棉籽（粕）膨化脱毒研究进展

■谭荣英 陈 志 吴德胜 李 辉 边 远 刘廷发

（中国农业机械化科学研究院，北京100083）

我国是产棉大国，棉籽作为棉花的副产品占有相当大的比重，2014年全国棉花产量高达636万吨，各类棉副产品将近1 000万吨，其中新疆作为产棉大省，产棉量占全国的65%左右，棉花是整个新疆地区重要的经济支柱产业。棉粕是棉籽提油后的副产品，是一种优质的蛋白质资源，通常含有30%～50%的粗蛋白质，10%～15%的纤维素以及其他一些营养成分，其营养价值甚至高于谷类蛋白质[1]。但由于棉籽本身所含有的棉酚、黄曲霉毒素等有毒物质，极大地限制了棉籽(粕)的饲料化应用，现今我国大量的棉粕被投入农田作肥料，未能物尽其用，造成资源的巨大浪费。

近几年，我国畜牧业增长方式发生了深刻的变化，逐渐从传统畜牧业走向现代畜牧业，进入了一个生产平稳发展、质量稳步提高、综合生产能力不断增强的新阶段。畜牧业在农业和农村经济中的地位进一步提升，成为农民增收和就业的重要途径，并逐步成为相对独立的产业和农村经济的支柱产业。伴随着畜牧业的快速发展，市场对优质蛋白饲料的需求日益加大。蛋白质饲料原料严重匮乏，蛋白质饲料自给率不足50%[2]。同时各类优质蛋白原料的价格也在急剧上涨，2015年10月豆粕的市场价格为2 800元/t，豆粕的价格高居不下，使饲料成本大大增加，养殖户的效益也受到较大影响，饲料原料的价格和质量变化不定是影响饲料和养殖行业发展的主要因素。然而由于棉籽油不受市场欢迎，蛋白含量相同的棉籽价格仅为1 600元/t，且销售困难，导致大量棉农经营惨淡。

若能通过技术加工，有效去除棉籽中的棉酚和黄曲霉毒素等有害物质，将棉籽(粕)合理利用，一方面可降低我国蛋白资源对国际市场的依赖度，缓解国内蛋白饲料的短缺现状；另一方面可从源头大幅降低饲料生产成本，进一步促进畜牧养殖业的发展[3]。因此如何对棉籽进一步开发利用，加强其脱毒技术的研究，不仅是一个世界性亟待解决的问题，而且对我国特别是新疆地区的经济发展有着极其重要的经济和社会意义。

1 棉籽(粕)及其脱毒处理现状

1.1 棉酚

棉酚又名棉毒素或棉籽醇，是棉属植物体内形成的一种多元酚化合物，存在于棉株的各部器官，全棉籽中游离棉酚的含量为0.47%～0.63%（4 700～6 300 mg/kg），其中棉籽仁中含量最高，棉酚及类棉酚集中在棉籽仁的球状色腺体中，色腺体中棉酚含量达20%～39%。棉酚按其存在的形式可分为游离棉酚FG（free gossypol）和结合棉酚UG（united gossypol），两者之和称之为总棉酚TG（total gossypol）。结合棉酚是游离棉酚与棉仁中的蛋白质、氨基酸、磷脂等形成的结合物，其丧失活性，并不能被消化道吸收，可很快随粪便排出体外，因此毒性很低[4]。游离棉酚是棉籽中最主要的抗营养因子成分，因其具有活性醛基和活性羟基，在体内有明显的积蓄作用，且毒性很大。

1.2 黄曲霉毒素

黄曲霉毒素是黄曲霉和寄生曲霉的二次代谢产物，对大多数动物毒性都很大。黄曲霉毒素会对家禽机体消化机能和免疫系统产生不良影响，导致生长受阻，饲料转化率降低，免疫力下降，繁殖能力降低，实质器官损伤等病变[5-6]。欧盟规定花生及其制品中黄曲霉毒素(B1、B2、G1和G2)总量的最大允许水平为4 μg/kg，黄曲霉毒素B1的含量不得超过2 μg/kg。美国对花生及其制品中黄曲霉毒素的最高限量为20 μg/kg，日本规定其最高限量为10 μg/kg[7]。

