棉粕(cottonseed meal, CSM)是棉籽经脱壳、加热、压扁成薄片用溶剂己烷浸出油后，所剩余的副产品。我国是一个产棉大国，2013年棉籽产量为1104.91万吨，棉粕产量437.20万吨。棉粕是我国重要的饼粕类饲料原料,其产量仅次于大豆粕。棉籽饼粕中蛋白质含量可达34%，而棉仁饼粕粗蛋白质可达41%~60%，是一种非常有价值的饲料蛋白原料[1]。棉籽饼粕赖氨酸含量较低,为1.40%~2.13%,只有豆粕含量的50%左右,而精氨酸含量较高,为3.94%~4.98%，精氨酸和赖氨酸比达2.7 以上，远超过了1.2理想值[2]。由于棉粕含有有毒物质游离棉酚,会对动物生产、发育和繁殖等造成不良影响[3-4],棉粕在饲料中的使用量也因此受到了限制，使用量仅为30%左右。棉粕脱毒方法有很多，主要分为物理脱毒[5-6]、化学脱毒[7-8]、微生物发酵脱毒[9-11]三大类，其中微生物脱毒法是我国研究发现的独特方法,在世界处于领先地位,也为世界棉粕脱毒研究工作做出了巨大贡献。
棉酚的结构及其毒性
棉酚最早是由英国化学家Longmore (1886)从棉籽中分离出来的一种黄色的色素物质，后由俄国人Marchlewski（1899）分离提纯，并将其命名为棉酚(Gossypol)[12]。棉酚(gossypol)，分子式为C30H30O8，结构式如图1所示[13]，分子量为518.5，具有羟基醛型(ald-ald)，半缩醛型(lactol-lactol)和烯醇型(ketol-ketol)三种互变异构体。
棉酚是一种易溶于乙醇、甲醇、丙酮、氯仿、乙醚等有机溶剂的物质，但不溶于低沸点的水和石油醚。棉酚大约占棉粕干物质量的0.03%~2.0%，通常以结合棉酚与游离棉酚两种形式存在，游离棉酚含有活性的羟基和活性醛基，具有毒性，而结合棉酚只是棉酚与蛋白质或氨基酸等的结合物，不具有毒性。棉酚被动物摄取后，大部分在消化道形成结合物排出体外，只有小部分被机体吸收,由于游离棉酚的排泄比较缓慢,长期动物体在内积蓄会引起的慢性中毒[14]。
棉粕固态发酵及其脱毒机理
固态发酵是将一种或几种微生物接种在含水量比较丰富却不含流动水的固态培养基上的发酵过程，这些微生物不仅定居在固态培养基上，并且从中摄取生长繁殖所需要的各种碳源、氮源、无机盐等各种营养成分[15-18]。近年来由于养殖业普遍存在饲料原料的短缺及安全问题，固态发酵技术逐渐被应用到新饲料开发和利用上。与液态发酵相比，固态发酵具有发酵工艺相对简单、能耗低、环境污染小等特点。目前国内固态发酵技术研究主要集中在酒糟、酱油渣、饼粕类农副产品下脚料、畜禽产品加工废弃物等,用于生产各种蛋白饲料与微生态制剂[19-20]。
棉粕固态微生物发酵是将一种或几种微生物接种到固态棉粕培养基上，让其在适应条件下生长繁殖和代谢，最终通过发酵来降低毒物游离棉酚的含量。目前关于棉粕发酵脱毒机理还无明确的定论，一般被归纳成两个方面，其一就是微生物在生长繁殖过程中产生某种特定的酶降解棉粕中的游离棉酚，其二就是某些蛋白质或氨基酸被微生物利用的同时与游离棉酚发生结合，形成没有毒性的结合棉酚[2]。
菌种筛选及其脱毒效果
微生物发酵脱毒菌种筛选最为关键，不同的微生物之间的脱毒能力有很大的差异。施安辉等（1998）从发霉的棉粕中分离得到两株酵母菌与两株霉菌,游离棉酚降解率都在70%以上。张文举等（2006）通过醋酸棉酚无糖查氏培养基与醋酸棉酚麦芽汁培养基平板筛选技术,并利用棉籽饼生物发酵的方法,从实验室现有菌种中选育出一株对棉酚具有较高脱毒率的菌种热带假丝酵母ZD-3，其脱毒率可达94.57%。朱德伟等（2010）利用醋酸棉酚从实验室现有菌种（产朊假丝酵母4株、热带假丝酵母5株、啤酒酵母3株、卡氏酵母1株）中筛选出具有高效脱毒作用的热带假丝酵母JD-9，并与棉籽糖利用率高的卡氏酵母JD-13进行复合菌固态好氧发酵灭菌棉粕，经过各种发酵工艺的优化，最终使得棉粕脱毒率达到91.3%。刘建成等（2011）利用枯草芽孢杆菌属、酵母菌属、乳酸菌属的6株菌对灭菌棉粕(121℃，20min)进行复合厌氧发酵，游离棉酚含量从618.52 mg/kg降低到274.16 mg/kg，降低了55.7%。张丛等（2012）从棉田土壤中分离筛选出一株对棉酚具有降解作用的高效菌株M-9，经鉴定为枯草芽孢杆菌，对灭菌棉粕进行好氧发酵，其游离棉酚降解率可达到94.74%。
