西蘭花廢棄莖葉的資源化利用模式及其在動(dòng)物生產(chǎn)上的應(yīng)用

孫 宏，姚曉紅，湯江武，吳逸飛，李園成，沈 琦，王 新

（浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)與微生物研究所，浙江杭州 310021）

西蘭花（Brassica oleracea L. var. italica）又名綠菜花，是一種被廣泛認(rèn)可的健康農(nóng)產(chǎn)品，其蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)含量高，富含酚類化合物并具有較強(qiáng)的抗氧化活性，可有效預(yù)防有機(jī)體過(guò)氧化所導(dǎo)致的心腦血管疾病；同時(shí)其含有的高含量硫代葡萄糖苷又具有防癌抗癌效果[1]。據(jù)估算，中國(guó)西蘭花種植面積已超過(guò)2.7 萬(wàn)hm2，每年產(chǎn)西蘭花超過(guò)100 萬(wàn)t[2]。但其中45%～50%的西蘭花會(huì)因?yàn)楦鞣N原因（廢棄莖葉、發(fā)育不全莖球、病蟲(chóng)害受損等）在種植、加工和銷售過(guò)程中被丟棄，給農(nóng)戶造成嚴(yán)重?fù)p失[1]。特別是其中每年產(chǎn)生超過(guò)30 萬(wàn)t 的廢棄莖葉，這些廢棄莖葉含水率基本在90% 以上，極易腐爛，直接丟棄將直接導(dǎo)致環(huán)境臭氣污染和附近水源地污染[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究通過(guò)針對(duì)西蘭花廢棄莖葉中的高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值在飼料化轉(zhuǎn)化利用和/或深加工制備高附加值產(chǎn)物等方面取得了顯著進(jìn)展，逐步解決了當(dāng)前西蘭花廢棄莖葉的利用瓶頸問(wèn)題，并有助于緩解西蘭花廢棄物對(duì)環(huán)境的危害。本文將探討當(dāng)前西蘭花廢棄莖葉相關(guān)的資源化利用技術(shù)和研究進(jìn)展，及其在動(dòng)物生產(chǎn)上的應(yīng)用情況，并對(duì)其未來(lái)研究方向進(jìn)行展望。

1 西蘭花廢棄莖葉資源化利用模式

1.1 飼料化利用 廢棄西蘭花莖葉含水率高，極易腐爛變質(zhì)，因而較難通過(guò)直接飼喂方式進(jìn)行飼料化利用，必須先通過(guò)降低含水率實(shí)現(xiàn)其自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的富集。目前，根據(jù)處理工藝的不同可大致分為制備青貯飼料、烘干加工西蘭花干粉和固態(tài)多菌株混合發(fā)酵飼料3 種模式。

1.1.1 制備青貯飼料 青貯是高水分農(nóng)副產(chǎn)品長(zhǎng)期利用的一種方法。西蘭花廢棄莖葉可直接粉碎后制備成青貯飼料使用。錢仲倉(cāng)等[3]報(bào)道，新鮮西蘭花莖葉經(jīng)過(guò)粉碎和加入乳酸菌后青貯發(fā)酵45 d，其以干物質(zhì)基礎(chǔ)，粗蛋白質(zhì)可達(dá)19.51%，酸洗、中洗纖維可分別達(dá)到19.24%和19.73%，并含有68.44 g/kg 的乳酸，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。同時(shí)，在青貯過(guò)程中通過(guò)加入水分較少的輔料可進(jìn)一步降低水分滲出，從而有助于保留青貯物料的原有營(yíng)養(yǎng)成分[4]。如王堅(jiān)等[5]采用苜蓿、水稻秸稈和粗蛋白質(zhì)（干物質(zhì)計(jì)）為29.4%的西蘭花莖葉混合青貯，發(fā)現(xiàn)添加濃度為2.5%的糖蜜即可顯著提高西蘭花莖葉混合青貯產(chǎn)品的發(fā)酵品質(zhì)。

