基于營養經濟學視角的農作物秸稈飼料化技術探討

段國榮

（1.南京理工大學軟化學與功能材料教育部重點實驗室，江蘇南京 210094；2.南京水利科學研究院瑞迪高新技術有限公司，江蘇南京 210029）

1 前言

改革開放40年，經濟的高速發展提高了人們的生活水平，人們對肉類食物的需求快速增長催生了畜牧業和飼料工業的高速成長。只有發展飼料工業才能支持現代畜牧業的綠色發展，從而滿足人們日益增長的物質需要（陳偉生，2008）。就目前生產力發展水平來說，農作物秸稈的能源資源地位僅次于石油、煤炭和天然氣，被公認為是世界第四大能源。我國是農業大國，農作物秸稈生產量每年達6億噸，居世界首位，農作物秸稈有效利用的經濟意義非常重大（滕道明，2018）。改革開放之前，國民經濟基本以農業為主，農村居民占多數，農作物秸稈基本以柴火應用為主。隨著經濟快速發展，居民生活條件大幅改善，農作物秸稈的生活熱源用途逐漸淡化，處理方式基本以焚燒歸田為主。2010年前后，國家環保政策加強，明令禁止秸稈焚燒，如何處理農作物秸稈就成為農民的一大難題。從營養學角度來看，農作物在生長過程中，光合作用會使生物糖及粗蛋白質在秸稈中積累，這些營養成分可以喂養牛、羊等反芻動物。秸稈飼料化技術的發展不但解決了巨量農作物秸稈的處理難題，保障了環境空氣質量，同時也節約了畜禽養殖中的糧食投入量，經濟效益和社會效益非常顯著。本文從農作物秸稈營養成份分析入手，結合反芻動物的“反芻”生理特點，探討了各種農作物秸稈飼料加工技術的營養經濟效應，并對秸稈飼料加工技術的合理應用提出建議，研究結果對飼料加工業有一定的參考意義。

2 秸稈飼料化研究現狀

2.1 農作物秸稈營養成份 農作物秸稈是指農作物收獲后的剩余部分，包含根、徑、葉和莢殼等多種成份，其來源主要有小麥、水稻、玉米、棉花、大豆、芝麻、谷殼等20多種植物，其中以小麥、水稻和玉米秸稈為主，其總共占秸稈量的80%以上。植物光合作用使得秸稈中積累了大量的營養物質，包括氮、磷、鉀、鈣、鎂和部分有機質等多種成份，如果被人類合理利用，將成為取之不盡、用之不竭的營養資源庫。有研究表明，小麥秸稈的纖維素含量約為39.0%、半纖維素含量約為19.0%、木質素含量約為14.0%、蛋白質含量約為4.4%、脂肪含量約為1.5%，灰分（基本為無機物）含量約為6.1%；水稻秸稈的纖維素含量約為39.0%、半纖維素含量約為17.0%、木質素含量約為10.0%、蛋白質含量約為4.8%、脂肪含量約為1.4%，灰分（基本為無機物）含量約為13.4%；玉米秸稈的纖維素含量約為35.0%、半纖維素含量約為15.0%、木質素含量約為15.0%、蛋白質含量約為5.7%、脂肪含量約為16.0%，灰分（基本為無機物）含量約為4.7%（賈琳等，2017）。雖然農作物秸稈營養成份和儲存期限受到農作物種類、農作物部位和產地等因素的影響（滕道明等，2018；段珍等，2017），但從已有的研究成果來看，纖維素是農作物秸稈中的主要成分，其化學結構以葡萄糖單位聚合體為主，纖維素內部的微纖維間存在氫鍵，氫鍵的強物理吸附效應降低了各種消化酶對纖維素的溶解消化能力；其次是以多種單糖聚合體為主要成份的半纖維素，其穩定特性與纖維素相似，因而也難以被消化；秸稈內另一種難以被消化的成份為木質素，其與纖維素、半纖維素緊密結合在一起，并相互纏繞形成粗纖維。單胃動物的微生物只能對腸胃中的秸稈進行簡單酵解，難以消化吸收。因此，農作物秸稈只能作為反芻動物的食料。

2.2 反芻動物的“反芻”生理特點 反芻是指進食后一段時間將胃中半消化的食物返回嘴里再次咀嚼。一般只有反芻動物才有這種生物本能，其主要以草料為食物，草料中的纖維難以直接被消化，在瘤胃內浸泡和軟化一段時間后，需經特有的逆嘔功能重新回到口腔，再次混入唾液咀嚼后吞咽進入瘤胃消化。瘤胃是反芻動物的主要消化場所，類似一個密閉的活體發酵罐，里面棲息著原蟲、細菌和真菌等多種微生物，食物到達瘤胃后，立即吸附大量微生物，微生物分泌大量可以降解纖維素、半纖維素、木質素等的消化酶，將其分解成各種單糖、脂肪酸和CO2等，食物在瘤胃內經微生物消化酶充分消化后，約50%的粗纖維可在瘤胃內被消化。網胃緊貼著瘤胃，主要發揮過濾有害雜質的作用，食物顆粒可以自由地在它們之間來回穿梭，并通過胃壁上的肌肉收縮啟動反芻效應。瓣胃可以對來自瘤胃的食糜進行濃縮、磨細，同時將較稀的食糜推送入皺胃。皺胃是唯一具有分泌功能的胃，只有它具有真正意義上的消化功能，皺胃可分泌大量包括鹽酸、各種消化酶的胃液，對經過前3個胃消化的初級代謝物進行進一步化學性消化。

