随着消费者对蔬菜需求和品质的增加,我国蔬菜产业快速发展,其生产规模大,数量供应丰富,市场交易活跃,国内供应量和出口量均居世界第一。然而,蔬菜尾菜产量也在逐渐增加,对生态环境产生重大影响。近年我国针对尾菜处理的相关研究初见成效,开发出厌氧发酵、还田、堆肥、饲料化、能源化等多种尾菜利用技术[1]。其中,尾菜饲料化可以有效地利用资源,降低农业生产成本,将农作物副产品转化为动物饲料,可以减少资源浪费,实现资源最大化利用;尾菜饲料化还可以降低空气污染、减少土壤中化学肥料残留,有利于环境保护和畜牧业可持续发展。本文就尾菜的营养价值、尾菜饲料化方法及其在动物生产中的应用进行综述,并对尾菜利用中存在的问题进行梳理,以期为尾菜资源在动物生产中的大规模应用提供参考。
1 尾菜资源
消费者日益增长的蔬菜需求带动了蔬菜产业的迅速发展,新鲜蔬菜在采收、加工、运输、售卖时所产生的尾菜也越来越多。新鲜尾菜中含有大量水分和较高营养物质,易腐烂变质[3],在堆积过程中,病原微生物与尾菜本身携带的虫卵会大量繁殖,给消费者健康造成危害,同时堆放产生的恶臭气体和液体也会造成环境污染[4-5]。大量食物垃圾对全球气候也会产生影响,在英国,每年产生数百万吨食物垃圾,造成2 700万t二氧化碳排放[6],其中,新鲜蔬菜废弃物最为严重。我国尾菜资源丰富,每年产量巨大,尾菜饲料化开发具有极高的环保价值和经济价值。尾菜饲料化,一方面,可以有效减少果蔬废弃物的排放,减少碳排放,降低环境污染,对人类生活环境大有裨益;另一方面,尾菜中含有丰富的膳食纤维、蛋白质、脂肪、矿物质、维生素等营养物质,是优质的饲料原料[7-8]。尾菜饲料化能缓解常规饲料不足的现状,对保障蔬菜产业健康发展、畜牧业可持续发展和保护农业农村生态环境意义重大。
2 尾菜营养特征及营养价值
我国产量较大的蔬菜有大白菜、茄子、甜椒、菠菜、生菜、芹菜、西兰花、菠菜、莲藕等,这些蔬菜或尾菜的营养成分含量如表1所示。利用尾菜进行饲料配方可以最大限度地提高尾菜资源的利用,并通过提供可持续的原材料来提高饲料生产商的竞争力,从而减少对常规饲料原料的依赖。
表1 几种蔬菜或尾菜的营养成分含量Table 1 Nutrient contents of several vegetables or vegetable wastes |
| 蔬菜种类 Vegetable species | 占干重的百分比Percentage of dry matter/% DM | 水分 Moisture/% | 参考文献 References | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 粗蛋白质 Crude protein | 粗脂肪 Crude fat | 粗纤维 Crude fiber | 粗灰分 Ash | 总糖 Total sugar | 总黄酮 Total flavonoids | |||
| 西兰花叶Broccoli leaves | 35.95 | 8.28 | 19.85 | 9.65 | 5.94 | 0.28 | 84.03 | 刘培秀等[9] |
| 山芹菜Mountain celery | 12.98 | 2.10 | 10.51 | 14.20 | 8.26 | 3.56 | 83.45 | 刁绍起等[10] |
| 菠菜Spinach | 20.98 | 4.35 | 19.13 | 14.78 | 4.80 | 2.38 | 88.50 | 冯肖然等[11] |
| 白菜Chinese cabbage | 6.88 | 1.12 | 10.44 | 11.22 | 7.91 | 1.78 | 95.90 | 邵世勤等[12] |
