编者按：单安山，男，辽宁东港人，著名动物营养学家，致力于饲料资源挖掘和安全利用理论研究与技术开发。本刊特邀单安山教授就有关尾菜资源饲料化利用技术最新研究进展撰写了一篇综述。单安山教授是东北农业大学首席教授、博士生导师、国家万人计划领军人才、国家级教学名师、全国优秀教师、国务院政府特殊津贴专家。历任东北农业大学动物科学技术学院院长，国务院学位委员会学科评议组成员，国家生猪产业技术体系岗位科学家。获国家科技进步二等奖1项、国家自然科学奖三等奖1项和省部级一等奖5项；授权国家发明专利100余件；出版著作34部；发表学术论文900余篇（其中SCI论文330余篇，ESI论文16篇）。
我国粮食生产虽然连年丰收,但仍无法实现完全自给,每年需进口1.5亿~2.0亿t。长期依赖进口易受国际经济形势与地缘政治冲突制约,给我国粮食安全带来巨大隐患。值得注意的是,我国半数以上的粮食消费用于养殖业,因此保障粮食安全的关键在于提高养殖业饲料用粮的利用效率和开发新的饲料资源。在此背景下,充分利用非粮型饲料资源是有效缓解我国人畜争粮的措施之一。
秧蔓类尾菜作为蔬菜生产体系中的重要副产物,是指蔬菜种植过程中产生的非商品化茎蔓、藤条及残叶等,主要来源于根茎类作物(如马铃薯、甘薯和萝卜等)地上部分生物质、瓜菜类蔬菜(黄瓜和南瓜等)的蔓生茎叶组织和茄果类作物(番茄、茄子和辣椒等)的木质化茎秆。这类副产物具有显著的高生物量积累特性,其产废系数普遍高于常规农业废弃物。例如,甘薯秧生物量占新鲜生物总量的64%[1],马铃薯秧和番茄秧的产量分别为1.4~4.6 t/hm2和2.0~5.0 t/hm2[2-3]。我国作为农业大国,在人口基数和饮食习惯等因素影响下,成为全球最大的产秧蔓类尾菜蔬菜生产国。其中,马铃薯和甘薯的年产量分别达到9 430万[4]和5 300万t[1]。尽管秧蔓类尾菜产量巨大,但目前其资源化利用率低。
大部分秧蔓类尾菜被直接丢弃或简单堆肥处理,不仅造成资源浪费,还可能引发环境污染问题[5]。因此,以秧蔓类尾菜为基础开发非粮型饲料资源,可作为拓展我国饲料原料供给和缓解饲料资源短缺的有效途径。
1 秧蔓类尾菜的营养特性
秧蔓类尾菜的水分含量高,以马铃薯秧和甘薯秧为例,其鲜样水分含量可达91.70%和89.87%[6-7]。这种高水分特性使其在储存与加工过程中容易霉变[8],同时,运输过程中水分蒸腾作用也会造成质量损失和营养物质流失。因此,需采用预处理措施进行水分调控,以保障秧蔓类尾菜稳定储存。基于干物质(DM)基础的营养成分(表1)显示,秧蔓类尾菜具有显著的饲用潜力,粗蛋白质(CP)含量为9.60%~23.95%[9],优质品种的马铃薯秧和甘薯秧中CP含量接近苜蓿水平;粗脂肪(EE)含量为1.09%~5.33%,其中甘薯秧等的脂溶性维生素前体物质尤为丰富[9-10];中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量分别为28.3%~58.6%和15.80%~56.97%,其中部分秧蔓类尾菜的纤维结构相较于苜蓿更易被动物消化利用[2,9,11];值得注意的是,秧蔓类尾菜异常高的粗灰分(Ash)含量,其中黄瓜藤蔓和西葫芦藤蔓中Ash含量高达29.27%和32.46%[9],这种现象可能是由于部分匍匐生长型作物(如花生藤)在生长发育过程中,植株基部与土壤接触面较大,易吸附矿物质元素所致[11]。但是,最主要的影响因素可能是采收工艺,现有采收方式(如机械铲收)会导致土壤颗粒掺杂,研究已经证实,结晶态二氧化硅是甘薯秧Ash的主要成分[12]。这种无机物不仅降低秧蔓类尾菜的能量密度,还会影响动物消化系统的正常功能。因此,应改善秧蔓类尾菜采收技术(如提高刈割高度)或安装配套振动筛分装置等,从而提升秧蔓类尾菜营养品质。与蔬菜相似,秧蔓类尾菜富含多种生物活性物质,赋予其独特的功能特性[13]。例如,甘薯秧含有丰富的维生素、叶黄素、类黄酮和多酚等,能够提高动物的生长性能、免疫功能和抗氧化能力[14-15]。