王亦聞，伍玉鵬，王 硯，樊 丹，石祖梁，劉 兵

（1華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070；2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，北京 100125；3湖北省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)站，武漢 430070；4荊州市科牧牛業(yè)有限公司，湖北荊州 448264）

0 引言

油菜是中國油料生產(chǎn)面積最大的作物，是油料作物生產(chǎn)的主體。目前油菜作物主要利用的只有油菜籽，而有大量的油菜秸稈無法得到利用，在龔劍明[1]的報道中，油菜秸稈的直接露天焚燒率甚至高達(dá)33%，造成了極其惡劣的環(huán)境污染。中國畜牧業(yè)的主要限制因素之一便是粗飼料的來源，解決油菜秸稈飼料化的限制因素不僅能極大緩解中國畜牧業(yè)問題還避免了環(huán)境污染。

烏蘭等[2]將油菜秸稈與小麥秸、玉米秸、豆秸的營養(yǎng)成分作對比，油菜秸稈是更有潛力的粗飼料來源。但據(jù)黎力之等[3]報道油菜秸稈的物理結(jié)構(gòu)緊密，不利于動物消化降解，此外油菜秸稈還含有硫甙等抗?fàn)I養(yǎng)因子，導(dǎo)致較差的適口性。本研究從油菜秸稈的特性入手，探討了限制油菜秸稈飼用的因素，綜述了目前已有的氨化、青貯、微貯等油菜秸稈飼料化技術(shù)，分析了不同技術(shù)的優(yōu)缺點，以期為未來油菜秸稈飼料化發(fā)展提供思路與建議。

1 油菜秸稈飼用潛力分析

1.1 油菜秸稈產(chǎn)量

現(xiàn)階段中國油菜秸稈產(chǎn)量巨大，但綜合利用率較低。21世紀(jì)初期中國加入世界貿(mào)易組織，油菜等油料市場受到?jīng)_擊，油菜的產(chǎn)量和種植面積受到影響，但之后在政府政策的支持下油菜的產(chǎn)量和種植面積一直呈持續(xù)不斷的增長趨勢，2013—2018 年，中國油菜在種植面積、單產(chǎn)、總產(chǎn)等方面都呈現(xiàn)上升趨勢[4]。2016年中國油菜種植面積已達(dá)710 萬hm2，油菜籽產(chǎn)量約為1400 萬t，根據(jù)谷草比2.7[5]估算油菜秸稈年產(chǎn)量約為3780萬t[6]。由于地理位置和環(huán)境氣候等因素的影響，中國油菜種植相對集中，油菜秸稈主要分布在長江中下游地區(qū)，其產(chǎn)量占全國總量的91.15%[7]，但由于油菜秸稈體積大、重量輕，不易收集，收獲時間又與水稻種植相沖突等因素，油菜秸稈很少能得到良好的利用。比如，2008 年安徽省的油菜秸稈的綜合利用率僅為25%[8]。在中國南方地區(qū)，油菜秸稈田間隨意棄置和露天焚燒的現(xiàn)象仍十分普遍，并由此帶來了較為嚴(yán)重的環(huán)境問題。

中國油菜秸稈產(chǎn)生量在未來還有繼續(xù)增加的可能。對油料作物產(chǎn)品供求進(jìn)行預(yù)測后發(fā)現(xiàn)，在食用油生產(chǎn)量保持年均增長速度5%的情況下，2020 年中國食用油供需缺口將達(dá)到1970 萬t 左右，2030 年則為1250萬t左右[9]，這意味著未來油菜種植面積將持續(xù)增加。此外，隨著世界石油資源的日益短缺，油料作物等可再生資源作為燃料的研究迅速發(fā)展，亦會進(jìn)一步促進(jìn)油菜種植面積的增加。