1.3 棉籽(粕)的动物饲喂限量

国内外，针对各类家禽、宠物、饲养动物对棉酚和黄曲霉毒素耐受性进行了大量研究。其中发现大多数的反刍动物对棉酚和黄曲霉毒素的耐受性要好于单胃动物；成年动物的耐受性要好于幼年动物。美国西部地区研究室经过饲喂试验发现，成年的猪对黄曲霉毒素的耐受性在200～450 μg/kg之间；在不影响牛肉质量的前提下，饲喂黄曲霉毒素含量为300 μg/kg左右的棉籽(粕)对肉牛没有影响；肉鸡和蛋鸡对黄曲霉毒素的耐受性较强，黄曲霉毒素含量在1 500～2 500 μg/kg左右的棉籽(粕)对肉鸡和蛋鸡的危害很小。Arun K.等研究人员发现，在不影响鸡肉品质的前提下，肉鸡对游离棉酚的摄入量在100～150 mg/kg之间；饲喂游离棉酚含量在150～200 mg/kg之间的棉籽(粕)对蛋鸡和鸡蛋都几乎没有影响[8-10]。

饲喂研究表明，游离棉酚在0.05%以下的棉籽（粕），在肉猪饲料中可用至10%～20%，母猪可用到5%～10%，并且在饲喂膨化脱毒棉籽（粕）的猪肉中未测出游离棉酚，对人体健康无影响；在肉鸡的日粮中含量占300 mg/kg的棉籽(粕)大约可以代替10%的豆粕；膨化脱毒棉籽(粕)代替50%的豆粕时，奶牛的产奶量不会受到影响[11-12]。在养殖动物的日粮中用一定量的膨化棉籽(粕)代替豆粕鱼粉等优质蛋白饲料具有较好的经济效益和市场前景。

近年来，欧美国家针对棉籽（粕）膨化脱毒，已进行过大量的试验研究工作，并成功用于饲料原料的加工。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，并使过瘤胃蛋白含量提高20%～30%,饲喂膨化棉粕可增加蛋白的吸收率；美国轧棉研究所和作物遗传与生产研究所进行的联合研究表明，膨化加工可以使游离棉酚降低71%～78%，并使黄曲霉毒素的减少量达到50%，并且多次膨化可更有利于减少黄曲霉毒素，试验表明，每增加一次膨化过程，可使黄曲霉毒素减少20%左右[7]；经饲喂试验发现，效果良好。

1.4 国内外棉籽(粕)脱毒的主要方式

目前，国内外关于棉籽（粕）脱毒的方法主要有膨化脱毒法、溶剂萃取法、碱处理法、尿素处理法、微生物发酵法等。

溶剂萃取法是利用酚在醇类溶剂中的溶解特性，用单一溶剂或混合有机溶剂从棉仁中同时提取棉籽油和游离棉酚，其存在的问题是溶剂分离和回收困难，溶剂消耗大，成本高。碱处理法是在棉籽饼粕中添加碱性化合物如烧碱、纯碱、石灰水、氨、草木灰等，利用棉酚与碱反应生成盐的特性进行脱毒，该法对设备的抗腐蚀性要求高，投资大，成本高，且处理后的棉籽（粕）残留石灰味，影响动物的适口性。微生物发酵法是通过微生物的发酵过程，实现对棉酚的转化、降解而脱毒，但其操作性差，生产周期长，容易受外界环境影响，脱毒效果不均。膨化脱毒法以其脱毒效率高，生产连续化，工艺简单且没有废弃物的特点而被广泛应用于饲料加工。

2 棉籽（粕）挤压膨化脱毒技术

2.1 膨化脱毒的基本原理

膨化是一种高温、高压、高剪切作用的工艺过程。该法利用高温、高压以及内部剪切元件的剪切作用，不仅可以有效杀灭物料中的有害微生物和各种毒素，还可引起棉籽理化性质的改变，使腺体色素破裂释放出游离棉酚，游离棉酚与赖氨酸发生美拉德反应成为结合棉酚，从而达到脱毒目的[13]。棉籽中的有毒物质游离棉酚一部分由于分子变化而降解，一部分在一定高温、高压和水分条件的作用下与蛋白质结合形成结合棉酚，从而大大降低了游离棉酚的含量。另外，添加催化剂与否,对棉籽（粕）的脱毒效果具有重要影响。在膨化过程中，一定量的催化剂与棉籽(粕)充分混合发生反应，使棉籽(粕)中的游离棉酚等有毒物质失去活性，其成本低，操作方便，脱毒效果显著。原料经过膨化加工，可使其中的蛋白质变性，淀粉充分糊化，粗纤维破坏，更易于被动物消化吸收，具有很好的诱食作用。

