基于營養(yǎng)經(jīng)濟學(xué)視角的農(nóng)作物秸稈飼料化技術(shù)探討

段國榮

（1.南京理工大學(xué)軟化學(xué)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(xué)研究院瑞迪高新技術(shù)有限公司，江蘇南京 210029）

1 前言

改革開放40年，經(jīng)濟的高速發(fā)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(yè)和飼料工業(yè)的高速成長。只有發(fā)展飼料工業(yè)才能支持現(xiàn)代畜牧業(yè)的綠色發(fā)展，從而滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)需要（陳偉生，2008）。就目前生產(chǎn)力發(fā)展水平來說，農(nóng)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(rèn)為是世界第四大能源。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)量每年達6億噸，居世界首位，農(nóng)作物秸稈有效利用的經(jīng)濟意義非常重大（滕道明，2018）。改革開放之前，國民經(jīng)濟基本以農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)村居民占多數(shù)，農(nóng)作物秸稈基本以柴火應(yīng)用為主。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，居民生活條件大幅改善，農(nóng)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(huán)保政策加強，明令禁止秸稈焚燒，如何處理農(nóng)作物秸稈就成為農(nóng)民的一大難題。從營養(yǎng)學(xué)角度來看，農(nóng)作物在生長過程中，光合作用會使生物糖及粗蛋白質(zhì)在秸稈中積累，這些營養(yǎng)成分可以喂養(yǎng)牛、羊等反芻動物。秸稈飼料化技術(shù)的發(fā)展不但解決了巨量農(nóng)作物秸稈的處理難題，保障了環(huán)境空氣質(zhì)量，同時也節(jié)約了畜禽養(yǎng)殖中的糧食投入量，經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著。本文從農(nóng)作物秸稈營養(yǎng)成份分析入手，結(jié)合反芻動物的“反芻”生理特點，探討了各種農(nóng)作物秸稈飼料加工技術(shù)的營養(yǎng)經(jīng)濟效應(yīng)，并對秸稈飼料加工技術(shù)的合理應(yīng)用提出建議，研究結(jié)果對飼料加工業(yè)有一定的參考意義。

2 秸稈飼料化研究現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)作物秸稈營養(yǎng)成份 農(nóng)作物秸稈是指農(nóng)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(yǎng)物質(zhì)，包括氮、磷、鉀、鈣、鎂和部分有機質(zhì)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(yǎng)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(zhì)素含量約為14.0%、蛋白質(zhì)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(zhì)素含量約為10.0%、蛋白質(zhì)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(zhì)素含量約為15.0%、蛋白質(zhì)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(nóng)作物秸稈營養(yǎng)成份和儲存期限受到農(nóng)作物種類、農(nóng)作物部位和產(chǎn)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(nóng)作物秸稈中的主要成分，其化學(xué)結(jié)構(gòu)以葡萄糖單位聚合體為主，纖維素內(nèi)部的微纖維間存在氫鍵，氫鍵的強物理吸附效應(yīng)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(wěn)定特性與纖維素相似，因而也難以被消化；秸稈內(nèi)另一種難以被消化的成份為木質(zhì)素，其與纖維素、半纖維素緊密結(jié)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(nóng)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(nèi)浸泡和軟化一段時間后，需經(jīng)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(fā)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(zhì)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(nèi)經(jīng)微生物消化酶充分消化后，約50%的粗纖維可在瘤胃內(nèi)被消化。網(wǎng)胃緊貼著瘤胃，主要發(fā)揮過濾有害雜質(zhì)的作用，食物顆?？梢宰杂傻卦谒鼈冎g來回穿梭，并通過胃壁上的肌肉收縮啟動反芻效應(yīng)。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(jīng)過前3個胃消化的初級代謝物進行進一步化學(xué)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(xié)助完成，其節(jié)律性收縮形成了一個定向壓力梯度，從而引起各個胃室內(nèi)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(shù) 農(nóng)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(zhì)素、丹寧、角質(zhì)等成份，同時其纖維素含量高、蛋白質(zhì)含量低，能夠直接有效利用的營養(yǎng)價值比較有限，如不經(jīng)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(yán)重影響肉食動物的飼養(yǎng)經(jīng)濟效應(yīng)。30多年前，農(nóng)村飼養(yǎng)的耕種水牛就直接用農(nóng)作物秸稈的干料喂養(yǎng)，但那是以培養(yǎng)水牛的耕種能力為基礎(chǔ)，而不是考慮其肉用經(jīng)濟價值；今天牛、羊等反芻動物的飼養(yǎng)目標(biāo)基本是以供人類食用為主，飼養(yǎng)技術(shù)以動物成長速度快、肉質(zhì)口感好、綠色、安全、健康為主要目標(biāo)。科學(xué)家門利用“反芻”生物學(xué)原理開發(fā)了一系列秸稈飼料的加工技術(shù)，并獲得了廣泛的應(yīng)用，目前常用的加工技術(shù)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(xiàn)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(shù)。機械加工方法比較簡單，主要是用機械設(shè)備將秸稈切割、粉碎，也可以根據(jù)具體應(yīng)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(shù)是將初步破碎的粗飼料裝入一定的壓力罐內(nèi)，經(jīng)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(jié)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(zhì)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(shù)同時也起到了殺毒作用，提高飼養(yǎng)動物的健康狀況。