1.1.2 西蘭花莖葉干粉 西蘭花莖葉干粉是通過(guò)烘干或曬干手段快速降低廢棄莖葉原料中的水分并粉碎后制備獲得。通過(guò)該技術(shù)制備的干粉含水率可降低至10% 左右，較適宜作為飼料原料使用。易賢武[6]研究表明，西蘭花莖葉干粉以干物質(zhì)計(jì)的粗蛋白質(zhì)高于20%，可作為蛋白原料使用，其干物質(zhì)和粗蛋白質(zhì)的體外降解率和豆粕等優(yōu)質(zhì)蛋白近似，且高于玉米；當(dāng)其以不高于50%的比例替代豆粕時(shí)，對(duì)體外產(chǎn)氣效率和模擬瘤胃發(fā)酵的影響不顯著，表明西蘭花莖葉粉可作為反芻動(dòng)物蛋白飼料在50% 的水平下替代豆粕使用。值得注意的是，國(guó)外研究表明西蘭花不同部位干粉的營(yíng)養(yǎng)成分差異較大，與葉干粉相比，莖干粉具有更高的灰分和纖維含量以及更低的粗蛋白質(zhì)含量[7]，因此西蘭花干粉應(yīng)用于動(dòng)物養(yǎng)殖時(shí)，可根據(jù)不同需求進(jìn)行分類處理使用。如花球和葉部干粉較適宜單胃動(dòng)物使用，而莖部干粉則較適合反芻動(dòng)物使用[8]。目前上述方面仍未有深入研究。此外，西蘭花干粉的制備受烘干工藝和莖葉不同比例的影響較大，尋找低成本的烘干方式降低干粉的生產(chǎn)成本仍是進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用首要解決的問(wèn)題。

1.1.3 固態(tài)發(fā)酵飼料 通過(guò)固態(tài)發(fā)酵飼料的制備對(duì)西蘭花莖葉進(jìn)行處理是近幾年來(lái)興起的技術(shù)，該技術(shù)有別于傳統(tǒng)的青貯等發(fā)酵模式，一般采用芽孢桿菌、乳酸菌和酵母菌等復(fù)合菌株并添加米糠等輔料使發(fā)酵基質(zhì)水分適宜來(lái)進(jìn)行，其工藝控制程度更高，達(dá)到發(fā)酵終點(diǎn)時(shí)間更短（一般7 d 左右完成發(fā)酵），較適宜于規(guī)模化發(fā)酵飼料的制備[9]。田久東等[10]通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)確定西蘭花渣發(fā)酵飼料的最佳工藝，通過(guò)芽孢桿菌、屎腸球菌和酵母菌的多菌株復(fù)配（按照活菌數(shù)1:1:1），含水率47%、發(fā)酵溫度31℃的條件下，西蘭花渣發(fā)酵飼料中粗蛋白質(zhì)含量可比對(duì)照組提高15%、還原糖含量提高50%。Liu 等[11]通過(guò)添加麩皮和玉米作為輔料固態(tài)發(fā)酵西蘭花廢棄莖葉后發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵物料中含有大量活性微生物，其中乳酸菌和酵母菌含量分別為9.5×106CFU/g和3.1×107CFU/g；而有機(jī)酸則以醋酸含量最高，達(dá)到5 500 mg/kg。同時(shí)作者比較發(fā)現(xiàn)，由于目前西蘭花莖葉固態(tài)發(fā)酵中，多添加有輔料來(lái)補(bǔ)充微生物需要的碳源，因此與西蘭花莖葉的青貯發(fā)酵相比，發(fā)酵時(shí)間更短，同時(shí)發(fā)酵后的西蘭花莖葉營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)也有差異（表1）。未來(lái)研究在有關(guān)單一發(fā)酵和添加輔料發(fā)酵在條件控制、發(fā)酵時(shí)間、效果等差異方面仍有較大研究空間。

