木薯及其副产物的饲用价值及在反刍动物生产中应用的研究进展

李芊芊 简耀威 宋 勇 张佩华*

(1.湖南农业大学动物科学技术学院,长沙 410125;2.湖南农业大学园艺学院,长沙 410125)

近年来,在饲料工业快速发展、食品工业竞争、生物燃料产量增加以及中美贸易战加征关税等背景下,玉米、豆粕等常规饲料原料的成本不断增加,加速了替代饲料资源的需求以及相关的研究,以寻求较低的生产成本取代动物饲粮中的常规饲料原料。2021年3月15日农业农村部下达了《饲料中玉米豆粕减量替代工作方案》,方案指出木薯是玉米减量的重要替代对象,可以通过调整优化饲料配方结构,降低动物饲粮中玉米占比,以减少玉米的使用量。木薯作为主要经济作物中碳水化合物含量较高的饲料原料之一,有完全取代玉米作为畜禽饲粮中能量来源的潜力。

根据联合国粮食及农业组织(FAO)发布的数据,2021年全球木薯产量为2.89亿t。其中,尼日利亚、泰国、刚果民主共和国、印度尼西亚、巴西是全球木薯的主要生产国家。2021年我国鲜木薯产量485.58万t,进口量约0.93万t,出口量很少,国内鲜木薯需求量约486.51万t。木薯鲜重地上部分和地下部分的比例约为1∶3.92,根据2021年鲜木薯产量,可计算出木薯副产物的量差约为123.87万t。木薯根通常被剥皮以去除薄皮和革质薄壁覆盖物,去除部分约占木薯根的15%～20%[1],所以在鲜重基础下,木薯皮的产量为18.58万～24.77万t。木薯茎叶是收获木薯根之后的副产品,占植物地上部分重量的10%～40%[2]。鲜重基础下,木薯叶的产量为12.39万～49.55万t。木薯渣是木薯生产淀粉、酒精等产品之后的副产物,据统计,我国每年木薯经过加工产生的木薯渣可达150万t[2]。由此可见,木薯副产物产量极高,这些副产品由于纤维含量高往往难以被单胃动物利用而被废弃,但其在反刍动物饲料资源开发上具有巨大的潜力。本文主要综述了木薯及其副产物的饲用价值以及其在反刍动物生产中应用的研究进展,旨在为木薯及其副产物在反刍动物生产中的应用提供重要数据资料,同时也为木薯非常规饲料资源的综合开发利用提出新见解。

1 木薯及其副产物的特点与饲用价值

1.1 木薯及其副产物的特点

木薯是一种灌木状多年生作物,高度一般在2～3 m,其根系包括粗根、细根和块根;茎直立光滑,高度可达到2～3 m,并含有乳汁。自1820年左右,木薯首次从东南亚传入我国广东,已经在我国种植了近200年。如今,我国已将木薯主栽区扩展到华南地区,将其作为该地区农业经济的重要组成部分。此外,在山东、河北、河南、北京和新疆等地也进行了小范围的试种,并取得了成功。木薯是一种用途广泛的植物,其制成品,如变性淀粉等,在化工、淀粉、酒精、医疗和食品等行业中得到广泛应用[3]。

木薯根产量自20世纪60年代以来稳步增长,在1997—2007年期间,其产量迅速增长了40%以上(从1.61亿t增加到2.24亿t),其在动物饲粮中的使用量增加了7 600万t[4]。木薯根主要是由碳水化合物组成,还包括1%～3%的粗蛋白质[5]。木薯根茎的含水量极高,干燥是木薯初加工的主要成本之一,也是木薯初加工的主要难题之一。木薯干由新鲜木薯根制成,新鲜木薯在混凝土地板上曝晒2～3 d,直到水分含量从68.1%[6]降低到14%左右[7];制成的木薯干可以研磨粉碎制成木薯粉。木薯干是最初级的木薯加工产品,在泰国、马来西亚、印度尼西亚等国家以及非洲地区大量生产[4]。2000—2016年,世界木薯干片贸易量呈波动增长态势,贸易量从867.15万t波动增长至1 940.09万t[8]。

