经济作物副产物饲用价值提升及在牛羊饲粮中的应用
时间：2023-02-23 09:55:06 来源：千叶帆 本文已影响人
杨春涛 屠 焰 刁其玉
(中国农业科学院饲料研究所，北京 100081)
我国饲料资源短缺，饲料粮安全已成为国家粮食安全和畜牧业发展所面临的重要问题。因此，积极开辟新的饲料资源，提高饲料利用率，发展节粮型畜牧业，成为缓解我国饲料资源紧缺和解决人畜争粮的有效途径。与此同时，随着我国居民膳食结构的变化，以经济作物为主的农作物种植面积和产量持续增加。据统计，2020年我国经济作物包括豆类、薯类、油料作物、棉花、麻类和糖料在内的种植面积占农作物总面积的21.94%，仅豆类、薯类、花生、甜菜、油菜和甘蔗年产量可达2.1亿t[1]。经济作物加工生产过程中产生的秸秆、茎叶、糟渣和饼粕等“废弃物”由于加工存贮难度大、饲喂技术支撑不足等问题，导致副产物饲料化利用程度较低，这不仅造成资源浪费，而且污染环境。本文针对经济作物副产物饲料化利用过程中存在的纤维含量高、适口性差和营养价值不平衡等特点，从改善纤维性饲料利用效率的技术措施、提高经济作物副产物组合效应等方面进行论述，以期为经济作物副产物在牛羊饲粮中的应用提供参考。
1.1 经济作物副产物的资源储量
经济作物种类多样，主要包括茎叶类(如油菜秸秆、大豆秸秆、甜菜茎叶、花生秧、红苕藤、竹叶以及竹笋、桑叶以及辣木等)、糟渣类(甘薯渣、甘蔗渣、柑橘渣、苹果渣、番茄渣和茶叶渣等)、饼粕类(如棕榈仁粕、甜菜粕、茶籽粕、葵花粕和菜籽粕)等。据统计，2020年我国经济作物中豆类、薯类、油料类、糖料类和瓜果类种植面积分别为11 593.5、7 210.5、13 129.2、1 568.5、12 646.3 khm2(表1)，每年副产物仅茎叶类、糟渣类和饼粕类就可分别高达1.65亿、0.92亿和0.50亿t，资源储量巨大[1]。
我国地域辽阔，经济作物具有一定地理分布特点。东部地区经济作物种植面积占全国的90%以上，是油料、糖料、蚕桑、麻类、烟叶和茶叶的主产区。经济作物南北地区种植也存在差异，北方主要以大豆、甜菜、花生和棉花为主，占总经济作物的37.8%(图1)，并呈逐年下降趋势。南方是我国经济作物主产区，具有饲料化利用前景的经济作物种类繁多，例如油菜、木薯、香蕉、甘蔗、蚕桑、柑橘、麻类和花生等，并且播种面积不断攀升[2]。由于地区间种植结构调整经济作物呈现出专业化分工的趋势，这有助于促进副产物的专门化加工与饲料化利用。
表1 2020年我国常见具有饲用价值的经济作物及其副产物概况Table 1 Profiles of common cash crops with forage value and their by-products in China in 2020[1]
1.2 经济作物副产物的营养价值
经济作物副产物由于加工过程和利用部位不同，导致其副产物营养物质组成存在较大差异，其中粗蛋白质(CP)和纤维含量是影响副产物在牛羊饲粮中应用的主要因素。表2[3-26]中所显示的经济作物副产物中以葵花粕CP含量(30.70%～33.60%)最高，其他副产物CP含量超过10%的依次有桑叶(18.26%～24.75%)、木薯茎叶(17.70%～27.90%)、甜菜茎叶(17.30%～18.14%)、棕榈仁粕(14.86%～16.32%)和花生秧(11.17%～14.55%)等，这些副产物可以作为饲料蛋白质供给来源发挥重要作用。经济作物副产物一般纤维含量较高，例如茎叶类副产物中的大豆秸秆、油菜秸秆、棉花秸秆以及糟渣类中的甘蔗渣等，其中中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)平均含量超过70%和55%。相对来说，饼粕类纤维含量较低，NDF和ADF含量分别维持在60%和35%以下。