1.2 高附加值產(chǎn)物利用

1.2.1 硫代葡萄糖苷（異硫氰酸鹽） 國(guó)外對(duì)廢棄西蘭花球、莖葉和種子中的高附加值活性成分進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，硫代葡萄糖苷是西蘭花廢棄物中最為重要的活性產(chǎn)物，含量可高達(dá)2～20 g/kg 干重，不同部位的活性成分含量差異顯著，其中廢棄西蘭花花球和種子部分的活性產(chǎn)物含量最高[1]。硫代葡萄糖苷經(jīng)過(guò)介子酶水解后可產(chǎn)生多種異硫氰酸鹽（ITCs），而ITCs 是一種高效的抗癌組分。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)ITCs 可通過(guò)誘導(dǎo)癌細(xì)胞周期停滯和凋亡來(lái)抑制腫瘤的生長(zhǎng)[13]。因此，采用廢棄西蘭花莖葉酶解制備ITCs 是一種較為可行的低成本高值化應(yīng)用手段。張錦華等[14]通過(guò)西蘭花副產(chǎn)物為原料，研究確定的最佳介子酶酶解工藝為pH 5.0、超聲酶解溫度35℃、超聲酶解時(shí)間67 min。陳穎慧[15]通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化西蘭花副產(chǎn)物ITCs 提取效果后發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)工藝組合為超聲16 min、功率63 W、提取溫度40℃、pH 6.2，在此條件下提取的ITCs 含量可達(dá)到0.895 mmol/L。

表1 不同部位西蘭花干粉和發(fā)酵西蘭花渣的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值

1.2.2 酚類等抗氧化產(chǎn)物 天然抗氧化產(chǎn)物已被證明對(duì)預(yù)防心腦血管疾病具有顯著功效，而西蘭花在內(nèi)的眾多花菜類植物均具有較高的抗氧化活性。西蘭花莖葉中的多酚等抗氧化產(chǎn)物的含量高達(dá)0.2 g/kg 干重以上，位居常規(guī)蔬菜植物的第二位[16]。因此，西蘭花莖葉中含有的多酚類物質(zhì)的提取利用是國(guó)外對(duì)于廢棄西蘭花資源利用的重點(diǎn)。目前，常用的多酚類物質(zhì)提取工藝一般采用甲醇或乙醇為提取溶劑，具有潛在的食品和環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)[17]。Arnáiz 等[18]采用二氧化碳超臨界流體提取技術(shù)對(duì)西蘭花葉中的抗氧化組分進(jìn)行提取后發(fā)現(xiàn)，采用該技術(shù)可大大節(jié)約有機(jī)溶劑的使用量，在壓力為150 bar、溫度35℃、提取10 min 后，可獲得最佳的DPPH 自由基去除效果；同時(shí)不同來(lái)源的西蘭花葉中多酚類物質(zhì)的含量差異較大，最高可達(dá)到0.79 g/kg 干重。Wu 等[19]則采用超聲提取的手段，通過(guò)額外加入纖維素酶和木瓜蛋白酶，最終優(yōu)化獲得最佳的西蘭花中多酚提取工藝為超聲功率440 W、固液比1:7、pH 6.0、處理溫度54.5℃，在此條件下多酚的含量可達(dá)1.816 g/kg。

1.2.3 多肽和果膠 目前有關(guān)西蘭花多肽的分離純化研究是廢棄西蘭花莖葉利用的另一個(gè)熱點(diǎn)。研究表明，通過(guò)新鮮西蘭花莖葉壓榨和干燥后可制備獲得蛋白含量在4.1%的蛋白粉[20]。以此為基礎(chǔ)，通過(guò)加入蛋白酶并經(jīng)過(guò)離心、濃縮和干燥后可獲得西蘭花多肽提取物，其分子量范圍在310～2 600 u[20]。體內(nèi)研究進(jìn)一步證實(shí)，飼喂100 mg/kg·BW 劑量的西蘭花多肽可顯著提高小鼠的非特異性免疫功能[20]。另一方面，西蘭花莖葉中膳食纖維含量達(dá)到1.6%，其中的果膠作為一種可溶性膳食纖維，具有較高的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。田亞紅等[21]研究了西蘭花莖葉中的果膠提取工藝后發(fā)現(xiàn)，最佳的果膠提取工藝為pH 2.0、提取溫度85℃、提取時(shí)間80 min，在此條件下的果膠提取率可達(dá)到0.69%。

