白菜尾菜饲料化利用技术

我国是畜牧业大国，据国家统计局数据，2022 年我国猪肉、牛肉、羊肉产量分别达到5 541 万、718 万、525 万吨，牧业总产值达到40 652 亿元，占农林牧渔业总产值的26.05%，在国民经济中具有举足轻重的地位。然而，畜牧业的发展受到饲料业产能的制约。我国饲料主要由玉米、豆粕等原料组成，而国内粮食产量并不能够满足饲料业生产的需求，因此需大量进口饲料原料，我国每年进口粮食约1.5 亿吨，其中2/3 是大豆。这种生产模式极易受到国际经济形势和地缘政治的影响，长期依靠国外进口等方式维持饲料业产能，不利于我国饲料业高效、稳定、健康发展。通过拓荒等方式提高耕地面积，虽然在一定程度上可缓解饲料资源短缺的现状，但其可引发如减少陆地生物多样性等负面影响，且不能完全解决上述问题[1]。因此，在不与人类食物供给链产生竞争及对环境不产生负面影响的框架下，开发新型饲料资源势在必行[2-3]。

我国植物源性废弃物、动物源性废弃物、非粮型糟渣、食品废弃物在内的非常规饲料资源丰富，年产量可达23 亿吨。其中，尾菜的年产量约为2.1 亿吨，占比约为9%，主要产生于蔬菜采摘、收获、转运、分拣、售卖、制作等各个阶段，其占蔬菜总产量的1/3。随着人们健康生活观念的建立，蔬菜作为健康食谱中不可或缺的重要组分，每年消耗量不断增加，而伴随产生的尾菜也在逐年递增。随着大型集散中心的推广，尾菜的出现多呈现季节性、批量性和集中性，这些特性使得快速处理尾菜成为其资源化利用的关键。尾菜中富含动物可以直接利用的蛋白质、可溶性碳水化合物、脂肪酸、类黄酮及多酚类物质，可促进动物生长发育，维持动物机体健康，但木质纤维素、硫代葡萄糖苷、龙葵素、蛋白酶抑制因子等物质的存在会影响动物的消化吸收，减缓动物的生长速度[4-5]。此外，尾菜中较高的水分含量是其易腐烂的主要因素，该特性也使得其资源化利用过程中的转化成本较高[6]。白菜作为我国产量最高的蔬菜，年产量约为1 亿吨，所产生的白菜尾菜约为3 000万吨，具有广阔的应用前景，但其资源化回收利用仍处于初级阶段。因此，以白菜尾菜为基础开发新型饲料资源有望缓解我国饲料资源紧缺现状。

1 我国白菜产业现状

白菜（Brassica pekinensis）是芸苔属（Brassica）植物，在我国有着悠久的栽培历史[7]。据统计，我国每年白菜的播种面积约为4 000 万亩，占全国蔬菜播种总面积的15%，广泛种植于山东、黑龙江、吉林、辽宁、四川等多个省及自治区[8]。随着栽培技术的完善与提高，我国白菜的种植时期由一季栽培（秋）转变为多季栽培，形成了以东北各省为核心的加工白菜产区，以河北、湖北、陕西和甘肃各省为核心的春夏季白菜产区，以云南、贵州等各省为核心的冬季白菜产区，契合我国南菜北运、北菜南运的调节措施，实现白菜的周年供应[9]。除此之外，根据不同地区、气候等特点，白菜的育种研究也在不断进行，以期改善白菜的适应性，提高作物产量。因此，由于种植周期短、营养价值高、周年供应，白菜已然成为我国“菜篮子”的组成部分，是一种重要的经济蔬菜作物[10]。