2.2 棉籽（粕）膨化脱毒工艺

在现代化的饲料工业生产中，膨化工艺的连续处理特性更加符合社会化大生产的集约型要求，已经逐渐得到了市场的高度认可。膨化棉籽(粕)的加工工艺是将粉碎后的原料与催化剂混合，由螺旋喂料器送入调制器，与水、蒸汽充分混合而增加原料的水分和温度，调质后的原料进入膨化机在被挤压推送的过程中进行水热反应和揉搓剪切，当到达出口时，迅速释压，引起内部组织膨化，膨化后的物料再进行冷却和烘干，最后经粉碎后包装，其工艺流程如图1所示。

图1 膨化脱毒的工艺流程

饲料膨化机分为单螺杆膨化机和双螺杆膨化机，双螺杆膨化机一般为弱剪切膨化机，常用于通心粉、泡泡糖等食品加工领域的产品成型；单螺杆膨化机大多为中度剪切和强剪切膨化机，在饲料原料加工领域首先被用于膨化大豆，而后经改造用于膨化玉米和其他原料[14]，国内比较典型的机型为中机华丰公司生产的ETS系列膨化机（包括多功能膨化机、油脂类原料专用膨化机和淀粉类原料专用膨化机）。此类设备的挤压部件由单头螺旋、双头螺旋和气塞组成，通常通过调节气塞的大小和数量来调节膨化温度。中国农业机械化科学研究院畜禽机械研究所于1999年使用传统的气塞型膨化机对棉籽(粕)进行膨化脱毒试验，膨化产品（见图2）。试验发现，当膨化温度控制在120～125℃时，棉籽（粕）中游离棉酚的去除率可达60%。但是在试验过程中发现，由于ETS系列膨化机的膨化腔内部采用气塞结构，容易造成堵机，不易实现生产的连续化，同时堵机造成温度的波动较大，膨化产品的质量不稳定。

图2 膨化棉粕

2.3 棉籽（粕）膨化脱毒设备

随着蓖麻粕、棉籽（粕）为饲料工业所利用，传统气塞型膨化机已很难满足其膨化脱毒要求。为此，中机华丰公司在ETS系列膨化机的基础上，研发了ETDF系列膨化机（如图3）,其结构主要由喂料器、调制器、挤压部件、出料模板等组成。挤压部件作为膨化机的核心部件，主要包括输料段、挤压段和熔融段。其结构由输料螺旋、膨化腔、剪切环等组成(如图4)。工作过程中原料由双头变距螺旋喂料器送入调制器调质，调质混合后的原料进入挤压部件，原料在螺杆、剪切环和变距断续螺旋的挤推作用下往前输送，挤压部件的空间容积沿物料前进方向逐渐变小，原料所受到的压力逐渐增大，高温高压物料从出料口出来，其压力在瞬间释放，物料水分发生部分闪蒸，温度迅速下降，物料体积也迅速膨胀[15]，物料内部便形成无数微孔结构，成为质地疏松的膨化产品，膨胀后的物料呈团状、絮状，便于动物消化吸收。

ETDF系列膨化机用双轴差速调制器代替传统的单轴桨叶式调制器，一方面增加物料在调制器中的停留时间；另一方面，物料在调制器中始终处于悬浮状态，有效的增大了物料与蒸汽的接触面积，不仅提高了物料的调制温度，而且可以保证调制后的产品质地均匀，更有利于后续的物料膨化。

图3 ETDF系列膨化机

图4 膨化腔截面

与传统气塞型膨化机相比，ETDF系列膨化机采用锥形出料螺旋(如图5)，物料在挤压部件内部所受压力逐渐变化，周向压力梯度连续降低，使生产过程连续，不易造成堵机，膨化机性能更加稳定；锥形出料口增加了膨化腔压力，提高了膨化料密度，使膨化料逐步被压缩，有利于物料成形；同时,锥形出料螺旋能够减少物料在膨化腔内的停留时间，降低了因物料长时间受高温、高压、高剪切力作用而对膨化质量产生的不良影响。此外，ETDF系列膨化机出料口采用断续螺旋，对物料有较强的剪切能力，可有效的防止物料回流。

图5 出料螺旋

美国轧棉研究所使用的膨化机采用传统的气塞结构膨化腔来提高剪切和揉搓效果，其结构类似于国内ETS系列膨化机,但是气塞容易引起堵机造成膨化质量不稳定，为解决这一矛盾，ETDF系列膨化机用螺旋槽膨化腔代替直槽腔（见图6），可有效防止因物料打滑而造成的堵机。此外，传统气塞型膨化机是根据摩擦生热的原理，通过调整气塞和螺旋来控制温度，这种控制方式过于呆板，容易造成温度过高或过低，影响膨化效果。ETDF系列膨化机采用有夹套的膨化腔，可根据实际需求,通过加热/冷却隔套更加灵活的控制和调节膨化的最佳温度,进而提高膨化质量。

