白菜尾菜飼料化利用技術(shù)

我國是畜牧業(yè)大國，據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2022 年我國豬肉、牛肉、羊肉產(chǎn)量分別達(dá)到5 541 萬、718 萬、525 萬噸，牧業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到40 652 億元，占農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值的26.05%，在國民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的地位。然而，畜牧業(yè)的發(fā)展受到飼料業(yè)產(chǎn)能的制約。我國飼料主要由玉米、豆粕等原料組成，而國內(nèi)糧食產(chǎn)量并不能夠滿足飼料業(yè)生產(chǎn)的需求，因此需大量進(jìn)口飼料原料，我國每年進(jìn)口糧食約1.5 億噸，其中2/3 是大豆。這種生產(chǎn)模式極易受到國際經(jīng)濟(jì)形勢和地緣政治的影響，長期依靠國外進(jìn)口等方式維持飼料業(yè)產(chǎn)能，不利于我國飼料業(yè)高效、穩(wěn)定、健康發(fā)展。通過拓荒等方式提高耕地面積，雖然在一定程度上可緩解飼料資源短缺的現(xiàn)狀，但其可引發(fā)如減少陸地生物多樣性等負(fù)面影響，且不能完全解決上述問題[1]。因此，在不與人類食物供給鏈產(chǎn)生競爭及對環(huán)境不產(chǎn)生負(fù)面影響的框架下，開發(fā)新型飼料資源勢在必行[2-3]。

我國植物源性廢棄物、動物源性廢棄物、非糧型糟渣、食品廢棄物在內(nèi)的非常規(guī)飼料資源豐富，年產(chǎn)量可達(dá)23 億噸。其中，尾菜的年產(chǎn)量約為2.1 億噸，占比約為9%，主要產(chǎn)生于蔬菜采摘、收獲、轉(zhuǎn)運、分揀、售賣、制作等各個階段，其占蔬菜總產(chǎn)量的1/3。隨著人們健康生活觀念的建立，蔬菜作為健康食譜中不可或缺的重要組分，每年消耗量不斷增加，而伴隨產(chǎn)生的尾菜也在逐年遞增。隨著大型集散中心的推廣，尾菜的出現(xiàn)多呈現(xiàn)季節(jié)性、批量性和集中性，這些特性使得快速處理尾菜成為其資源化利用的關(guān)鍵。尾菜中富含動物可以直接利用的蛋白質(zhì)、可溶性碳水化合物、脂肪酸、類黃酮及多酚類物質(zhì)，可促進(jìn)動物生長發(fā)育，維持動物機體健康，但木質(zhì)纖維素、硫代葡萄糖苷、龍葵素、蛋白酶抑制因子等物質(zhì)的存在會影響動物的消化吸收，減緩動物的生長速度[4-5]。此外，尾菜中較高的水分含量是其易腐爛的主要因素，該特性也使得其資源化利用過程中的轉(zhuǎn)化成本較高[6]。白菜作為我國產(chǎn)量最高的蔬菜，年產(chǎn)量約為1 億噸，所產(chǎn)生的白菜尾菜約為3 000萬噸，具有廣闊的應(yīng)用前景，但其資源化回收利用仍處于初級階段。因此，以白菜尾菜為基礎(chǔ)開發(fā)新型飼料資源有望緩解我國飼料資源緊缺現(xiàn)狀。

1 我國白菜產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

白菜（Brassica pekinensis）是蕓苔屬（Brassica）植物，在我國有著悠久的栽培歷史[7]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年白菜的播種面積約為4 000 萬畝，占全國蔬菜播種總面積的15%，廣泛種植于山東、黑龍江、吉林、遼寧、四川等多個省及自治區(qū)[8]。隨著栽培技術(shù)的完善與提高，我國白菜的種植時期由一季栽培（秋）轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗉驹耘?，形成了以東北各省為核心的加工白菜產(chǎn)區(qū)，以河北、湖北、陜西和甘肅各省為核心的春夏季白菜產(chǎn)區(qū)，以云南、貴州等各省為核心的冬季白菜產(chǎn)區(qū)，契合我國南菜北運、北菜南運的調(diào)節(jié)措施，實現(xiàn)白菜的周年供應(yīng)[9]。除此之外，根據(jù)不同地區(qū)、氣候等特點，白菜的育種研究也在不斷進(jìn)行，以期改善白菜的適應(yīng)性，提高作物產(chǎn)量。因此，由于種植周期短、營養(yǎng)價值高、周年供應(yīng)，白菜已然成為我國“菜籃子”的組成部分，是一種重要的經(jīng)濟(jì)蔬菜作物[10]。

