羽毛粉加工工艺及在畜牧生产中的应用

王倩倩，杨 彪，夏丽丽，周 刚

（扬州大学动物科学与技术学院，江苏 扬州 225009）

近年来，随着生活水平的不断提高，人们对肉食产品的需求量不断增大，使饲料工业在过去的20年中得以迅速发展，导致食物链底端的植物原料供不应求[1-2]。据统计，我国近几年鸡年出栏量1 600万只，对饲粮蛋白质的需要量也越来越高，饲用蛋白质资源缺乏已成为影响饲料工业及畜牧养殖业发展的关键因素。目前，我国主要依靠进口鱼粉来解决蛋白质资源的不足。拓宽蛋白质来源、开发新的蛋白质资源是目前研究的热点，羽毛粉等一些非常规蛋白质资源已经引起世界各国的广泛关注。

我国禽类羽毛每年有近100万t，资源丰富，绝大部分羽毛由于没有得到充分利用而损失，既浪费资源又污染环境。禽类羽毛中的蛋白质主要由角质蛋白构成，也含有维生素B12和一些未知的生长因子。其粗蛋白质含量高达85%～90%，胱氨酸含量高达4.65%，羽毛蛋白中除赖氨酸、蛋氨酸的含量较低外，其他动物必需氨基酸的组成均略高于鱼粉[3]。研究表明，羽毛粉用作饲料，不仅能够降低生产成本，还可以补充蛋白质饲料不足，替代鱼粉，克服鱼粉含盐量高、脱脂率低的弊端，是一种优质的动物性蛋白质饲料[4]。在当前蛋白质饲料缺乏、鱼粉资源日趋减少、价格昂贵的情况下，充分开发利用禽类羽毛粉这一资源，对于促进畜牧业和饲料工业的稳步发展具有重要意义。

1 家禽羽毛角蛋白的结构和理化特性

羽毛蛋白质是一种不溶性蛋白质，蛋白质骨架内部的肽链之间形成许多呈索状结构的二硫键，阻碍了蛋白水解酶的作用，一般的蛋白酶（如胰蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶）很难有效分解，但家禽羽毛角蛋白富含动物必需的多种氨基酸，其营养成分分析结果表明，角蛋白是一种中性缓冲不溶性多肽，各种氨基酸总量为70%。尤其是动物所需要的亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸等8种必需氨基酸，除了赖氨酸、蛋氨酸、色氨酸的含量较低外，其余6种氨基酸含量都很高，尤其是含硫氨基酸（胱氨酸）更是达到9%～11%，在一定程度上可满足部分动物对胱氨酸需要，合理使用羽毛粉可提高肉鸡采食量和减少啄羽现象，是一种很好的蛋白质来源[5]。另外，羽毛粉含粗纤维1%～2%，无氮浸出物5%，水分8.3%，代谢能10.08MJ·kg-1，钙0.42%，磷0.51%，硒含量也较高，达到0.84mg·kg-1，仅次于鱼粉的2.0mg·kg-1，但硫含量（1.5%）是植物饲料的3倍多。除此之外，还含有其他微量元素及少量的维生素，例如维生素B12[6]。因而，羽毛粉的潜在营养价值很高，合理加工和利用羽毛资源，具有很大的意义。

2 羽毛粉蛋白饲料的加工方法

众所周知，羽毛角蛋白含有大量的二硫键，能形成一个结实紧密的网状结构，从而阻碍了动物蛋白酶的消化，不易被动物消化利用[7]。为了提高羽毛粉的饲用效果，国内外已进行了几十年的研究，从而发现羽毛粉营养价值的开发利用主要取决于加工工艺、加工方式不同，其产品的消化利用率也会相差较大。因此，采用合理的加工工艺，不但节约成本，而且可生产出高消化率的成品，为饲料工业提供优质的蛋白质原料。目前，我国的羽毛粉加工企业普遍采用的加工工艺为蒸汽高温高压水解法、酶解法-水解法和微生物发酵法。

2.1 蒸汽高温高压水解法

蒸汽高温高压水解羽毛粉法主要依靠水解过程中对时间、温度、压力的控制，其主要加工设备包括锅炉、蒸汽水解罐、蒸汽烘干罐、粉碎机等。其加工过程为：收集羽毛除尘清洗后，装入水解罐中，密闭通蒸汽。沈银书等研究表明，当蒸汽压力为0.45MPa、持续时间为90min时是较适宜的加工参数，然后烘干、粉碎、化验、包装成成品[8]。这种加工工艺由于技术较为简单、成本相对较低等优点而受到广泛应用，其特点是彻底破坏羽毛角质蛋白稳定的空间结构，从而使其变成畜禽可消化吸收的可溶性蛋白，其消化率＞90%。但由于水解后二硫键断裂，会使胱氨酸的含量减少[9]。