图6 螺旋槽

目前，ETDF系列膨化机已成功用于蓖麻粕膨化脱毒（如图7），膨化脱毒的蓖麻粕产品经北京毒物药物研究所化验，蓖麻碱的脱毒效率达到99.9%以上，而且在生产过程中对物料的输送能力强，断续螺旋剪切作用好，物料温度变化均匀，螺旋槽膨化腔使压力变化连续稳定，几乎没有出现ETS系列膨化机的堵机和温度波动现象[16]。

图7 膨化后的蓖麻粕

2.4 膨化棉籽（粕）预期效果与成本分析

一般来说，影响棉籽(粕)膨化的主要工艺参数有温度、压力、含水率、螺杆转速等。其中温度是膨化过程的重要因素，温度过高会使棉籽(粕)焦糊，过低则不能有效除去棉籽(粕)中的棉酚、黄曲霉毒素和病虫卵等有害物质[17]。通过对ETS系列膨化机的实际使用，认为膨化棉籽(粕)的温度应尽量控制在115～135℃之间，最佳温度应控制在125℃左右；此外，适当增加螺杆转速，减少喂料速度，脱毒效果会变好，但若考虑产量问题，转速则不能过低，因此在实际操作中应根据具体情况做出适当调整。

综上所述，ETDF系列膨化机无论从调制效果、挤压部件对物料的揉搓剪切作用、料流稳定性还是温度压力的可控性而言,其性能明显优于传统气塞型膨化机。我们认为使用ETDF系列膨化机膨化棉籽（粕），其游离棉酚的下降量将不会低于78%，饲喂膨化后的棉籽(粕)对动物基本没有危害。

膨化棉籽(粕)中黄曲霉毒素的含量明显降低。研究表明，棉籽（粕）在膨化脱毒后，黄曲霉毒素的含量降低40%左右，同时每增加一次膨化可使黄曲霉毒素的含量降低20%左右，通过对ETDF系列膨化机的性能改进，认为该机能有效的减少黄曲霉毒素的含量，满足上述工艺指标。

棉籽（粕）膨化脱毒加工过程与粮食加工类似，其成本由厂房折旧、设备折旧、电费、蒸汽费、人工费、包装费和易损件费用组成。以时产10 t（日产200 t）棉籽（粕）膨化脱毒工程为例，其厂房占地面积为200 m2，土建花费90万，设备造价约为450万，设备总装机容量为723.43 kW，成套设备的操作、维修、管理人员为8人，按每天8 h工作计算，棉籽（粕）膨化加工的吨成本如下：

①厂房折旧：厂房按15年折旧为1元/t；

②设备折旧：设备造价按10年折旧为7.5元/t；

③电费：设备总装机容量723.43 kW，负荷系数0.8，耗电量为90.4度/t，当前工业用电价格为0.8元/度，因此电耗花费为72.3元/t；

④蒸汽费：蒸汽耗量按产量的10%计算，每吨蒸汽；

的耗煤量为0.2 t，当前煤炭价格为750元/t，因此煤耗花费15元/t；

⑤人工费：人工按每人每天150元计算，人工费为15元/t；

⑥包装费：通常采用40 kg包装袋，其单价为1.5元/个，包装袋与包装线费用小于40元/t；

⑦易损件费：根据我们多年的工程经验,本成套设备的易损件主要为螺旋、膨化腔和剪切环，通常吨料成本为5元左右。

由此可计算吨成品膨化棉籽（粕）的加工成本为156元，用膨化棉籽（粕）代替豆粕用于饲料行业,具有较大的价格优势和市场竞争力。

3 结论

棉籽(粕)的蛋白含量丰富，是一种优质蛋白饲料资源，具有很高的饲喂价值。经研究认为，使用ETDF系列膨化机进行棉籽(粕)膨化脱毒，可以有效除去棉籽(粕)中的游离棉酚和黄曲霉毒素等有害物质，同时对原料中的蛋白质和淀粉等成分可起到很好的异构化作用，明显改善原料的适口性，使其更容易被消化吸收,其膨化技术已经成熟,值得推广。在蛋白质资源逐渐匮乏的今天，经过脱毒处理的棉籽（粕）作为饲料添加原料，既可以很好的提高饲料中蛋白质的质量，使棉籽(粕)在动物日粮中较好地代替豆粕，缓解当前蛋白质饲料的短缺现状，也可以有效降低养殖成本，促进畜牧业的发展，特别是对新疆地区的经济发展具有重要意义。