| 茄子Eggplant | 10.70 | 7.27 | 10.00 | 7.17 | — | — | 94.01 | 邵世勤等[12] |
| 甜椒Sweet pepper | 19.42 | 4.49 | 16.38 | 6.03 | — | — | 94.36 | 邵世勤等[13] |
| 散叶生菜Lettuce | 21.49 | 11.62 | 12.59 | 15.06 | — | — | 95.22 | 邵世勤等[13] |
| 花椰菜Cauliflower | 16.12 | 3.62 | 9.35 | — | — | 0.77 | 87.85 | 范爱枝[14] |
| 莲藕Lotus root | 10.41 | 0.98 | 14.51 | 4.04 | 10.41 | 0.09 | 77.90 | 吴宇昊等[15] |
| 萝卜茎叶Radish leaf | 2.30 | 3.90 | — | — | 15.07 | 0.39 | 91.04 | 王雪蕊等[16] |
尾菜主要分为叶菜类尾菜、瓜果类尾菜、根茎类尾菜、茄果类尾菜等,不同类型尾菜的产生系数不同。叶菜类尾菜的产生系数相对较高,尤其是绿叶菜类;瓜果类尾菜的产生量相对较小,根茎类尾菜相比瓜果类尾菜产生量要高一些[17]。尾菜的总体营养特征如下:水分含量高,一般在80%以上;总氮含量为1.96%~5.39%;总磷含量为0.35%~1.82%;总钾含量为0.80%~5.42%;纤维素含量相对较高,为9.03%~35.60%;木质素含量较低,为1.38%~7.30%。其中,茄果类尾菜的纤维素含量较高,为30.00%~35.60%;根茎类尾菜的粗蛋白质含量较高,为26.94%~31.75%[18]。Esteban等[19]对西班牙萨拉曼卡市商店收集的果蔬废弃物进行了检测,其含水量约为88.12%,干物质营养成分显示为65%无氮提取物、13%粗纤维、12%粗蛋白质、8%粗灰分、2%乙醚提取物,碳水化合物含量约为65%。Chen等[20]对杭州市多个菜市场回收的新鲜尾菜进行检测,然后与优质饲料原料苜蓿相比较,结果表明:新鲜尾菜中粗蛋白质含量较高,相当于常用饲料原料苜蓿的74%,新鲜尾菜中中性洗涤纤维、粗纤维和粗脂肪含量分别比苜蓿高135%、122%和183%,酸性洗涤纤维含量与苜蓿相近。
尾菜不仅含有丰富的膳食纤维、矿物元素及维生素,还含有硫代葡萄糖苷(硫苷)、酚类、花青素和黄酮等有益于动物机体健康的活性物质。膳食纤维包括纤维素、半纤维素、木质素、果胶、树胶、低聚糖等,其主要功能是促进肠道蠕动,有利于粪便排出,还可以使动物机体产生饱腹感[21]。维生素是动物机体不可或缺的营养素,在动物的生长发育中起到至关重要的作用,缺乏维生素不仅使动物机体抵抗力下降,还会导致一系列疾病[22]。十字花科植物中含有丰富的硫代葡萄糖苷,其代谢产物具有抗氧化、抗癌、调节肠道菌群等多种生理功能,在饮食中适当使用硫代葡萄糖苷在预防癌症方面有一定作用[23-24]。黄酮是次生代谢产物,是一类具有多种生理活性的天然物质,研究表明相当一部分黄酮类物质具有调节血管渗透性、抗病毒、抗氧化、抗炎、保护神经等功能[25]。
3 尾菜饲料化技术研究现状及其在动物生产中的应用
尾菜饲料化技术在国内得到了广泛的关注和研究,研究方向有尾菜的特点和营养成分分析、尾菜饲料化的配方和生产工艺优化、尾菜营养价值和利用率提升等。这些研究最终聚焦到尾菜饲料化对畜禽生长性能的影响,包括生长速度、饲料转化率、免疫力等方面,旨在探讨尾菜饲料化在畜禽生产中应用的具体效果。总体来说,国内加大了尾菜资源饲料化技术的研发力度,也取得了一些突破性的进展,常用的尾菜饲料化技术及其特点见表2。