马铃薯秸秆也富含糖苷、挥发油、茄尼醇及肽类等生物活性物质[6,16]。然而,部分秧蔓类尾菜如马铃薯秧和番茄秧含有龙葵素(糖苷生物碱)和番茄碱等,若饲喂不当,易引发畜禽中毒,给养殖生产带来风险[17-18]。因此,在秧蔓类尾菜饲料化开发过程中,需通过有效的脱毒技术,确保其作为饲料的安全性。此外,受蔬菜种植地理区域差异和品种多样性影响,秧蔓类尾菜营养组成差异极大。以甘薯秧为例,不同品种间水溶性碳水化合物含量差异达50.30%,DM和ADF含量差异也分别达到32.74%和21.01%(以营养物质含量低的甘薯秧品种为基准)[8]。这种营养组成的变异性要求在秧蔓类尾菜饲料化处理时,首先应对品种进行鉴定,依据不同品种的营养特性与功能成分定制加工技术,实现秧蔓类尾菜的高效饲料化利用。
表1 秧蔓类尾菜的常规营养成分含量(干物质基础)Table 1 Conventional nutrient contents of vegetable vine waste (DM basis) % |
| 项目 Items | 粗蛋白质 CP | 粗脂肪 EE | 中性洗 涤纤维 NDF | 酸性洗 涤纤维 ADF | 粗灰分 Ash | 参考文献 References |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 马铃薯秧Potato vine | 16.20 | 1.80 | 38.72 | 28.59 | 6.00 | 李树生等[6] |
| 甘薯秧Sweet potato vine | 14.90 | 2.70 | 21.63 | 19.37 | 14.80 | Xu等[7]、 Tadesse等[19] |
| 番茄秧Tomato vine | 22.00 | - | 28.30 | 15.80 | 19.00 | Hajji等[2] |
| 辣椒秸秆Chili stalk | 20.43 | 2.96 | 58.60 | 45.00 | 15.26 | 秦飞宇等[9] |
| 黄瓜藤蔓Cucumber vine | 20.45 | 3.99 | 38.03 | 19.58 | 29.27 | 秦飞宇等[9] |
| 茄子秸秆Eggplant stalk | 13.76 | 4.19 | 53.40 | 40.04 | 15.62 | 秦飞宇等[9] |
| 西葫芦藤蔓Zucchini vine | 23.95 | 5.33 | 34.94 | 16.05 | 32.46 | 秦飞宇等[9] |
| 丝瓜藤蔓Loofah vine | 12.50 | 1.46 | 57.92 | 42.36 | 17.51 | 秦飞宇等[9] |
| 冬瓜藤蔓Wax gourd vine | 9.60 | 1.09 | 66.53 | 56.97 | 9.17 | 秦飞宇等[9] |
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“-” mean no related data. |
2 秧蔓类尾菜饲料化技术
在农业废弃物资源化利用的背景下,秧蔓类尾菜因含有丰富的膳食纤维、优质的蛋白质以及多种生物活性成分,为新型饲料资源开发奠定了重要物质基础。然而,由于在蔬菜种植过程中产生的季节性集中特性,以及高含水量和短货架期的理化属性,使得秧蔓类尾菜在饲料化过程中面临诸多挑战。若不进行有效处理,可能因腐败变质引发环境污染或动物健康风险。通过生物或物理技术对秧蔓类尾菜进行处理,已成为实现其饲料化利用的重要途径。例如,微生物发酵可延长尾菜贮藏周期,并能够有效维持原料的营养完整性;干燥处理则能延长货架期,便于储存和运输。这些技术手段能有效解决尾菜的高含水量和易腐败问题,同时通过调控加工工艺参数,可针对不同畜禽的营养需求进行定制化开发。
2.1 秧蔓类尾菜颗粒饲料加工技术
