羽毛粉的加工工艺及在水产饲料中的应用.pdf

家禽屠宰中产生大量的羽毛副产物，可占成年家禽体重的 5%-7%。羽毛中的蛋白质含量可达到 85%，富含含硫氨基酸，具有较高的饲用价值。对羽毛粉的营养价值、加工工艺以及在水产饲料中的应用等方面作综述，旨在为羽毛粉在水产饲料中的合理应用提供参考。关键词：羽毛粉；加工工艺；肉禽；水产饲料0引言我国是肉禽生产和消费大国，2022 年全国家禽总出栏量 161.4 亿只，较 2021 年增长了 2.5%。羽毛是家禽的屠宰副产物，占家禽体重的 5%-7%，我国每年羽毛产量超过 100 万吨1。禽类羽毛属于角蛋白类，蛋白质达到 85%左右，具有极高的饲用潜力2。羽毛粉(FeM)是家禽羽毛经过除杂、高温高压处理、灭菌和干燥等加工工艺制得的浅黄色、浅灰色的粉状产品3。研究表明，羽毛粉用作饲料原料，对于羽毛资源化利用及缓解鱼粉资源供应不足的现状具有重要意义4。1羽毛粉的营养价值与物理性质羽毛粉蛋白质含量在 85%以上，由动物难以利用的角蛋白和纤维蛋白组成2。氨基酸含量丰富，除 Met、Lys、His、Trp 4 种氨基酸含量较低外，其他氨基酸含量均高于鱼粉，表 1 中比较了羽毛粉和鱼粉的营养组成和氨基酸组成。尤其是胱氨酸，在所有饲料原料中含量最高。此外羽毛粉中的维生素 B12的含量很高，矿物质元素硫更是高达 1.5%，是所有饲料原料中含量最高的5。组成羽毛粉的角蛋白具有致密的三维网状结构，角蛋白的外周分布大量的疏水性氨基酸，肽键饲料研究21圆园23 年第 3 期及蛋白质骨架的内部包裹少量亲水性氨基酸及基团，肽链之间形成许多二硫键，呈索状结构，物理化学性质极其稳定，在水、盐酸及稀盐酸溶液中完全不溶解，也很难被常见的酪蛋白酶、胰蛋白酶等动物来源的酶降解6。因此，要想将羽毛作为饲料原料，必须先用特殊的加工方式对其进行处理。2羽毛粉的加工方式及对品质的影响为了提高羽毛粉的饲用价值，必须通过特殊的加工方式，破坏其中的二硫键，形成富含容易消化的可溶性多肽或寡肽，进而提高在动物体内的消化利用率7-8。羽毛粉常用的加工处理方法有高温高压水解、酸碱化学水解、挤压膨化、微生物发酵和酶解法等。高温高压水解法根据主要设备及供热方式的不同分为两种：一种是蒸汽高温高压水解法，羽毛经过清洗、除尘，装入水解罐中，利用锅炉产生的热蒸汽对水解罐中的物料进行加热，蒸汽压力为0.45 MPa，持续时间为 60 min，经过烘干、粉碎、化验，最后包装为成品；另一种是导热油高温高压水解法，利用导热油对水解罐中的物料进行加热，在罐中水解和烘干一次性完成，而后粉碎为成品，加工参数为 74 min/30 kPa6。目前该法在小型羽毛粉加工企业中应用较广泛。高温高压的条件彻底破坏了角蛋白空间结构，打破了二硫键，使其转变为可溶性多肽或寡肽。高温高压条件下，羽毛降解率可达 90豫以上9。但高温高压水解条件会破坏对热敏感的氨基酸，使蛋氨酸和胱氨酸含量减少，而且工艺流程耗能巨大，对生产设备的安全性能要求很高，同时产生废气、废液污染环境。随着机械化水平的不断进步，蒸汽闪爆技术逐渐成为研究热点，张益奇10研究证实，经 1.6 MPa，1 min 蒸汽闪爆处理，羽毛胃蛋白酶消化率和蛋白质溶解度分别提升到 85%和35%。将一定量的羽毛、一定浓度和体积的酸(或者碱)混合煮沸，并不断搅拌使羽毛受热均匀，煮至待处理羽毛既保持原有色泽又可轻轻拉断。捞出榨取胶液，用清水冲洗酸(或碱)或者用碱(或酸)中和，最后烘干、粉碎过筛即得成品6。