近几十年来,我国畜牧业发展迅速。随着畜牧业的蓬勃发展,人畜争粮的矛盾愈发严重。然而,由于草地超载过牧所造成的草地大面积退化和“人-草-畜”关系失衡等现象都反映出草畜矛盾突出,其根本原因在于饲草资源不足[1-2]。当前,在我国东北、西北和华北等畜牧业较为发达的地区约有9 913万hm2盐碱地[3],由于其pH高、含盐量高以及有机质低等一系列危害,以致许多作物生长受到抑制。此外,盐碱化与荒漠化相伴相生、甚至相互转化,这不仅对我国土地资源的利用与开发造成很大负面影响,而且会进一步加剧饲草资源不足的状况。
2022年中央1号文件指出,要积极挖掘潜力增加耕地,支持将符合条件的盐碱地等后备资源适度有序开发为耕地;研究制定盐碱地综合利用规划和实施方案;分类改造盐碱地,推动由主要治理盐碱地适应作物向更多选育耐盐碱植物适应盐碱地转变。向日葵由于具有耐盐碱、耐贫瘠、耐寒、耐涝和抗干旱的特点而被誉为“抗盐碱地先锋作物”,是生物治理盐碱地首选作物之一[4]。向日葵除油用、磕食外,榨油后的油饼、葵盘、茎和叶等有一定的饲用价值,经加工后能用来饲喂牲畜。据报道,2005年全国向日葵秸秆产量达到478.36万t[5]。在世界范围内,有研究表明2017年全球向日葵种植面积超过2 650万hm2,产生了8 000~1 860万t剩余秸秆[6]。不难发现,巨大体量的向日葵秸秆是不可忽视的一部分资源。此外,向日葵作物具有良好的饲草潜力,可作为玉米青贮饲料的补充[7]。相比于玉米青贮和高粱青贮,向日葵青贮含有更高的粗蛋白质、醚提取物和矿物质[8-9]。研究表明,向日葵中钙、钾和镁含量高于玉米和高粱,但是在氮和钠含量上并没有差异[10]。不仅如此,向日葵的能值也高于青贮玉米[11]。但是向日葵秸秆加工利用较为困难,当前我国大部分农区向日葵秸秆都被焚烧处理,在浪费资源的同时还造成了环境污染等问题。而在巴西等地区利用全株向日葵作为青贮饲料来源较为广泛,但在我国国内相关研究较少,缺乏对其营养成分、加工工艺和饲用价值的全面评定。
本文通过梳理近年来公开发表的文献资料,结合本实验室所开展的向日葵青贮研究工作,将向日葵的营养价值、影响向日葵青贮品质的因素及向日葵青贮在畜禽饲粮中的应用现状进行总结,以期为生产技术人员及科研人员提供参考。
1 向日葵种植规模与秸秆产量
我国作为世界第四大向日葵生产国,近十年来播种面积稳定在100万hm2左右[14],年产量约266.4万t,种植区域主要分布于东北、华北和西北地区,其中内蒙古、新疆作为我国向日葵主产区,产量分别占59.16%和16.43%[15]。截至2019年底,全国共登记向日葵品种1 687个[16]。根据联合国粮食及农业组织统计,2020年我国向日葵种植面积约90万hm2,生产葵花籽产量为237.5万t[17]。2020年仅内蒙古一地葵花籽播种面积就达57.1万hm2,葵花籽产量达168.2万t。De Oliveira等[10]认为,向日葵鲜重产量高于玉米、饲用高粱和苏丹高粱,为83.9 t/hm2。由于尚不清楚当前向日葵秸秆在全国范围内的产量,因而本文采用草谷比(即农作物副产品与主产品之比,表1 )以及毕于运等[5]整理的秸秆系数计算向日葵秸秆产量,计算公式为:
WS=SG×WP。
表1 向日葵副产品与主产品的比例(草谷比)Table 1 Ratio of sunflower by-products to main products (grass-valley ratio) |
| 项目 Item | 草谷比 Grass-valley ratio | 资料来源 Data source |
|---|---|---|