2 白菜及白菜尾菜的營養(yǎng)特性

據(jù)242 個白菜樣品的近紅外光譜測定的數(shù)據(jù)顯示，以干重基礎(chǔ)計算，我國白菜的粗蛋白含量為14.65%～28.41%，還原糖含量以鮮重基礎(chǔ)計算為1.34%～3.09%，且含有20.89～33.94 mg/100 g 的VC[11]。除此之外，白菜還富含硫代葡萄糖苷，其中脂肪族硫苷以芝麻菜苷（glucoerucin）、葡配庭薺素（glucoalyssin）、4-戊烯基硫苷（glucobrassicanapin）、3-丁烯基硫苷（gluconapin）和2-羥基-3-丁烯基硫苷（progoitrin）為主，吲哚族硫苷以3-吲哚甲基硫苷（glucobrassicin）為主，芳香族硫苷以苯乙基硫苷（gluconasturtiin）為主[12]。這些生物活性物質(zhì)的存在使得白菜具有抗氧化、抗癌等促進(jìn)機體健康的生理功能。然而，仍需注意的是，白菜的硫苷中2-羥基-3-丁烯基硫苷相對含量高，該物質(zhì)也稱致甲狀腺腫素前體物質(zhì)，在經(jīng)相關(guān)酶反應(yīng)后，易形成硫氰酸酯、異硫氰酸酯，隨后生成噁唑烷硫酮，影響甲狀腺功能[13]。因此，在白菜尾菜飼料化過程中，應(yīng)注意硫代葡萄糖苷的組成以及有害硫苷的含量，以避免白菜尾菜飼料對動物機體產(chǎn)生負(fù)面影響。

不同地區(qū)栽培了不同的白菜品種，而不同的白菜品種，其蛋白質(zhì)、可溶性糖、VC、礦物質(zhì)元素含量均有顯著不同。張素平等[14]發(fā)現(xiàn)在8個白菜品種中，“新和121”軟葉和葉柄部位的葉球內(nèi)葉可溶性蛋白含量最高，“秦白2 號”軟葉部位的葉球外葉和葉球內(nèi)葉可溶性糖含量最高，“亞細(xì)亞”軟葉部分的葉球內(nèi)葉VC 含量最高。Chen等[12]也表明，不同白菜品種的硫代葡萄糖苷組成不同，吲哚族硫苷中不同組分的相對含量變化較大，但在脂肪族硫苷中2-羥基-3-丁烯基硫苷仍占比較高。高飛[15]也發(fā)現(xiàn)不同白菜品種間硫苷組成不同，并且類胡蘿卜素含量差異顯著，甚至可達(dá)十幾倍。而即使是同一品種，由于地區(qū)不同，其光照水平也不同，而這種差異也會導(dǎo)致白菜營養(yǎng)價值的變化。例如，Zhang等[16]發(fā)現(xiàn)短期藍(lán)光暴露會富集類黃酮、酚酸和硫代葡萄糖苷等物質(zhì)，提高白菜的營養(yǎng)價值。此外，栽培技術(shù)也是影響白菜營養(yǎng)價值的一個重要因素。在土壤中施加鎂肥可以提高白菜中鎂、VC 和蛋白質(zhì)含量，并且還可以減少高于地面組織中重金屬鉻的含量，提高白菜的營養(yǎng)價值并降低健康風(fēng)險[17]。Yim 等[18]表明，在施加以固氮細(xì)菌為基礎(chǔ)的微生物肥可提高植株的干物質(zhì)及總氮含量。因此，利用飼料化技術(shù)回收白菜尾菜過程中，應(yīng)注意白菜的品種、產(chǎn)地及栽培方式導(dǎo)致的理化特性及微生物特征的改變，以實施針對性技術(shù)，確保飼料化利用過程的高效性。