1.3 肥料化利用 國(guó)外對(duì)廢棄西蘭花莖葉的利用多集中于肥料化使用方面。廢棄西蘭花還田的原理主要是由于西蘭花等花菜類植物中普遍含有硫代葡萄糖苷，其分解后產(chǎn)生的ITCs 對(duì)土壤微生物有較強(qiáng)的去除作用，所以將西蘭花廢棄莖葉還田使用可作為一種經(jīng)濟(jì)的去除土傳植物病菌的手段[22]。Omirou 等[23]研究了不同含水率的西蘭花廢棄莖葉還田后其硫代葡萄糖苷的釋放規(guī)律，發(fā)現(xiàn)硫代葡萄糖苷可滲入土壤，半衰期僅為3.2～15.5 h，其滲入速度與土壤中微生物活性緊密相關(guān)。Cuijpers 等[24]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤中加入10%（w/w）的西蘭花莖后，可顯著抑制土壤中土傳真菌孢子體的含量，并推測(cè)該作用和西蘭花莖中木質(zhì)素含量較高有關(guān)。同時(shí)，采用廢棄西蘭花還田使用，也可視為一種綠色有機(jī)肥料提高農(nóng)作物的產(chǎn)品品質(zhì)。如Santos 等[25]研究了廢棄西蘭花莖葉還田后對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加該原料可提高作物本身的抗氧化活性物質(zhì)含量。

2 西蘭花廢棄莖葉在畜牧生產(chǎn)上的應(yīng)用

2.1 豬 西蘭花廢棄莖葉在生豬上的應(yīng)用主要以青貯料為主（表2）。錢仲倉(cāng)等[3]在育肥階段杜× 仙F1代土豬的傳統(tǒng)豆粕-玉米日糧中添加西蘭花莖葉青貯料后發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組育肥豬日增重略有提高但未見(jiàn)顯著差異，可顯著降低養(yǎng)殖飼料成本。王德剛等[26]進(jìn)一步采用西蘭花莖葉青貯料飼喂育肥豬，發(fā)現(xiàn)添加青貯飼料可顯著降低育肥豬肉質(zhì)膽固醇含量，并提高肉中豆蔻酸和棕櫚油酸等含量，表明飼喂西蘭花莖葉青貯料可提高豬肉品質(zhì)。西蘭花青貯料在不同動(dòng)物日糧上的添加量與動(dòng)物品種也有關(guān)。如褚曉紅等[27]研究了不同添加量下西蘭花莖葉青貯飼料在仙居花豬上的應(yīng)用效果后發(fā)現(xiàn)，土豬飼料中可添加最高至30%的青貯發(fā)酵飼料。

2.2 禽類 西蘭花廢棄莖葉在禽類中的應(yīng)用主要以固態(tài)發(fā)酵西蘭花為主。Liu 等[9]在肉雞日糧中添加不同濃度的發(fā)酵西蘭花莖葉后發(fā)現(xiàn)，添加50、75 g/kg 發(fā)酵料的肉雞在受到產(chǎn)氣莢膜梭菌侵染時(shí)具有更低的死亡率；同時(shí)在空腸中的免疫球蛋白IgA、IgG 和IgM 含量較對(duì)照組均有顯著提高。相同的學(xué)者進(jìn)一步探討了該種發(fā)酵原料對(duì)散養(yǎng)肉雞肉質(zhì)的影響后證明，日糧中添加最高至10%的發(fā)酵西蘭花莖葉可顯著提高肉雞的抗氧化能力[11]。同樣，國(guó)內(nèi)學(xué)者也報(bào)道通過(guò)添加最高量為10% 的西蘭花莖葉粉可改善大型草雞生長(zhǎng)性能，并顯著降低雞胸肌和肝臟膽固醇水平[28]。