| 向日葵秸秆(包括向日葵盘)产量与向日葵籽(包括仁和壳)产量之比 Ratio of sunflower straw (including sunflower dish) yield to sunflower seed (including kernel and shell) yield | 3.0 | 根据对新疆、内蒙古2个自治区 胡麻和向日葵生产的调查结果给定 |
式中:WS为农作物秸秆产量;WP为农作物经济产量;SG为秸秆系数。
经计算,2020年全国向日葵秸秆(包括向日葵盘)产量为712.5万t,其中内蒙古自治区向日葵秸秆(包括向日葵盘)产量为504.6万t。
2 向日葵秸秆营养价值
成熟收获期的向日葵主秆干物质含量占全株的54%,叶干物质含量仅占8%[18]。茎由内部的茎髓和外部的秸皮构成,秸皮占总茎干重的90%,纤维含量较高,其中综纤维素(由纤维素和半纤维素构成)含量为65.7%,纤维素含量为43.5%,木质素含量为22.7%;茎髓中含有大量的果胶,纤维含量较低[19],其中综纤维素含量为45.8%,纤维素含量为25.0%,木质素含量为6.1%[20]。通过比较向日葵不同部位的营养价值,研究人员发现向日葵头部有效营养成分含有最高,其次是茎的顶部、中部和底部[21]。向日葵盘中粗蛋白质含量为7.0%~9.0%,粗脂肪含量为6.50%~10.50%,无氮浸出物含量为43.9%,粗灰分含量为10.1%[22]。向日葵秸秆中,可溶性碳水化合物含量为8.96%,粗蛋白质含量为6.82%,中性洗涤纤维含量为45.64%,酸性洗涤纤维含量为36.69%,粗灰分含量为8.89%,其中粗蛋白质、可溶性碳水化合物等营养物质含量均高于大豆秸秆、成熟期玉米秸秆、大麦秸秆、小麦秸秆以及燕麦秸秆[23]。同时,向日葵秸秆富含钙、铁、铜和镁等矿物质元素,其中茎髓中含1 716.4 μg/g钙、272.075 μg/g铁、23.8 μg/g铜、89.63 μg/g锌、16.20 μg/g锰、163.92 μg/g钾、111.82 μg/g钠和2 205.94 μg/g镁[24]。葵叶中粗纤维含量为14.6%,粗蛋白质含量为14.0%,粗脂肪含量为0.6%,粗灰分含量为2.8%。钙、磷含量分别为3.1%、0.23%。其营养价值高于青干草,与苜蓿干草养分含量相似[25]。除此之外,向日葵秸秆还具有一定的药用价值,其茎、髓和叶均可入药。如葵叶中含有的石吊兰素、去甲氧基苏打基亭和木犀草素等具有降血压功效;24-亚甲基环木菠萝烷醇具有抗氧化的作用[26];茎髓提取物能够破坏金黄色葡萄球菌和大肠杆菌细胞壁和细胞膜,起到抑菌的作用[27]。几种常见作物秸秆营养物质含量见表2 ,向日葵秸秆营养物质含量见表3 。
表2 几种常见作物秸秆营养物质含量比较Table 2 Comparison of nutrient contents in straw of several common crops% |
| 项目 Items | 粗脂肪 EE | 粗蛋白质 CP | 中性洗涤纤维 NDF | 酸性洗涤纤维 ADF | 粗灰分 Ash |
|---|---|---|---|---|---|
| 大豆秸秆 Soybean straw | 1.4 | 5 | 70 | 54 | 6 |
| 带穗玉米秸秆 Corn straw with ear | 2.4 | 9 | 48 | 29 | 7 |
| 成熟期玉米秸秆 Mature corn straw | 1.3 | 5 | 70 | 44 | 7 |
| 大麦秸秆 Barley straw | 1.9 | 4 | 78 | 54 | 7 |