1.2 油菜秸稈的營養(yǎng)成分

不同品種的作物秸稈營養(yǎng)成分相差較大[10]。黎力之[3]采集了江西、湖北兩個地區(qū)的7 個油菜秸稈樣品，其養(yǎng)分含量中平均粗蛋白5.63%、粗脂肪3.48%，均高于稻草的粗蛋白4.44%、粗脂肪1.38%，而油菜秸稈纖維含量則多數(shù)低于稻草。雖然纖維一般作為秸稈中重要的營養(yǎng)物質(zhì)，但過高的纖維含量反而會抑制動物的吸收。油菜秸稈中鈣的平均含量為0.83%，也高于稻草，而磷的含量較低，為0.06%。此外，油菜秸稈中灰分含量為5.25%，比稻草的11.84%低了6%。一般來說，灰分含量較低代表了其無機(jī)物占比較低，相應(yīng)其有機(jī)物質(zhì)含量和能值較高。烏蘭等[2]通過測定自然干燥的作物秸稈的化學(xué)成分得出，油菜秸稈的粗蛋白和粗脂肪含量比小麥、玉米和大豆等作物秸稈的含量都要高（見表1）。Petersson等[11]對比了冬黑麥、蠶豆和油菜秸稈的營養(yǎng)物質(zhì)含量，結(jié)果表明油菜秸稈中葡聚糖和木聚糖均較高，分別達(dá)到干重的27.3%和15%。油菜秸稈還含有多種營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素[12]，其中蛋白質(zhì)膳食纖維等含量豐富[13]，從營養(yǎng)成分上來看，油菜秸稈是一種潛力巨大的優(yōu)質(zhì)粗飼料來源。

針對油菜秸稈營養(yǎng)成分較高這一特性，也有學(xué)者開展了油菜秸稈飼牛的研究。潘勇[14]等將油菜秸稈與酒糟按干物質(zhì)比例57:43混合作為粗飼料，進(jìn)行了3個階段的實驗，牛的平均日增重為0.925 kg，而羊草精飼料的處理日增重最高僅1 kg。由此看來，油菜秸稈完全可以代替羊草。

表1 油菜及其他秸稈的化學(xué)成分[2] %

總的來看，中國油菜秸稈產(chǎn)量較大，且在未來還有繼續(xù)增加的潛力，而油菜秸稈中的營養(yǎng)特征表明其是一種優(yōu)質(zhì)的粗飼料來源。因此，油菜秸稈飼料化在國內(nèi)具有極大的資源化利用開發(fā)的潛力和前景，然而油菜秸稈自身的一些特性卻限制了其飼料化的利用。

2 油菜秸稈飼料化的限制因素分析

2.1 油菜秸稈的物理特性

油菜秸稈主要由莖干組成，除了近20 cm 左右的根部無法利用外，剩下的莖干都可以利用。油菜秸稈的莖桿從外至內(nèi)由表皮、表層、維管柱和莖髓4部分組成[15]。其表皮的外壁角質(zhì)化程度很高，形成了角質(zhì)層和蠟質(zhì)層；皮層是由多層細(xì)胞構(gòu)成，主要構(gòu)成的是薄壁細(xì)胞，皮層在靠近表皮的外皮層中，一般有厚角組織存在；維管柱是由維管束和一些薄壁細(xì)胞組成，其中維管束是由韌皮部、形成層及木質(zhì)部組成的。莖稈的中心是莖髓，由薄壁細(xì)胞組成，且細(xì)胞的間隙較大，這些間隙經(jīng)常有淀粉粒的積累，因此油菜中養(yǎng)分的貯藏主要集中在莖髓里[16]。

油菜秸稈中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以多種化學(xué)鍵連接，見圖1。纖維素和半纖維素形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的碳水化合物聚合體，木質(zhì)素將纖維素和半纖維素保護(hù)起來，形成了更加穩(wěn)定和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了纖維素酶不能到達(dá)相應(yīng)酶位點，形成酶解抗性屏障[17]。

