甜菜粕的資源化利用及其在豬營(yíng)養(yǎng)中的應(yīng)用

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(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南佳智生物科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200；3.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125)

甜菜是我國(guó)第二大糖類(lèi)作物，僅次于甘蔗，由于其產(chǎn)量大且耐寒性較強(qiáng)，因此在我國(guó)北方地區(qū)種植廣泛。新鮮甜菜經(jīng)過(guò)提汁、清凈、蒸發(fā)、結(jié)晶、分蜜、干燥等工序提取甜菜糖后的剩余部分就是甜菜粕(Sugar beet pulp，SBP)，又稱(chēng)甜菜渣。2017年中國(guó)甜菜種植面積達(dá)到17.29×104hm2，產(chǎn)量達(dá)到938.41×104t，2018年種植面積和產(chǎn)量有望進(jìn)一步提高。按照8 t甜菜可生產(chǎn)1 t甜菜糖推算，中國(guó)2017年生產(chǎn)的甜菜糖超過(guò)100×104t，并附帶產(chǎn)生約800×104t濕甜菜粕。以往國(guó)內(nèi)畜牧業(yè)對(duì)甜菜粕重視不足，堆積腐爛或就近濕喂反芻動(dòng)物，隨著烘干、制粒等工藝的出現(xiàn)，甜菜粕有了更廣闊的利用空間[1]。本文主要綜述甜菜粕利用的途徑，并重點(diǎn)歸納甜菜粕的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和在豬營(yíng)養(yǎng)中應(yīng)用效果，旨在為甜菜粕的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 甜菜粕的利用

1.1 提取功能性成分

1.1.1 提取果膠低聚糖 甜菜粕中富含果膠，是提取果膠低聚糖的重要來(lái)源。果膠低聚糖是一種新型的益生化合物，具有促進(jìn)雙歧桿菌生長(zhǎng)及抗腫瘤、抗氧化作用，在食品和工業(yè)研究領(lǐng)域研究眾多[2]。Prandi等[3]從甜菜粕中提取果膠，然后通過(guò)水解/分餾方法，可以生成特定的果膠低聚糖。此外還可以通過(guò)酶膜反應(yīng)器，添加粗酶混合物(粘酶)后，適宜條件下可以持續(xù)并穩(wěn)定的生產(chǎn)果膠低聚糖[4]。陳學(xué)紅等[5]則采用微波輔助法探討了提取甜菜粕中的果膠時(shí)料液比、pH、微波功率和處理時(shí)間對(duì)果膠提取率的影響，發(fā)現(xiàn)料液比為 1∶25、pH 1.5、微波功率 600 W、處理時(shí)間 75s 時(shí)果膠最適提取，果膠提取率可達(dá)19.76%。也有研究表明，利用超聲輔助處理的亞臨界水從甜菜粕中提取果膠，最佳條件為液體/固體比例44.03、提取溫度122.72℃、提取時(shí)間30.49 min、提取壓力為10.72 Mpa，提取效率可達(dá)24.63%[6]。

1.1.2 提取纖維及纖維素 Yang等[7]采用甜菜粕閃蒸技術(shù)，從其中提取直徑22 nm的木質(zhì)素納米纖維，可以廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)。Li等[8]運(yùn)用化學(xué)處理、純物理機(jī)械法、雙氧水漂白法、高壓均質(zhì)技術(shù)可從甜菜粕中制備納米纖維素纖維，而化學(xué)處理能有效地去除甜菜糖粕中的果膠、木質(zhì)素、半纖維素等物質(zhì)，可使半纖維素含量從 25.40%降低到 7.01%，使纖維素含量從44.96%增加到 82.83%，直接消除甜菜粕中的木質(zhì)素。Spagnuolo等[9]采用甜菜粕與兩種阿拉伯酶聯(lián)合使用，產(chǎn)生以阿拉伯糖為主的水解產(chǎn)物。隨后從培養(yǎng)混合物中分離出果膠和富含纖維素的殘?jiān)煞N酶協(xié)同作用在100 U/g甜菜粕時(shí)，水解效率最高，可以獲得近100%阿拉伯糖和91.7%果膠。與傳統(tǒng)的化學(xué)水解法相比，其收率更高。