此外，花生秧、甘蔗梢叶、甘薯渣、苹果渣和柑橘渣含有较高的水溶性碳水化合物(WSC)，作为反刍动物能量饲料来源可促进瘤胃快速发酵，有利于微生物蛋白合成。除常规营养价值外，部分经济作物副产物含有多种功能活性成分，比如桑叶和辣木中含有黄酮、多酚、生物碱和多糖等，以及甘薯渣富含大量膳食纤维、低聚糖等物质，这些活性物质在调控牛羊机体炎症反应、肠道健康以及脂肪沉积等方面具有重要作用。
图1 2010—2020年我国粮食作物与经济作物播种面积(a)及2021年不同经济作物副产物产量占比(b)Fig.1 Sown area of food crops and cash crops in China from 2010 to 2020 (a) and yield proportion of by-products with different cash crops in 2021 (b)[1]
表2 我国常见具有饲用价值的经济作物副产物营养成分含量(干物质基础)Table 2 Nutrient contents in by-products of common cash crops with forage value in China (DM basis) %
续表2项目Items干物质(风干基础)DM(air-drybasis)粗蛋白质CP粗脂肪EE中性洗涤纤维NDF酸性洗涤纤维ADF水溶性碳水化合物WSC粗灰分Ash钙Ca磷P参考文献Reference糟渣类Pomace甘薯渣Sweetpotatoresidue87.902.41～8.210.30～0.3822.3017.5324.252.53～4.050.340.07[3]甘蔗渣Bagasse92.10～94.321.59～2.570.29～0.7082.70～84.4050.54～66.002.60～5.964.70～8.760.82～1.050.08～0.29[13,21]苹果渣Applepomace88.87～94.056.20～7.733.05～6.8062.5453.8744.50～65.472.30～4.770.11～0.580.06～0.10[22]柑橘渣Citruspulp90.66～94.544.98～13.922.11～2.3610.32～21.656.58～16.3154.2813.56～16.980.18～0.280.09～0.20[13]饼粕类Meal甜菜粕Sugarbeetpulp87.60～90.468.54～11.570.55～0.9749.48～64.6125.99～40.390.853.65～5.860.77～1.320.09～0.16[17]棕榈仁粕Palmkernelmeal88.62～92.6214.86～16.326.73～7.1158.91～72.5031.43～33.91—5.36～9.820.27～0.280.59～0.68[23-24]葵花粕Sunflowermeal90.5630.70～33.602.90～3.0630.24～36.8223.00～28.67—12.20～15.280.27～0.370.39～0.99[25-26]
与常规饲料相比，由于经济作物副产物粗纤维含量高，适口性差，尤其是秸秆和糟渣类副产物，限制了其在牛羊饲粮中的开发和利用。提高副产物纤维降解率，改善营养组成和适口性，是提升副产物饲用价值的有效途径。目前利用较为广泛的有物理处理、化学处理和生物处理等方法，经过加工处理可松弛细胞壁结构，增加孔隙度，通过破坏纤维素和木质素的晶体结构去除纤维素表面半纤维素、木质素和果胶多糖，有利于酶和微生物进一步降解利用(图2)，其中生物处理还可以进一步提高营养价值[27]。