木薯加工副产物主要包括木薯皮、木薯渣和木薯叶等,这些木薯加工副产物往往纤维含量较高,很难在单胃动物饲粮中大量使用,而纤维对于反刍动物则是一种非常重要的营养素。

木薯皮是附着在木薯根外部的薄皮和革质薄壁组织。木薯皮中淀粉含量为28.90%～37.00%、粗蛋白质含量为25.00%～28.20%,粗纤维含量为14.00%～19.90%,维生素C含量为119.00～261.00 mg/kg,β-胡萝卜素含量为2.80～6.30 mg/kg[9]。

木薯渣是木薯加工生产淀粉、酒精后产生的副产品,由木薯皮、破碎的细胞壁组织以及其他残留物组成。与木薯淀粉渣相比,木薯酒精渣富含更多的营养成分,如淀粉、粗蛋白质、粗纤维和粗灰分等[7]。此外,木薯渣含有多种对动物生长发育有益的微量矿物元素,如铁、锰、锌和铜等。然而,木薯渣的含水量较高,不易保存,容易发霉变质。此外,木薯渣中纤维素、木质素及半纤维素等含量较高,还含有少量有毒物质氰化物,这在一定程度上限制了其在饲粮中的应用。发酵是解决木薯渣营养利用率、降低毒性成分的主要方法[10]。目前,国内外有许多研究报道,将木薯渣进行发酵后饲喂给牛、羊等反刍动物,大大提高了饲料利用率,并且取得了一定的饲喂效果。

木薯叶富含蛋白质、纤维、脂肪和矿物元素等营养物质,其营养价值可与大多数热带豆科牧草相媲美。此外,木薯叶还富含生物活性物质,如酚类、醌类、黄酮类和甾体皂苷等,其市场前景极为广阔[10]。将木薯叶青贮后不仅可以提高其适口性、延长其保质期,还可以通过青贮来减少木薯叶中氢氰酸等有毒物质的含量。青贮后的木薯叶是一种不错的反刍动物饲料来源。

1.2 木薯及其副产物的饲用价值

粗饲料是反刍动物饲粮的重要组成部分,占饲粮比例的40%～80%;青贮饲料是畜牧业养殖中广泛应用的优质粗饲料,相比于新鲜植物和干秸秆,具有成本较低、营养价值高、适口性好、消化率高、保存久、节省空间等诸多优点[11]。全株木薯青贮的粗蛋白质、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量均较高,其饲用营养价值与全株玉米青贮接近,目前用全株木薯青贮饲喂反刍动物的相关研究和报道较少。全株青贮木薯的纤维含量较高,可以刺激咀嚼和反刍,促进反刍动物唾液分泌增加,从而维持瘤胃正常pH,在反刍动物领域有很大的应用前景。

木薯中含有大量的无氮浸出物,高于玉米和稻谷。鲜木薯平均含有31%的无氮浸出物,而干木薯的无氮浸出物含量则高达79%。由于其高淀粉含量,木薯是反刍动物良好的能量饲料来源之一[10]。但木薯因品种、环境条件、种植方式、耕作栽培技术等不同,其营养成分含量也存在一定的差异[12-14]。木薯根的代谢能(ME)为12.55～13.72 MJ/kg[1]。木薯渣的总能为16.37～17.75 MJ/kg。木薯渣的猪消化能和禽代谢能分别为8.30和6.08 MJ/kg[15]。目前在我国反刍动物领域还缺乏一整套与木薯副产物净能和消化能等相关的研究,进一步完善木薯副产物在反刍动物上的营养价值评定对木薯资源的进一步开发具有重要意义。

表1汇总了国内外有关木薯及其副产物的营养成分含量。由表1可知,木薯渣的粗纤维含量高达21.40%,同时中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量分别为43.23%和31.26%。尽管木薯渣不适合饲喂单胃动物,但对于反刍动物而言,这种高纤维含量的饲料则非常适合。相较于全株玉米青贮,全株木薯青贮的干物质含量稍高,其粗蛋白质和中性洗涤纤维含量也略高,分别高出了1.38%、4.57%和3.58%,这说明全株木薯青贮完全有潜力作为反刍动物的粗饲料取代全株玉米青贮。