1.2 資源化利用

1.2.1 制作堆肥 Zhang等[10]利用綠化廢物制作堆肥過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)甜菜粕和綠化廢物結(jié)合大大改善了堆肥條件，提高了堆肥溫度，提高了最終堆肥質(zhì)量。采用25% 甜菜粕和10% 綠化廢物相結(jié)合的方法，只需20 d，就得到了綠化廢物堆肥的最佳工藝條件和最佳質(zhì)量的堆肥產(chǎn)品。

1.2.2 生產(chǎn)沼氣 國(guó)外豬場(chǎng)嘗試將甜菜粕混入豬場(chǎng)廢棄物(如動(dòng)物尸體)，作為無(wú)氧分解的底物生產(chǎn)沼氣和有機(jī)質(zhì)，按照1∶1比例混合后，35 ℃持續(xù)發(fā)酵，能明顯降低底物中腸球菌數(shù)量，但梭菌等產(chǎn)氣菌水平不受影響[11]。Zieminski等[12]發(fā)現(xiàn)，甜菜粕不同處理方式對(duì)沼氣產(chǎn)量也不盡相同，采用2.5 mm粉碎的甜菜粕生產(chǎn)效率最高，每克揮發(fā)性固體(VS)可產(chǎn)生617.2 mL沼氣，較未經(jīng)預(yù)處理的甜菜粕和未碾磨、酶解等處理的甜菜粕高出20.2%。

1.2.3 生產(chǎn)乳酸 Berlowska等[13]首次利用甜菜粕研究了木質(zhì)纖維素同步糖化和乳酸發(fā)酵，采用具有互補(bǔ)特性的混合培養(yǎng)，在各種條件下進(jìn)行了一系列可控的分批發(fā)酵，包括酶解預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)混合培養(yǎng)乳酸產(chǎn)率最高，生物乳酸制丙二醇的回收率與純?nèi)樗崴芤褐票嫉氖章氏嗨?。比較分步水解發(fā)酵法和同步糖化發(fā)酵法對(duì)甜菜粕生產(chǎn)乳酸之間的差異，發(fā)現(xiàn)后者更具優(yōu)勢(shì)，具有成本更低、產(chǎn)量更高的特點(diǎn)，乳酸回收率提高80%～90%[14]。

1.2.4 制作菌體蛋白 采用發(fā)酵法，利用甜菜粕制作高消化性蛋白研究較早。于爽等[15]研究了黑曲霉與釀酒酵母混菌固態(tài)發(fā)酵甜菜廢粕生產(chǎn)菌體蛋白的最優(yōu)條件，2.5% NaNO3為氮源，加水量為200%，營(yíng)養(yǎng)液pH 9，接種量為7%，發(fā)酵6 d時(shí)菌體蛋白含量達(dá)到最大29.23%，比未優(yōu)化前提高了20個(gè)百分點(diǎn)。Ahmadi等[16]采用黑皮霉和綠皮霉進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)提高了甜菜粕中蛋白質(zhì)和中性纖維含量。同時(shí)，采用黑曲霉和釀酒酵母固體發(fā)酵甜菜廢粕，表明生產(chǎn)菌體蛋白的最優(yōu)發(fā)酵工藝流程為：起始接種9%黑曲霉，發(fā)酵24 h后按接種量15%接入酵母菌種子液共生發(fā)酵5 d。在該工藝流程下，粗蛋白含量達(dá)到30.97%，比黑曲霉單菌發(fā)酵提高了約5.95%。