| 小麦秸秆 Wheat straw | 1.8 | 3 | 81 | 58 | 8 |
| 燕麦秸秆 Oat straw | 2.3 | 4 | 73 | 48 | 8 |
数据来源于中国饲料数据库《中国饲料成分及营养价值表(2020年第31版)》。 | |
The data were obtained from the Tables of Feed Composition and Nutritive Values in China (31st edition, 2020), a Chinese feed database. |
表3 向日葵秸秆营养物质含量Table 3 Nutrient contents in sunflower straw[23]% |
| 项目 Item | 可溶性碳水化合物 WSC | 干物质 DM | 粗蛋白质 CP | 粗脂肪 EE | 中性洗涤纤维 NDF | 酸性洗涤纤维 ADF |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 向日葵秸秆 Sunflower straw | 8.96 | 33.98 | 6.82 | 0.6 | 45.64 | 36.69 |
3 向日葵秸秆生物活性物质
3.1 多糖
植物多糖具有协助消化、抗病毒、抗氧化和调节免疫等生物学功能[28]。索金玲等[29]在温度为95 ℃、料液比为1∶20、提取时间为4 h的条件下,提取到向日葵盘中的水溶性粗多糖含量为9.73%。姜守刚等[30]测定茎髓中的多糖含量为6.56%(266.03 mg/g),其优化工艺为原料颗粒的大小为60~80目,料液比为1∶50,提取时间为3.0 h,提取温度为90 ℃,提取次数为2次。而木合塔尔·阿里木等[27]利用苯酚-硫酸法测定取自阿图什市的向日葵茎髓中的多糖含量高达17.62%,这或许是由于地区、气候以及向日葵品种的不同所造成的。谭笑[31]在向日葵茎芯中提取出HALWP-1、HALWP-2、HALWP-3和HALWP-4这4种多糖组分,并认为茎芯多糖能够促进脾脏和胸腺细胞的增殖从而达到抗肿瘤的作用。吴比[32]推测构成向日葵茎髓多糖的单糖为β-D-甘露糖、β-D-甘露糖醛酸以及β-D-葡萄糖等。张尚明等[33]认为向日葵茎芯多糖能够提高小鼠的免疫能力。李远见等[34]在肉仔鸡饲粮中添加600 mg/kg的向日葵茎芯原粉后,显著提高了其血清白细胞介素-2的含量。
3.2 绿原酸
绿原酸是植物体内一种次代谢产物,具有抗氧化、抗菌和抗病毒等功效[35]。当前提取绿原酸的方法有水提法、醇提法、超声波辅助提取法以及超高压提取法[36]。孙保中等[37]通过高效液相色谱法测定开花期和果实成熟期葵叶中绿原酸含量分别为1.25和2.34 mg/g;并发现其醇提物能够减缓小鼠耳和足的肿胀症状。同时,研究表明,葵叶中的绿原酸具有降低四氧嘧啶型糖尿病小鼠体内血糖水平、抑制肾肿大以及调节脂质代谢等作用[38]。张燕丽等[39]改进了葵盘中绿原酸的提取工艺后,葵盘中绿原酸得率为6.01 mg/g;优化后的工艺条件为超声温度60 ℃、乙醇体积分数40%、料液比1∶50、超声时间40 min及超声功率90 W。研究还发现,葵盘中的绿原酸能够抑制α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶,具有良好的体外降血糖效果[36]。钟姣姣等[40]提取向日葵秸秆中绿原酸的得率为2.408%,此时优化工艺为乙醇体积分数80%、微波时间4 min、微波温度63 ℃及pH为6,并发现随着绿原酸质量的增加,对超氧阴离子的清除率提高。