木薯含有生氰甙,通常通过测定氢氰酸或氰化氢(HCN)含量来反映其氰化物含量。氢氰酸是生氰甙水解后的产物,其中包括亚麻苦苷和百脉根苷。在这些产物中,亚麻苦苷是主要的成分,占总氰含量的93%～95%;相比之下,百脉根苷则只占总氰含量的5%～7%。木薯中的HCN含量受品种、植株成熟度、环境条件和植株营养状况的影响[39-40]。

木薯中存在的抗营养物质和毒素限制了它的应用,中毒主要是由于氰化物摄入量高,硫摄入量低,因为氰化物可被肝脏中存在的硫中和,形成硫氰酸盐,并通过尿液排出。通过去皮、磨碎、晒干、发酵、浸水等加工方法,或者用饲草机将木薯碾碎,碾碎后等24 h再饲喂给动物,这样可以有效降低氢氰酸含量[41-43]。

对于反刍动物,氰化物摄入量在2～4 mg/kg BW时是有毒的。在对山羊和绵羊的研究中发现,高氰化物饲粮通过硫氨基酸代谢会影响其生长,在兔、家禽和猪的对照研究中发现氰化物对繁殖的直接影响较小[44]。由此可知,氢氰酸是木薯作为动物饲料的一大限制性因素,而在我国《饲料卫生标准》中却没有关于氰化物在反刍动物中的最大限制用量的规定,希望在今后在这方面给予更多关注。

2 木薯及其副产物在乳用反刍动物生产中的应用

2.1 木薯及其副产物在奶牛生产中的应用

木薯应用于奶牛饲粮的形式多样,如干薯片或颗粒可以作为奶牛精料补充料,木薯副产物可以作为奶牛的粗饲料。相对于玉米、水稻等饲料原料,木薯的碳水化合物含量较高,产生的热能较高,但木薯中含有抗营养因子,如氢氰酸和单宁酸,这些抗营养因子会对奶牛的健康和乳制品的品质产生负面影响。在使用木薯之前,需要对木薯中氢氰酸含量进行检测,一般而言,在反刍动物全混合日粮(TMR)中,氢氰酸含量低于10 mg/kg不会对动物造成负面影响。

木薯片是低蛋白质的能量饲料来源,木薯片与酵母发酵后可使粗蛋白质含量从1%～3%增加到30.4%;之后,又有研究提出,在木薯片中添加一种发酵酵母——发酵木薯片蛋白,可将粗蛋白质含量提高47%,并且发酵木薯片蛋白可以完全替代精料混合物中的发酵豆粕,同时提高干物质采食量(从11.6 kg提高到13.0 kg)、营养物质消化率(干物质消化率提高了2.1个百分点,有机物消化率提高了1.1个百分点,粗蛋白质消化率提高了4.2个百分点,中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维消化率分别提高了2.4和0.7个百分点)、产奶量(提高了约11%)和乳蛋白含量(提高了0.2个百分点)[42,45-47]。

研究表明,在荷斯坦奶牛基础饲粮(玉米-豆粕-麦麸型)中添加经生物发酵技术处理后的木薯渣代替苜蓿干草对试验奶牛的产奶量和乳成分没有显著影响;使用木薯渣不仅能够提供奶牛所需的大量粗纤维饲料,还能够降低奶牛养殖的成本[48]。木薯渣中含有丰富的乳酸菌(LAB)和营养成分,有研究人员将木薯渣进行青贮处理,结果表明,木薯渣可以制备优良的青贮饲料,青贮后木薯渣中干物质含量增加了16.12个百分点,粗蛋白质含量增加了2.30个百分点,中性洗涤纤维含量增加了23.42个百分点,酸性洗涤纤维含量增加了16.00个百分点,具有良好的应用潜力[43]。从木薯渣中提取出来的膳食纤维可以改善肠道菌群,减少胆汁酸重吸收和肠道对碳水化合物的吸收,因此从木薯中提取的膳食纤维对高产泌乳奶牛来说具有重要意义[49]。研究发现,在泌乳中后期通过添加不同比例的木薯渣与甜菜颗粒粕进行组合制备TMR,饲喂泌乳奶牛后对奶牛采食后不同各时间点的瘤胃pH均无显著影响,瘤胃中挥发性脂肪酸(VFA)含量增加,当添加比例为10%时,甲酸含量最高,达10.78 mmol/L,丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸含量则在添加比例为0时最高,表明木薯渣与甜菜颗粒粕组合使用可以为奶牛瘤胃发酵提供适宜而稳定的环境[50]。