目前，关于酸或碱溶液的选择方面，主要集中在氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化钙Ca(OH)2、亚硫酸 钠(Na2SO3)、盐 酸(HCl)、硫 酸(H2SO4)和 磷 酸(H3PO4)等试剂。强酸、强碱溶液破坏角蛋白中的二硫键和肽键，从而破坏其空间结构，将其降解为游离氨基表 1羽毛粉与鱼粉营养成分比较项目羽毛粉鱼粉（CP 67%）干物质88.092.4粗蛋白质77.967.0粗脂肪2.28.4粗纤维0.70.2无氮浸出物1.40.4粗灰分5.816.4钙0.24.56总磷0.682.88异亮氨酸4.212.61亮氨酸6.784.94组氨酸0.582.01赖氨酸1.654.97蛋氨酸0.591.86苯丙氨酸3.572.61苏氨酸3.512.74缬氨酸6.053.11胱氨酸2.930.60色氨酸0.400.77精氨酸5.303.93酪氨酸1.791.97饲料研究单位：%22圆园23 年第 3 期酸。此法常用于工业制取胱氨酸，但缺点是强碱对氨基酸破坏严重。实际生产中常用盐酸和硫酸对羽毛进行水解，但该工艺对设备耐腐蚀性要求高，涉及强酸的安全管理，要求严格，产物废水排放量大，干燥成本高。这些缺点限制了该工艺的应用1。酶解法主要是采用现代水解酶工程技术，通过多种酶及催化剂分步低温低压催化，然后经过规定的高压高温水解灭菌，再按照科学整合的加工工艺，经过一系列添加剂的添加，形成优质高效复合型酶解蛋白质原料。酶解羽毛的蛋白酶主要有角蛋白酶、碱性蛋白酶、中性蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。郝鲁江等11采用角蛋白酶酶解羽毛粉，羽毛分解率达到 50.5%，酶解液可溶性蛋白含量为 225.7 mg/L，胃蛋白酶体外消化率达到23%；单春乔等12先采用高温和强碱预处理，在此基础上采用角蛋白酶进行酶解，所得羽毛粉不仅肽含量高，而且约有 70%的肽分子质量臆2 000u；朱珈琪等13采用碱性蛋白酶制备羽毛多肽，最终制得羽毛粉的羽毛多肽含量达到 80.68%，可溶性蛋白含量达到 92.02%。陈明等14通过实验证实，加酶条件下的水解羽毛粉蛋白质降解率比普通水解羽毛粉降解率显著提高。用酶解法加工温度低，生产的羽毛粉热敏氨基酸基本不会被破坏，效果较好而且稳定，因此在实际生产中应用广泛。微生物发酵法利用微生物对羽毛进行降解。1988 年，研究人员发现马爪甲团囊菌能分解角蛋白。分解羽毛粉角质蛋白的微生物在自然界普遍存在，主要来自包括细菌、真菌和放线菌在内的 30余种微生物，这些微生物可以分泌大量高效降解羽毛的降解酶。周童娜等15筛选出的金黄色节杆菌经过 72 h 发酵，对羽毛角蛋白的降解率可达75%。刘标等16筛选出的 1 株凝结芽孢杆菌对猪毛角蛋白降解率为 77.3%。杨刚等17通过测定蛋白酶活力和羽毛中可溶性蛋白含量评价米曲霉和枯草芽孢杆菌对羽毛的降解效果，结果表明，米曲霉和枯草芽孢杆菌均可对羽毛粉起到降解作用，其中米曲霉的降解效果更为明显。杨可心18筛选出可 3 天降解羽毛、产可溶性蛋白的 菌株贝莱斯芽 孢杆菌NLG1，羽毛发酵液上清液中可溶性蛋白含量达到 32.76 滋g/mL。微生物发酵法可以提高羽毛粉的消化率和氨基酸的平衡率，改善其适口性。3在水产饲料中的应用目前，关于水解羽毛粉在水产动物中的研究结果表明，适量的羽毛粉可替代鱼粉为水产动物提供蛋白，且不会对鱼体造成影响。