3.3 黄酮类化合物
3.4 萜类化合物
4 向日葵青贮
向日葵秸秆中营养丰富,尽管存在纤维素含量较高等弊端,但是在环境条件对玉米等作物不利的情况下,向日葵青贮饲料用于反刍动物饲养可以作为玉米青贮饲料的替代品。研究表明,通过微生物发酵的方式可以提高其营养价值和适口性[48],其原理是依靠青贮发酵过程中微生物的活动分解纤维素。青贮是一种常见的秸秆保存方法,可以延长秸秆的储存时间,为反刍动物全年提供饲料。向日葵青贮饲料的饲用价值可达玉米青贮饲料的80%,但向日葵青贮中含有更高的粗蛋白质和乙醚提取物[49]。研究表明,玉米青贮通常含有8%~9%的粗蛋白质,而向日葵青贮含有10%~12%的粗蛋白质[50]。一般有混贮和使用添加剂2种方式用以提高向日葵青贮品质。
4.1 青贮收获时期
向日葵青贮饲料的质量与收获阶段密切相关,一般制作青贮的向日葵在开花期、乳熟期或腊熟期收获。Toruk等[51]认为,青贮中干物质含量随着成熟度的增加而增加。向日葵全株青贮中的中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、纤维素、乙酸和可溶性碳水化合物含量随着成熟度从开花初期到1/3乳线期的增加而增加,而粗蛋白质含量在开花后逐渐降低;并认为开花初期的向日葵青贮饲料品质优良,1/3乳线期的青贮饲料品质较差。有学者建议在腊熟期收获向日葵制作青贮,在腊熟期向日葵青贮的干物质、有机物和粗脂肪含量高于开花期青贮和乳熟期青贮,且酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量较低;但随着收割时间的推迟,向日葵青贮中的乳酸和乙酸含量有所下降[52]。De Rezende等[53]认为,向日葵青贮饲料中的化学差异与品种和刈割时期有关,分别在向日葵种植第95天和第110天进行收获并制作青贮,结果显示在第110天收获的向日葵青贮pH显著高于第95天。Possenti等[54]认为,制作向日葵青贮饲料的合适阶段是在种植第85~110天,该阶段向日葵的干物质含量在28%~30%,此时特征为向日葵下部叶片干燥,葵盘的后部区域呈黄色,苞片变黄并带有棕色印记。
4.2 青贮加工方式
4.2.1 氨化
氨化可以用于提高以谷物秸秆为主的劣质粗饲料的营养价值。在厌氧条件下,尿素水溶液释放氨,解离出的氢氧根离子通过破坏木质素-碳水化合物的酯键使木质素和纤维素分离,未解离的氨能够影响纤维素结晶度[55]。以上2种途径均可以降低纤维素含量,从而提高反刍家畜的消化率[56]。氨化不仅可以打破秸秆中的木质纤维结构,同时可以中和其潜在的有机酸,从而降低酸度、提高微生物活性;同时由氨所形成的铵盐会被微生物利用形成菌体蛋白[57];此外,纤维素部分被水解膨胀后有利于反刍动物瘤胃液的渗入,有利于提高家畜的消化率。因此,氨化常用以提高劣质饲料尤其是谷物秸秆的营养价值。常用的氨源有液氨(无水氨)、尿素、碳酸氢铵和氨水等。与氢氧化钠相比,氨水等腐蚀性更低,且不易形成有害化合物。
Gholami-Yangije等[58]认为,氨化后向日葵秸秆粗蛋白质含量会提高,但体外干物质消化率和中性洗涤纤维含量并无变化。史明[20]认为,油葵秸秆进行氨化处理后粗蛋白质含量显著提高,同时中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、酸性洗涤木质素和半纤维素含量显著降低。尽管氨化有许多优势,但是其成本较高且氨水具有一定腐蚀性。尿素较为温和,但是也需要在脲酶和高水分的条件下才能发挥作用[59]。虽然氨处理提高了秸秆饲料的营养价值,但饲喂过量氨化饲料可能会导致反刍动物产生急性毒性,因为氨化饲料可能会对中枢神经系统产生有害影响,导致疯牛综合征或牛骨质疏松[60]。此外,由于碱的亲水性,含水量超过30%的牧草的氨化可能会减少摄入,从而导致刺鼻气味的氨气滞留[61]。因而,该方式并未得到广泛的应用。