图2 纤维性饲料加工处理前后形态结构变化Fig.2 Changes of morphology in fiber feed before and after processing[27]
2.1 物理处理
物理处理是后续加工处理的前提和基础。棉花、大豆、油菜秸秆以及甘蔗糟渣类副产物由于粗纤维含量较高，直接饲喂牛羊效果较差，物理加工处理可通过增加微生物与其接触面积，有助于提高牛羊瘤胃消化利用效率[28-29]。例如，棉花秸秆经过膨化后纤维结构变松散，甚至炸开或断裂(图3)，NDF和ADF含量可分别降低9.34%和16.76%，使绵羊瘤胃干物质(DM)、NDF和ADF降解率分别从23.32%、18.65%、15.80%提高至31.32%、22.70%和39.37%[30]。而棉花秸秆经过预处理后进行微生物发酵，不仅可降低木质素和棉酚含量，而且粗饲料分级指数提高了11.60%，改善了营养价值[31]。此外，微波、超声波、辐照也可破坏纤维素与半纤维素和木质素的结合层，降低秸秆和糟渣中纤维素结晶度[32]。利用1 200 kGy辐照剂量γ-射线处理油菜秸秆，纤维素、半纤维素和木质素降解率分别提高2.75、7.10和1.28倍，并且辐照后提高了后续酶解效率[33]。然而，这些方法成本高，操作不便，不易大规模推广使用。
图3 电镜扫描观察膨化前后棉花秸秆的微观结构Fig.3 Microstructure of cotton straw before and after extruding by SEM[30]
2.2 化学处理
化学处理通过破坏纤维结构，松软细胞壁，提高低质粗饲料的营养价值。虽然酸化法、碱化法和氧化剂法能够改变纤维结构，提高副产物利用率，但是强酸强碱处理会造成环境和饲料污染，营养物质流失严重，并且成本过高；
此外，氧化剂(臭氧或二氧化硫)处理后适口性较低，并会产生少量酚类等有毒物质，长期饲喂家畜会出现中毒现象，因此，酸化法、碱化法和氧化剂法生产中很少使用[28,34]。
2.3 生物处理
利用微生物或酶制剂对秸秆、糟渣类副产物进行处理可提升副产物营养价值[9,29]。由于副产物水分含量不同以及营养价值不平衡，通常添加外源菌剂或与全株玉米进行混合微贮促进发酵进程，以提高副产物的保鲜效果和饲料利用效率。此外，单一菌株或酶制剂在降解纤维素方面并不理想，生产中采用多种菌株或霉菌协同来提高副产物利用效率和饲用价值[20,36]。例如，多菌协同发酵苹果渣后电镜扫描显示纤维素分子无定形区消失，结晶区表面结构被破坏(图4)，而且发酵后饲料CP含量提高了34.52%，ADF和NDF含量分别降低了22.93%和9.08%，改善了饲料品质[37]。
图4 电镜扫描下发酵前(A)和发酵后(B)苹果渣的微观结构Fig.4 Microstructure of apple pomace before (A) and after (B) fermentation by SEM[37]
2.3.1 秸秆类副产物