表2 常见的尾菜饲料化技术及其特点Table 2 Common feed-oriented technologies of vegetable wastes and their characteristics |
| 分类 Classifications | 主要技术 Main technologies | 技术优点 Technical advantages | 技术缺点 Technical disadvantages |
|---|---|---|---|
| 物理处理 Physical treatment | 机械切割粉碎、机械挤压、 热处理、微波处理、萃取等 | 操作简单,处理周期短, 方便后续储存以及运输 | 耗能,对设备有一定要求,挤压会 造成营养流失,高温会破坏生物 活性化合物 |
| 化学处理 Chemical treatment | 热化学转化、氨化、 酸化、碱化等 | 操作简单,可提高饲料消化率、 增加饲料非蛋白氮含量 | 有化学物质残留,危害动物健康, 处理成本较高 |
| 生物处理 Biological treatment | 酶解、微生物发酵、 菌酶协同发酵等 | 发酵工艺简单,可改善饲料适口性、 消除大部分抗营养因子、提高 营养物质的体外消化率、 改善动物肠道菌群 | 需防止杂菌污染,对发酵生产 设备尤其是冷却设备有一定要求, 需要一定发酵时间 |
3.1 尾菜饲料化生产工艺
3.1.1 物理处理
尾菜饲料化采用的物理处理方法包括机械切割粉碎、机械挤压、热处理、微波处理、萃取等。
机械切割粉碎法是指将尾菜切割后直接饲喂畜禽的方式,此方法方便简洁,但尾菜中的纤维素和木质素含量高,直接饲喂时动物对其利用率低,而且尾菜中含有病原微生物及抗营养因子等,不利于动物的消化吸收,甚至可能会导致动物产生疾病[26-27]。机械挤压法是指将尾菜进行挤压去除水分后应用的方式,可以避免因尾菜含水量大而导致的微生物腐败的问题[28]。但是,挤出的尾菜汁会造成尾菜营养物质严重流失。热处理法是对尾菜进行烘干、粉碎处理,可以方便储存和运输,并且,高温不仅可以杀死病原微生物,还可以去除尾菜中水分与部分抗营养因子。目前,采用较多的热处理法有蒸汽处理法、压热处理法、湿热处理法和干热处理法[29-30]。萃取是针对蔬菜、水果废弃物(如葡萄渣、南瓜皮、苹果渣等)中的生物活性化合物采用的方法。萃取的化合物如酚类化合物、萜类化合物、膳食纤维等,具有抗氧化、抗炎、保护心脏、免疫调节等作用,在促进健康和降低疾病风险方面对动物有益[31]。通过萃取可以针对性的提取相应益生化合物,提高尾菜的经济价值。利用绿色离子或非离子表面活性剂来提取生物活性化合物,是高级液相萃取的常用方法之一。More等[32]研究显示,萃取条件:8.22% & 8.27% Triton X-114,4%氯化钠(NaCl),36.80 & 34.30 ℃和pH 4.00 & 5.07,在石榴皮中萃取多酚和黄酮类化合物的回收率最大。
综上可知,物理处理技术相对简单,但不能改变饲料内部大分子物质组织结构、改善营养价值及提高饲料利用率,因此常与其他饲料化处理技术联合使用。
3.1.2 化学处理
尾菜饲料化使用较多的化学处理方法有热化学转化、氨化、酸化以及碱处理等。
热化学转化法是使用超临界或亚临界水在高压密闭容器中将原材料转化为高热值燃料,分为3类:水热碳化、热液化和水热气化。将尾菜投入到高温高压密闭容器中进行反应,尾菜中的部分有机物质转化为甲酸、乙酸等有机酸[33],提高了尾菜益生特性。氨化、酸化以及碱处理法是指通过添加酸性或碱性物质(有机酸、无机酸、石灰水等)对尾菜进行化学转化的方式。此类方法可以破坏尾菜的纤维结构,使细胞壁内部分木质素软化,硅酸盐溶解,纤维素膨胀、疏松,进而增加和消化酶的接触面积,使饲料消化率得以提高。另外,石灰水处理还增加了饲料中钙的含量,但会使蛋白质和维生素遭受破坏;氨化通过水合离子电离,可以增加饲料中非蛋白氮含量[34-35]。