表1 木薯及其副产物的营养成分含量

采用青贮发酵工艺能解决木薯根短期贮存困难(鲜木薯含水高)和抗营养因子(氢氰酸含量高)问题,将木薯根粉碎后青贮并饲喂泌乳奶牛,结果发现,每头泌乳牛饲喂7 kg木薯青贮与饲喂10 kg甘薯时产奶量相当,而饲喂木薯青贮每头泌乳牛每日可节省0.18元,可为养殖场带来一定的经济效益[51]。De Albuquerque等[42]研究了在半干旱地区用新鲜木薯根与玉米青贮替代仙人掌来饲喂奶牛的效果,其在平均每天产奶量为16 kg的奶牛饲粮中使用新鲜木薯根和玉米青贮部分或全部替代仙人掌,综合来看,当替代比例为25%时效果最佳。

有研究将带叶木薯秸秆与巨菌草混合青贮后饲喂泌乳奶水牛,结果表明,带叶木薯秸秆与巨菌草混合青贮对奶水牛的乳成分没有显著影响;然而,当以1∶1比例(鲜重)带叶木薯秸秆与巨菌草制作青贮时,比例可能过大且适口性较差,导致泌乳奶水牛采食量和产奶量显著下降[52]。因此,为了更好地开发和利用木薯秸秆和木薯叶,需要适当降低其混合比例,或者使用酶制剂分解部分粗纤维,以提高青贮饲料的适口性和饲用营养价值。

综上所述,在生产中可以使用木薯根、木薯秸秆、木薯叶和木薯渣作为奶牛饲料原料来源,但饲粮精粗比例一定要合理且符合奶牛营养需要,以避免其对奶牛的生产性能及乳品质产生不良影响。在实际生产中可以采取发酵、青贮等方法来提高木薯及其副产物的利用率、改善饲用营养价值,如通过微生物技术大幅提高木薯根的粗蛋白质含量以解决木薯根蛋白质低级且质量差的问题,同时还能够降低氢氰酸、单宁酸等抗营养因子的含量。木薯秸秆中含有较多的粗纤维,在开发利用过程中可以使用酶制剂和酸化剂降解部分纤维物质。

2.2 木薯及其副产物在奶山羊生产中的应用

木薯及其副产物在奶山羊生产中应用的报道较少。有研究在奶山羊饲粮中添加浓缩单宁来改良木薯青贮混合物,结果表明,在木薯青贮饲料中添加25 g/kg(干物质基础)的浓缩单宁可促进奶山羊对饲粮的利用,而不影响饲料转化率和羊奶质量[53]。