除了微生物和消化酶的消化作用外，反芻動物對食物的消化還依賴這4個胃體的肌肉收縮來協助完成，其節律性收縮形成了一個定向壓力梯度，從而引起各個胃室內食糜的流動與排空。反芻動物必須依靠4個胃的分工與合作才能完成食物的第二次“咀嚼”，從而可以消化單胃動物不能消化或不易消化的食物（張浩等，2002）。

2.3 秸稈飼料的加工技術 農作物秸稈80%以上的成份都是細胞壁，細胞壁中含有大量難以消化的纖維素、木質素、丹寧、角質等成份，同時其纖維素含量高、蛋白質含量低，能夠直接有效利用的營養價值比較有限，如不經過處理，食用價值不大（段珍等，2017）。反芻動物雖然可以利用自身的“反芻”生理特點直接消化秸稈食物，但這種反芻功能的頻繁使用也消耗了動物的大量體能，嚴重影響肉食動物的飼養經濟效應。30多年前，農村飼養的耕種水牛就直接用農作物秸稈的干料喂養，但那是以培養水牛的耕種能力為基礎，而不是考慮其肉用經濟價值；今天牛、羊等反芻動物的飼養目標基本是以供人類食用為主，飼養技術以動物成長速度快、肉質口感好、綠色、安全、健康為主要目標。科學家門利用“反芻”生物學原理開發了一系列秸稈飼料的加工技術，并獲得了廣泛的應用，目前常用的加工技術主要有以下幾種（滕道明等，2018；賈琳等，2017；段珍等，2017；鄭夢莉等，2017；曹紅梅等，2016；趙江波等，2016）。

（1）物理加工方法：物理加工方法出現最早，其主要包括機械加工、熱噴膨化處理及蒸汽爆破處理等技術。機械加工方法比較簡單，主要是用機械設備將秸稈切割、粉碎，也可以根據具體應用情況進一步搓成絲狀或者條狀，這樣使得秸稈飼料的表面積增大，從而增加動物消化液與飼料的接觸面積，提高飼料消化效率和口感性。熱噴膨化和蒸汽爆破等熱加工處理技術是將初步破碎的粗飼料裝入一定的壓力罐內，經高溫高壓處理一段時間后突然降壓噴放，達到破壞纖維素結晶、撕裂纖維細胞的目的，從而增加飼料的可溶性成分和可消化吸收成分。熱加工處理后的飼料質地柔軟、口味芳香，會提高秸稈的消化利用率、增加動物采食量，熱噴技術同時也起到了殺毒作用，提高飼養動物的健康狀況。

（2）化學處理方法：目前常用的化學處理方法有稀堿預處理法、稀酸預處理法、氧化劑處理法和復合化學處理法等。該技術主要是利用各種堿、酸、氧化劑等化學物質的稀溶液浸泡秸稈，使秸稈內半纖維素和木質素對纖維素的包覆被打破，不宜溶解的木質素會變為易于溶解的羥基木質素，使細胞間鑲嵌物與細胞壁變得松散，從而使纖維素酶和消化液輕松滲入，增大了秸稈與體內各種消化酶的接觸面積，因此，秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素等堅硬成份容易被分解為小分子有機酸，同時酶水解速率也得到大幅度提高，生物質糖的釋放速度得到加快，從而提高消化率和食物攝取的口感性。

（3）微生物發酵法：微生物發酵法是利用木霉、霉菌、細菌、酵母等微生物繁殖過程中產生的各種酶使纖維素類物質降解，生成游離氨基酸和菌體蛋白，同時微生物利用這些降解物合成自身組織。目前微生物發酵法使用較多的菌種有酵母菌、乳酸菌、白腐真菌、地衣芽孢桿菌等。乳酸菌是微生物發酵法中優勢最顯著的菌種，其能顯著改善秸稈的營養物質組成，同時也會提高秸稈的營養品質。在自然界中，能直接降解木質素的微生物主要是真菌類，其中研究最多的是白腐菌、褐腐菌和絲狀真菌。白腐菌能將木質素有效降解為CO2和其他有機物；褐腐菌對木質素沒有降解作用，但可以分泌出各種催化酶來改變木質素的結構，使纖維素和半纖維素釋放出來，從而提高消化率。

