賴氨酸消化率降低的原因與蒸汽爆破后棉籽粕中賴氨酸含量減少(降幅達38.77%)有關，也與爆破后殘存的賴氨酸消化率(降幅達11.24%)降低有關。

體外仿生試驗顯示蒸汽爆破對氨基酸消化率的影響與氨基酸含量的變化趨勢并不一致，說明蛋白質溶解度、氨基酸含量與營養(yǎng)物質的消化率有一定的相關，只可作為飼料加工作用的一個評價依據(jù)，并不能替代動物的消化率試驗，需要進一步開展動物試驗進行養(yǎng)分消化率的評定。

綜合評價結果為在固定蒸汽爆破壓強為2.0 MPa時，適宜的水料比為30%，適宜維壓時間為30 s，此時棉籽粕中游離棉酚含量達85.0 mg/kg，脫毒率達87.0%，蛋白質溶解度為42.3%，賴氨酸含量為1.21%，體外干物質消化率為51.20%，總能消化率為61.84%，粗蛋白質消化率為65.31%，賴氨酸消化率為55.23%。

4結論

① 蒸汽爆破處理可降低棉籽粕游離棉酚含量、蛋白質溶解度、賴氨酸和精氨酸含量、粗蛋白質和賴氨酸的體外消化率。

② 篩選出的適宜蒸汽爆破處理條件為蒸汽壓強2.0 MPa，水料比30%，維壓時間30 s。

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(責任編輯武海龍)

Detoxification Effect of Steam Explosion Technology on Free Gossypol of Cottonseed Meal

WANG QinghuaHE Yonghui*LU HongweiLIU Xingyou

(Intelligent Cleaner Production of Livestock and Poultry in Henan Province Engineering Laboratory,Department of Animal Science, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China)

Abstract:This experiment was conducted to study the detoxification of steam explosion technology on free gossypol content of cottonseed meal. Seven treatments were exploded to commercially available cottonseed meal, which water material ratio was 0, 30% and 50% and retention time was 10, 20 and 30 s per ratio of water to material, except only 30 s was exploded on 0 water material ratio (control), the steam pressure was kept at 2.0 MPa for all treated cottonseed meal. Each treatment had three replicates. The content of free gossypol and protein solubility were analyzed for choosing a better steam exploded treatment, and then the amino acid content, and nutrient digestibility in vitro by simulative digestion system of pig were analyzed. The results showed that the detoxification efficient of free gossypol and protein solubility were increased with steam retention time increased, and they were firstly increased then decreased with the water material ratio increased. So according to free gossypol content and protein solubility, water material ratio of 30%, steam pressure of 2.0 MPa for 30 s was the better steam explosion treatment, which could remove 87.0% of free gossypol content to 85.0 mg/kg in cottonseed meal, and decrease protein solubility to 42.3%. Compared with the control group, steam explosion significantly decreased lysine content and arginine content (P<0.01), and significantly decreased the digestibility of crude protein and lysine in vitro (P<0.01), but had no significant effect on the digestibility of dry matter and gross energy in vitro (P>0.05). In conclusion, steam explosion treatment can decrease the content of free gossypol, protein solubility, lysine content, arginine content, crude protein digestibility and lysine digestibility in vitro. Water material ratio of 30%, steam pressure of 2.0 MPa for 30 s is chosen as the better steam explosion treatment.[Chinese Journal of Animal Nutrition, 2016, 28(2)：524-530]

Key words:steam explosion；cottonseed meal；free gossypol；protein solubility；simulative digestion system

*Corresponding author, associate professor, E-mail: hyonghui@163.com

中圖分類號：S816.34

文獻標識碼：A

文章編號：1006-267X(2016)02-0524-07

作者簡介：王清華(1969—)，男，河南夏邑人，副教授，碩士，研究方向為飼料資源的開發(fā)利用。E-mail: qh-wang@163.com*通信作者：賀永惠，副教授，碩士生導師，E-mail: hyonghui@163.com

基金項目：河南省現(xiàn)代農業(yè)產(chǎn)業(yè)體系——生豬產(chǎn)業(yè)體系(S2012-06-02)；國家級大學生創(chuàng)新訓練項目(201310467024)

收稿日期：2015-08-05

doi：10.3969/j.issn.1006-267x.2016.02.026