在收获后,秧蔓类尾菜可直接晒干,制成干草作为反刍动物的粗饲料。在实际应用中,秧蔓类尾菜干草也可通过机械粉碎制成粉料,用于配合饲料中[20]。然而,由于肉兔等畜禽对粉尘敏感,饲喂粉料时产生的粉尘易引发呼吸道疾病,给动物生产带来了潜在风险。因此,为了提升饲料品质、增强适口性以及确保储存稳定性,现已开发出尾菜颗粒化加工技术。杨富民等[21]研制的尾菜颗粒化饲料生产线包含前处理和饲料制备2个工段;前处理工段设计如图1所示,通过气泡清洗机消除尾菜中沙土,配合传送带上方的高压喷淋系统进行二次清洁,配套循环水箱及网格式过滤装置确保杂质去除效率;贮料罐配备了搅拌装置,有效防止尾菜打浆颗粒沉积与管道堵塞;前处理过程可将尾菜的水分含量降低至30%~60%。在花生秧颗粒化处理过程中,添加玉米、豆粕、小麦麸和预混料等可进一步降低水分含量,最终制成营养均衡、质地均匀的颗粒饲料[22]。值得一提的是,武帅[23]在相关研究中发现,添加花生秧(比例为17.5%)对颗粒饲料的质量有着显著的改善作用;具体而言,花生秧的添加可使颗粒饲料的硬度提升4.27%,同时饲料容重降低3.61%。
图1 尾菜前处理装置设计示意图1:气泡清洗机 bubble washer;2:打浆机 beater;3:贮料罐 storage tank;4:螺杆泵 screw pump;5:隔膜压滤机 diaphragm filter press;6:袋式过滤器 bag filter;7:储水箱 water tank;8:压滤水处理装置 filter water treatment device;9:管道泵Ⅰ inline pump Ⅰ;10:管道泵Ⅱ inline pump Ⅱ;11:管道泵Ⅲ inline pump Ⅲ;12:接料盘 stock pan。 Fig.1 Design sketch map of vegetable waste remainders pretreatment device[21] |
2.2 秧蔓类尾菜青贮发酵技术
在生产实践中,多数秧蔓类尾菜收获季节与雨季同期,使得秧蔓类尾菜难以风干[11]。青贮发酵是在农业领域广泛应用的青绿饲料贮存技术,其向尾菜(大白菜尾菜和甘蓝尾菜等)处理领域的拓展应用近年来备受关注[24-25]。青贮发酵主要是通过乳酸菌在厌氧环境下快速产生乳酸,降低pH[26]。因此,青贮发酵技术在保存新鲜牧草的同时,营养物质损失较少,甚至高于未发酵的牧草[14]。然而,秧蔓类尾菜(如花生秧)因其高水分含量特性易诱发腐败微生物发酵[27]。此外,这类尾菜水溶性碳水化合物含量较低,缺乏足够的发酵底物,使得传统青贮工艺难以成功应用[11,28]。通过将秧蔓类尾菜与水分含量低且富含碳水化合物的饲料原料进行混合青贮,取得了较为理想的青贮效果[29]。例如,利用米糠和小麦麸与马铃薯秧混合青贮可以改善青贮饲料品质,提高营养价值,实际应用中使用81%马铃薯茎叶加15%米糠与4%小麦麸的青贮饲料质量最佳[30]。接种乳酸菌菌株可进一步改善秧蔓类尾菜的青贮品质。接种乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)和香肠乳杆菌(Lactobacillus farciminis)可提高甘薯秧和花生秧混合青贮饲料中乳酸产量,降低丁酸和氨含量;同时,提高了微生物群落中有益菌的相对丰度,降低了不良细菌如梭菌属(Clostridium)、肠杆菌属(Enterobacter)、甲基杆菌属(Methylobacterium)和鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)的相对丰度[1]。不同乳酸菌或乳酸菌与其他青贮添加剂共同应用,在秧蔓类尾菜青贮饲料中可以产生协同作用。在玉米秸秆和花生秧混合的基础上,联合接种植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)和粪肠球菌(Enterococcus faecalis),在提高青贮饲料营养价值和减少霉菌毒素产生方面优于二者单独接种[31]。