基于营养经济学视角的农作物秸秆饲料化技术探讨

段国荣

（1.南京理工大学软化学与功能材料教育部重点实验室，江苏南京 210094；2.南京水利科学研究院瑞迪高新技术有限公司，江苏南京 210029）

1 前言

改革开放40年，经济的高速发展提高了人们的生活水平，人们对肉类食物的需求快速增长催生了畜牧业和饲料工业的高速成长。只有发展饲料工业才能支持现代畜牧业的绿色发展，从而满足人们日益增长的物质需要（陈伟生，2008）。就目前生产力发展水平来说，农作物秸秆的能源资源地位仅次于石油、煤炭和天然气，被公认为是世界第四大能源。我国是农业大国，农作物秸秆生产量每年达6亿吨，居世界首位，农作物秸秆有效利用的经济意义非常重大（滕道明，2018）。改革开放之前，国民经济基本以农业为主，农村居民占多数，农作物秸秆基本以柴火应用为主。随着经济快速发展，居民生活条件大幅改善，农作物秸秆的生活热源用途逐渐淡化，处理方式基本以焚烧归田为主。2010年前后，国家环保政策加强，明令禁止秸秆焚烧，如何处理农作物秸秆就成为农民的一大难题。从营养学角度来看，农作物在生长过程中，光合作用会使生物糖及粗蛋白质在秸秆中积累，这些营养成分可以喂养牛、羊等反刍动物。秸秆饲料化技术的发展不但解决了巨量农作物秸秆的处理难题，保障了环境空气质量，同时也节约了畜禽养殖中的粮食投入量，经济效益和社会效益非常显著。本文从农作物秸秆营养成份分析入手，结合反刍动物的“反刍”生理特点，探讨了各种农作物秸秆饲料加工技术的营养经济效应，并对秸秆饲料加工技术的合理应用提出建议，研究结果对饲料加工业有一定的参考意义。

2 秸秆饲料化研究现状

2.1 农作物秸秆营养成份 农作物秸秆是指农作物收获后的剩余部分，包含根、径、叶和荚壳等多种成份，其来源主要有小麦、水稻、玉米、棉花、大豆、芝麻、谷壳等20多种植物，其中以小麦、水稻和玉米秸秆为主，其总共占秸秆量的80%以上。植物光合作用使得秸秆中积累了大量的营养物质，包括氮、磷、钾、钙、镁和部分有机质等多种成份，如果被人类合理利用，将成为取之不尽、用之不竭的营养资源库。有研究表明，小麦秸秆的纤维素含量约为39.0%、半纤维素含量约为19.0%、木质素含量约为14.0%、蛋白质含量约为4.4%、脂肪含量约为1.5%，灰分（基本为无机物）含量约为6.1%；水稻秸秆的纤维素含量约为39.0%、半纤维素含量约为17.0%、木质素含量约为10.0%、蛋白质含量约为4.8%、脂肪含量约为1.4%，灰分（基本为无机物）含量约为13.4%；玉米秸秆的纤维素含量约为35.0%、半纤维素含量约为15.0%、木质素含量约为15.0%、蛋白质含量约为5.7%、脂肪含量约为16.0%，灰分（基本为无机物）含量约为4.7%（贾琳等，2017）。虽然农作物秸秆营养成份和储存期限受到农作物种类、农作物部位和产地等因素的影响（滕道明等，2018；段珍等，2017），但从已有的研究成果来看，纤维素是农作物秸秆中的主要成分，其化学结构以葡萄糖单位聚合体为主，纤维素内部的微纤维间存在氢键，氢键的强物理吸附效应降低了各种消化酶对纤维素的溶解消化能力；其次是以多种单糖聚合体为主要成份的半纤维素，其稳定特性与纤维素相似，因而也难以被消化；秸秆内另一种难以被消化的成份为木质素，其与纤维素、半纤维素紧密结合在一起，并相互缠绕形成粗纤维。单胃动物的微生物只能对肠胃中的秸秆进行简单酵解，难以消化吸收。因此，农作物秸秆只能作为反刍动物的食料。

2.2 反刍动物的“反刍”生理特点 反刍是指进食后一段时间将胃中半消化的食物返回嘴里再次咀嚼。一般只有反刍动物才有这种生物本能，其主要以草料为食物，草料中的纤维难以直接被消化，在瘤胃内浸泡和软化一段时间后，需经特有的逆呕功能重新回到口腔，再次混入唾液咀嚼后吞咽进入瘤胃消化。瘤胃是反刍动物的主要消化场所，类似一个密闭的活体发酵罐，里面栖息着原虫、细菌和真菌等多种微生物，食物到达瘤胃后，立即吸附大量微生物，微生物分泌大量可以降解纤维素、半纤维素、木质素等的消化酶，将其分解成各种单糖、脂肪酸和CO2等，食物在瘤胃内经微生物消化酶充分消化后，约50%的粗纤维可在瘤胃内被消化。网胃紧贴着瘤胃，主要发挥过滤有害杂质的作用，食物颗粒可以自由地在它们之间来回穿梭，并通过胃壁上的肌肉收缩启动反刍效应。瓣胃可以对来自瘤胃的食糜进行浓缩、磨细，同时将较稀的食糜推送入皱胃。皱胃是唯一具有分泌功能的胃，只有它具有真正意义上的消化功能，皱胃可分泌大量包括盐酸、各种消化酶的胃液，对经过前3个胃消化的初级代谢物进行进一步化学性消化。