雖然油菜生長的不同時間、不同部位其纖維素含量都有所差異，但纖維素始終是含量最高的物質(zhì)。纖維素的結(jié)晶部分與非結(jié)晶部分相比很難被分解酶分解[18]，而油菜秸稈中結(jié)晶程度相對較高。在分解纖維素之前，需要將它從半纖維素和木質(zhì)素的保護(hù)結(jié)構(gòu)里釋放出來，因此木質(zhì)素能否得到降解決定了纖維素的分解效果[19]。

木質(zhì)素分子質(zhì)量大，沒有規(guī)則重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元或者易水解的鍵位，是目前公認(rèn)的微生物最難降解的芳香族化合物之一[20]。油菜秸稈中的木質(zhì)素由于呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，性質(zhì)極其穩(wěn)定不易降解。草食反芻動物體內(nèi)沒有可以降解木質(zhì)素的酶，因此這種木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)成為了油菜秸稈利用的主要限制因素之一[21]。油菜秸稈的木質(zhì)化程度相對較高，而木質(zhì)化程度越高，反芻動物的消化率越低，因此，降解油菜秸稈中的木質(zhì)素是提高油菜秸稈飼料利用性的關(guān)鍵之一[22]。

2.2 油菜秸稈的化學(xué)特性

油菜秸稈中主要成分為木質(zhì)纖維素，而木質(zhì)纖維素又分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素[23]。相比水稻秸稈和小麥秸稈，油菜秸稈中的纖維素含量較高，尤其桿部纖維素含量達(dá)到了53%。且其不同位置化學(xué)組成也有差異，油菜秸稈中半纖維素含量為17.13%、木質(zhì)素為19.07%相比水稻秸稈含量更高[24]。黎力之[3]實驗中測得油菜秸稈中中性洗滌纖維(NDF)含量達(dá)58.70%，酸性洗滌纖維(ADF)含量達(dá)51.08%。此外牛文娟[12]等考慮不同品種不同地區(qū)，從全國收集了138個樣品，分析了油菜秸稈樣品的化學(xué)成分，其結(jié)果如表2所示，油菜秸稈中鈣、磷含量較低，及鈣、磷的比例也不符合家畜的需求。蘭貴生[25]利用康乃爾凈碳水化合物-蛋白質(zhì)體系CNCPS 分析油菜秸稈，測得不可利用纖維(CC)、可利用纖維(CB2)的平均值分別為32.61%和34.22%都高于玉米秸稈和小麥秸稈中的相應(yīng)指標(biāo)，這表明了油菜秸稈與其他秸稈飼料相比，結(jié)構(gòu)性碳水化合物的含量較高，在瘤胃中的降解速率較慢，利用效率較低。

2.3 油菜秸稈的抗?fàn)I養(yǎng)因子

硫甙是油菜秸稈中最主要的抗?fàn)I養(yǎng)因子，它具有一定的毒性，會使動物甲狀腺等器官腫大，進(jìn)而影響動物的生長代謝。硫甙有辣味會減少動物的采食量，硫甙的抗?fàn)I養(yǎng)效果主要是通過降低動物的采食量而起作用的，Spiegel等[26]進(jìn)行飼喂試驗時發(fā)現(xiàn)，在采食量相同的情況下，2 組豬平均日增重并沒有明顯的影響。硫甙在植株不同部位的含量不同，籽實中含量有180 μmol/g、葉片中僅有10～20 μmol/g，而不同品種油菜中硫甙含量相差較大[27]。目前油菜中硫甙的研究多在籽實和葉片中，而對油菜秸稈的硫甙研究相對較少。

表2 油菜秸稈化學(xué)成分表[12]