1.3 制作吸附劑

1.3.1 礦物離子吸附劑 甜菜粕含有較高比例粗纖維和纖維素，后者本身即可作為吸附劑，利用甜菜粕生產(chǎn)相應(yīng)吸附劑的研究也較多。武穎杰等[17]研究表明，對(duì)Cd2+有較好的吸附效果，Cd2+離子去除率可達(dá)87%。研究表明，當(dāng)溫度為22.0 ℃，甜菜粕用量為5.92 g 和pH 8.0時(shí)，可使 200 mL水中Ca2+從1027 mg/L降至373 mg/L，達(dá)到國(guó)家硬度標(biāo)準(zhǔn)[18]。陳博儒等[19]發(fā)現(xiàn)甜菜粕對(duì)鉛的螯合大于對(duì)鈣的吸附，溶液pH為7.0時(shí)吸附效果最佳，Ca2+、Pb2+分別在30、60 min內(nèi)達(dá)吸附平衡；在pH 7.0和37 ℃的生理?xiàng)l件下，兩種離子的吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程均符合Lagergre方程二級(jí)吸附模型。另有研究表明，甜菜粕對(duì)鐵的吸附量隨著甜菜粕粒徑減小、鐵初始濃度的增加而增加，吸附平衡時(shí)間是80～100 min，在鐵初始濃度0.001 mol/L，反應(yīng)時(shí)間100 min和溫度25 ℃的條件下，采用93%水分、粒徑 75～150 μm 的甜菜粕可吸附除去溶液中65%鐵離子[20]。此外，還有研究證實(shí)甜菜粕對(duì)工業(yè)廢水中Zn離子有一定吸附力[21]。以上研究均提示甜菜粕對(duì)大多數(shù)金屬離子具有吸附作用。

1.3.2 化學(xué)物質(zhì)吸附劑 除了吸附金屬離子，甜菜粕作為吸附劑未來(lái)在環(huán)保方面或許也大有作為。Dursun等[22]發(fā)現(xiàn)在89.5 mg/g、pH 6.0、60 ℃條件下，碳化的甜菜粕對(duì)苯酚的吸附效率最高。Dursun等[23]對(duì)碳化的甜菜粕吸附Remazol black B染料進(jìn)行了研究，并對(duì)紡織廢水進(jìn)行了吸附試驗(yàn)。結(jié)果表明，該吸附過(guò)程需180 min平衡時(shí)間，在pH 1.0、溫度為25 ℃下，染料的最大吸附量為80.0 mg/g。

2 甜菜粕營(yíng)養(yǎng)成分及其在豬上應(yīng)用

2.1 甜菜粕營(yíng)養(yǎng)成分

甜菜經(jīng)過(guò)榨糖，剩余部分主要包括纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素、少量糖分和蛋白[24]。制糖后剩余的甜菜粕水分含量高，極少直接利用，產(chǎn)區(qū)周邊可少量用于濕喂反芻動(dòng)物，也可經(jīng)過(guò)青貯或干燥制粒后飼喂。三種形態(tài)甜菜粕除水分含量差異巨大外，其余常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分差異不大(表1)[25]。但因濕的甜菜粕含有較高游離酸和植物雌性激素等，質(zhì)量不易控制，需限制用量，以免造成動(dòng)物中毒或生產(chǎn)性能下降[26]。國(guó)內(nèi)甜菜粕主要產(chǎn)于新疆及內(nèi)蒙古，每年11月至次年3月榨季，各糖廠收購(gòu)并集中生產(chǎn)甜菜糖，并同步加工甜菜粕，全年產(chǎn)量均在一個(gè)榨季內(nèi)決定。目前，國(guó)內(nèi)畜牧及飼料行業(yè)利用的甜菜粕均是通過(guò)干燥、制粒后的粗大顆粒，一是便于保存和運(yùn)輸，二是便于規(guī)模化加工和使用。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，100 t濕甜菜粕可加工出約6 t甜菜粕顆粒(英聯(lián)中國(guó)農(nóng)業(yè))。除此之外，美國(guó)及烏克蘭對(duì)國(guó)內(nèi)也出口相關(guān)產(chǎn)品，湖南省佳和農(nóng)牧股份有限公司對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，其營(yíng)養(yǎng)成分與國(guó)產(chǎn)的常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分即氨基酸組成差異詳見(jiàn)表2及表3。

