我国主栽棉花品种棉籽质量分析

方丹，邢荣花，徐双娇，王怡文，雷博，田新权，王冠峰，马磊

（1. 中国农业科学院棉花研究所/ 农业农村部棉花产品质量安全风险评估实验室，河南安阳455000；2. 中华人民共和国安阳海关，河南安阳455000）

棉花是农业种植领域重要的经济作物，在我国和世界经济发展中占据着重要地位。特别值得关注的是，棉花作为我国种植业生产中产业链最长的大田经济作物[1]，除皮棉作为纺织原料外，生产的棉籽也是我国重要的油料资源。据国家粮油信息中心的数据，2017 年我国油菜籽、花生、大豆、棉籽、葵花籽、芝麻、亚麻籽、油茶籽等八大油料的预测总产量为6 142.5 万t， 其中棉籽产量为987.5 万t， 占比16.08%， 一直为我国种植业生产的第四大油料作物。 在油料榨油方面，棉籽油产量为104 万t，占我国食用油脂榨油总量1 168 万t 的8.9%。棉花的商品化率高达95%，棉籽油是我国植棉区主要的食用油，棉籽榨油后获得的饼粕又是养殖业重要的植物蛋白来源，可以作为牛羊等反刍动物饲喂、水产养殖的饲料原料[2]。 棉籽壳是食用菌人工培养主要的基质原料来源[3]。

棉籽中含有大量的不饱和脂肪酸（油酸、亚油酸、亚麻酸），其含量占脂肪酸总量的75%左右，这些不饱和脂肪酸具有降血脂、降血压、抑制血小板凝聚、减少血栓形成等作用，所以棉籽油是高质量的食用油， 更有利于人体正常新陈代谢和身体健康[4-5]。 但是，棉籽中含有抗营养成分——环式脂肪酸对人类健康有害[6]，同时也限制了棉籽饼粕在畜禽业中的应用。在植物中环式脂肪酸是具有环状结构的不饱和脂肪酸，根据环式结构中是否含有碳碳双键， 环式脂肪酸又被分为饱和的环丙烷脂肪酸（CPA-FA）与不饱和的环丙烯脂肪酸（CPE-FA）[7]。氨基酸是油料粕营养成分的重要指标，棉籽仁提油后的棉籽饼粕中，蛋白质含量高达40%以上，且易于被吸收， 其中8 种必需氨基酸含量超过10%，是重要的蛋白饲料来源，同时也是1 种优质膳食蛋白资源。棉籽饼粕不仅营养丰富，分布广泛，而且价格低廉，与大豆棉籽饼粕相比，棉籽饼粕可以大幅度降低动物饲料的成本。 在国外，棉籽粉早已应用于食品工业，例如在20 世纪70 年代，美国食品总署批准棉籽浓缩蛋白为食品添加剂[8]。 棉籽中的生物毒素棉酚，是阻碍其综合利用的抗营养因子，按照其体内形态分为游离棉酚和结合棉酚。一般认为游离棉酚对人和动物具有急性毒性、肝毒性和生殖毒性，所以棉籽粕和棉籽油在食品和饲料中的使用受到极大的限制。棉酚及其衍生物有助于棉花植株适应不良环境，对棉花的多种病原菌和害虫具有拮抗作用。

棉花副产品多样性的用途决定了其在质量方面得到更多关注。 如今在“质量兴农”的倡导下，棉花产品质量的评价体系远远不能满足农业供给侧结构性改革对农产品多样化开发的要求。食饲用棉花产品受制于功能性营养品质评价匮乏、加工品质不明确等原因，一直处于加工方式粗放、产品用途低端、产品种类单一的阶段。对我国国内来说，棉籽作为重要的农产品加工原料资源，现阶段应该充分挖掘种质资源潜力，强化与饲料、食品加工等产业需求之间对接，建立多层次、多维度的棉花产品的评价指标体系， 进而构建棉花产品营养因子数据库，加强棉花产业链上中下游联动，为遗传育种品种开发、农产品梯次加工、农业废弃物综合开发利用提供技术支撑。 同时，棉花作为“一带一路”沿线国家重要的经济作物，在各国国民经济中均占有举足轻重的地位。 中国农业“走出去”，加强棉花副产品的综合利用，保障粮食安全，对提高沿线各国的生活水平及社会稳定具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集数量

2018 年农业农村部棉花产品质量安全风险评估实验室（安阳）积极对接农业农村部农村经济研究中心的全国棉花生产监测工作，与棉花产业技术体系综合实验站负责人确认了取样计划。本次调查设置的取样点覆盖现阶段我国棉花种植的主产区，由具有专业背景的人员取样， 遵循籽棉抽样原则，采取多点随机取样方法。 按照计划于10 月底一共收集到我国主栽棉花品种的178 个样本 （陆地棉176 个， 海岛棉2 个）， 涵盖127 个棉花主栽品种（包括125 个陆地棉品种，2 个海岛棉品种新海48号、新海49 号），取样分布见表1。