（2）化學(xué)處理方法：目前常用的化學(xué)處理方法有稀堿預(yù)處理法、稀酸預(yù)處理法、氧化劑處理法和復(fù)合化學(xué)處理法等。該技術(shù)主要是利用各種堿、酸、氧化劑等化學(xué)物質(zhì)的稀溶液浸泡秸稈，使秸稈內(nèi)半纖維素和木質(zhì)素對纖維素的包覆被打破，不宜溶解的木質(zhì)素會變?yōu)橐子谌芙獾牧u基木質(zhì)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(fā)酵法：微生物發(fā)酵法是利用木霉、霉菌、細菌、酵母等微生物繁殖過程中產(chǎn)生的各種酶使纖維素類物質(zhì)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(fā)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(fā)酵法中優(yōu)勢最顯著的菌種，其能顯著改善秸稈的營養(yǎng)物質(zhì)組成，同時也會提高秸稈的營養(yǎng)品質(zhì)。在自然界中，能直接降解木質(zhì)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(zhì)素有效降解為CO2和其他有機物；褐腐菌對木質(zhì)素沒有降解作用，但可以分泌出各種催化酶來改變木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，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(shù)的營養(yǎng)經(jīng)濟效益

3.1 秸稈飼料加工技術(shù)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(guī)律運動和分工協(xié)作來實現(xiàn)二次咀嚼功能，而前文介紹了常用的物理加工方法、化學(xué)處理方法及微生物發(fā)酵法等秸稈飼料加工技術(shù)可以說與“反芻”生物功能一一對應(yīng)。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(shù)和蒸汽爆破技術(shù)可破壞秸稈結(jié)構(gòu)，有利于微生物分解，提高秸稈降解效率；化學(xué)溶液浸泡秸稈不但可以破壞秸稈組織結(jié)構(gòu)，而且可以提高采食的口感性，從而提高飼養(yǎng)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(yǎng)動物的經(jīng)濟價值；微生物發(fā)酵法代替了瘤胃的生物分解功能，秸稈纖維素經(jīng)微生物發(fā)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(jīng)預(yù)處理的“半成品”食物，可以加快消化功能，提高營養(yǎng)吸收率，最大限度節(jié)約食物的咀嚼能量消耗，最終實現(xiàn)人工養(yǎng)殖經(jīng)濟效益最大化的目標(biāo)。

目前常用的秸稈飼料的加工技術(shù)的本質(zhì)是應(yīng)用各種機械能、化學(xué)能和生物能代替反芻動物的體能，以達到飼養(yǎng)動物經(jīng)濟效益最大化的目標(biāo)。秸稈飼料的加工技術(shù)的應(yīng)用可以使農(nóng)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(yǎng)成本，間接提高飼養(yǎng)動物的經(jīng)濟價值。秸稈飼料的加工技術(shù)的經(jīng)濟效應(yīng)的本質(zhì)是預(yù)處理成本和體能節(jié)約效應(yīng)的替代關(guān)系問題，如果預(yù)處理成本大于或者等于體能節(jié)約帶來的價值增加，則經(jīng)濟效益差，方案不可行；如果預(yù)處理成本小于體能節(jié)約帶來的價值增加，則經(jīng)濟效益好，方案可行。

3.2 實證分析 有研究結(jié)果表明，大麥秸稈經(jīng)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(nóng)作物秸稈微貯發(fā)酵法的營養(yǎng)經(jīng)濟效益也很顯著，有研究結(jié)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(xué)者研究證實，如果使用綠色霉菌和飼料酵母對農(nóng)作物秸稈進行發(fā)酵預(yù)處理，飼料中的主要營養(yǎng)成份單細胞蛋白質(zhì)的最高含量可以達到30%，纖維素轉(zhuǎn)化率也能提高到50%；有俄羅斯學(xué)者研究結(jié)果顯示，秸稈被果膠酶及纖維素酶進行處理后，每噸干物質(zhì)中的蛋白質(zhì)最高含量可達100 kg，生物質(zhì)糖分也提高了111%，用經(jīng)該方法預(yù)處理的作物秸稈濃縮物喂養(yǎng)奶牛，奶牛日產(chǎn)奶量同比增加0.9 kg，年產(chǎn)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(fù)合酶對半干貯玉米的作用效果，研究結(jié)果表明，食用了該技術(shù)處理的半干貯玉米的肉牛比正常喂養(yǎng)草類的肉牛體重多增重了20%，奶牛日產(chǎn)奶量同比多增加了15%，綜合經(jīng)濟效益最高可增加40%以上；在暖棚全舍飼養(yǎng)的環(huán)境條件下，如果用農(nóng)作物秸稈微貯飼料喂養(yǎng)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(yù)處理技術(shù)對飼養(yǎng)豬的營養(yǎng)經(jīng)濟效應(yīng)，研究結(jié)果顯示，該項技術(shù)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(jié)果表明，稻草秸稈經(jīng)過微貯可以顯著改善口感性和營養(yǎng)價值，感官指標(biāo)可達1級優(yōu)良，與對照組相比，麻羊?qū)Ω晌镔|(zhì)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(shù)對動物飼養(yǎng)有很高的營養(yǎng)經(jīng)濟學(xué)價值。

4 對策與建議

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

農(nóng)作物秸稈來源廣泛，獲取成本較低，秸稈飼料的加工技術(shù)不但可以節(jié)約大量糧食，還可以改善秸稈廢棄或焚燒帶來的環(huán)保問題；同時秸稈飼料的加工技術(shù)還可以增加秸稈飼料中的衍生蛋白質(zhì)含量，并且改善蛋白質(zhì)的品質(zhì)，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(nóng)作物秸稈的營養(yǎng)價值，具有很高的經(jīng)濟效益和社會效益。