全株玉米和花生秧混合青贮饲料中添加植物乳杆菌可促进NDF和ADF降解,添加纤维素酶能有效抑制蛋白质降解,而乳酸菌和酶制剂联合应用效果最佳[32]。此外,马铃薯秧和番茄秧等含有较高含量的龙葵素,如果未经脱毒处理直接饲喂,可引起畜禽中毒,甚至死亡[29]。微生物在青贮发酵过程中可将α-茄碱和α-卡茄碱降解成聚糖[29],从而起到脱毒的作用。例如,通过在番茄秧与麸皮混合青贮中接种枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),与对照组相比可使龙葵素含量降低66.67%[33]。
2.3 秧蔓类尾菜固态发酵技术
秧蔓类尾菜的组成(主要为纤维素、半纤维素及木质素等复杂碳水化合物)与微生物代谢需求具有高度适配性,这为生物转化提供了理论基础。研究表明,合理的碳氮比(C/N)是提高发酵效率的关键。张连忠[34]通过将花生秧辅以玉米淀粉、葡萄糖等作为碳源,并以花生粕作为氮源,构建了C/N为2∶1的酵母固态发酵体系,在28 ℃下发酵48 h后,培养基中酵母数可达4.78×108个/g DM,表明该体系能够支持微生物高效增殖。固态发酵技术通过引入丝状真菌或酵母菌,可将廉价秧蔓类尾菜转化为高品质饲料。聂芙蓉等[35]对红薯秧实施固态发酵后,发现发酵产物的感官品质显著提升,质地松软、色泽鲜亮,并具有酒香气味,适合作为动物饲料。固态发酵技术也可通过破坏木质素结构,使纤维素和半纤维素更易被消化酶分解[36]。王阔鹏等[37]采用固态发酵技术,通过接种黄孢原毛平革菌,使花生秧的木质素降解率达到63.6%,显著提高了花生秧饲料的利用效率。此外,固态发酵还可通过微生物代谢富集蛋白质并提升秧蔓类尾菜饲料的营养价值。例如,利用枯草芽孢杆菌、酿酒酵母和纤维素酶对红薯秧进行固态发酵,与对照组相比可使CP含量增加53.28%,并改善氨基酸组成[35]。
3 秧蔓类尾菜饲料在畜禽生产中的应用
3.1 秧蔓类尾菜饲料在反刍动物生产中的应用
近年来,随着畜牧业的规模化发展,传统粗饲料资源日趋紧张,促使养殖业将目光转向农业副产物的饲料化利用。其中,秧蔓类尾菜因产量大、营养价值较高且成本低廉,逐渐成为替代常规粗饲料的重要选择,其开发利用展现出显著的经济效益和环境效益。在羔羊饲粮中,以50%的番茄秧干草替代苜蓿干草不会影响羔羊生长性能,但提高了肉品质和经济效益[2]。在荷斯坦公犊牛饲粮中,以花生秧干草100%替代燕麦干草提高了荷斯坦公犊牛的平均日增重和饲料利用率[38]。此外,Yi等[39]发现使用花生秧干草替代稻草可使饲粮中豆粕用量减少23.52%,且对肉牛生长性能无负面影响,这得益于花生秧中高CP含量。同样,在山羊育肥试验中,以花生秧干草替代部分苜蓿草粉组(花生秧+苜蓿草粉)能够满足山羊在生长发育方面对营养物质的需求,且与苜蓿草粉组相比提高了饲料报酬[40]。值得注意的是,甘薯秧干草的梯度添加试验表明,当添加量为40%时,代谢能从12.10 MJ/kg DM下降至10.80 MJ/kg DM[19],提示高比例使用甘薯秧干草时需补充脂肪等能量饲料以维持能量平衡。相较于传统干草处理,青贮技术通过乳酸菌发酵不仅能有效保存营养物质,还能降解部分抗营养因子和有毒物质,从而改善动物生长性能和机体健康。Zhang等[11]通过对比试验揭示,相较于花生秧干草,添加花生秧青贮饲料可提高犊牛日增重,并显著提高瘤胃中纤维素分解菌[软壁菌门(Tenericutes)和髌骨菌门(Patescibacteria)]的相对丰度。利用秧蔓类尾菜青贮饲料代替传统青贮饲料是减少甲烷(CH4)排放的重要措施。Zhang等[29]研究发现,饲喂马铃薯秧青贮饲料能显著降低瘤胃产气量和CH4排放量,且对安格斯公牛瘤胃发酵及瘤胃微生物群落均无负面影响。但是有研究表明,饲粮中添加30%木薯叶青贮+甘薯秧青贮饲料替代苜蓿干草,使绵羊DM消化率从76.7%降至73.9%,总氮消化量从21.3 g/d降至18.6 g/d[41]。这可能与纤维消化负荷及氨基酸失衡有关,提示在利用秧蔓类尾菜青贮饲料时,应调整添加量并根据动物需要补充氨基酸。因此,反刍动物饲粮中添加适宜比例的秧蔓类尾菜饲料可以提高动物生长性能、减少污染物排放、改善瘤胃微生物菌群结构并降低饲养成本。同时,在饲喂秧蔓类尾菜饲料时,应注意补充必要的营养物质,以保持营养平衡。