2.2 甜菜粕在母豬上應(yīng)用

甜菜粕因富含粗纖維，且其中的中性洗滌纖維高達(dá)40%，利于母豬腸道蠕動(dòng)，增強(qiáng)母豬飽腹感，減少空嚼現(xiàn)象，促進(jìn)腸道內(nèi)容物排出，顯著改善糞便形狀，因此在母豬各個(gè)階段應(yīng)用廣泛。有研究表明，在小母豬時(shí)期(BW 15 kg)，日糧中添加12.5%的甜菜粕，對(duì)生長(zhǎng)性能、肝臟中糖原及甘油三酯沒(méi)有顯著影響，但甜菜粕顯著改善了非酯化脂肪酸和甘油三酸酯，提示日糧中添加甜菜粕纖維可以增加豬腸道的氧化代謝能力[27]。Zhao等[28]研究頭胎母豬采食含不同比例甜菜粕日糧(0%、10%、20%)時(shí)發(fā)現(xiàn)，相比對(duì)照組，甜菜粕處理組背膘損失和糞便水分顯著提高，皮質(zhì)醇和去甲腎上腺素水平則顯著降低，但各組間母豬日采食量、斷奶至發(fā)情間隔、產(chǎn)仔數(shù)、仔豬體重、存活率等均無(wú)影響。孟麗輝等[29]研究了甜菜粕、麥麩、燕麥麩對(duì)生長(zhǎng)豬營(yíng)養(yǎng)成分和總能(GE)的表觀全腸道消化率(ATTD)、表觀回腸消化率(AID)及后腸發(fā)酵率的影響，發(fā)現(xiàn)富含可溶性日糧纖維(SDF)的甜菜粕可顯著提高飼糧各營(yíng)養(yǎng)成分在后腸的發(fā)酵率，并提高總能消化率。Jorgensen 等[30]以大麥/小麥對(duì)照日糧，另外三種額外添加馬鈴薯粕(PP)、甜菜粕(BP)和果膠殘?jiān)?PR)的試驗(yàn)日糧，評(píng)價(jià)母豬對(duì)不同纖維飼糧的飽足性。發(fā)現(xiàn)甜菜粕日糧具有可溶性纖維含量高的特點(diǎn)，向日糧中添加33.4%的甜菜粕后，甜菜粕的系水力和膨脹性顯著減少了母豬的活動(dòng)，增強(qiáng)了飼料的飽腹性，從而減少了母豬采食量，這對(duì)妊娠期母豬限制采食量有重要應(yīng)用意義。Quesnel等[31]在探討妊娠期母豬采取高纖維飼喂對(duì)圍產(chǎn)期生理代謝的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，妊娠期使用甜菜粕，日糧纖維提高至11%，哺乳期母豬平均攝食提高0.94 kg/d，妊娠期高纖維飼料喂養(yǎng)的哺乳期母豬食欲增加與葡萄糖和胰島素代謝變化無(wú)關(guān)，而飼料消耗越大，仔豬生長(zhǎng)速度越快，對(duì)母豬體儲(chǔ)備的影響不受影響。王勇生等[32]研究不同甜菜粕添加水平對(duì)哺乳母豬生產(chǎn)和仔豬生長(zhǎng)性能的影響，結(jié)果表明哺乳母豬日糧中添加10%甜菜粕可以顯著提高哺乳母豬平均日采食量。侯丹熹等[33]則發(fā)現(xiàn)，15%的甜菜粕可以顯著提高窩產(chǎn)活仔數(shù)和窩產(chǎn)健仔數(shù)，顯著降低窩產(chǎn)死胎數(shù)。在妊娠后期日糧中1～2 kg甜菜葉也可以顯著提高母豬的繁殖性能，同時(shí)能降低飼料成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，其中日糧中添加2 kg的甜菜葉效果最好，每窩每頭母豬多盈利246元[34]。