除了微生物和消化酶的消化作用外，反刍动物对食物的消化还依赖这4个胃体的肌肉收缩来协助完成，其节律性收缩形成了一个定向压力梯度，从而引起各个胃室内食糜的流动与排空。反刍动物必须依靠4个胃的分工与合作才能完成食物的第二次“咀嚼”，从而可以消化单胃动物不能消化或不易消化的食物（张浩等，2002）。

2.3 秸秆饲料的加工技术 农作物秸秆80%以上的成份都是细胞壁，细胞壁中含有大量难以消化的纤维素、木质素、丹宁、角质等成份，同时其纤维素含量高、蛋白质含量低，能够直接有效利用的营养价值比较有限，如不经过处理，食用价值不大（段珍等，2017）。反刍动物虽然可以利用自身的“反刍”生理特点直接消化秸秆食物，但这种反刍功能的频繁使用也消耗了动物的大量体能，严重影响肉食动物的饲养经济效应。30多年前，农村饲养的耕种水牛就直接用农作物秸秆的干料喂养，但那是以培养水牛的耕种能力为基础，而不是考虑其肉用经济价值；今天牛、羊等反刍动物的饲养目标基本是以供人类食用为主，饲养技术以动物成长速度快、肉质口感好、绿色、安全、健康为主要目标。科学家门利用“反刍”生物学原理开发了一系列秸秆饲料的加工技术，并获得了广泛的应用，目前常用的加工技术主要有以下几种（滕道明等，2018；贾琳等，2017；段珍等，2017；郑梦莉等，2017；曹红梅等，2016；赵江波等，2016）。

（1）物理加工方法：物理加工方法出现最早，其主要包括机械加工、热喷膨化处理及蒸汽爆破处理等技术。机械加工方法比较简单，主要是用机械设备将秸秆切割、粉碎，也可以根据具体应用情况进一步搓成丝状或者条状，这样使得秸秆饲料的表面积增大，从而增加动物消化液与饲料的接触面积，提高饲料消化效率和口感性。热喷膨化和蒸汽爆破等热加工处理技术是将初步破碎的粗饲料装入一定的压力罐内，经高温高压处理一段时间后突然降压喷放，达到破坏纤维素结晶、撕裂纤维细胞的目的，从而增加饲料的可溶性成分和可消化吸收成分。热加工处理后的饲料质地柔软、口味芳香，会提高秸秆的消化利用率、增加动物采食量，热喷技术同时也起到了杀毒作用，提高饲养动物的健康状况。

（2）化学处理方法：目前常用的化学处理方法有稀碱预处理法、稀酸预处理法、氧化剂处理法和复合化学处理法等。该技术主要是利用各种碱、酸、氧化剂等化学物质的稀溶液浸泡秸秆，使秸秆内半纤维素和木质素对纤维素的包覆被打破，不宜溶解的木质素会变为易于溶解的羟基木质素，使细胞间镶嵌物与细胞壁变得松散，从而使纤维素酶和消化液轻松渗入，增大了秸秆与体内各种消化酶的接触面积，因此，秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素等坚硬成份容易被分解为小分子有机酸，同时酶水解速率也得到大幅度提高，生物质糖的释放速度得到加快，从而提高消化率和食物摄取的口感性。

（3）微生物发酵法：微生物发酵法是利用木霉、霉菌、细菌、酵母等微生物繁殖过程中产生的各种酶使纤维素类物质降解，生成游离氨基酸和菌体蛋白，同时微生物利用这些降解物合成自身组织。目前微生物发酵法使用较多的菌种有酵母菌、乳酸菌、白腐真菌、地衣芽孢杆菌等。乳酸菌是微生物发酵法中优势最显著的菌种，其能显著改善秸秆的营养物质组成，同时也会提高秸秆的营养品质。在自然界中，能直接降解木质素的微生物主要是真菌类，其中研究最多的是白腐菌、褐腐菌和丝状真菌。白腐菌能将木质素有效降解为CO2和其他有机物；褐腐菌对木质素没有降解作用，但可以分泌出各种催化酶来改变木质素的结构，使纤维素和半纤维素释放出来，从而提高消化率。