以微贮方式处理全株油菜及油菜秸秆，是降低纤维含量和提升营养价值的常用方法。利用乳酸菌、酵母菌和解淀粉芽孢杆菌混合制剂对油菜秸秆进行青贮发酵，青贮后NDF和ADF含量分别降低了16.17%和7.68%，CP含量提高了4.88%，显著改善了秸秆营养价值[38]，同时提高了油菜秸秆CP和ADF在山羊瘤胃中的有效降解率[8]。而利用不同真菌[香菇菌(Lentinusedodes)、虫拟蜡菌(Ceriporiopsissubvermispora)和黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)]对油菜秸秆进行发酵，在显著提高秸秆CP和有益成分几丁质含量的同时，香菇菌和黄孢原毛平革菌通过降解纤维素，提高了油菜秸秆体外有机物(OM)消化率[39]。针对干黄秸秆通过黄贮也可提高粗饲料的营养价值。例如，对油菜秸秆进行黄贮后显著降低了秸秆ADF含量(53.40% vs. 55.1%)，提高了WSC含量(0.54% vs. 0.35%)；
对其结构进行表征研究发现，黄贮后秸秆细胞壁出现破损，比表面积增加，油菜秸秆纤维的内部结构发生了改变并促进了后续厌氧发酵，提高了油菜秸秆的黄贮品质[40]。
利用乳酸杆菌和枯草芽孢杆菌对大豆秸秆发酵，复合益生菌显著降低了大豆秸秆中粗纤维、NDF、ADF以及胰蛋白酶抑制因子含量和脲酶活性，并且提高了乳酸菌和乳酸含量以及DM和OM瘤胃降解率[41]。而利用复合益生菌对大豆秸秆与薯渣混贮发酵，尽管发酵后NDF和ADF含量无显著变化，但是显著提高了薯渣与大豆秸秆混贮的CP含量和48 h的DM、NDF和ADF瘤胃降解率[3]。类似地，利用乳杆菌属、肠球菌属和片球菌属复合菌对棉花秸秆进行发酵，不仅能有效改善秸秆纤维利用效率，还降低了游离棉酚含量[42]。
2.3.2 茎叶类副产物
高水分副产物青贮时，添加吸附剂不仅可以减少汁液中营养物质流失，提高青贮发酵效果，而且还可以平衡青贮饲料的营养成分，提高饲用价值[20,43]。对含水量高达90%以上的香蕉茎叶或者香蕉全株青贮时添玉米粉，不仅可以降低pH和氨态氮(NH3-N)含量，提高WSC含量，有效保存营养物质，而且有助于降低香蕉茎叶中总单宁含量，改善青贮饲料的适口性[19]。同样地，花生秧与全株玉米混合青贮有助于降低花生秧青贮饲料的pH以及NH3-N和乙酸含量，并提高乳酸、丙酸和总酸含量，同时青贮饲料CP、粗脂肪(EE)、WSC含量和相对饲喂价值显著提升，其中花生秧与全株玉米以1∶3混合青贮时，青贮品质和营养价值最优[44]。对甜菜茎块或者甜菜渣青贮时，添加玉米秸秆不仅有助于增加青贮饲料乳酸含量和开封后的稳定性，而且提高了青贮饲料营养价值和体外DM消化率[45]。利用植物乳杆菌或布氏乳杆菌对甘蔗尾叶青贮，在降低pH以及NH3-N、NDF和ADF含量的同时，有氧稳定性也分别提高了34.29%和42.86%[46]。
此外，对经济作物副产物青贮或发酵不仅可以提高纤维素利用效率，改善品质，而且还可以去除副产物中的抗营养因子或毒素[21,32]。比较青贮、水煮、烘干和微波加热4种方法对木薯块根脱毒效果发现，木薯块根在30和40 ℃条件下青贮56 d可去除50%以上的氢氰酸[47]。利用纤维素酶和乳酸菌(植物乳杆菌和干酪乳杆菌)对棉花秸秆进行青贮发现，青贮后不仅降低了秸秆NDF、ADF和半纤维素含量，提高了乳酸、乙酸、丙酸含量以及体外CP和NDF消化率，而且纤维素酶和乳酸菌协同作用有效降低了棉花秸秆中的游离棉酚含量[18]。
经济作物副产物间由于营养物质组成不同，相互组合不仅能平衡营养价值，提高动物采食量和饲料利用效率，而且有助于推动副产物资源充分开发和利用。组合效应是不同饲料源的营养物质、非营养物质以及抗营养物质之间互作的整体效应[48-49]。将营养物质水平差异较大的不同副产物混合青贮或饲喂牛羊可显著提升副产物营养价值，比较典型的是，豆科类副产物由于CP含量高而WSC含量低，而禾本科茎叶虽然CP含量不高，但粗纤维和糖类丰富，因此组合应用会产生更好的组合效应。