3 木薯及其副产物在肉用反刍动物生产中的应用

3.1 木薯及其副产物在肉牛生产中的应用

唐春梅等[54]研究了用木薯渣替代麦麸对夏季育肥牛生产性能和血液生化指标的影响,结果表明,在用木薯渣替代麦麸后,育肥牛血液中谷丙转氨酶活性以及胰岛素、尿素氮、葡萄糖等含量的变化不显著,即木薯渣替代麦麸对试验牛的影响不大,说明该替代方案是可行的;结合生产性能指标,木薯渣的最佳替代量为7%,替代范围在7%～14%较为适宜。曹兵海等[55]的研究表明,在能量水平上,1.70 kg干木薯渣相当于1 kg玉米,用干木薯渣代替50%玉米对肉牛的日增重无显著影响,这降低了原料成本,形成了较为明显的价格优势,提高了肉牛的经济效益。张琦等[56]的研究探讨了饲粮中添加木薯残渣对育肥后期肉牛生长性能、胴体特性和肉组成的影响,结果表明,肉牛饲粮中添加木薯残渣对肉牛生长性能、胴体特征和背最长肌组成无显著影响,但随着饲粮中木薯残渣添加水平的升高,精料采食量下降。林水中等[57]探讨了添加不同水平的木薯残渣替代水稻秸秆对肉牛的影响,结果显示,用木薯残渣替代水稻秸秆可以提高肉牛的有机物和中性洗涤纤维表观消化率,降低瘤胃产甲烷菌数量;综合考虑饲料效率,TMR中木薯残渣(24%添加量)替代水稻秸秆的水平可以达到100%。木薯渣在肉牛上的研究相对较多,通过对木薯渣进行综合利用,可以在某种程度上缓解我国饲料原料短缺的问题,真正意义上实现变废为宝。相信在不久的将来,木薯将会在我国得到大规模的开发和利用,成为反刍动物重要的粗饲料来源之一。

蔡永权等[58]以广东本地丰富且价格便宜的青贮木薯渣为主饲喂杂交牛,并适当添喂精料进行肥育,能够降低饲养成本,增加增重速度,并且获得了较好的经济效益。李胜开[59]探讨了香蕉茎叶与木薯渣混合青贮对肉牛生长性能的影响,结果表明,使用这种混合青贮作为粗饲料饲喂肉牛后,肉牛的平均日增重显著提高,每天约增重1.06 kg,虽然该混合青贮的营养价值较高,但适口性较差,需要适当搭配一些精料来提高其适口性。Nascimento等[60]在添加浓缩单宁后,探讨其对青贮木薯(青贮材料由木薯叶片的上1/3段和细茎组成)的发酵特性、产气动力学和体外降解性,结果表明,添加缩合单宁对气体损失无显著影响,但发酵时间对气体损失有显著影响,浓缩单宁的加入降低了发酵特性,乙酸含量呈线性增加,对乳酸、乙酸和丁酸的产量有显著影响,乳酸、乙酸和丁酸产量的增加可提高瘤胃代谢率,促进粗饲料在瘤胃体内更好的消化吸收,从而提高肉牛的生长性能。由此可见,木薯渣青贮后实现了“变废为宝”的价值转变,为反刍动物提供了一种粗饲料来源。在肉牛实际生产应用中,可以在木薯渣青贮中加入一些精料,将木薯渣青贮和精料进行混合,条件允许的情况下尽量在饲喂前加水搅拌,这样可以大大提高木薯渣青贮饲料的适口性和消化利用率。