贾晓峰（2008）通过对棉粕进行不同温度及不同时间的湿热灭菌作用，研究发现各灭菌组脱毒率均在85%以上，不同灭菌温度及灭菌时间对棉籽粕底物脱毒率的差异不显著，证实了灭菌作用在熟料发酵中起到的关键性作用。由于熟料发酵不仅在菌种筛选方面存在弊端，而且灭菌发酵在实际生产中存在高成本问题，很多专家尝试着用生料进行发酵，并进行菌种筛选。杨继良（2000）结合灭菌和不灭菌固态发酵，从六个菌（酵母菌5株，木霉菌1株）中筛选出了对游离棉酚降解效果的酵母菌JM-3，经过发酵工艺的优化，不灭菌组游离棉酚含量由原来的0.080%降到0.010%，粗蛋白也由原来的33.170%提高到37.806%。聂蓬勃（2008）从实验室现有菌种（细菌41株、酵母菌14株、霉菌32株）中筛选出一株游离棉酚棉酚降解率最高的菌株B2，脱毒率达到43%。马珍等（2013）利用厌氧发酵与好氧发酵相结合生料发酵的方式，从现有菌种中（乳酸菌，芽孢杆菌，酵母菌，肠球菌等）筛选游离棉酚降解菌株，发现在棉粕不灭菌的情况下，厌氧发酵比好氧发酵的效果要好，并且成功筛选出一株降解率达67.85%的EF-24菌株，经鉴定为粪链球菌。
发酵工艺的选择与优化
左右；发酵起始pH值一般选择自然pH值或略酸性pH值，有利于抑制杂菌生长；发酵底物的含水量要根据发酵料配方的不同而略有差异,一般控制在60%~70%；至于接菌量一般不会超过10%，发酵时间在2~3天。棉粕发酵多采用真菌进行好氧发酵，为了避免杂菌污染，发酵棉粕都会进行灭菌处理，即熟料好氧发酵。熟料好氧发酵由于灭菌与微生物的双重作用脱毒率较高，普遍能达到85%以上。生料发酵研究较少，生料发酵多采用厌氧发酵，与熟料好氧发酵相比，生料厌氧发酵脱毒率较低，一般在50%~60%。
发酵脱毒棉籽饼粕的营养价值变化
棉粕通过微生物发酵，各方面的营养价值都得到了提升，包括蛋白质含量的提高及各种氨基酸含量的提高，各种抗营养因子减少，适口性也得到较大的改善。杨景芝等（1999）利用筛选出的高效棉酚降解菌S9606高压灭菌发酵棉籽粕，发现发酵棉粕有6种必需氨基酸（蛋氨酸、赖氨酸、缬氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸）含量都有不同程度的增加，其中蛋氨酸提高35.7%~40.0%，赖氨酸提高19.4%~27.6%，同时精氨酸减少20%。顾赛红等（2003）用黑曲霉PES对灭菌棉粕（121℃,20min）进行固态好氧发酵处理,脱毒率达到86.5%,粗蛋白含量提高了10.92%,赖氨酸、蛋氨酸和苏氨酸也分别提高了12.73%、22.39%、52.00%。院江等（2006）利用由乳酸菌与酵母菌等益生菌复合菌严格厌氧发酵灭菌棉籽壳,脱毒率达到75.4%,粗蛋白(CP)提高了2.29%,中性洗涤纤维(NDF)与酸性洗涤纤维(ADF)都有不同程度的降低，分别降低了18.21%，16.04%。徐晶等（2012）利用Bl2+Cu1（地衣芽孢杆菌+产朊假丝酵母）进行棉粕复合菌固态生料厌氧发酵，取得了良好的效果，其脱毒率可达50.03%，水溶性蛋白含量为9.11%，小肽含量为6.98%。
固态发酵存在的问题及前景展望
棉粕固态微生物发酵是目前认为最安全有效的脱毒方法，但在实际生产应用中还存在一些问题。灭菌发酵不仅会导致棉粕蛋白质或氨基酸变性，造成营养成分的丢失，还会使得生产成本大大提高，不利于产业化生产；酵母菌与霉菌都是真菌，真菌发酵产热大，生产过程不易控制，也有可能会产生毒素，危害动物健康。从综述上看，生料厌氧发酵是棉粕固态发酵中比较有前景的一种发酵方式，因为它大大节约了生产的成本，而且发酵工艺也相对简单容易控制。目前棉粕固态生料厌氧发酵研究还比较少，发酵的效果还不是非常理想，发酵棉粕各方面的品质要求达不到市场要求的水平。今后棉粕固态生料厌氧发酵主要往两个方面进行深入研究，首先是要筛选出更为高效的游离棉酚降解菌株，使它成为一种安全的饲料蛋白原料，还有就是要往对动物起到保健作用的发酵棉粕功能肽方面进行深入研究。发酵棉粕不仅解决了我国蛋白质饲料资源匮乏的问题，而且大大降低了饲料成本，提高了养殖业的经济效应。可见未来的饲料行业中发酵棉粕将有广阔的发展和应用前景。
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