3.1 秸秆类副产物
利用体外产气法评估作物秸秆(大豆秸秆、荞麦秸秆、洋芋蔓和冰草)与苜蓿不同配比组合效应，发现低比例洋芋蔓(0、10%、30%)或冰草(10%、20%)与苜蓿组合以及高比例大豆秸秆(50%)或荞麦秸秆(40%)与苜蓿组合产生正组合效应值最大[5]。而将大豆秸秆、花生秧和青贮玉米秸进行组合，通过分析产气参数、菌体蛋白含量以及综合组合效应指数发现，大豆秸秆与花生秧、青贮玉米秸均以20∶80组合为宜；
而花生秧与青贮玉米秸则以60∶40为最佳[50]。对油菜秸秆以不同比例(0、25%、50%、75%和100%)与象草进行组合，发现油菜秸秆以75%的比例与象草组合在体外发酵试验中产生正组合效应，并改善了发酵模式[13]。采用同样试验方法，将油菜秸秆与玉米、豆粕以3∶3∶4进行组合，发酵产物中NH3-N含量和pH显著下降，而以5.5∶3.0∶1.5比例组合时，瘤胃发酵效率最高，能氮比最优[51]。
3.2 茎叶类副产物
将花生秧分别与羊草、青贮玉米秸、全株玉米青贮和干玉米秸组合时，花生秧以20%比例与青贮玉米秸、干玉米秸、羊草发酵产生最大正组合效应；
花生秧以40%与全株玉米青贮正组合效应最大；
而花生秧为80%时，上述组合则产生最大负组合效应[52]。类似地，花生秧与玉米青贮以1.0∶1.2和1.0∶3.9分别组合时，花生秧DM和CP瘤胃降解率显著提升[44]。利用甘蔗尾与构树叶进行混合青贮，与甘蔗尾单独青贮相比，混合青贮显著增加了青贮饲料的CP、乙酸含量以及有氧暴露后乙酸和丙酸含量，并降低了肠杆菌数量；
而与构树叶单独青贮相比，混合青贮显著提高青贮饲料WSC含量，甘蔗尾与构树以3∶1混合青贮，组合效应最优[15]。
4.1 秸秆及茎叶类副产物
利用大豆秸秆替代玉米秸秆(0、50%和100%)饲喂西门塔尔母牛，尽管降低了母牛产前饲粮的DM和NDF表观消化率，但对产后营养物质[DM、CP、EE、NDF、ADF、钙(Ca)和磷(P)]表观消化率无显著影响，综合各项指标，大豆秸秆以50%比例替代玉米秸秆饲喂西门塔尔牛为宜[4]。饲喂母羊发酵大豆秸秆不仅有助于增加母乳中乳脂、乳蛋白、乳糖、乳总固形物和乳非脂固形物的含量，而且还可提高羔羊初生重和母羊DM、CP、EE和OM表观消化率以及降低母羊血清尿素氮含量[41]。与大豆秸秆相反，油菜秸秆显著降低了羔羊DM、OM、NDF、ADF和氮的表观消化率及氮存留率，最终影响了羔羊末重和平均日增重(ADG)[53]。但是，饲喂微生物发酵后油菜秸秆可改善肉牛生长性能，提高CP和NDF表观消化率，而且未影响肉牛健康[54]。在全价颗粒饲粮中添加不同比例(0～40%)棉花秸秆，不仅未影响育肥绵羊采食量并且可使ADG维持在200 g以上[55]；
对于生产母羊，棉花秸秆添加比例控制在20%～50%并未影响母羊生长性能、繁殖性能和羔羊初生重[56]。
香蕉茎叶作为南方主要经济作物副产物，青贮后饲喂西门塔尔杂交肉牛ADG可达0.92～1.26 kg/d，增重效果略低于全株青贮玉米，而与玉米秸秆青贮和甘蔗稍叶青贮效果相当[57]。然而，随着饲粮中香蕉茎叶青贮比例增加，山羊羔羊的ADG和CP表观消化率出现线性下降，但是饲粮DM、EE和ADF表观消化率提高；
