王亦闻，伍玉鹏，王 砚，樊 丹，石祖梁，刘 兵

（1华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070；2农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125；3湖北省农业生态环境保护站，武汉 430070；4荆州市科牧牛业有限公司，湖北荆州 448264）

0 引言

油菜是中国油料生产面积最大的作物，是油料作物生产的主体。目前油菜作物主要利用的只有油菜籽，而有大量的油菜秸秆无法得到利用，在龚剑明[1]的报道中，油菜秸秆的直接露天焚烧率甚至高达33%，造成了极其恶劣的环境污染。中国畜牧业的主要限制因素之一便是粗饲料的来源，解决油菜秸秆饲料化的限制因素不仅能极大缓解中国畜牧业问题还避免了环境污染。

乌兰等[2]将油菜秸秆与小麦秸、玉米秸、豆秸的营养成分作对比，油菜秸秆是更有潜力的粗饲料来源。但据黎力之等[3]报道油菜秸秆的物理结构紧密，不利于动物消化降解，此外油菜秸秆还含有硫甙等抗营养因子，导致较差的适口性。本研究从油菜秸秆的特性入手，探讨了限制油菜秸秆饲用的因素，综述了目前已有的氨化、青贮、微贮等油菜秸秆饲料化技术，分析了不同技术的优缺点，以期为未来油菜秸秆饲料化发展提供思路与建议。

1 油菜秸秆饲用潜力分析

1.1 油菜秸秆产量

现阶段中国油菜秸秆产量巨大，但综合利用率较低。21世纪初期中国加入世界贸易组织，油菜等油料市场受到冲击，油菜的产量和种植面积受到影响，但之后在政府政策的支持下油菜的产量和种植面积一直呈持续不断的增长趋势，2013—2018 年，中国油菜在种植面积、单产、总产等方面都呈现上升趋势[4]。2016年中国油菜种植面积已达710 万hm2，油菜籽产量约为1400 万t，根据谷草比2.7[5]估算油菜秸秆年产量约为3780万t[6]。由于地理位置和环境气候等因素的影响，中国油菜种植相对集中，油菜秸秆主要分布在长江中下游地区，其产量占全国总量的91.15%[7]，但由于油菜秸秆体积大、重量轻，不易收集，收获时间又与水稻种植相冲突等因素，油菜秸秆很少能得到良好的利用。比如，2008 年安徽省的油菜秸秆的综合利用率仅为25%[8]。在中国南方地区，油菜秸秆田间随意弃置和露天焚烧的现象仍十分普遍，并由此带来了较为严重的环境问题。

中国油菜秸秆产生量在未来还有继续增加的可能。对油料作物产品供求进行预测后发现，在食用油生产量保持年均增长速度5%的情况下，2020 年中国食用油供需缺口将达到1970 万t 左右，2030 年则为1250万t左右[9]，这意味着未来油菜种植面积将持续增加。此外，随着世界石油资源的日益短缺，油料作物等可再生资源作为燃料的研究迅速发展，亦会进一步促进油菜种植面积的增加。

1.2 油菜秸秆的营养成分

不同品种的作物秸秆营养成分相差较大[10]。黎力之[3]采集了江西、湖北两个地区的7 个油菜秸秆样品，其养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%，而油菜秸秆纤维含量则多数低于稻草。虽然纤维一般作为秸秆中重要的营养物质，但过高的纤维含量反而会抑制动物的吸收。油菜秸秆中钙的平均含量为0.83%，也高于稻草，而磷的含量较低，为0.06%。此外，油菜秸秆中灰分含量为5.25%，比稻草的11.84%低了6%。一般来说，灰分含量较低代表了其无机物占比较低，相应其有机物质含量和能值较高。乌兰等[2]通过测定自然干燥的作物秸秆的化学成分得出，油菜秸秆的粗蛋白和粗脂肪含量比小麦、玉米和大豆等作物秸秆的含量都要高（见表1）。Petersson等[11]对比了冬黑麦、蚕豆和油菜秸秆的营养物质含量，结果表明油菜秸秆中葡聚糖和木聚糖均较高，分别达到干重的27.3%和15%。油菜秸秆还含有多种营养物质和微量元素[12]，其中蛋白质膳食纤维等含量丰富[13]，从营养成分上来看，油菜秸秆是一种潜力巨大的优质粗饲料来源。