表1 不同形態(tài)態(tài)甜菜粕營(yíng)養(yǎng)成分(干物質(zhì))Table 1 Nutritional components of different forms of beet pulp(DM) %

表2 不同來(lái)源甜菜粕常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分Table 2 General Nutritional components of different sources of beet pulp

表3 不同來(lái)源甜菜粕氨基酸組成Table 3 Amino acids composition of different sources of beet pulp %

2.3 甜菜粕在肥育豬上應(yīng)用

在肥育豬的應(yīng)用上，有研究表明，給28.5日齡左右仔豬飼喂含6%甜菜粕的日糧，呈現(xiàn)顯著增加盲腸和結(jié)腸中乳酸菌數(shù)量的趨勢(shì)[35]。Yan等[36]在斷奶仔豬日糧中分別添加3%、6%、9%、12%的甜菜粕，發(fā)現(xiàn)各組間生長(zhǎng)性能和腹瀉率、免疫球蛋白等指標(biāo)差異均不顯著，隨著甜菜粕比例增加，腸道中大腸桿菌數(shù)量差異不顯著，但乳酸菌數(shù)量呈線(xiàn)性增加。Zhang等[37]發(fā)現(xiàn)隨著甜菜粕在肥育豬日糧中添加量增加或使用時(shí)間延長(zhǎng)，日糧中消化能值和總能、干物質(zhì)、灰分、有機(jī)物ATTD顯著直線(xiàn)下降，但粗蛋白ATTD顯著提高，中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維消化率則極顯著提高，提示甜菜粕用量不能過(guò)高。經(jīng)測(cè)定后，甜菜粕中賴(lài)氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、色氨酸的回腸消化率(SID)分別是37.03%、51.62%、40.68%和46.22%。Lynch等[38]研究在肥育豬后期日糧添加20%甜菜粕，干物質(zhì)、灰分、總能消化率相比對(duì)照組(無(wú)甜菜粕)顯著降低，同時(shí)尿氮:糞氮比例以及尿氮排放量也顯著降低，但極顯著提高了中性洗滌纖維的消化率。

2.4 甜菜粕在豬上應(yīng)用注意事項(xiàng)

甜菜粕干物質(zhì)中含有15%～30%的果膠，果膠在瘤胃快速發(fā)酵[39]，因此飼喂反芻動(dòng)物時(shí)需適當(dāng)補(bǔ)充非蛋白氮，而在母豬上應(yīng)用可不考慮這一問(wèn)題。鮮甜菜渣水分高，容易造成霉變、毒素超標(biāo)等問(wèn)題，在母豬圍產(chǎn)期慎用。此外，鮮甜菜渣含有較高含量游離酸(主要是草酸)，豬采食過(guò)多易引起腹脹，其中含有的少量硝酸鹽可引起急性或持續(xù)性缺氧。通過(guò)青貯或干燥制粒處理的甜菜粕可消化成分增加，藍(lán)本含量降低，防止細(xì)菌污染，有效避免鮮甜菜粕帶來(lái)的各種問(wèn)題。建議甜菜粕在豬生產(chǎn)中的添加量為：母豬料中6%～20%，肥育豬料中4%～10%，仔豬料中2%～6%，既能呈現(xiàn)良好生產(chǎn)性能，也能獲得較好飼料報(bào)酬。

3 展 望

隨著國(guó)內(nèi)甜菜產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，甜菜粕的產(chǎn)量也逐步增加，目前甜菜粕除在豬上外，在反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)、化工生產(chǎn)、食品領(lǐng)域均有廣泛研究與應(yīng)用。由于甜菜粕外觀較黑，易對(duì)豬飼料產(chǎn)品造成“染色”現(xiàn)象，因此在商品飼料中使用較少，也限制了飼料企業(yè)對(duì)其應(yīng)用研發(fā)。作為優(yōu)質(zhì)的飼料原料，行業(yè)從業(yè)者應(yīng)逐漸培育市場(chǎng)，提高接受和利用程度。