综上可知,化学处理是通过添加有机或无机化合物对尾菜中营养物质进行转化,以提高饲料消化效率,提高尾菜附加值,但是处理后尾菜中化学物质的残留会对畜禽的健康产生一定危害,不合适进行大规模应用。
3.1.3 生物处理
尾菜饲料化常用的生物处理方法有酶解、微生物发酵、菌酶协同发酵等。
酶解法是指加入酶制剂对尾菜进行酶解的方法。例如,纤维素水解酶可以有效地破坏植物细胞壁,促进生物活性化合物的释放;纤维素可以被纤维素酶水解成葡萄糖;半纤维素可以被半纤维素酶水解成单糖或寡糖;同样,其他大分子有机物也可以被相应的酶分解成小分子有机物。一般来说,酶解法可以节省生物活性化合物(如多糖、萜类、生物碱、肽类、氨基酸等)的提取时间和溶剂用量,此外,该方法还可以提高生物活性化合物的产量[36-37]。微生物发酵法是利用益生菌(芽孢杆菌、酵母菌、乳酸菌和部分霉菌等)对尾菜进行发酵,可改善尾菜适口性,提高营养价值,还能改善动物肠道菌群。Ibarruri等[38]利用根霉属菌株对果蔬尾菜加工处理过程中产生的固体和液体部分,分别进行固态发酵(SSF)和深层发酵(SmF),与初始底物相比,发酵产物具有更高的抗氧化活性,酚类化合物浓度提高2倍,粗蛋白质含量提高1.9倍,发酵过程中氨基酸、脂肪酸含量得到改善,表明发酵尾菜可以生产出有价值的替代饲料成分。另外,尾菜青贮是利用乳酸菌发酵时产生的有机酸抑制杂菌生长,降低pH,延长保质期,提高饲用价值[39]。酶解法和微生物发酵法对尾菜饲料化均具有重大的应用价值,但相对效率和经济效益低,为此,结合酶解及微生物发酵法研发了菌酶协同发酵技术。该方法将酶制剂和益生菌有效结合互作发酵,可以将尾菜中大分子蛋白质分解成小分子肽和氨基酸,促进动物吸收;同时,还具有改善饲料品质、提高适口性、促进动物机体对营养物质的消化吸收、改善肠道健康等作用[40]。在马蹄渣和玉米蛋白粉混合青贮时添加乳酸菌和纤维素酶的研究结果表明,发酵液中中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、酸性洗涤木质素、纤维素、半纤维素的含量显著降低,同时粗蛋白质含量显著提高,明显改善了青贮的饲用品质;另外,在瘤胃发酵参数方面,发酵液pH均在6.56~6.84,且与发酵时间呈负相关趋势,能有效降低不良细菌数量或抑制不良细菌的增殖,发酵液中总挥发性脂肪酸、乙酸、丙酸、丁酸含量均显著增加,发酵产品的益生特性有所提高[41]。
综上可知,菌酶协同发酵的效果优于直接利用微生物发酵,其可弥补单独利用益生菌发酵产酶不足的缺点,是目前应用较多的尾菜饲料化技术。
3.2 尾菜在动物生产中的应用
3.2.1 在反刍动物生产中的应用
尾菜在反刍动物饲粮中的应用研究已比较广泛且其有益特性也逐渐被证实。研究表明,尾菜在反刍动物饲粮中的添加可以有效降低饲料成本、提高反刍动物的免疫性能、调节胃肠道菌群、改善总抗氧化能力、提高生长性能等。