针对油菜秸秆营养成分较高这一特性，也有学者开展了油菜秸秆饲牛的研究。潘勇[14]等将油菜秸秆与酒糟按干物质比例57:43混合作为粗饲料，进行了3个阶段的实验，牛的平均日增重为0.925 kg，而羊草精饲料的处理日增重最高仅1 kg。由此看来，油菜秸秆完全可以代替羊草。

表1 油菜及其他秸秆的化学成分[2] %

总的来看，中国油菜秸秆产量较大，且在未来还有继续增加的潜力，而油菜秸秆中的营养特征表明其是一种优质的粗饲料来源。因此，油菜秸秆饲料化在国内具有极大的资源化利用开发的潜力和前景，然而油菜秸秆自身的一些特性却限制了其饲料化的利用。

2 油菜秸秆饲料化的限制因素分析

2.1 油菜秸秆的物理特性

油菜秸秆主要由茎干组成，除了近20 cm 左右的根部无法利用外，剩下的茎干都可以利用。油菜秸秆的茎杆从外至内由表皮、表层、维管柱和茎髓4部分组成[15]。其表皮的外壁角质化程度很高，形成了角质层和蜡质层；皮层是由多层细胞构成，主要构成的是薄壁细胞，皮层在靠近表皮的外皮层中，一般有厚角组织存在；维管柱是由维管束和一些薄壁细胞组成，其中维管束是由韧皮部、形成层及木质部组成的。茎秆的中心是茎髓，由薄壁细胞组成，且细胞的间隙较大，这些间隙经常有淀粉粒的积累，因此油菜中养分的贮藏主要集中在茎髓里[16]。

油菜秸秆中的纤维素、半纤维素、木质素以多种化学键连接，见图1。纤维素和半纤维素形成了结构复杂的碳水化合物聚合体，木质素将纤维素和半纤维素保护起来，形成了更加稳定和复杂的结构，导致了纤维素酶不能到达相应酶位点，形成酶解抗性屏障[17]。

虽然油菜生长的不同时间、不同部位其纤维素含量都有所差异，但纤维素始终是含量最高的物质。纤维素的结晶部分与非结晶部分相比很难被分解酶分解[18]，而油菜秸秆中结晶程度相对较高。在分解纤维素之前，需要将它从半纤维素和木质素的保护结构里释放出来，因此木质素能否得到降解决定了纤维素的分解效果[19]。

木质素分子质量大，没有规则重复的结构单元或者易水解的键位，是目前公认的微生物最难降解的芳香族化合物之一[20]。油菜秸秆中的木质素由于呈网状结构，性质极其稳定不易降解。草食反刍动物体内没有可以降解木质素的酶，因此这种木质纤维素结构成为了油菜秸秆利用的主要限制因素之一[21]。油菜秸秆的木质化程度相对较高，而木质化程度越高，反刍动物的消化率越低，因此，降解油菜秸秆中的木质素是提高油菜秸秆饲料利用性的关键之一[22]。

2.2 油菜秸秆的化学特性

油菜秸秆中主要成分为木质纤维素，而木质纤维素又分为纤维素、半纤维素和木质素[23]。相比水稻秸秆和小麦秸秆，油菜秸秆中的纤维素含量较高，尤其杆部纤维素含量达到了53%。且其不同位置化学组成也有差异，油菜秸秆中半纤维素含量为17.13%、木质素为19.07%相比水稻秸秆含量更高[24]。黎力之[3]实验中测得油菜秸秆中中性洗涤纤维(NDF)含量达58.70%，酸性洗涤纤维(ADF)含量达51.08%。此外牛文娟[12]等考虑不同品种不同地区，从全国收集了138个样品，分析了油菜秸秆样品的化学成分，其结果如表2所示，油菜秸秆中钙、磷含量较低，及钙、磷的比例也不符合家畜的需求。兰贵生[25]利用康乃尔净碳水化合物-蛋白质体系CNCPS 分析油菜秸秆，测得不可利用纤维(CC)、可利用纤维(CB2)的平均值分别为32.61%和34.22%都高于玉米秸秆和小麦秸秆中的相应指标，这表明了油菜秸秆与其他秸秆饲料相比，结构性碳水化合物的含量较高，在瘤胃中的降解速率较慢，利用效率较低。