3.2 秧蔓类尾菜饲料在单胃动物生产中的应用
单胃动物饲粮中适量添加纤维饲料可以维持消化道正常生理功能、促进肠道健康。利用甘薯秧替代部分基础饲粮可促进后备母猪肠道发育,改善肠道健康状况,表现为抑制肠道通透性、降低内毒素含量和增加有益菌数量[7]。另外,秧蔓类尾菜富含多种生物活性成分,使其在动物饲料中具有显著的功能性优势。Sun等[15]研究表明,饲粮中添加甘薯秧青贮饲料可提高育肥猪的生长性能、抗氧化能力和免疫功能;具体而言,添加低水平的甘薯秧青贮饲料促进了生长性能,而添加高水平的甘薯秧青贮饲料改善了抗氧化能力和免疫功能。然而,添加高水平秧蔓类尾菜饲料可能对单胃动物的营养物质吸收产生负面影响。在育肥猪饲粮中添加2.5%的甘薯秧青贮饲料可提高生长性能,但当甘薯秧青贮饲料添加量提升至5.0%时,则降低了采食量[14]。原因可能是饲粮中甘薯秧青贮饲料添加量过高,提高了育肥猪的饱腹感,导致采食量降低。同样,在四川白鹅饲粮中花生秧干粉的添加量达到6%时,白鹅的屠宰体重、屠宰率和半净膛率均显著降低,提示过量添加可能对畜禽屠宰性能产生不利影响[42]。这可能与高纤维摄入导致的能量密度下降或饲料适口性降低有关。兔作为单胃动物,其盲肠内的共生微生物能够高效分解植物纤维,因此秧蔓类尾菜常被用作肉兔饲粮中干草的替代品[43]。例如,甘薯秧干草在肉兔饲粮中可100%替代苜蓿干草,而不影响其生长性能、肉品质和肠道健康[44]。综上所述,秧蔓类尾菜在单胃动物饲粮中具有显著的应用价值,然而其添加量需根据动物种类、生长阶段以及饲粮配方进行精确调整,以平衡纤维的生理功能与营养吸收之间的关系。
4 小结与展望
秧蔓类尾菜作为农业副产物,其饲料化利用在生态农业系统中具有双重战略价值。一方面通过替代玉米和豆粕等传统饲料原料,促进畜牧业可持续发展,有利于国家粮食安全;另一方面可有效缓解因秧蔓类尾菜处置不当导致的环境污染问题。然而,当前秧蔓类尾菜饲料化体系仍面临多重挑战:1)由于秧蔓类尾菜季节性集中产出且地域分布不均,导致原料收集效率较低;2)传统晾晒方式营养物质损失率高,而青贮和固态发酵等生物处理技术因投入产出不高,其应用不广,且缺乏针对不同尾菜原料和畜禽品种的专用菌剂开发;3)现有研究多局限于短期饲养试验,对于不同生长阶段畜禽的长期生长性能影响缺乏持续跟踪数据;4)缺少对秧蔓类尾菜资源饲料化利用所产生的饲料资源价值与环保效益的全面投入产出分析模型,导致难以形成科学可靠的综合评估结论。
针对秧蔓类尾菜饲料化利用这一系统工程,未来应按照“分类管理-空间规划-技术优化-系统评价”的技术路线开展实施。首先,应基于秧蔓类尾菜含水量及营养组分等核心指标建立分类标准体系,实现物料特性的精准表征与分级管理。其次,应在顶层设计中统筹规划秧蔓类尾菜产地分布与养殖场半径等空间布局,以实现区域内原料供应量与消纳能力的动态平衡。饲料化技术层面应以干湿耦合厌氧发酵为核心,低成本突破高水分物料的发酵抑制难题,基于底物特性开发酸化处理或碳源补偿等定向发酵工艺,并采用连续继代淘汰法结合宏基因组技术构建功能微生物菌群资源库,通过微生物群落重构提升发酵饲料品质。最终,需建立基于饲料代谢效率、动物生长性能及环境排放指标的系统评价体系,通过动物试验验证与长期跟踪研究,形成兼顾经济可行性与生态可持续性的标准化技术规程。该技术体系在非粮型饲料资源开发和农业源污染治理等方面具有重要实践价值,为保障我国粮食安全与农业可持续发展提供系统性解决方案。