3 秸秆饲料加工技术的营养经济效益

3.1 秸秆饲料加工技术的原理 从前文“反刍”生理特点分析中可以看出，反刍动物之所以能消化纤维素类坚硬食物是通过其4个胃的规律运动和分工协作来实现二次咀嚼功能，而前文介绍了常用的物理加工方法、化学处理方法及微生物发酵法等秸秆饲料加工技术可以说与“反刍”生物功能一一对应。物理切割、粉碎代替反刍动物的初次食物摄取的咀嚼运动；热喷膨化技术和蒸汽爆破技术可破坏秸秆结构，有利于微生物分解，提高秸秆降解效率；化学溶液浸泡秸秆不但可以破坏秸秆组织结构，而且可以提高采食的口感性，从而提高饲养动物的进食量，增加成长速度和肌肉、脂肪等生物组织含量，进而增加饲养动物的经济价值；微生物发酵法代替了瘤胃的生物分解功能，秸秆纤维素经微生物发酵处理后可以被单胃动物直接食用，因此，反刍动物摄取了这些经预处理的“半成品”食物，可以加快消化功能，提高营养吸收率，最大限度节约食物的咀嚼能量消耗，最终实现人工养殖经济效益最大化的目标。

目前常用的秸秆饲料的加工技术的本质是应用各种机械能、化学能和生物能代替反刍动物的体能，以达到饲养动物经济效益最大化的目标。秸秆饲料的加工技术的应用可以使农作物秸秆这些坚硬食物被用作鸡、鸭、兔等食粮动物的主要食物，从而降低饲养成本，间接提高饲养动物的经济价值。秸秆饲料的加工技术的经济效应的本质是预处理成本和体能节约效应的替代关系问题，如果预处理成本大于或者等于体能节约带来的价值增加，则经济效益差，方案不可行；如果预处理成本小于体能节约带来的价值增加，则经济效益好，方案可行。

3.2 实证分析 有研究结果表明，大麦秸秆经甲醛处理后，绵羊的非氨氮和淀粉流通量分别增加18%和100%，过瘤胃淀粉提高3.6%；农作物秸秆微贮发酵法的营养经济效益也很显著，有研究结果证实，微贮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；有学者研究证实，如果使用绿色霉菌和饲料酵母对农作物秸秆进行发酵预处理，饲料中的主要营养成份单细胞蛋白质的最高含量可以达到30%，纤维素转化率也能提高到50%；有俄罗斯学者研究结果显示，秸秆被果胶酶及纤维素酶进行处理后，每吨干物质中的蛋白质最高含量可达100 kg，生物质糖分也提高了111%，用经该方法预处理的作物秸秆浓缩物喂养奶牛，奶牛日产奶量同比增加0.9 kg，年产奶量同比提高300 kg左右（滕道明等，2018）。李凤娇等（2016）研究了纤维复合酶对半干贮玉米的作用效果，研究结果表明，食用了该技术处理的半干贮玉米的肉牛比正常喂养草类的肉牛体重多增重了20%，奶牛日产奶量同比多增加了15%，综合经济效益最高可增加40%以上；在暖棚全舍饲养的环境条件下，如果用农作物秸秆微贮饲料喂养肉羊，那么肉羊的平均日增重可以达145 g左右，比对照组多增重50%以上。曲魁选等（2017）研究了秸秆饲料的微生物预处理技术对饲养猪的营养经济效应，研究结果显示，该项技术可以使每头猪的平均日增重量达0.72 kg，与对照组差异显著（P＜0.05）。李建臻等（2016）的研究结果表明，稻草秸秆经过微贮可以显著改善口感性和营养价值，感官指标可达1级优良，与对照组相比，麻羊对干物质的消化率提高了18.89%，肉羊增重了21.5%。这些研究成果都说明秸秆饲料的加工技术对动物饲养有很高的营养经济学价值。

4 对策与建议

现代肉食动物的经济效益是人工饲养的主要目标，从前文的分析中可以看出，农作物秸秆饲料化的技术经济意义显著，但农作物秸秆的季节性特征较强，如何储存秸秆实现全年应用也是技术性难题，这就需要应用到青贮、微贮等微生物储藏技术（岳信龙等，2016）。青贮和微贮技术主要是利用微生物在一定的温度、湿度条件下产生发酵作用，通过厌氧发酵作用形成的酸性环境抑制和杀灭各种微生物，实现秸秆饲料适口性好、营养不易丢失、容易被动物消化吸收且可以长期保存的目标，是动物冬春季不可缺少的优良饲料储存技术。秸秆饲料加工技术的具体应用要根据不同经济动物的特性和应用条件来定制，要综合考虑预处理技术的各种费用与经济效益之间的关系，选择匹配最佳的处理方法。

农作物秸秆来源广泛，获取成本较低，秸秆饲料的加工技术不但可以节约大量粮食，还可以改善秸秆废弃或焚烧带来的环保问题；同时秸秆饲料的加工技术还可以增加秸秆饲料中的衍生蛋白质含量，并且改善蛋白质的品质，使饲料中氨基酸组成更加均衡，提高饲料中的氨基酸含量，从而极大提高农作物秸秆的营养价值，具有很高的经济效益和社会效益。