2.3 油菜秸秆的抗营养因子

硫甙是油菜秸秆中最主要的抗营养因子，它具有一定的毒性，会使动物甲状腺等器官肿大，进而影响动物的生长代谢。硫甙有辣味会减少动物的采食量，硫甙的抗营养效果主要是通过降低动物的采食量而起作用的，Spiegel等[26]进行饲喂试验时发现，在采食量相同的情况下，2 组猪平均日增重并没有明显的影响。硫甙在植株不同部位的含量不同，籽实中含量有180 μmol/g、叶片中仅有10～20 μmol/g，而不同品种油菜中硫甙含量相差较大[27]。目前油菜中硫甙的研究多在籽实和叶片中，而对油菜秸秆的硫甙研究相对较少。

表2 油菜秸秆化学成分表[12]

其他的抗营养因子例如植酸、单宁和芥子碱等也会影响油菜秸秆的消化率和适口性。

2.4 油菜秸秆动物适口性

油菜秸秆因其特有的物理和化学特性，主要通过影响适口性来限制油菜秸秆的饲料化。适口性是对饲料的外观、味道、口感、温度、质地等一系列指标的综合评定，是影响动物采食量的关键因素[28]。油菜秸秆木质化程度高而导致的质地相对坚硬，以及一些可溶碳水化合物水解产生的有刺激味道的产物，例如硫甙水解的产物异硫氰酸脂有辛辣味，吲哚族硫甙会产生苦味[3]，这些都会造成油菜秸秆的适口性变差。黄瑞鹏[29]等实验表明，在只进行粉碎处理的油菜秸秆来替代咸宁黄牛的日粮，饲料的消化率明显降低，Coombe[30]等发现，用单纯的油菜秸秆来喂食绵羊，绵羊的日采食量低、日增重甚至呈负值。

因此，目前油菜秸秆饲料化利用的技术主要集中在如何破坏木质素、半纤维素和纤维素三者之间紧密连接的结构、如何有效降解木质素、如何将纤维素暴露出来，此外如何改善油菜秸秆的适口性，以提高反刍动物的采食量和消化率也当前的研究重点。

3 油菜秸秆饲料化技术进展

作物秸秆普遍存在原料粗硬、适口性差等问题，进行合理的加工处理有助于改善秸秆的营养成分和适口性，也能够提高秸秆的饲用价值和转化效率。目前，物理处理法、化学处理法和生物处理法是在秸秆饲料化中应用较广泛的技术。但大多数集中于小麦、水稻和玉米等粮食作物上，在油菜秸秆上的研究和应用较少。

3.1 物理处理法

物理方法是通过如切短、粉碎、浸泡、蒸煮、射线照射、热喷、膨化、颗粒化等技术对秸秆进行物理处理，只对秸秆的外形及结构进行改变，不能增加秸秆的营养成分[31]。物理处理能方便反刍动物的咀嚼，减少能耗，也利于秸秆粗饲料与精饲料的混合。据宗贤爝[32]报道，秸秆经切短和粉碎以后，体积变小，便于家畜采食和咀嚼，采食量增加了20%～30%。粉碎等破坏了纤维素的晶体结构，部分地分离了纤维素、半纤维素和木质素的结合，有利于畜禽肠道中细菌分泌的酶有更多的机会与之接触，从而使饲料更容易受到消化酶的作用[33]。此外还有辐射技术用于处理小麦秸秆的报道[34]，当辐射剂量为2.0×109rad时，体外消化率提高了27.6%。虽然物理处理方法污染小，但处理效果相对来说较差[35]，目前油菜秸秆利用物理处理法进行饲料化的研究与应用也极少。