首先,尾菜的添加不会对反刍动物产生有害影响。Angulo等[42]对哥伦比亚某市场的果蔬尾菜进行了定量和营养分析,并结合果蔬尾菜的营养成分给出了其在牛生产中应用的可能性;在奶牛饲粮中添加18.0%的果蔬尾菜作为混合精饲料,可以产出含有更高比例脂肪酸的牛奶,而不会影响每日产奶量[43]。其次,在反刍动物饲粮中添加尾菜可以有效降低饲料成本,提高反刍动物生长性能和肉品质。尾菜青贮中的粗蛋白质、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、粗灰分和钙含量显著高于玉米青贮,对尕力巴牛分别饲喂尾菜青贮和玉米青贮饲料,结果表明在不影响尕力巴牛胴体重和日增重的前提下,尾菜青贮组尕力巴牛肉的剪切力及眼肌面积以及血清中葡萄糖、尿素和白蛋白含量均显著高于玉米青贮组[44]。另外,尾菜中含有多种营养物质,发酵后尾菜有机酸含量增加,乳酸菌数量增多,其他微生物减少,有益于牛瘤胃健康。刘依莎等[45]对西门塔尔杂交牛饲喂添加发酵玉米芯的全混合日粮,试验结果表明饲喂93 d后肉牛的平均日采食量和平均日增重显著提高,料重比显著低于饲喂常规全混合日粮的肉牛,且瘤胃液氨态氮、微生物蛋白浓度显著升高,瘤胃液pH无显著变化。
尾菜在羊饲粮中的添加同样具有较好的饲喂效果,其不仅可以改善羊肠道和瘤胃菌群结构,提高生长性能,还能明显提高经济收益。研究显示,饲粮中添加发酵尾菜可以增加羔羊的平均日增重和最终体重,同时还可以提高血清总抗氧化能力[46]。另外,Sahoo等[47]研究证实,饲粮中添加尾菜可以减少绵羊的饮水量,试验用含10%尾菜的饲粮饲喂绵羊,添加尾菜组的干物质和粗蛋白质消化率分别显著提高7.2%和7.6%;在添加尾菜组中,血浆总抗氧化能力提高26.3%,饮用水消耗量净减少了13.9%。尾菜在羊饲粮中的添加可以有效提高经济效益,将花椰菜、青梗松花菜、娃娃菜等蔬菜的废弃茎叶压榨后制成尾菜渣,在育肥肉羊的饲粮中添加10%的该尾菜渣,结果显示,育肥羊的平均日增重提高,料重比下降,经济效益得到提高[48]。
3.2.2 在单胃动物生产中的应用
尾菜在单胃动物饲粮中的应用研究也比较广泛,饲粮中添加尾菜在降低饲料成本、提高动物免疫性能、调节胃肠道菌群、改善抗氧化能力、提高生长性能等基础上还能改善肉品质及风味,延长货架期。
尾菜替代部分饲粮,不仅能提高猪的生长性能,改善肉质,还可以降低饲养成本。在杜仙猪饲粮中添加10%、30%的青贮西兰花茎叶,可以促进杜仙猪肌内脂肪沉积,使育肥后期杜仙猪的肉味鲜美,大理石纹分布均匀明显,猪肉风味得到改善[49]。在保育猪的基础饲粮中添加20%发酵花椰菜尾菜,保育猪的平均日增重提高了18.68%,腹泻率降低了74.35%,肠道pH降低,血清总胆固醇含量、谷丙转氨酶活性分别显著降低了29.43%、60.51%,每头猪的毛利润提高了44.48%,饲料成本降低了21.58%[50]。王德刚等[51]用常规饲料与西兰花茎叶青贮料混合饲喂杜嘉土猪,使猪肉中胆固醇含量下降4.54%,脂肪含量则无显著变化。Sun等[52]研究结果表明,饲喂添加5%和10%发酵西兰花尾菜饲粮的猪与饲喂对照饲粮的猪相比,肉色得到改善,对生长性能和胴体性状无不利影响。在饲粮中添加4%的菊苣根,结果显示,生长猪肝脏和肾脏中硒和钠浓度增加,而锌浓度降低,菊苣根可以显著改善生长猪的硒状态和氧化还原稳态,而生长性能并未受到影响[53]。
尾菜在家禽饲粮中的应用研究初步证实尾菜具有降低饲料成本、提高生长性能,改善肉品质等有益特性。西兰花茎叶粉对改善肉质和延长鲜肉保质期具有更大的价值。饲粮中添加12.0%的西兰花茎叶粉部分替代玉米和豆粕饲喂罗斯308肉鸡42 d,结果表明,饲粮中添加西兰花茎叶粉对肉鸡的生长性能没有产生显著影响,但提高了抗氧化能力,并使鸡胸肉滴水损失显著减少[54]。发酵西兰花饲料中益生菌、有机酸和其他生物活性成分的存在可以提高抗氧化能力,其作为鸡饲粮中的一部分,不仅可减少抗生素的使用,还能减少环境污染问题。在肉鸡饲粮中添加10%的发酵西兰花,结果显示,肉鸡盲肠大肠杆菌和革兰氏阴性菌的种群数量降低,肉鸡生长性能及饲料转化率提高,鸡胸肉滴水损失率降低,鸡肉品质得到改善[55]。