其他的抗?fàn)I養(yǎng)因子例如植酸、單寧和芥子堿等也會影響油菜秸稈的消化率和適口性。

2.4 油菜秸稈動物適口性

油菜秸稈因其特有的物理和化學(xué)特性，主要通過影響適口性來限制油菜秸稈的飼料化。適口性是對飼料的外觀、味道、口感、溫度、質(zhì)地等一系列指標(biāo)的綜合評定，是影響動物采食量的關(guān)鍵因素[28]。油菜秸稈木質(zhì)化程度高而導(dǎo)致的質(zhì)地相對堅硬，以及一些可溶碳水化合物水解產(chǎn)生的有刺激味道的產(chǎn)物，例如硫甙水解的產(chǎn)物異硫氰酸脂有辛辣味，吲哚族硫甙會產(chǎn)生苦味[3]，這些都會造成油菜秸稈的適口性變差。黃瑞鵬[29]等實驗表明，在只進(jìn)行粉碎處理的油菜秸稈來替代咸寧黃牛的日糧，飼料的消化率明顯降低，Coombe[30]等發(fā)現(xiàn)，用單純的油菜秸稈來喂食綿羊，綿羊的日采食量低、日增重甚至呈負(fù)值。

因此，目前油菜秸稈飼料化利用的技術(shù)主要集中在如何破壞木質(zhì)素、半纖維素和纖維素三者之間緊密連接的結(jié)構(gòu)、如何有效降解木質(zhì)素、如何將纖維素暴露出來，此外如何改善油菜秸稈的適口性，以提高反芻動物的采食量和消化率也當(dāng)前的研究重點。

3 油菜秸稈飼料化技術(shù)進(jìn)展

作物秸稈普遍存在原料粗硬、適口性差等問題，進(jìn)行合理的加工處理有助于改善秸稈的營養(yǎng)成分和適口性，也能夠提高秸稈的飼用價值和轉(zhuǎn)化效率。目前，物理處理法、化學(xué)處理法和生物處理法是在秸稈飼料化中應(yīng)用較廣泛的技術(shù)。但大多數(shù)集中于小麥、水稻和玉米等糧食作物上，在油菜秸稈上的研究和應(yīng)用較少。

3.1 物理處理法

物理方法是通過如切短、粉碎、浸泡、蒸煮、射線照射、熱噴、膨化、顆粒化等技術(shù)對秸稈進(jìn)行物理處理，只對秸稈的外形及結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，不能增加秸稈的營養(yǎng)成分[31]。物理處理能方便反芻動物的咀嚼，減少能耗，也利于秸稈粗飼料與精飼料的混合。據(jù)宗賢爝[32]報道，秸稈經(jīng)切短和粉碎以后，體積變小，便于家畜采食和咀嚼，采食量增加了20%～30%。粉碎等破壞了纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，部分地分離了纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的結(jié)合，有利于畜禽腸道中細(xì)菌分泌的酶有更多的機(jī)會與之接觸，從而使飼料更容易受到消化酶的作用[33]。此外還有輻射技術(shù)用于處理小麥秸稈的報道[34]，當(dāng)輻射劑量為2.0×109rad時，體外消化率提高了27.6%。雖然物理處理方法污染小，但處理效果相對來說較差[35]，目前油菜秸稈利用物理處理法進(jìn)行飼料化的研究與應(yīng)用也極少。

3.2 化學(xué)處理法

秸稈的化學(xué)處理方法主要有氨化、堿化和酸處理。氨化處理目前應(yīng)用較多的是加入尿素或者碳酸氫銨，氨與秸稈中的水結(jié)合生成氨水，氨水則電離出NH4+和OH-，OH-可使木質(zhì)素和纖維素之間的酯鍵斷裂[36]，破壞木質(zhì)素和纖維素之間的鑲嵌結(jié)構(gòu)，讓反芻動物的胃液更容易滲入，從而提高秸稈的消化率；NH4+附著在秸稈上，成為秸稈中的氮源，增加粗飼料的粗蛋白含量[33]；秸稈的適口性和采食量也得到了顯著的改善[37]。孟春花[38]等人選用碳酸氫銨對油菜秸稈進(jìn)行氨化處理，提高了CP含量，降低NDF、ADF的含量，能夠提高營養(yǎng)物質(zhì)的瘤胃降解率。