表1 全国棉花取样地及样品、涉及品种数量

1.2 主要仪器与试剂

主要仪器：Agilent7890A 型气相色谱仪 （氢火焰离子化检测器） 和Agilent 7890A/5975C 型气相色谱- 质谱联用仪 （GC/MS），Agilent 1100 型高效液相色谱仪，DAD 检测器（美国安捷伦公司）；漩涡混匀器（德国IKA 公司）；高速离心机5804 型（德国艾本德公司）；Milli-Q 超纯水系统（美国Millipore 公司）。

试验试剂：无水甲醇、正己烷、丙酮、乙腈为色谱纯试剂，购自阿拉丁试剂公司；19 种脂肪酸甲酯混合标准品（98.7%～99.9%），购自美国Supelco 公司；棉酚标准品（≥95%），购自Sigma 公司；氨基酸混合溶液标准物质（1 mmol·L－1），购自国家标准物质网；其他试剂为分析纯级。

1.3 检测方法

1.3.1脂肪酸的测定。含油量是衡量油料作物质量的重要指标，植物油在植物种子中主要以甘油三酯形式存在，由发育过程中体内合成的各种类型的脂肪酸与甘油进行酯化反应而成。 于是，经过样品整理，对178 个棉籽样品利用气相色谱仪（GC）进行脂肪酸谱的检测分析。采用的分析方法参考棉籽油脂肪酸的组成分析[9-12]。

1.3.2氨基酸的测定。采用邻苯二甲醛（OPA）―9-芴甲基氯甲酸酯（FMOC）联合进行柱前衍生反相高效液相色谱法（High performance liquid chromatography，HPLC）[13-15]。

1.3.3游离棉酚的测定。采用HPLC 分析棉籽中游离棉酚的含量[16-17]。

1.3.4棉酚旋光体的测定。棉酚的分子结构中有1个手性轴，产生左旋棉酚和右旋棉酚2 种位阻光学异构体。 棉花种子是棉酚存在的主要器官， 利用HPLC 方法对棉仁中的游离棉酚进行分析，采用柱前衍生拆旋方法[18-20]测定棉籽仁中左、右旋棉酚含量，为棉籽原料的质量评价研究提供依据。

1.3.5数据统计。利用Graphpad Prism 8.0 软件进行统计与分析，利用MS Excel 2007 绘图。

2 结果与分析

2.1 棉籽脂肪酸成分的分析

2.1.1总脂肪酸分析。结果表明：棉籽中的脂肪酸主要由豆蔻酸（C14:0）、棕榈酸（C16:0）、棕榈油酸（C16:1）、十七酸（C17:0）、硬脂酸（C18:0）、锦葵酸、油酸（C18:1）、亚油酸（C18:2）、苹婆酸、二氢苹婆酸、亚麻酸（C18:3）和花生酸（C20:0）等脂肪酸组成。 陆地棉棉仁中总脂肪酸含量在16.15%～34.94%，平均含量为25.0%（表2）。 而海岛棉棉仁中总脂肪酸含量平均高达37.9%。 值得注意的是，通过文献资料查询，孙善康等[21]对1984 年采收的种子样品进行营养品质分析，发现当时陆地棉主栽品种棉仁平均含油量为39.03%， 尽管检测方法有不同，但整体上显著高于现在25%的水平。 对比分析表明,在将近40 年中，我国棉花棉籽中的油分含量呈下降趋势，也与本实验室对棉籽加工企业实地调查的结果相一致，推测应该与我国如今棉花育种总体方向注重衣分、产量相关，因为产量性状与种子含油量整体呈简单负相关[22]。 从图1 可以看出，样品数目最多的新疆（42 个）和山东（83 个）样品总脂肪酸含量没有显著性差异（P＝0.5＞0.05）。

表2 陆地棉棉仁中脂肪酸总含量以及其中不同脂肪酸占比的统计结果

图1 不同省区陆地棉棉仁中总脂肪酸含量的箱线图

2.1.2不饱和脂肪酸分析。不饱和脂肪酸含量是评价食用油营养水平的重要依据。表2 中陆地棉棉仁中油酸（C18:1）在总脂肪酸中的占比在12.28%～21.38%，平均为16.10%；亚油酸（C18:2）占比在47.89%～60.65%，平均为55.50%（表2）。 样品数目最多的新疆和山东棉籽油酸占比 （t＝5.678，P＜0.01）和亚油酸占比（t＝2.418，P＝0.017＜0.05）都有显著差异（图2），表明新疆棉籽的脂肪酸品质优于山东。

图2 山东和新疆陆地棉棉仁中油酸含量和亚油酸占比的箱线图

2.1.3环式脂肪酸分析。经分析主栽棉花棉籽中的环式脂肪酸主要包括苹婆酸（C19:1）、二氢苹婆酸（C19:0）、锦葵酸，毒性方面苹婆酸大于锦葵酸。 由表2 可知，陆地棉棉仁中环式脂肪酸（苹婆酸和二氢苹婆酸） 含量在0.35%～1.10%， 平均含量仅为0.59%。 如果动物长期食用含有环丙烯脂肪酸的棉籽，会出现生理紊乱，像鸡蛋粉白化、产蛋率下降，母鸡性成熟的推迟以及牛肉肉质硬化等现象[23]，因此造成畜牧产品质量下降， 带来很大的经济损失。借助于基因工程手段，可使环式脂肪酸含量降到低于0.1%的安全水平[24]。