2 白菜及白菜尾菜的营养特性

据242 个白菜样品的近红外光谱测定的数据显示，以干重基础计算，我国白菜的粗蛋白含量为14.65%～28.41%，还原糖含量以鲜重基础计算为1.34%～3.09%，且含有20.89～33.94 mg/100 g 的VC[11]。除此之外，白菜还富含硫代葡萄糖苷，其中脂肪族硫苷以芝麻菜苷（glucoerucin）、葡配庭荠素（glucoalyssin）、4-戊烯基硫苷（glucobrassicanapin）、3-丁烯基硫苷（gluconapin）和2-羟基-3-丁烯基硫苷（progoitrin）为主，吲哚族硫苷以3-吲哚甲基硫苷（glucobrassicin）为主，芳香族硫苷以苯乙基硫苷（gluconasturtiin）为主[12]。这些生物活性物质的存在使得白菜具有抗氧化、抗癌等促进机体健康的生理功能。然而，仍需注意的是，白菜的硫苷中2-羟基-3-丁烯基硫苷相对含量高，该物质也称致甲状腺肿素前体物质，在经相关酶反应后，易形成硫氰酸酯、异硫氰酸酯，随后生成噁唑烷硫酮，影响甲状腺功能[13]。因此，在白菜尾菜饲料化过程中，应注意硫代葡萄糖苷的组成以及有害硫苷的含量，以避免白菜尾菜饲料对动物机体产生负面影响。

不同地区栽培了不同的白菜品种，而不同的白菜品种，其蛋白质、可溶性糖、VC、矿物质元素含量均有显著不同。张素平等[14]发现在8个白菜品种中，“新和121”软叶和叶柄部位的叶球内叶可溶性蛋白含量最高，“秦白2 号”软叶部位的叶球外叶和叶球内叶可溶性糖含量最高，“亚细亚”软叶部分的叶球内叶VC 含量最高。Chen等[12]也表明，不同白菜品种的硫代葡萄糖苷组成不同，吲哚族硫苷中不同组分的相对含量变化较大，但在脂肪族硫苷中2-羟基-3-丁烯基硫苷仍占比较高。高飞[15]也发现不同白菜品种间硫苷组成不同，并且类胡萝卜素含量差异显著，甚至可达十几倍。而即使是同一品种，由于地区不同，其光照水平也不同，而这种差异也会导致白菜营养价值的变化。例如，Zhang等[16]发现短期蓝光暴露会富集类黄酮、酚酸和硫代葡萄糖苷等物质，提高白菜的营养价值。此外，栽培技术也是影响白菜营养价值的一个重要因素。在土壤中施加镁肥可以提高白菜中镁、VC 和蛋白质含量，并且还可以减少高于地面组织中重金属铬的含量，提高白菜的营养价值并降低健康风险[17]。Yim 等[18]表明，在施加以固氮细菌为基础的微生物肥可提高植株的干物质及总氮含量。因此，利用饲料化技术回收白菜尾菜过程中，应注意白菜的品种、产地及栽培方式导致的理化特性及微生物特征的改变，以实施针对性技术，确保饲料化利用过程的高效性。

由于易受到土壤和转运过程中污染和物理作用以及质地差异，白菜尾菜主要是由白菜的外叶组成，其余组分由适口性较差的部分构成[19-20]。白菜外叶和内叶的成熟度不同，使白菜尾菜的营养成分与白菜整体的营养成分有明显不同。Song 等[21]表明，在顶端部位中，白菜外叶的可溶性蛋白质含量要低于内叶，而在中部和底部，外叶的可溶性蛋白质含量高于内叶。Choi 等[22]的数据显示，白菜外叶中的葡萄糖、果糖和总还原糖的含量低于内叶。然而，张德双等[23]表明，无论是软叶还是叶柄部位，还原糖、中性洗涤纤维、粗蛋白、干物质含量均是由外向内增加的。这种现象的潜在原因可能是由于内叶更为幼嫩且磷酸和卵磷脂含量较高，所以内叶的总氮和磷水平较高[24]。而对于同一叶片，由于叶片底端的适口性较差，一般也被认为是产生尾菜的部位。相较于软叶部位，该部位的还原糖、VC、粗蛋白、可溶性氨基酸含量较低，而粗纤维含量较高[23，25]。此外，白菜外叶会受到更多的光照，而光照水平会影响类胡萝卜素和叶绿素的生物合成，因此外叶中的类胡萝卜素和叶绿素水平显著高于中叶和内叶[26-27]。Seong等[28]也证明了该观点，即白菜外叶的抗氧化活性、酚酸和芥子酸水平要显著高于内叶。此外，由于镁是叶绿素的主要成分，而铁、锰、硼参与叶绿素合成，所以白菜外叶中以上4 种元素的含量均高于内叶[24]。由于白菜外叶暴露于外界环境，因而其安全风险应值得关注。胡子逸等[29]结果表明，虽然相较于内叶，外叶的营养价值、矿物质含量和抗氧化性能优于内叶，但外叶中汞的目标危害系数（target hazard quotient）较高。这些研究表明，白菜尾菜有很高的营养价值和改善动物机体健康的潜力，因而在饲料化过程中应着重考虑如何避免营养损失，使其仍具有较高的营养价值；白菜尾菜的营养成分随着形成部位的不同而有所改变，且由于形成部位与外界和土壤接触，其健康风险和安全性也应着重考虑。