对牙鲆、三文鱼、胡子鲶、欧洲鲈等的研究表明，羽毛粉替代一定比例的鱼粉不会对生长产生影响19。吴桐强等20研究发现黄颡鱼饲料中羽毛粉替代 7.5%的鱼粉不会对生长造成影响，但是超过 7.5%的替代水平则会抑制黄颡鱼生长。在彭泽鲫中研究表明全水解羽毛粉蛋白替代 15%-45%鱼粉蛋白对彭泽鲫生长无显著影响，而替代比例达到 60%时，鱼的生长被显著抑制21。水解工艺处理的羽毛粉容易造成氨基酸不平衡，赖氨酸含量较低，则会影响动物生长。曹素会5和刘兴旺等22在异育银鲫和大菱鲆中的研究显示，在添加羽毛粉的饲料中补充晶体赖氨酸和蛋氨酸对水产动物的生长指标有一定改善作用。刘峰等23在黑鲷的研究中发现，饲料中添加 5%的酶解羽毛粉或膨化羽毛粉用于替代鱼粉，对黑鲷的生长性能无显著影响，而 5豫酸解羽毛粉和高温高压水解羽毛粉替代黑鲷饲料中的鱼粉则显著降低了黑鲷幼鱼的 SGR 和 FCR 等生长性能指标。笔者认为黑鲷作为肉食性鱼类对氨基酸需求较多，酶解羽毛粉与膨化羽毛粉中氨基酸含量充足，而酸解羽毛粉和高温高压水解羽毛粉加工过程中对氨基酸的破坏性大，导致适口性、限制性氨基酸含量以及消化率等变差，因此替代鱼粉后对黑鲷幼鱼的生长性能带来负面影响。因此，饲料饲料研究23圆园23 年第 3 期中添加羽毛粉对生长的影响可能与羽毛粉的加工方式、水产动物种类及其生长所需营养条件有关。目前，水产养殖集约化程度越来越高，鱼类固有的行为、营养、生理等生物学需求受到严峻挑战，极易受到环境因子、饲料、饲养管理等方面的影响发生应激。大量研究证明：在众多应激中，氧化应激是尤为重要的一种方式。GPX、CAT、SOD是水生生物中 3 种主要的抗氧化酶。刘峰等23在黑鲷的研究中发现，5%的高温高压水解羽毛粉组与酸解羽毛粉组替代鱼粉，羽毛粉组的 SOD 活性显著低于对照组，可能是替代鱼粉对黑鲷的免疫系统有一定的影响。同时还发现高温高压水解羽毛粉组与酸解羽毛粉组转氨酶活性显著高于对照组，说明这两种羽毛粉替代鱼粉可能会对肝脏造成一定损伤。陈秀梅等24在异育银鲫饲料中添加羽毛粉部分替代 10%的鱼粉，发现与对照组相比，羽毛粉组的异育银鲫肝胰脏和肠道抗氧化酶SOD、CAT 和 GSH-Px 活力显著下降，MDA 含量显著上升。这表明，羽毛粉的直接添加对异育银鲫造成了一定程度的应激。而添加 200-400 mg/kg 的角蛋白酶，对异育银鲫的抗氧化能力无不良影响。曹宏忠21测定肠道血清中抗氧化酶的活性，结果表明 45%和 60%的全水解羽毛粉蛋白替代鱼粉蛋白后，彭泽鲫的血清、肝脏和中肠组织的消化、免疫和抗氧化指标及组织形态结构受到显著影响。而 Campos 等19发现添加 12.5%水解羽毛粉替代76%鱼粉饲喂欧洲海鲈幼鱼不影响免疫功能。综上，用羽毛粉产品饲喂水产动物时会因羽毛粉种类、用量等不同而导致免疫及抗氧化能力不同。肉质和体色是评价水产品品质的重要指标之一。影响鱼肉品质的因素众多，包括鱼的生长环境、营养获取量、鱼的贮藏方式、鱼的健康状况、鱼的屠宰方式等。在彭泽鲫研究中，肌肉的硬度、内聚性和咀嚼度随着全水解羽毛粉蛋白替代鱼粉蛋白比例的上升而呈上升趋势。因此推测全水解羽毛粉蛋白可能会通过影响彭泽鲫肌肉细胞的发育来影响彭泽鲫肌肉的肉质，但具体的原因还需后续实验进一步探明21。祝焱彬25在凡纳滨对虾的研究中发现，2%-8%的水解羽毛粉替代鱼粉对凡纳滨对虾肌肉脂肪酸的组成无显著影响。