需要注意的是，由于西蘭花中含有大量的纖維素組分，過(guò)高的添加量將對(duì)單胃動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收產(chǎn)生不良影響。如Mustafa 等[8]報(bào)道采用西蘭花莖葉粉不同比例替代蛋雞中的玉米和豆粕后可顯著提高雞蛋蛋重，但對(duì)蛋雞的生長(zhǎng)性能無(wú)顯著影響，僅降低了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化率；并推測(cè)西蘭花莖葉粉的合適替代比例為120 g/kg 以下。而在肉雞中使用西蘭花莖葉粉時(shí)，最高的添加量需要控制在9%以下才不會(huì)對(duì)肉雞的腸道營(yíng)養(yǎng)吸收產(chǎn)生負(fù)面作用[29]。鄭衛(wèi)兵等[30]探討了西蘭花莖葉粉對(duì)三黃蛋雞雞蛋品質(zhì)、孵化率的影響后發(fā)現(xiàn)，最高添加至8%的西蘭花莖葉粉可改善三黃蛋雞的雞蛋品質(zhì)，降低蛋黃膽固醇含量，但隨著莖葉粉添加量的提高，雞蛋的孵化率有降低趨勢(shì)，并推測(cè)該副作用可能與添加西蘭花莖葉粉后提高了種蛋的蛋殼厚度有關(guān)。

表2 不同西蘭花廢棄莖葉制備的飼料原料在畜禽日糧中的添加量

2.3 奶牛 目前，西蘭花廢棄莖葉在反芻動(dòng)物中的應(yīng)用研究較少。易賢武[6]采用粗蛋白質(zhì)含量為20%的西蘭花莖葉粉替代荷斯坦奶牛精料中的玉米和豆粕等組分，研究表明當(dāng)替代率為20% 時(shí)，對(duì)奶牛的產(chǎn)奶量無(wú)顯著影響，但可顯著降低奶牛精料的原料成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。楊光等[31]采用西蘭花莖葉發(fā)酵物替代17%的基礎(chǔ)日糧中的青貯料（替代料約為3 kg/d）后發(fā)現(xiàn)，用西蘭花莖葉發(fā)酵物替代玉米青貯飼料飼喂高產(chǎn)奶牛，不會(huì)產(chǎn)生顯著的負(fù)面效果。上述結(jié)果揭示西藍(lán)花廢棄莖葉在反芻動(dòng)物上有廣闊的應(yīng)用前景。

3 小結(jié)及展望

利用西藍(lán)花廢棄莖葉進(jìn)行飼料化轉(zhuǎn)化或進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提取具有高附加值的活性產(chǎn)物，不僅可解決當(dāng)前西蘭花廢棄莖葉存在的利用困難問(wèn)題，還可降低其對(duì)環(huán)境的危害，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但目前國(guó)內(nèi)外研究在西藍(lán)花廢棄莖葉應(yīng)用中仍存在不少難點(diǎn)，主要是在利用其制備青貯飼料方面，缺少優(yōu)選的培養(yǎng)參數(shù)及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)，特別是目前在生豬和反芻動(dòng)物養(yǎng)殖上的相關(guān)應(yīng)用研究仍較少，較難為進(jìn)一步提高西藍(lán)花廢棄莖葉飼料化利用提供數(shù)據(jù)依據(jù)。另一方面，雖然近年來(lái)在西藍(lán)花廢棄莖葉高值化利用方面研究報(bào)道較多，但主要的提取工藝仍停留在實(shí)驗(yàn)室或中試水平，制備成本較高，且所提取活性產(chǎn)物的安全性和有效性等還需補(bǔ)充完善。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷深入完善，以西藍(lán)花廢棄莖葉為原料的飼料化和高值化應(yīng)用手段將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。