3 秸稈飼料加工技術的營養經濟效益

3.1 秸稈飼料加工技術的原理 從前文“反芻”生理特點分析中可以看出，反芻動物之所以能消化纖維素類堅硬食物是通過其4個胃的規律運動和分工協作來實現二次咀嚼功能，而前文介紹了常用的物理加工方法、化學處理方法及微生物發酵法等秸稈飼料加工技術可以說與“反芻”生物功能一一對應。物理切割、粉碎代替反芻動物的初次食物攝取的咀嚼運動；熱噴膨化技術和蒸汽爆破技術可破壞秸稈結構，有利于微生物分解，提高秸稈降解效率；化學溶液浸泡秸稈不但可以破壞秸稈組織結構，而且可以提高采食的口感性，從而提高飼養動物的進食量，增加成長速度和肌肉、脂肪等生物組織含量，進而增加飼養動物的經濟價值；微生物發酵法代替了瘤胃的生物分解功能，秸稈纖維素經微生物發酵處理后可以被單胃動物直接食用，因此，反芻動物攝取了這些經預處理的“半成品”食物，可以加快消化功能，提高營養吸收率，最大限度節約食物的咀嚼能量消耗，最終實現人工養殖經濟效益最大化的目標。

目前常用的秸稈飼料的加工技術的本質是應用各種機械能、化學能和生物能代替反芻動物的體能，以達到飼養動物經濟效益最大化的目標。秸稈飼料的加工技術的應用可以使農作物秸稈這些堅硬食物被用作雞、鴨、兔等食糧動物的主要食物，從而降低飼養成本，間接提高飼養動物的經濟價值。秸稈飼料的加工技術的經濟效應的本質是預處理成本和體能節約效應的替代關系問題，如果預處理成本大于或者等于體能節約帶來的價值增加，則經濟效益差，方案不可行；如果預處理成本小于體能節約帶來的價值增加，則經濟效益好，方案可行。

3.2 實證分析 有研究結果表明，大麥秸稈經甲醛處理后，綿羊的非氨氮和淀粉流通量分別增加18%和100%，過瘤胃淀粉提高3.6%；農作物秸稈微貯發酵法的營養經濟效益也很顯著，有研究結果證實，微貯法可以使采食速度提高40%左右，采食量提高30%左右，消化率增加35%左右；有學者研究證實，如果使用綠色霉菌和飼料酵母對農作物秸稈進行發酵預處理，飼料中的主要營養成份單細胞蛋白質的最高含量可以達到30%，纖維素轉化率也能提高到50%；有俄羅斯學者研究結果顯示，秸稈被果膠酶及纖維素酶進行處理后，每噸干物質中的蛋白質最高含量可達100 kg，生物質糖分也提高了111%，用經該方法預處理的作物秸稈濃縮物喂養奶牛，奶牛日產奶量同比增加0.9 kg，年產奶量同比提高300 kg左右（滕道明等，2018）。李鳳嬌等（2016）研究了纖維復合酶對半干貯玉米的作用效果，研究結果表明，食用了該技術處理的半干貯玉米的肉牛比正常喂養草類的肉牛體重多增重了20%，奶牛日產奶量同比多增加了15%，綜合經濟效益最高可增加40%以上；在暖棚全舍飼養的環境條件下，如果用農作物秸稈微貯飼料喂養肉羊，那么肉羊的平均日增重可以達145 g左右，比對照組多增重50%以上。曲魁選等（2017）研究了秸稈飼料的微生物預處理技術對飼養豬的營養經濟效應，研究結果顯示，該項技術可以使每頭豬的平均日增重量達0.72 kg，與對照組差異顯著（P＜0.05）。李建臻等（2016）的研究結果表明，稻草秸稈經過微貯可以顯著改善口感性和營養價值，感官指標可達1級優良，與對照組相比，麻羊對干物質的消化率提高了18.89%，肉羊增重了21.5%。這些研究成果都說明秸稈飼料的加工技術對動物飼養有很高的營養經濟學價值。

4 對策與建議

現代肉食動物的經濟效益是人工飼養的主要目標，從前文的分析中可以看出，農作物秸稈飼料化的技術經濟意義顯著，但農作物秸稈的季節性特征較強，如何儲存秸稈實現全年應用也是技術性難題，這就需要應用到青貯、微貯等微生物儲藏技術（岳信龍等，2016）。青貯和微貯技術主要是利用微生物在一定的溫度、濕度條件下產生發酵作用，通過厭氧發酵作用形成的酸性環境抑制和殺滅各種微生物，實現秸稈飼料適口性好、營養不易丟失、容易被動物消化吸收且可以長期保存的目標，是動物冬春季不可缺少的優良飼料儲存技術。秸稈飼料加工技術的具體應用要根據不同經濟動物的特性和應用條件來定制，要綜合考慮預處理技術的各種費用與經濟效益之間的關系，選擇匹配最佳的處理方法。

農作物秸稈來源廣泛，獲取成本較低，秸稈飼料的加工技術不但可以節約大量糧食，還可以改善秸稈廢棄或焚燒帶來的環保問題；同時秸稈飼料的加工技術還可以增加秸稈飼料中的衍生蛋白質含量，并且改善蛋白質的品質，使飼料中氨基酸組成更加均衡，提高飼料中的氨基酸含量，從而極大提高農作物秸稈的營養價值，具有很高的經濟效益和社會效益。