由于易受到土壤和轉(zhuǎn)運過程中污染和物理作用以及質(zhì)地差異，白菜尾菜主要是由白菜的外葉組成，其余組分由適口性較差的部分構(gòu)成[19-20]。白菜外葉和內(nèi)葉的成熟度不同，使白菜尾菜的營養(yǎng)成分與白菜整體的營養(yǎng)成分有明顯不同。Song 等[21]表明，在頂端部位中，白菜外葉的可溶性蛋白質(zhì)含量要低于內(nèi)葉，而在中部和底部，外葉的可溶性蛋白質(zhì)含量高于內(nèi)葉。Choi 等[22]的數(shù)據(jù)顯示，白菜外葉中的葡萄糖、果糖和總還原糖的含量低于內(nèi)葉。然而，張德雙等[23]表明，無論是軟葉還是葉柄部位，還原糖、中性洗滌纖維、粗蛋白、干物質(zhì)含量均是由外向內(nèi)增加的。這種現(xiàn)象的潛在原因可能是由于內(nèi)葉更為幼嫩且磷酸和卵磷脂含量較高，所以內(nèi)葉的總氮和磷水平較高[24]。而對于同一葉片，由于葉片底端的適口性較差，一般也被認(rèn)為是產(chǎn)生尾菜的部位。相較于軟葉部位，該部位的還原糖、VC、粗蛋白、可溶性氨基酸含量較低，而粗纖維含量較高[23，25]。此外，白菜外葉會受到更多的光照，而光照水平會影響類胡蘿卜素和葉綠素的生物合成，因此外葉中的類胡蘿卜素和葉綠素水平顯著高于中葉和內(nèi)葉[26-27]。Seong等[28]也證明了該觀點，即白菜外葉的抗氧化活性、酚酸和芥子酸水平要顯著高于內(nèi)葉。此外，由于鎂是葉綠素的主要成分，而鐵、錳、硼參與葉綠素合成，所以白菜外葉中以上4 種元素的含量均高于內(nèi)葉[24]。由于白菜外葉暴露于外界環(huán)境，因而其安全風(fēng)險應(yīng)值得關(guān)注。胡子逸等[29]結(jié)果表明，雖然相較于內(nèi)葉，外葉的營養(yǎng)價值、礦物質(zhì)含量和抗氧化性能優(yōu)于內(nèi)葉，但外葉中汞的目標(biāo)危害系數(shù)（target hazard quotient）較高。這些研究表明，白菜尾菜有很高的營養(yǎng)價值和改善動物機體健康的潛力，因而在飼料化過程中應(yīng)著重考慮如何避免營養(yǎng)損失，使其仍具有較高的營養(yǎng)價值；白菜尾菜的營養(yǎng)成分隨著形成部位的不同而有所改變，且由于形成部位與外界和土壤接觸，其健康風(fēng)險和安全性也應(yīng)著重考慮。

3 白菜尾菜飼料化利用技術(shù)