3.2 化学处理法

秸秆的化学处理方法主要有氨化、碱化和酸处理。氨化处理目前应用较多的是加入尿素或者碳酸氢铵，氨与秸秆中的水结合生成氨水，氨水则电离出NH4+和OH-，OH-可使木质素和纤维素之间的酯键断裂[36]，破坏木质素和纤维素之间的镶嵌结构，让反刍动物的胃液更容易渗入，从而提高秸秆的消化率；NH4+附着在秸秆上，成为秸秆中的氮源，增加粗饲料的粗蛋白含量[33]；秸秆的适口性和采食量也得到了显著的改善[37]。孟春花[38]等人选用碳酸氢铵对油菜秸秆进行氨化处理，提高了CP含量，降低NDF、ADF的含量，能够提高营养物质的瘤胃降解率。

碱化处理一般加入NaOH，它同样能使纤维素、半纤维素和木质素之间的酯键断裂，从而提高动物的秸秆的消化率。碱化处理后，秸秆中的粗纤维含量明显下降，提高了秸秆饲料的营养价值[39]。García[40]等的实验中碱处理能够使木质素的去除率达到59.1%。但碱化处理法碱用量和用水量大，也易造成环境污染，实际生产中并不广泛使用[41]。

酸化处理是利用强酸破坏秸秆中木质纤维素结构，提高秸秆的饲用效率。但酸化处理对环境和饲料会造成酸污染，并产生一些不必要的气体，营养损失严重，而且成本过高，酸处理法一般很少使用[42]。

化学处理在一定程度上能破坏木质纤维素的结构，提高动物的消化率，但与生物处理相比不能增加饲料的营养成分含量，且处理过程中，试剂的回收将增大能耗，因此目前应用率在逐渐下降。此外，油菜秸秆利用化学处理法进行饲料化的研究与应用也极少。

3.3 生物处理法

生物处理法是通过微生物的生命活动对秸秆中的纤维结构进行降解，降低中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的含量[43]，在一定程度上能改善秸秆的适口性，提高其中的营养成分，主要包括青贮、黄贮、酶制剂处理和微贮等，能够提高秸秆的饲料品质[31]。丁琳等[44]加入微生物对油菜秸秆进行发酵处理，与未发酵油菜秸秆相比，富含15种氨基酸，粗蛋白含量增加一倍左右，粗纤维含量从43.8%下降至32.1%。

青贮法是将新鲜秸秆切碎后压实在青贮窑里进行发酵。但油菜秸秆收获打籽之后，基本为已经失去水分变黄，不宜做青贮处理。青贮处理能有效的改善秸秆的品质和长期保存，但秸秆中本身附着的微生物量少，发酵后的酸味重、甜味不足，青贮窑建设投资大，容易受气候的影响这些缺点一定程度上制约了青贮的应用[33]。

黄贮与青贮最明显的不同是原材料的选择，黄贮是选用收获过籽粒的作物秸秆作为发酵的原料进行储藏，在进行黄贮时秸秆基本都发干变黄，进行切碎处理后通过添加一定量的水分和发酵菌剂，在密闭厌氧条件下进行发酵处理[45]。在厌氧的条件下，秸秆中的厌氧菌将秸秆中的有机物转化成有机酸，秸秆的pH值能达到pH 4.2 左右。由于形成较低的酸性环境，因此能够对各种微生物的繁殖起到很好的抑制作用，有害细菌和霉菌的生长都受到了抑制，进而达到饲料储存和改善品质的目的[45]。与青贮饲料相比，黄贮饲料的品质稍差，但是相对于已经成熟且收获籽粒后的油菜秸秆而言，油菜在收获油菜籽时也已经半黄，最好的方式还是黄贮[47]。