2.2 氨基酸的分析

对棉籽中除色氨酸之外的17 种氨基酸检测结果 （表3） 显示， 棉仁中总氨基酸平均含量为38.26%，相较于孙善康等[21]1984 年陆地棉34.64%的平均水平有了一些提高。 通过相关性分析，总氨基酸含量与总脂肪酸含量显著负相关 （P＜0.05），与之前的研究一致。 另外，总氨基酸含量与衣分是极显著正相关（P＜0.01）。 氨基酸中具体种类以谷氨酸（27.59%（占总氨基酸比例， 下同））、 精氨酸（10.85%）、天冬氨酸（9.67%）为主，其中必需氨基酸占28.24%。 棉籽中必需氨基酸赖氨酸的含量与其他油料相比含量较低，是棉籽利用的第一限制性氨基酸，占总氨基酸的4.38%。 棉籽中精氨酸含量占总氨基酸的10.85%， 其氧化产物一氧化氮在心脑血管调节、神经、免疫调节等方面有十分重要的生物学作用[25]。

表3 陆地棉棉籽仁中17 种氨基酸含量的统计结果

2.3 棉籽棉酚的分析

2.3.1游离棉酚的含量分析。结果表明，陆地棉棉仁中游离棉酚的质量分数（含量）在0.11%～0.92%之间，平均为0.51%。 海岛棉棉仁中游离棉酚含量为1.06%。

我国颁布的国家标准GB/T 21264－2007 《饲料用棉籽粕》中规定，棉籽粕产品按游离棉酚的含量范围如下：低酚棉籽粕的游离棉酚含量小于等于300 mg·kg－1； 中酚棉籽粕的游离棉酚含量大于300 mg·kg－1、小于等于750 mg·kg－1；高酚棉籽粕的游离棉酚含量大于750 mg·kg－1、 小于等于1 200 mg·kg－1[26]。 GB/T 13078－2017《饲料卫生标准》[27]对饲料原料中游离棉酚的允许量规定见表4。由此看来， 如果目前种植品种棉籽不经过脱酚处理，其副产品中的棉酚含量都远远超过上述2 个标准规定的棉籽油、棉籽蛋白及各种畜禽配合饲料中的允许量；因此，棉籽在加工成食用油和饲料时必须进行脱毒或稀释处理。

表4 饲料中游离棉酚的限量

2.3.2棉酚旋光体的分析。采用柱前衍生拆旋方法对取样材料棉籽中左右旋棉酚含量进行系统的检测，结果如图3 所示。其中：陆地棉棉仁中总棉酚含量在0.24%～1.64%，平均为0.93%；右旋棉酚含量为0.14%～0.77%，平均为0.56%；左旋棉酚含量为0.09%～1.01%，平均为0.37%。 大多数陆地棉材料种子的左右旋棉酚含量均有差异，右旋棉酚含量高于左旋棉酚含量；而海岛棉棉仁中总棉酚的含量为1.61%，其中左旋棉酚含量高于右旋棉酚含量。

图3 127 个棉花品种中棉籽仁的棉酚含量

由于棉酚具有对映异构体，即左旋棉酚和右旋棉酚， 两者的光学性质和药理作用均有较大差异，左旋棉酚表现出更强的毒性与药理活性，是造成病理变化的主要活性物质[28-29]。棉粕、棉饼等含有丰富的蛋白质的棉副产品用作饲料，其含有的棉酚会在动物体内富集，而人食用棉酚含量较高的动物源性食品，又会对人体产生危害；因此，棉酚旋光异构体的含量测定对食品安全问题有重要的意义。

3 结论

本研究初步表明，随着社会时代的不断发展和人工驯化选择，我国棉籽中油分含量呈下降趋势，但总氨基酸含量有一些提高，棉籽中油分含量与蛋白质含量呈显著负相关；海岛棉的总脂肪酸含量显著高于陆地棉；海岛棉棉籽中棉酚含量较高。

由于棉花最重要的功能是纺织原料，于是其评价体系主要集中在纤维长度、 强度等物理指标上，而且棉籽作为种子的来源，其播种质量评价手段主要有净度、水分、发芽率、纯度等。 反观棉籽作为全世界第四大油料作物，其理化营养品质评价却容易被人遗忘，特别是伴随着我国的消费升级，棉籽作为我国自主生产的主要油料作物其市场地位经常被人忽视。建立主栽棉花棉籽原料的营养功能评价体系，可以为棉花育种家遗传改良、棉籽加工企业选用适合的高质量棉籽、未来棉花产品的精深梯次加工提供依据。