3 白菜尾菜饲料化利用技术

目前，白菜尾菜的资源化利用主要集中于生产电容器、水热碳、腐殖酸、甲烷、有机酸等产品，应用于能源、化工、肥料等领域[30-33]。然而，由于水分含量较高，通过上述手段实现白菜尾菜的资源化利用转化利用率过低，使得成本效益比高且易造成二次污染，很难实现真正的可实践的资源化回收[3]。有研究表明，将富含营养物质的白菜尾菜等蔬菜废弃物转化为动物饲料是一种可持续的措施，并且可节约大量的有机资源，实现有机物的高效循环利用[34]。Ngu 等[35]的研究结果表明，相较于甘蓝和花椰菜尾菜，在山羊饲料中添加白菜尾菜可提高日增重和饲料效率。然而，白菜尾菜的水分含量高达96%，常温下3 d内便会腐败，其季节性、批量性的产生特点，使得如何高效保存成为其饲料化利用的首要问题。青贮是一种利用乳酸菌酸化底物的厌氧发酵方法，可以有效地保存饲草作物，保证其全年供应。白菜尾菜表面附着了以植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）、土壤魏斯氏菌（Weissella soli）、冷生明串珠菌（Leuconostoc gelidum）为主的总数量为4.7×103CFU/g鲜重的乳酸菌，表明可利用青贮技术对白菜尾菜进行饲料化高值利用[36-37]。然而，白菜尾菜表面也附着了大量的好氧细菌（>107CFU/g鲜重）和肠杆菌（>103CFU/g 鲜重），可能会对青贮过程中营养物质的保存造成威胁，并且白菜尾菜的高水分使其在青贮过程中会产生大量的渗出液和二次发酵，易形成二次污染和营养物质损失。通过晾晒和萎蔫处理，容易受到气候环境的影响且易导致酵母和霉菌等微生物在物料表面富集[38]。因此，构建高效、稳定、无污染的发酵体系是通过青贮技术实现白菜尾菜饲料化的关键点。对于该问题，Cao 等[6]通过在白菜尾菜青贮发酵体系中添加甜菜粕进行干湿物料耦合，减少了渗出液的形成。然而，虽然与干性物料混合会降低渗出液的形成，但是同时也会对发酵品质造成负面的影响，且添加比例也会对白菜尾菜的青贮品质造成明显的影响[39]。Li 等[19]的结果表明，在白菜尾菜青贮过程中添加小麦麸或米糠使干物质分别达到65%和70%，虽然可完全消除渗出液，但会减少乳酸发酵，提高蛋白质降解，并且会富集肠杆菌属（Enterobacter）和具有生物膜形成能力的微生物。对于该问题，Li等[40]在白菜尾菜和小麦麸共青贮体系中通过柠檬酸处理，促进了异型发酵乳酸菌富集及异型发酵，且在柠檬酸添加量为1.11%干物质质量时，可通过改变细菌-真菌界间及界内互作提高有氧稳定性，保证白菜尾菜青贮饲料在有氧暴露期间的品质。然而，白菜尾菜可周年供应，且柠檬酸在白菜尾菜中的效果受到温度的调控。Li 等[41]发现在15、25、35 ℃温度下添加柠檬酸可促进白菜尾菜厌氧发酵过程中乙酸的堆积，提高发酵品质，而在有氧暴露阶段，25 ℃下添加柠檬酸却通过促进乙酸氧化和氨态氮堆积诱导有氧腐败，降低发酵饲料的稳定性，且表明该现象可能与芽孢杆菌属（Bacillus）和接合酵母属（Zygosaccharomyces）的富集及碱性代谢物通路上调有关。基于此结果，Li 等[42]采用接种异型发酵乳酸菌布氏乳杆菌（Lactobacillus buchneri）和希氏乳杆菌（Lactobacillus hilgardii），结果表明联合添加两种菌株可提高抗真菌代谢物的产量及促进蛋白质降解，且在该基础上添加柠檬酸可进一步提高抗真菌代谢物的浓度及减少发酵底物的消耗，还可抵消联合接种乳酸菌对蛋白质品质的负面影响，且该现象与柠檬酸促进布氏乳杆菌占据主导发酵有关。Ren 等[43]的研究结果表明，在白菜尾菜中添加植物乳杆菌在90 d便可提高发酵品质，而布氏乳杆菌则需要发酵至170 d 才对发酵质量有正面影响。然而，在Cao 等[6]的研究结果中，添加植物乳杆菌则对白菜尾菜的青贮品质并没有明显的提升，这表明选择正确的乳酸菌剂将是实现白菜尾菜优良青贮发酵的关键点。除了乳酸菌和柠檬酸，相比较于甲酸，低浓度的乙酸可减少白菜尾菜青贮过程中有机物的消耗，并降低乳乙比，使乳酸菌采用异型发酵通路[44]。而对于白菜尾菜的高纤维含量，Ren等[45]的结果表明，随着纤维素酶添加量的增加，白菜尾菜和玉米秸秆混贮中的纤维素水平下降，但半纤维素水平升高，并且添加纤维素酶可提高可溶性碳水化合物含量，增强乳酸发酵，促进乳酸菌占据主导地位。对于白菜尾菜中可溶性碳水化合物不足的问题，Li 等[46]通过添加不同碳源（葡萄糖、果糖、蔗糖、糖蜜），发现所有碳源补充物均可促进有机酸产量，但仅有蔗糖可以降低蛋白质降解，且现象与微生物群落的结构和功能改变有关。青贮白菜尾菜对动物机体也存在有益作用。Li 等[47]在湖羊饲粮中添加含有白菜尾菜的青贮饲料，通过改变瘤胃微生物组成及代谢，改善了湖羊的瘤胃发酵性能并提高了抗氧化能力。