4.2.2 添加剂
刘月琴等[62]认为,油葵秸秆含糖量低,因而需添加糖或含糖物质以保证青贮成功,其试验结果表明,添加0.5%蔗糖、1.5%糖渣或1.7%糠醛油葵秸秆发酵效果较好,而添加玉米粉发酵效果较差。而刘敏等[63]认为,添加乳酸菌发酵剂以及玉米面均可以使向日葵秸秆青贮达到长期保存的效果。田亚红等[64]将啤酒酵母、枯草芽孢杆菌、绿色木霉接按照2∶2∶1制成混合菌种,接种在向日葵秸秆和向日葵盘后发酵48 h,结果显示,粗蛋白质含量提高了92.62%,粗纤维含量降低了15.43%。李肖等[65]采用响应曲面优化法比较向日葵青贮在不同比例下乳酸菌、尿素、纤维素酶和糖蜜的发酵效果,最终确定乳酸菌添加量为9.3×105 CFU/g、糖蜜添加量为3.57%、尿素添加量为0.3%和纤维素酶添加量为0.14%时发酵效果最好,此时中性洗涤纤维含量降低了34.06%,乳酸含量提高了134.74%。Konca等[66]在向日葵青贮中分别添加了乳酸菌、糖蜜以及乳酸菌和纤维素酶的复合物,结果表明,添加糖蜜能够提高青贮中水溶性碳水化合物含量,降低中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量;而添加乳酸菌和纤维素酶的复合物能够提高乳酸和乙酸含量。Ozduven等[67]研究发现,利用乳酸菌(植物乳杆菌和粪肠球菌组成)与纤维素酶复合物(纤维素酶、淀粉酶、半纤维素素酶和戊聚糖酶)能够降低其pH、氨态氮含量,并提高乳酸含量;此外,对于微生物组成以及霉菌减少也有积极的促进作用。Gandra等[68]研究表明,添加布氏乳杆菌对向日葵青贮中的干物质含量、有氧稳定性和营养物质的体外消化率均有积极影响,同时霉菌和酵母菌的数量也有所减少;但在同时添加布氏乳杆菌和枯草芽孢杆菌时并未表现出协同作用。Koc等[69]在向日葵青贮中添加含有植物乳杆菌和屎肠球菌的复合菌剂,发现从青贮第4天开始,接种乳酸菌的试验组乳酸含量较高,但乙酸含量较低;在随后的第14、21、28和56天表现出相同的趋势,接种剂增加了乳酸菌数量,减少了青贮饲料中的酵母和霉菌数量,同时降低了青贮中纤维含量,但并未改变其有氧稳定。Rodrigues等[8]在向日葵青贮中添加先锋1174(含粪便链球菌和植物乳杆菌),在经历125 d后,与对照相比,该接种剂降低了pH、氨和乙酸含量;并认为干物质、粗蛋白质、酸性洗涤不溶氮、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和木质素含量,干物质的体外消化率、干物质损失、有氧稳定性,以及丙酸、丁酸和乳酸含量不受处理的影响。
除以上常用添加剂外,如大豆壳、葵花籽碎和尿素也对向日葵青贮品质有积极促进作用。研究表明,添加大豆壳可以减少青贮中干物质损失率,并增加其碳水化合物含量;添加尿素能够增加粗蛋白质含量,减少酵母菌和霉菌数量,同时促进细胞壁尤其是半纤维素的分解[70]。
4.2.3 混贮