堿化處理一般加入NaOH，它同樣能使纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵斷裂，從而提高動物的秸稈的消化率。堿化處理后，秸稈中的粗纖維含量明顯下降，提高了秸稈飼料的營養(yǎng)價值[39]。García[40]等的實驗中堿處理能夠使木質(zhì)素的去除率達(dá)到59.1%。但堿化處理法堿用量和用水量大，也易造成環(huán)境污染，實際生產(chǎn)中并不廣泛使用[41]。

酸化處理是利用強(qiáng)酸破壞秸稈中木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，提高秸稈的飼用效率。但酸化處理對環(huán)境和飼料會造成酸污染，并產(chǎn)生一些不必要的氣體，營養(yǎng)損失嚴(yán)重，而且成本過高，酸處理法一般很少使用[42]。

化學(xué)處理在一定程度上能破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，提高動物的消化率，但與生物處理相比不能增加飼料的營養(yǎng)成分含量，且處理過程中，試劑的回收將增大能耗，因此目前應(yīng)用率在逐漸下降。此外，油菜秸稈利用化學(xué)處理法進(jìn)行飼料化的研究與應(yīng)用也極少。

3.3 生物處理法

生物處理法是通過微生物的生命活動對秸稈中的纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行降解，降低中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的含量[43]，在一定程度上能改善秸稈的適口性，提高其中的營養(yǎng)成分，主要包括青貯、黃貯、酶制劑處理和微貯等，能夠提高秸稈的飼料品質(zhì)[31]。丁琳等[44]加入微生物對油菜秸稈進(jìn)行發(fā)酵處理，與未發(fā)酵油菜秸稈相比，富含15種氨基酸，粗蛋白含量增加一倍左右，粗纖維含量從43.8%下降至32.1%。

青貯法是將新鮮秸稈切碎后壓實在青貯窯里進(jìn)行發(fā)酵。但油菜秸稈收獲打籽之后，基本為已經(jīng)失去水分變黃，不宜做青貯處理。青貯處理能有效的改善秸稈的品質(zhì)和長期保存，但秸稈中本身附著的微生物量少，發(fā)酵后的酸味重、甜味不足，青貯窯建設(shè)投資大，容易受氣候的影響這些缺點一定程度上制約了青貯的應(yīng)用[33]。

黃貯與青貯最明顯的不同是原材料的選擇，黃貯是選用收獲過籽粒的作物秸稈作為發(fā)酵的原料進(jìn)行儲藏，在進(jìn)行黃貯時秸稈基本都發(fā)干變黃，進(jìn)行切碎處理后通過添加一定量的水分和發(fā)酵菌劑，在密閉厭氧條件下進(jìn)行發(fā)酵處理[45]。在厭氧的條件下，秸稈中的厭氧菌將秸稈中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成有機(jī)酸，秸稈的pH值能達(dá)到pH 4.2 左右。由于形成較低的酸性環(huán)境，因此能夠?qū)Ω鞣N微生物的繁殖起到很好的抑制作用，有害細(xì)菌和霉菌的生長都受到了抑制，進(jìn)而達(dá)到飼料儲存和改善品質(zhì)的目的[45]。與青貯飼料相比，黃貯飼料的品質(zhì)稍差，但是相對于已經(jīng)成熟且收獲籽粒后的油菜秸稈而言，油菜在收獲油菜籽時也已經(jīng)半黃，最好的方式還是黃貯[47]。

酶解法是將酶制劑噴施在秸稈表面，使秸稈發(fā)生酶解反應(yīng)，在一定程度上可以提高秸稈的消化率，但酶制劑對秸稈細(xì)胞壁的破壞作用不大。單純的酶制劑的處理在秸稈飼料化技術(shù)中意義不大。

微貯是通過接種有益的微生物對秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵，微生物在厭氧條件下迅速增殖，秸稈中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及蛋白質(zhì)等大分子化合物都能被降解，使秸稈中的一些不溶性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可溶性可利用的有機(jī)物[48]。何瑞等[49]的研究中秸稈微貯的過程中pH 值能夠達(dá)pH 4.5，提高反芻動物12%的消化率，得到質(zhì)地柔軟適口性好、營養(yǎng)更加豐富的飼料。不同的微貯劑對油菜秸稈的處理效果不同。徐蘭嬌等[50]研究了不同微貯劑組合方式處理油菜秸稈，得到EM 原露加粗飼料降解劑的處理喂食錦江黃牛效果最好，其GE、CP、ADF的表觀消化率都得到了提高。