除了青贮发酵，液态发酵也可利用白菜尾菜作为培养基富集酵母及蛋白质用于饲料生产。Choi 等[48]将白菜外叶通过匀浆、膜过滤等处理手段制备液体培养基，并且产朊假丝酵母（Candida utilis）、树干毕赤酵母（Pichia stipitis）、马克斯克鲁维酵母（Kluyveromycesmarxianus）、酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）均可在白菜尾菜液体培养基中正常生长，且细胞量和蛋白质含量均不低于在YM 培养基中的水平。Choi等[22]进一步发现相较于膜过滤处理，利用热处理的白菜尾菜液体培养基富集酵母及蛋白质的能力更低，且在灭菌条件为121 ℃、15 min 时更为显著。此外，硫酸铵和玉米浆粉可进一步促进细胞生长和增加细胞量，且将白菜尾菜原液体培养基稀释2 倍时，可提高酵母的生产效率。此外，将白菜尾菜作为底物，采用商业纤维素酶和木聚糖酶的酶解法制备可溶性膳食纤维，其中醇不可溶膳食纤维可阻碍葡萄糖和胆汁酸的扩散，醇可溶纤维可促进乳酸菌生长[49-50]。因此，不同的技术手段处理白菜尾菜均有希望实现白菜尾菜的饲料化利用，但其成本效益比仍需考虑。

4 小结与展望

白菜是我国产量最大的蔬菜，其尾菜中含有蛋白质、生物活性物质和矿物质等营养成分，具备成为畜禽饲料的潜力。目前的研究多集中于如何解决白菜尾菜水分高难以长期保存的问题，而对如何增质提效的关注较少。其次，关于白菜尾菜营养成分的问题，目前仍未有系统性的阐述，且白菜尾菜能否替代畜禽基础饲粮，对动物机体是否存在有益作用也仍未取得关注。因此，未来的研究应更加集中于如何能够增强和评定白菜尾菜的营养价值，明晰其对动物机体的影响，是实现白菜尾菜饲料化高效利用的重中之重。