于杰等[71]将全株玉米和向日葵秸秆进行混贮,发现向日葵秸秆和全株玉米以4∶6、5∶5和6∶4的比例混合时青贮饲料品质较佳。马宇莎等[72]分析比较了向日葵混贮的动态变化过程,发现全株玉米与向日葵秸秆混贮后pH在发酵前7 d即降至4.4以下,同时粗蛋白质损失较低,具有较好的发酵品质。Mafakher等[73]同样利用向日葵秸秆与玉米进行混合青贮,结果表明,随着玉米比例的提高,粗蛋白质、粗灰分含量和pH呈下降趋势,并在向日葵与玉米比例为5∶5时混贮效果最好。Tan[74]通过添加不同比例苜蓿和玉米以改善向日葵青贮的品质,结果表明,添加苜蓿的混合青贮中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和粗蛋白质含量优于添加玉米的混合青贮,但添加玉米后混贮的干物质含量较高,且pH较低。刘敏等[62]研究认为,利用向日葵秸秆与玉米秸秆混贮效果优于添加乳酸菌添加剂或添加玉米面,其原因或许是由于2种粗饲料混合青贮产生了正组合效应。Demiirel等[75]利用高粱和向日葵混合制作青贮,与高粱青贮饲料相比,尽管干物质、有机物和中性洗涤纤维的含量较低,但向日葵中粗蛋白和粗脂肪的含量高于高粱青贮饲料;且随着向日葵比例的提高,混贮中干物质、粗蛋白质和粗脂肪消化率逐渐提高,但酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维消化率逐渐降低;结果表明,高粱和向日葵按50%的比例混合可获得质量较好的青贮饲料。
5 向日葵青贮在动物生产中的应用
Ozduven等[67]研究表明,利用乳酸菌(植物乳杆菌和粪肠球菌组成)+酶(纤维素酶、淀粉酶、半纤维素素酶和戊聚糖酶)不仅能够降低向日葵青贮中的中性洗涤剂纤维含量,而且能够提高青贮饲料在羔羊体内有机物和酸性洗涤剂纤维消化率。Sainz-Ramírez等[76]研究表明,在荷斯坦奶牛饲粮中加入向日葵青贮能够提高其乳脂校正乳和乳脂,同时并不影响收入与饲喂成本的比率。Leite等[77]利用瘤胃瘘管牛同样证明了向日葵青贮可以替代玉米青贮作为荷斯坦奶牛的饲粮。Possenti等[54]研究发现,青贮能够提高向日葵的粗蛋白质含量,降低中性洗涤纤维含量;在奶山羊饲粮中分别添加15%、30%和45%的向日葵青贮后发现,向日葵青贮的添加量为30%时不会对产奶量和奶成分造成负面影响。De Sousa等[78]对绵羊羔羊饲喂向日葵青贮后发现,与饲喂玉米青贮相比,饲喂向日葵青贮的羔羊在体增重或饲料转化率方面均无显著差异;除向日葵喂养的羔羊脂肪覆盖量较大外,二者未发现胴体性状的差异;因而向日葵青贮饲料可以用作绵羊饲料中粗饲料的替代来源。而Bueno等[79]研究发现,利用向日葵青贮饲喂羔羊时,羔羊的干物质摄入量、平均日增重和料重比都有所降低;其原因在于向日葵青贮营养价值低,因而在饲喂羔羊时需要在饲粮中补充更多精料。Amini-Jabalkandi等[80]在育肥水牛饲粮中分别用向日葵青贮替代0(对照)、25%、50%、75%和100%的苜蓿干草,结果表明当向日葵青贮添加量不超过50%时不会对水牛的育肥产生负面影响。
6 小结
向日葵是我国重要的油用经济作物,其秸秆来源广泛但并未得到有效利用。向日葵的茎、叶不仅含有丰富的营养物质,同时具有一定的药用价值,能够起到抑菌、抗氧化等作用。大量文献表明,将向日葵调制成青贮饲料是一种行之有效的方式。为保证向日葵青贮的营养品质与发酵成功,常见的措施有利用高粱、玉米或苜蓿等与其进行混贮,以及使用尿素、乳酸菌和纤维素酶等添加剂。在动物生产中,以向日葵为原料的青贮饲料已被证明无不良影响。在一些不适宜青贮玉米生长的国家和地区,向日葵青贮已成为玉米青贮的替代物;然而,由于其纤维素含量高等因素的制约,在我国尚未得到应有的重视。总而言之,向日葵在青贮饲料生产领域具有广阔的开发与利用空间,但其加工利用方式仍需进一步研究。