總體來說，生物處理技術(shù)不僅能破壞木質(zhì)纖維素的包裹結(jié)構(gòu)，在處理得當(dāng)?shù)那疤嵯逻€能增加飼料的營養(yǎng)價值。因此，微生物發(fā)酵秸稈轉(zhuǎn)換蛋白飼料的研究也越來越受到大家的關(guān)注，并在此過程中將物理法和化學(xué)法常作為生物發(fā)酵蛋白飼料的前處理過程進(jìn)行應(yīng)用[51]。與其他作物秸稈或飼料混合處理效果更好。

目前來看，中國油菜秸稈飼料化的研究也大多集中在生物處理法上面。李存春等[52]針對油菜秸稈粉末采用生物發(fā)酵加工技術(shù)，將海星秸稈生物發(fā)酵活干菌活化后與粉碎秸稈拌勻，壓實密封貯存12 天后，發(fā)現(xiàn)其粗蛋質(zhì)含量提高33.15%，粗纖維含量降低14.50%，秸稈的氣味、質(zhì)地變好，適口性增強(qiáng)，用于飼喂生長期豬只的增重效果明顯。朱洪龍等[33]采用自行篩選的白腐真菌ADW-08 對油菜秸稈進(jìn)行生物降解，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵60 天時，油菜秸稈中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素降解率分別達(dá)56.28%、40.80%和45.22%，而粗蛋白、必需氨基酸和總氨基酸則分別提高了43.73%、135.16%和101.51%。王亮等[53]采用3種微貯劑（A組：乳酸菌、酵母菌；B組：乳酸菌、芽孢桿菌、酵母酶；C組：復(fù)合酶制劑、螯合微量元素）處理油菜秸稈，發(fā)現(xiàn)不同微貯劑均提升了油菜秸稈的感官品質(zhì)，其中單一制劑以B 組效果最好，組合制劑為A 組+C 組效果最好，但若從油菜秸稈各營養(yǎng)成分在瘤胃中的降解情況來看，則為A+B組效果最好。

4 展望

要實現(xiàn)中國養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及農(nóng)村新型能源化的重要前提就是秸稈資源的綜合利用[54]。油菜秸稈資源豐富、潛能大，其營養(yǎng)特性使得油菜秸稈飼料化發(fā)展空間及發(fā)展前景十分廣闊。油菜秸稈中粗蛋白和粗脂肪相比其他農(nóng)作物秸稈含量更高，更適合作為動物飼料，但其木質(zhì)化程度高也制約了其飼料化的發(fā)展。因此，油菜秸稈飼料化的關(guān)鍵在于有效的對木質(zhì)素進(jìn)行降解，將纖維素釋放出來，以供動物更好的吸收和消化。此外，油菜秸稈的適口性也需要改善，質(zhì)地松軟、味道酸甜的秸稈飼料動物的采食量更大。微生物發(fā)酵秸稈轉(zhuǎn)換蛋白飼料的研究逐漸增多，但針對油菜秸稈的工藝技術(shù)卻仍舊比較缺乏。因此，結(jié)合油菜秸稈的特性，在已有秸稈生物處理技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化嫁接，可能是快速發(fā)展油菜秸稈飼料化技術(shù)的可行方法之一。此外，中國現(xiàn)有秸稈飼料化加工技術(shù)與國外先進(jìn)技術(shù)相比仍有一定差距，高效的秸稈飼料化設(shè)備和技術(shù)亟待開發(fā)，急需形成一個將生物學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、動植物學(xué)、工程技術(shù)綜合交叉的研究方式來提高秸稈飼料化生產(chǎn)水平[55]。