当水解羽毛粉替代鱼粉蛋白添加水平为 4%时，凡纳滨对虾肌肉的嫩度、系水性及蒸煮损失均无显著变化，但添加水平升高到 8%时，其肌肉品质显著下降，嫩度、系水性及蒸煮损失均有显著变化26。当羽毛粉代替鱼粉的比例超过 25%时，可以提高黄颡鱼肌肉硬度、胶黏性，表明水解羽毛粉有助于黄颡鱼肌肉品质的提升20。水产动物的体色一方面直接受到饲料源中色素物质的影响，另一方面也会间接受到外界环境、饲料营养与机体健康状况的影响。对黄颡鱼来说，黑色素细胞和黄色素细胞及相关色素体在体色形成中的作用最为重要，当羽毛粉替代鱼粉水平为 5%时，对鱼体黑色素合成能力会产生不利影响。随着 HFM 水平的升高，叶黄素含量会出现先下降后上升的趋势，且在替代水平为5%时，黄颡鱼叶黄素含量最低，且与对照组差异显著。可能是由于当 HFM 替代水平为 5%时，黄颡鱼消化率较低，营养素吸收效率较低，导致饲料叶黄素摄入不足，鱼体叶黄素沉积减少。在中华鳖中，饲料中添加酶解羽毛粉可以影响中华鳖的腹部 a*值(红度)，然而对于背部体色无显著影响26。目前关于羽毛粉对体色的相关影响机制还不完全清楚，有待今后做进一步研究。4展望羽毛粉是一种利用价值较高的蛋白质资源，在水产饲料中应用潜力巨大。不同的加工方式对羽毛粉的营养成分和品质影响很大。合理地将各种加工方法有机结合，找到一个更高效、稳定的方式，将成为今后羽毛粉蛋白研究的热点方向。羽毛粉由于适口性差、氨基酸不平衡等原因对水产动物的生长、抗氧化性能及品质都有一定影响，与其他蛋白源混合或者添加包被晶体氨基酸，可以改善其适口性和氨基酸平衡，从而使羽毛粉广泛应饲料研究24圆园23 年第 3 期用于水产饲料中，进一步降低水产动物对鱼粉的依赖。参考文献1杨可心，刘国华.饲用羽毛粉及其应用的研究进展J.饲料工业，2021,42(14):33-39.2王裕玉，于世亮，石野，等.羽毛粉在水产动物饲料中的应用J.中国饲料，2013(15):5-6.3王裕玉，徐钢春，聂志娟，等.水产动物饲料中动物蛋白源替代鱼粉研究进展 J.江苏农业科学，2019,47(16):6-7.4王倩倩，杨彪，夏丽丽，等.羽毛粉加工工艺及在畜牧生产中的应用J.饲料博览，2014(8):4-5.5曹素会.大菱鲆饲料中酶解羽毛粉替代鱼粉蛋白的可行性研究D.上海：上海海洋大学，2020.6陈盈霖，李佳凝，刘洋，等.羽毛粉加工及应用的研究进展J.黑龙江畜牧兽医，2017(10):5-7.7裴敏雅，张洋，靳伟刚，等.复合酶降解羽毛粉的效果研究 J.福州大学学报（自然科学版），2007，35（1）：142-146.8王殿纯，张运锋，张开臣，等.不同工艺加工羽毛粉对肉鸡生产性能和饲料养分代谢的影响J.中国家禽，2023:1-5.(网络首发).9陈忱，何雄飞，曾润颖.羽毛角蛋白提取工艺及应用研究现状J.生物学杂志，2015,32(4):73-76.10张益奇.羽毛角蛋白蒸汽闪爆解离与提取研究D.无锡：江南大学，2016.11郝鲁江，卢晓平，许艳蕊，等.角蛋白酶/碱性蛋白酶制备羽毛蛋白粉的工艺研究 J.中国家禽，2016,38(1):32-36.12单春乔，刘再胜，冯柳柳，等.羽毛粉酶解法制备羽毛肽的工艺研究J.饲料研究，2016(20):5-8，34.13朱珈琪，李婷，朱俊松，等.酶解法制备羽毛多肽的工艺研究 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