2.2 酶解-水解法

酶解羽毛粉法是将酶解法和水解法相结合而形成的。酶解过程所用的酶制剂为角质蛋白酶，部分企业利用自己培养的高产角质蛋白酶菌种来生产粗酶液；大部分企业直接购买商品角质蛋白酶。酶解-水解法具体生产工艺流程为：装料，向羽毛加工罐中添加50%的待加工羽毛原料，控制羽毛含水量约40%，温度约50℃。加酶，选用角质蛋白酶，添加量为干羽毛原料量的3‰。用50℃温水将酶粉溶解后加入罐中（使角蛋白酶的活性最高）。加还原剂，选用焦亚硫酸钠，添加量为干羽毛原料量的8‰。用塑料桶取水30 kg，把焦亚硫酸钠加入水中，边加边搅拌，当焦亚硫酸钠溶解后，立即倒入水解罐中。第一阶段酶解，酶解温度控制在45℃，酶解时间为2 h。第二阶段酶解是在第一阶段酶解结束后，充分搅拌混匀，再加入剩余的另一半原料，不断地搅拌。继续酶解2 h后，羽毛的大部分羽枝断裂，羽梗被软化。高温水解，将水解罐扣盖密闭，开始加温加压，当压力达到0.25～0.3 MPa（温度120～125 ℃）时，水解45min。将料放入烘干罐，冷却，粉碎，检测（消化率、蛋白质含量、水分、灰分），包装成品[10]。崔艳红等采用蛋白酶水解羽毛粉对蛋白酶进行筛选，并对酶解的工艺条件进行优化研究，分析了酶的种类、酶的添加量、缓冲溶液、温度、pH、反应时间等因素对羽毛粉水解的影响，结果表明，对酶解羽毛粉最适作用的酶是木瓜蛋白酶，木瓜蛋白酶最适反应缓冲溶液是柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，在温度为60℃，pH 5.6，作用时间8 h，羽毛粉B酶干粉=100B2时，可得到较好的效果，此时，水解上清液氨基氮含量为24.932mg·L-1，酶化效果为107.8%[11]。裴敏雅等将羽毛粉经高温高压处理后，采用不同复合酶浓度和不同酶解时间对羽毛粉样品进行酶解，研究结果表明，该复合酶在一定的条件下可有效降解羽毛产生的多肽、寡肽和游离氨基酸[12]。

由于酶解羽毛粉加工温度低，加工时最高温度≤125℃，故其热敏氨基酸基本不会被破坏，这不仅提高了羽毛粉中氨基酸的消化率，而且可消化氨基酸含量也有所增加。经检测饲料中8种必需氨基酸含量均高于普通高温高压水解羽毛粉，改善了羽毛氨基酸的平衡性。但由于酶解-水解法成本相对较高，未能在生产中得到广泛应用。随着酶工程和加工技术的不断进步，如可生产出角蛋白酶菌种并用其处理羽毛粉，则可大大降低生产成本，从而能被广大饲料企业应用。

2.3 微生物发酵法

微生物发酵与其他方法相比具有很多优点：原料经发酵后产品苦味减少，具有特殊香味，适口性好；微生物发酵可提高产品营养价值，并产生大量的角蛋白酶和其他酶系，能够促进羽毛角蛋白分解为更多的小肽和游离氨基酸；产生大量益生菌，调节动物机体胃肠道微生态平衡；发酵过程中可产生多种水解酶，并富含B族维生素等。微生物发酵减少了热敏性氨基酸的损失。微生物发酵法现已逐渐成为羽毛粉加工的首选方法。分解羽毛粉角质蛋白的微生物在自然界普遍存在，科研人员从长期堆积的羽毛中选育出一种以羽毛为碳源和氮源大量生长的地衣芽孢杆菌（BL-1），对水解羽毛粉发酵3 d，可使胃蛋白酶消化率提高到90%。其基本工艺流程为：菌种活化培养基、菌种扩培、一次发酵和二次发酵[10]。

利用地衣芽孢杆菌等微生物发酵处理羽毛粉后，形成一种由动物蛋白、植物蛋白和菌体蛋白构成的复合型蛋白质原料，其蛋白质含量可达到70%。程福亮等研究结果表明，采用米曲霉和乳酸杆菌联合发酵羽毛粉60 h，联合发酵后羽毛粉的胃蛋白酶消化率可达82%，与对照组相比提高约8%[13]。张昕研究发现，经枯草芽孢杆菌菌株发酵72 h，羽毛降解率达到69.61%，羽毛角蛋白大量转化为氨基酸、短肽和菌体蛋白，从而更有利于动物的吸收利用[14]。因此得到广大饲料企业和养殖企业的认可，为饲料企业生产升级换代羽毛粉产品提供了一种可选的加工方法。

3 不同处理的羽毛粉在畜牧生产中的应用

3.1 蒸汽高温高压水解羽毛粉的应用

朱建津等用饲养试验和真可消化氨基酸（TAAD）测定相结合的方法研究了水解羽毛粉对肉仔鸡的饲养效果，结果表明，水解羽毛粉占日粮的3%～5%，肉仔鸡的生长效果与对照组相比无差异，但赖氨酸和胱氨酸的消化率较低，有待于进一步提高[15]。羽毛粉的异亮氨酸、缬氨酸含量高，且消化率也高，可与血粉合用，提高全植物日粮的氨基酸平衡性。龙定彪等在DLY生长猪基础日粮中添加水解羽毛粉2%、4%、6%（等蛋白替代豆粕），结果表明，随着试验日粮中水解羽毛粉添加量的提高，试验猪的日采食量和日增重降低，料肉比上升，并且6%处理组差异达到显著（P＜0.05）；各处理组的干物质表观消化率、蛋白质表观消化率和有机物表观消化率均差异不显著（P＞0.05）[16]。