此外，饲粮添加香蕉茎叶青贮有助于提高山羊羔羊的抗氧化能力[58]。花生秧替代麦秸与全株青贮玉米组合饲喂肉牛，提高了肉牛采食量和ADG，并未影响肉牛血清生化指标和肝脏抗氧化能力，与饲喂麦秸相比毛利润增加了52.2%，提高了养殖效益[10]。对于荷斯坦奶牛，花生秧与玉米青贮以1.0∶1.2比例混合饲喂，不仅可以降低牛奶体细胞数和粪氮/摄入氮，提高DM和CP瘤胃降解率，而且不影响奶牛干物质采食量(DMI)、产奶量和乳成分[59]。花生秧与玉米青贮混合饲喂小尾寒羊或者替代部分苜蓿粉饲喂波麻杂交羊，不仅未影响肉羊DMI、血清生化参数和屠宰性能，而且通过降低饲料投入使经济效益显著提高了10%～12%[60-61]。随后，对花生秧在肉用绵羊饲粮中的适宜添加比例及其有效能值进行系统研究，建议花生秧在肉羊饲粮中替代比例为20%～40%[62]。同时，王世琴等[14]系统评价了甘蔗梢对肉羊的饲用价值，肉羊对甘蔗梢的DMI为942.95 g/d，占体重的1.39%，甘蔗梢的肉羊采食潜力为39.98 g/(kg W0.75·d)；
甘蔗梢DM、OM、CP、EE、NDF和ADF表观消化率分别为52.48%、54.17%、50.96%、55.84%、54.83%和47.57%，氮沉积率为20.09%，氮生物学价值为38.68%。此外，青贮后甘蔗尾饲喂肉牛也可显著提高ADG以及CP和ADF表观消化率，具有极高应用价值[12]。
4.2 饼粕及糟渣类副产物
樊庆山等[23]比较了豆粕与饼粕类副产物(棕榈仁粕、油茶籽粕以及茶籽粕)对夏杂断奶公犊牛的影响，与豆粕相比，饲喂棕榈仁粕犊牛的末重和ADG显著提高，DMI和体尺指标无显著差异，但显著高于油茶籽粕和茶籽粕组；
饲喂茶籽粕显著提高犊牛血清中免疫球蛋白(Ig)G、IgA和IgM的含量，因此，饲喂棕榈仁粕有助于促进夏杂公犊牛生长；
而饲喂茶籽粕可提高犊牛免疫力。利用甜菜粕代替奶牛饲粮中的部分谷物，不仅未影响采食量和产奶量[63]，而且还会降低奶牛热应激，提高产奶量和乳蛋白含量[64]，并有助于改善瘤胃内环境和提高瘤胃纤维杆菌丰度[65]。类似地，甜菜粕替代饲粮中部分大麦或全部谷物，不仅提高了羔羊采食量和ADG，还提高了育肥羊肌内脂肪含量，改善了肉品质，并且降低了养殖成本[17,66]。
甘蔗渣作为南方地区主要经济副产物之一，作为单一粗饲料来源饲喂反刍动物往往具有较低利用率，需要与其他粗饲料配合使用[67]。利用青贮甘蔗渣替代50%的稻草饲喂金华黄牛可以获得较好的育肥效果[68]。类似地，利用全株甘蔗替代25%或50%苜蓿饲喂奶牛，不仅未影响DMI、饲粮营养物质(DM、CP、OM和ADF)消化率以及瘤胃pH、NH3-N和VFA含量，而且显著降低了奶牛养殖成本，提高了牧场经济效益[69]。而甘薯渣则表现出较低的营养价值，甘薯渣添加量超过20%会导致饲粮能量和CP含量显著下降，显著降低肉牛末体重和ADG，不利于肉牛育肥[70]，而且提高饲粮甘薯渣比例还会降低育肥牛的背最长肌肌内脂肪含量，因此，饲粮中甘薯渣添加量应控制在10%以内，以获得理想饲喂效果[71]。此外，饲粮中添加5%苹果渣在提高犊牛ADG和改善体尺指标方面以及添加20%苹果渣在提高奶牛泌乳性能方面均表现出积极促进作用[72]。
经济作物副产物在牛羊饲粮结构中占据着重要地位，秸秆和茎叶类副产物可作为主要的粗饲料来源，而饼粕和糟渣类可作为精饲料补充部分。现有的研究结果为经济作物副产物饲用价值提升及其在牛羊饲粮中的应用提供了宝贵数据。然而，经济作物副产物在牛羊养殖业应用中依然存在利用方式单一、技术支撑不足以及产业化程度不高等问题，因此需要因地制宜整合资源，对饲料加工关键技术进行攻关，挖掘饲用功能组分，提高副产物饲用价值；
并通过学科交叉、科技创新，开发高附加值产品，例如膳食纤维、有机酸、单细胞蛋白和低聚糖等，实现经济作物副产物高值化利用。总之，要进一步充分发挥经济作物副产物资源潜力，多维度提升利用效率，更有效地促进经济作物副产物产业化的快速发展，为我国畜牧业提供丰富的饲料资源。