酶解法是将酶制剂喷施在秸秆表面，使秸秆发生酶解反应，在一定程度上可以提高秸秆的消化率，但酶制剂对秸秆细胞壁的破坏作用不大。单纯的酶制剂的处理在秸秆饲料化技术中意义不大。

微贮是通过接种有益的微生物对秸秆进行厌氧发酵，微生物在厌氧条件下迅速增殖，秸秆中的纤维素、半纤维素、木质素以及蛋白质等大分子化合物都能被降解，使秸秆中的一些不溶性有机物转化为可溶性可利用的有机物[48]。何瑞等[49]的研究中秸秆微贮的过程中pH 值能够达pH 4.5，提高反刍动物12%的消化率，得到质地柔软适口性好、营养更加丰富的饲料。不同的微贮剂对油菜秸秆的处理效果不同。徐兰娇等[50]研究了不同微贮剂组合方式处理油菜秸秆，得到EM 原露加粗饲料降解剂的处理喂食锦江黄牛效果最好，其GE、CP、ADF的表观消化率都得到了提高。

总体来说，生物处理技术不仅能破坏木质纤维素的包裹结构，在处理得当的前提下还能增加饲料的营养价值。因此，微生物发酵秸秆转换蛋白饲料的研究也越来越受到大家的关注，并在此过程中将物理法和化学法常作为生物发酵蛋白饲料的前处理过程进行应用[51]。与其他作物秸秆或饲料混合处理效果更好。

目前来看，中国油菜秸秆饲料化的研究也大多集中在生物处理法上面。李存春等[52]针对油菜秸秆粉末采用生物发酵加工技术，将海星秸秆生物发酵活干菌活化后与粉碎秸秆拌匀，压实密封贮存12 天后，发现其粗蛋质含量提高33.15%，粗纤维含量降低14.50%，秸秆的气味、质地变好，适口性增强，用于饲喂生长期猪只的增重效果明显。朱洪龙等[33]采用自行筛选的白腐真菌ADW-08 对油菜秸秆进行生物降解，发现发酵60 天时，油菜秸秆中木质素、纤维素和半纤维素降解率分别达56.28%、40.80%和45.22%，而粗蛋白、必需氨基酸和总氨基酸则分别提高了43.73%、135.16%和101.51%。王亮等[53]采用3种微贮剂（A组：乳酸菌、酵母菌；B组：乳酸菌、芽孢杆菌、酵母酶；C组：复合酶制剂、螯合微量元素）处理油菜秸秆，发现不同微贮剂均提升了油菜秸秆的感官品质，其中单一制剂以B 组效果最好，组合制剂为A 组+C 组效果最好，但若从油菜秸秆各营养成分在瘤胃中的降解情况来看，则为A+B组效果最好。

4 展望

要实现中国养殖业和种植业的可持续发展以及农村新型能源化的重要前提就是秸秆资源的综合利用[54]。油菜秸秆资源丰富、潜能大，其营养特性使得油菜秸秆饲料化发展空间及发展前景十分广阔。油菜秸秆中粗蛋白和粗脂肪相比其他农作物秸秆含量更高，更适合作为动物饲料，但其木质化程度高也制约了其饲料化的发展。因此，油菜秸秆饲料化的关键在于有效的对木质素进行降解，将纤维素释放出来，以供动物更好的吸收和消化。此外，油菜秸秆的适口性也需要改善，质地松软、味道酸甜的秸秆饲料动物的采食量更大。微生物发酵秸秆转换蛋白饲料的研究逐渐增多，但针对油菜秸秆的工艺技术却仍旧比较缺乏。因此，结合油菜秸秆的特性，在已有秸秆生物处理技术的基础上进行优化嫁接，可能是快速发展油菜秸秆饲料化技术的可行方法之一。此外，中国现有秸秆饲料化加工技术与国外先进技术相比仍有一定差距，高效的秸秆饲料化设备和技术亟待开发，急需形成一个将生物学、营养学、动植物学、工程技术综合交叉的研究方式来提高秸秆饲料化生产水平[55]。