3.2 木薯及其副产物在肉羊生产中的应用

高俊峰[61]使用发酵木薯渣替代部分精料,结果发现,将20%的发酵木薯渣添加到广西本地黑山羊的饲粮中,不仅不会对血液生理生化等机体健康指标产生不良影响,还能提高黑山羊的生长性能并促进其瘤胃代谢过程;此外,发酵木薯渣还能提高黑山羊对干物质、粗纤维、粗蛋白质和能量的表观消化率。根据卢珍兰等[62]的研究结果,添加发酵木薯渣到黑山羊饲粮中有助于满足育肥羊的生长需求,并且能够促进其生长;当添加量在20%～30%时,黑山羊能够获得较好的生产性能和经济效益,尤以添加量为20%时效果最佳。吴灵丽等[63]评价了发酵木薯渣替代不同比例新鲜王草对海南黑山羊饲养效果的影响,结果表明,发酵木薯渣替代一定比例的新鲜王草可提高海南黑山羊的生长性能和肉品质,同时对其屠宰性能没有不良影响,以发酵木薯渣替代20%新鲜王草时饲喂效果最好,并由此得出将发酵木薯渣作为非常规饲料替代王草饲喂海南黑山羊是可行的。此外,胡琳[64]探究了晒干木薯茎叶作为粗饲料与精料按不同比例混合饲喂海南黑山羊育肥羊的最适精粗比,结果表明,精粗比为3∶7、4∶6、5∶5时饲粮中养分的瘤胃有效降解率较高;在精粗比为5∶5时,黑山羊的采食量和日增重较高,并且该精粗比下饲粮养分的表观消化率也较高。黄世洋[65]研究了木薯秸秆微贮饲料对山羊生长性能和血液生化指标的影响,结果表明,在饲粮中添加30%的木薯秸秆微贮饲料时山羊能获得最佳的增重效果和经济效益。周璐丽等[34]研究了发酵木薯副产物饲料(新鲜木薯渣、干木薯茎叶和新鲜王草混合发酵)对海南黑山羊生长性能和养分表观消化率的影响,结果表明,在饲粮中添加发酵木薯副产物饲料能够提高海南黑山羊的平均日增重、平均干物质采食量,并可提高海南黑山羊对粗蛋白质、粗脂肪、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的表观消化率,表明发酵木薯副产物饲料可以作为山羊的粗饲料来源。Oliveira等[66]在600 g/kg木薯叶中添加胶孢菌,以改善胶孢菌青贮的发酵模式和化学成分,结果发现,在羔羊饲粮中添加胶孢菌青贮可提高羔羊的营养摄入、生长性能、胴体和非胴体成分以及羊肉产量。有研究者用木薯叶青贮作为绵羊精料的替代品,结果发现饲喂20%木薯叶青贮可显著提高绵羊的生长性能,其效果与饲喂精料相当[67]。有研究人员探究了青贮非常规原料(铃薯茎块和木薯按照1∶1青贮)对绵羊养分摄入、氮代谢及瘤胃发酵性能的影响,结果表明,将青贮非常规原料添加到饲粮中,当添加水平达到20%时,会降低绵羊的干物质和有机物消化率,并使瘤胃氨态氮含量显著降低;但是,当添加水平为10%时,可以改善瘤胃微生物蛋白的合成[68]。除此之外,王强[69]用发酵木薯渣和不同营养水平饲粮结合,来探讨其对湖羊育肥效果的影响,结果表明,当发酵木薯渣替代20%的玉米时,效果是最好的,并且湖羊的健康、生长发育没有受到不良影响,且还能在一定程度下降低生产成本。樊懿萱等[70]探索用发酵木薯渣替代玉米等部分能量饲料并饲喂给湖羊的可行性,结果发现,利用发酵木薯渣替代20%玉米时对湖羊公羔的生长发育和健康没有产生不良影响,且育肥效果最好,该结果说明将发酵木薯渣作为湖羊的饲料来源是完全可行的。吴宇飞[71]用不同比例的木薯渣来饲喂湖羊并探讨对其生产性能的影响,结果发现,随着饲粮中木薯渣添加比例的增加,湖羊的体重出现递增趋势,而除胴体重之外料重比、屠宰率、净肉率、骨肉比均无显著变化。

综上可知,木薯及其副产品在肉羊上的应用取得了较为成功的示范,尤其是利用生物发酵等技术来去除其中的一些抗营养因子,可改善木薯及其副产物适口性,提高其在反刍动物实际生产中的应用效果。

4 小结与展望

在饲料原料紧缺的当下,木薯及其副产物作为一种新型的非常规饲料原料,具有非常广阔的应用前景。将木薯及其副产物作为饲料原料应用到反刍动物生产中,不仅可以作为玉米的有效替代品,有效解决了人畜争粮的现状,而且可缓解木薯副产物处理不当对环境的污染,具有良好的经济效益和生态效益。但是,目前在我国反刍动物领域,还缺乏一整套与木薯副产物净能和消化能等相关的研究,因此需要完善木薯副产物在不同动物品种上的营养价值评定,这对木薯资源的进一步开发利用具有重要意义。此外,应该加强不同反刍动物在不同生长阶段对木薯及其副产品的利用效率和应用效果研究,以制定更加科学合理的饲粮配方。