此外,西兰花尾菜还可以提升抗氧化能力,Mueller等[56]用西兰花提取物与商品饲粮混合饲喂肉鸡,检测到鸡肠道与肝脏的抗氧化能力显著提升。尾菜在鸡饲粮中的应用研究相对较多,在其他家禽饲粮中应用的研究相对较少,Nova等[57]研究表明,菊苣尾菜粉可以增加本土公鸭的能量摄入,降低腹部脂肪的百分比,本土公鸭饲粮中的菊苣尾菜粉的添加量可以提高到25%,且不影响生长性能。另外,有研究表明红甜菜粉可以作为鹌鹑饲粮的潜在替代品,饲粮中添加红甜菜对鹌鹑的生长性能参数(初始体重、最终体重、体重增长和饲粮摄入量)、产蛋量和蛋重没有显著影响[58]。尾菜在改善蛋品质方面也有重要研究进展。Hammershøj等[59]研究表明,饲喂羽衣甘蓝的蛋鸡,其蛋壳强度往往更高,蛋黄颜色明显更红,且鸡蛋硫磺味较少,蛋白味道更甜,水分较少;此外,饲喂羽衣甘蓝蛋鸡所产的鸡蛋中叶黄素和β-胡萝卜素含量明显提高。
3.2.3 在水产动物生产中的应用
4 尾菜饲料化利用中存在的问题
4.1 存在有害物质
新鲜尾菜中存在着多种有害物质,包括病原微生物、抗营养因子、农药残留、重金属等。病原微生物如沙门氏菌、李斯特菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、产气荚膜梭菌等,在尾菜运输和堆放过程中会大量繁殖[62-63]。尾菜在堆放过程中发生的化学反应会产生大量的有害物质,如亚硝酸盐、霉菌毒素等[64]。抗营养因子是指植物代谢产生并以不同机制对动物产生抗营养作用的物质。硫苷是十字花科蔬菜中常见的抗营养因子,其摄入量过大容易引起动物中毒,从而影响动物健康[65]。农药残留是指农药使用后残存于生物体、农产品及环境中的微量农药,除农药本身外,还包括农药的有毒代谢物和杂质,有些农药在短时间内可以通过生物降解成为无害物质,而有机氯类农药难以降解,如六六六、异狄氏剂等,其半数期长、残留量大,严重影响后续尾菜的加工。大白菜中农药的半衰期为1.55~5.25 d,结球甘蓝中农药的半衰期为0.47~6.54 d,花椰菜中农药的半衰期为1.88~7.22 d[66]。此外,我国蔬菜种植个体户较多而且比较分散,有些蔬菜从采收到售卖,未经过严格的药残检测。
4.2 尾菜资源不稳定
我国不同地区所种植的蔬菜品种不一,同一品种在不同产区种植以及同一产地不同时期采收都会导致尾菜的营养成分有所差别,并且尾菜的产出具有极强的季节性,这对饲料配方调整及营养价值评估无疑是巨大阻碍[67]。
4.3 政策措施与行业标准不完善
尾菜饲料化相关的国家法律法规相对较少,目前可参考的法律法规有《饲料和饲料添加剂管理条例》《饲料质量安全管理规范》《饲料原料目录》《饲料和饲料添加剂生产许可管理办法》等,原则性内容较多,一些法律法规缺少明细,地方层面很难操作。
5 小结与展望
我国蔬菜产业体量巨大,每年会产生大量尾菜,如何处理这些尾菜,是政府和企业面临的难题;同时,我国又存在着常规饲料原料不足的问题。将尾菜与可持续动物饲料生产结合起来,对于保护生态环境、应对畜禽数量激增导致的饲料危机以及各种因素带来的粮食安全问题具有重要意义。目前,关于尾菜饲料化的应用技术已有广泛研究,但是在推广和应用过程中还存在一些问题,聚焦尾菜饲料化技术的产业化应用意义重大。如何将成果转化为实际生产中的可操作措施,促进尾菜饲料化技术在养殖业中应用和推广,需要企业、科研单位以及政府的共同努力。一方面,应加大科研投入力度,与人工智能、互联网相结合,优化尾菜处理工艺,改进生产设备,提高产品质量,在加快尾菜处理的同时减少能源消耗;另一方面,应制定尾菜行业相关标准和规范,完善尾菜饲料化产业链。我国尾菜饲料化产业起步相对较晚,近年在尾菜饲料化上取得了一定的研究进展,但仍有很长的路要走,需在各方努力下,共同推动畜牧业可持续性发展。