目前，白菜尾菜的資源化利用主要集中于生產(chǎn)電容器、水熱碳、腐殖酸、甲烷、有機酸等產(chǎn)品，應(yīng)用于能源、化工、肥料等領(lǐng)域[30-33]。然而，由于水分含量較高，通過上述手段實現(xiàn)白菜尾菜的資源化利用轉(zhuǎn)化利用率過低，使得成本效益比高且易造成二次污染，很難實現(xiàn)真正的可實踐的資源化回收[3]。有研究表明，將富含營養(yǎng)物質(zhì)的白菜尾菜等蔬菜廢棄物轉(zhuǎn)化為動物飼料是一種可持續(xù)的措施，并且可節(jié)約大量的有機資源，實現(xiàn)有機物的高效循環(huán)利用[34]。Ngu 等[35]的研究結(jié)果表明，相較于甘藍(lán)和花椰菜尾菜，在山羊飼料中添加白菜尾菜可提高日增重和飼料效率。然而，白菜尾菜的水分含量高達(dá)96%，常溫下3 d內(nèi)便會腐敗，其季節(jié)性、批量性的產(chǎn)生特點，使得如何高效保存成為其飼料化利用的首要問題。青貯是一種利用乳酸菌酸化底物的厭氧發(fā)酵方法，可以有效地保存飼草作物，保證其全年供應(yīng)。白菜尾菜表面附著了以植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）、土壤魏斯氏菌（Weissella soli）、冷生明串珠菌（Leuconostoc gelidum）為主的總數(shù)量為4.7×103CFU/g鮮重的乳酸菌，表明可利用青貯技術(shù)對白菜尾菜進(jìn)行飼料化高值利用[36-37]。然而，白菜尾菜表面也附著了大量的好氧細(xì)菌（>107CFU/g鮮重）和腸桿菌（>103CFU/g 鮮重），可能會對青貯過程中營養(yǎng)物質(zhì)的保存造成威脅，并且白菜尾菜的高水分使其在青貯過程中會產(chǎn)生大量的滲出液和二次發(fā)酵，易形成二次污染和營養(yǎng)物質(zhì)損失。通過晾曬和萎蔫處理，容易受到氣候環(huán)境的影響且易導(dǎo)致酵母和霉菌等微生物在物料表面富集[38]。因此，構(gòu)建高效、穩(wěn)定、無污染的發(fā)酵體系是通過青貯技術(shù)實現(xiàn)白菜尾菜飼料化的關(guān)鍵點。對于該問題，Cao 等[6]通過在白菜尾菜青貯發(fā)酵體系中添加甜菜粕進(jìn)行干濕物料耦合，減少了滲出液的形成。然而，雖然與干性物料混合會降低滲出液的形成，但是同時也會對發(fā)酵品質(zhì)造成負(fù)面的影響，且添加比例也會對白菜尾菜的青貯品質(zhì)造成明顯的影響[39]。Li 等[19]的結(jié)果表明，在白菜尾菜青貯過程中添加小麥麩或米糠使干物質(zhì)分別達(dá)到65%和70%，雖然可完全消除滲出液，但會減少乳酸發(fā)酵，提高蛋白質(zhì)降解，并且會富集腸桿菌屬（Enterobacter）和具有生物膜形成能力的微生物。對于該問題，Li等[40]在白菜尾菜和小麥麩共青貯體系中通過檸檬酸處理，促進(jìn)了異型發(fā)酵乳酸菌富集及異型發(fā)酵，且在檸檬酸添加量為1.11%干物質(zhì)質(zhì)量時，可通過改變細(xì)菌-真菌界間及界內(nèi)互作提高有氧穩(wěn)定性，保證白菜尾菜青貯飼料在有氧暴露期間的品質(zhì)。然而，白菜尾菜可周年供應(yīng)，且檸檬酸在白菜尾菜中的效果受到溫度的調(diào)控。Li 等[41]發(fā)現(xiàn)在15、25、35 ℃溫度下添加檸檬酸可促進(jìn)白菜尾菜厭氧發(fā)酵過程中乙酸的堆積，提高發(fā)酵品質(zhì)，而在有氧暴露階段，25 ℃下添加檸檬酸卻通過促進(jìn)乙酸氧化和氨態(tài)氮堆積誘導(dǎo)有氧腐敗，降低發(fā)酵飼料的穩(wěn)定性，且表明該現(xiàn)象可能與芽孢桿菌屬（Bacillus）和接合酵母屬（Zygosaccharomyces）的富集及堿性代謝物通路上調(diào)有關(guān)?；诖私Y(jié)果，Li 等[42]采用接種異型發(fā)酵乳酸菌布氏乳桿菌（Lactobacillus buchneri）和希氏乳桿菌（Lactobacillus hilgardii），結(jié)果表明聯(lián)合添加兩種菌株可提高抗真菌代謝物的產(chǎn)量及促進(jìn)蛋白質(zhì)降解，且在該基礎(chǔ)上添加檸檬酸可進(jìn)一步提高抗真菌代謝物的濃度及減少發(fā)酵底物的消耗，還可抵消聯(lián)合接種乳酸菌對蛋白質(zhì)品質(zhì)的負(fù)面影響，且該現(xiàn)象與檸檬酸促進(jìn)布氏乳桿菌占據(jù)主導(dǎo)發(fā)酵有關(guān)。Ren 等[43]的研究結(jié)果表明，在白菜尾菜中添加植物乳桿菌在90 d便可提高發(fā)酵品質(zhì)，而布氏乳桿菌則需要發(fā)酵至170 d 才對發(fā)酵質(zhì)量有正面影響。然而，在Cao 等[6]的研究結(jié)果中，添加植物乳桿菌則對白菜尾菜的青貯品質(zhì)并沒有明顯的提升，這表明選擇正確的乳酸菌劑將是實現(xiàn)白菜尾菜優(yōu)良青貯發(fā)酵的關(guān)鍵點。除了乳酸菌和檸檬酸，相比較于甲酸，低濃度的乙酸可減少白菜尾菜青貯過程中有機物的消耗，并降低乳乙比，使乳酸菌采用異型發(fā)酵通路[44]。而對于白菜尾菜的高纖維含量，Ren等[45]的結(jié)果表明，隨著纖維素酶添加量的增加，白菜尾菜和玉米秸稈混貯中的纖維素水平下降，但半纖維素水平升高，并且添加纖維素酶可提高可溶性碳水化合物含量，增強乳酸發(fā)酵，促進(jìn)乳酸菌占據(jù)主導(dǎo)地位。對于白菜尾菜中可溶性碳水化合物不足的問題，Li 等[46]通過添加不同碳源（葡萄糖、果糖、蔗糖、糖蜜），發(fā)現(xiàn)所有碳源補充物均可促進(jìn)有機酸產(chǎn)量，但僅有蔗糖可以降低蛋白質(zhì)降解，且現(xiàn)象與微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能改變有關(guān)。青貯白菜尾菜對動物機體也存在有益作用。Li 等[47]在湖羊飼糧中添加含有白菜尾菜的青貯飼料，通過改變瘤胃微生物組成及代謝，改善了湖羊的瘤胃發(fā)酵性能并提高了抗氧化能力。