3.2 酶解羽毛粉

金妙仁等试验表明，在断奶仔猪饲粮中添加酶解羽毛粉2.5%和5%等量替代鱼粉，饲粮粗蛋白质表观消化率比对照组提高4.3%（P＜0.05）和1.6%（P＞0.05），表明酶解羽毛粉能提高饲粮粗蛋白质表观消化率，与酶解羽毛粉中含有酶和活性肽等活性成分有关，但由于羽毛粉本身的氨基酸组成限制，在饲粮中以2.5%酶解羽毛粉等量替代鱼粉最佳[17]。李晓燕等以酶解羽毛粉50%和100%等蛋白替代鱼粉，试验猪生产性能及蛋白质消化率与3%鱼粉对照组相比均无显著差异（P＞0.05），在获得增重速度和饲料报酬相近情况下，以酶解羽毛粉100%等蛋白替代3%鱼粉的效果最为理想，从而降低生长育肥猪的饲料成本，提高经济效益[18]。

在家禽日粮中应用羽毛粉代替部分蛋白质饲料原料也是可行的，然而当日粮羽毛粉比例达到5%～8%时，家禽会发生蛋氨酸、赖氨酸、组氨酸和色氨酸不足症，导致生产性能下降。高建新等研究表明，日粮中添加酶解羽毛粉2.5%～5%对蛋鸡日只耗料量、产蛋率、日只产蛋量、平均蛋重、料蛋比5项指标均无显著影响（P＞0.05）[19]。刘风民等为评价酶和化学方法处理羽毛对营养重复利用的影响，采用24 h酶水解、24 h NaOH水解、2 h NaOH水解、2 h NaOH和24-h酶水解，结果表明，各处理组氮的溶解度分别为0.91、2.55、78.83、30.03和50.04%。对照组、24 h酶、2 h NaOH、2 hNaOH和24 h酶处理的羽毛渣用胃蛋白酶消化，氮的溶解度分别为4.67、13.19、55.83和59.08%；除丙氨酸外，2 h NaOH和24 h酶处理的体外氨基酸消化率明显高于2 h NaOH或24 h酶处理（P＜0.05）；除蛋氨酸、组氨酸外，2 h NaOH处理的氨基酸消化率明显高于24 h酶处理；24 h酶、24 h NaOH、2 h NaOH、2 h NaOH和24 h酶处理每溶解1 kg羽毛的造价分别为9.64、4.72、12.39、22.97美元，延长NaOH处理时间，可提高羽毛的溶解度，进一步酶处理可提高羽毛溶解度、胃蛋白酶消化率和体外氨基酸消化率[20]。在鱼饵料中，羽毛粉的推荐量一般以5%～10%为宜，用酶解羽毛粉代替鱼粉时，建议用羽毛粉替代33.3%的鱼粉。

3.3 微生物发酵羽毛粉

傅伟等采用地衣芽胞杆菌ZJUQH和枯草芽孢杆菌ZJU进行降解羽毛角蛋白能力比较，结果表明，在定性和定量试验中，前者降解羽毛能力均要远高于后者；地衣芽胞杆菌ZJUQH可以利用羽毛为唯一的碳源、氮源生长，且其降解羽毛能力较强，利用情况良好[21]。崔艳红等研究表明，用加入赖氨酸1%的生物发酵羽毛粉可完全替代猪料中的鱼粉，可替代肉鸡饲料中70%的鱼粉[22]。

4 小结

羽毛粉是一种利用价值较高的蛋白质资源，不仅能够降低生产成本，还可以补充蛋白质饲料不足，替代鱼粉，克服鱼粉含盐量高、脱脂率低的弊端，是一种优质的动物性蛋白质饲料。虽然蒸汽高温高压法和酶解-水解法都能在一定程度上降解羽毛角蛋白，但高温高压本身耗能较大，且在处理过程中还会对畜禽的必需氨基酸造成破坏；酶解法成本较高，当前技术有待提高。而微生物发酵法对环境相对友好、成本相对较低，近些年，科研人员已筛选出能高效降解羽毛粉的菌种（如地衣芽孢杆菌），不但能有效地解决羽毛蛋白质消化率低的问题，而且能缩短发酵周期、提高设备利用率，从而提高企业的经济效益。但是羽毛粉蛋白质的氨基酸不平衡，在使用时要注意日粮中氨基酸的平衡，不宜过多添加羽毛粉，必要时可补充羽毛粉缺乏的氨基酸，以提高羽毛粉的饲用效率。在科研人员的努力研究下，羽毛粉的加工技术得到进一步的提高后，其在动物饲料中的添加量可适当增大，会使我国蛋白质资源短缺和价格居高不下的状况得到改善。

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