除了青貯發(fā)酵，液態(tài)發(fā)酵也可利用白菜尾菜作為培養(yǎng)基富集酵母及蛋白質(zhì)用于飼料生產(chǎn)。Choi 等[48]將白菜外葉通過勻漿、膜過濾等處理手段制備液體培養(yǎng)基，并且產(chǎn)朊假絲酵母（Candida utilis）、樹干畢赤酵母（Pichia stipitis）、馬克斯克魯維酵母（Kluyveromycesmarxianus）、釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）均可在白菜尾菜液體培養(yǎng)基中正常生長，且細(xì)胞量和蛋白質(zhì)含量均不低于在YM 培養(yǎng)基中的水平。Choi等[22]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)相較于膜過濾處理，利用熱處理的白菜尾菜液體培養(yǎng)基富集酵母及蛋白質(zhì)的能力更低，且在滅菌條件為121 ℃、15 min 時更為顯著。此外，硫酸銨和玉米漿粉可進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞生長和增加細(xì)胞量，且將白菜尾菜原液體培養(yǎng)基稀釋2 倍時，可提高酵母的生產(chǎn)效率。此外，將白菜尾菜作為底物，采用商業(yè)纖維素酶和木聚糖酶的酶解法制備可溶性膳食纖維，其中醇不可溶膳食纖維可阻礙葡萄糖和膽汁酸的擴(kuò)散，醇可溶纖維可促進(jìn)乳酸菌生長[49-50]。因此，不同的技術(shù)手段處理白菜尾菜均有希望實現(xiàn)白菜尾菜的飼料化利用，但其成本效益比仍需考慮。

4 小結(jié)與展望

白菜是我國產(chǎn)量最大的蔬菜，其尾菜中含有蛋白質(zhì)、生物活性物質(zhì)和礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分，具備成為畜禽飼料的潛力。目前的研究多集中于如何解決白菜尾菜水分高難以長期保存的問題，而對如何增質(zhì)提效的關(guān)注較少。其次，關(guān)于白菜尾菜營養(yǎng)成分的問題，目前仍未有系統(tǒng)性的闡述，且白菜尾菜能否替代畜禽基礎(chǔ)飼糧，對動物機體是否存在有益作用也仍未取得關(guān)注。因此，未來的研究應(yīng)更加集中于如何能夠增強和評定白菜尾菜的營養(yǎng)價值，明晰其對動物機體的影響，是實現(xiàn)白菜尾菜飼料化高效利用的重中之重。