木薯作为能量饲料的营养特性及其在单胃动物生产中的应用

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摘要: 木薯(Manihot esculenta Crantz)具有单产高、土壤肥力要求低、田间管理粗疏、淀粉含量高等特点，是玉米等能量饲料的最佳替代品。然而，不同加工工艺和氢氰酸等抗营养因子会影响木薯产品的营养价值。本文全面介绍了木薯的营养特性，详细总结了木薯作为能量饲料在猪、肉鸡和蛋鸡饲粮中的添加比例、应用过程中的问题及解决方案。
关键词: 木薯    淀粉    猪    家禽    能量饲料   

玉米是单胃动物饲粮的重要组分，也是畜禽所需能量的重要来源。由于全球气候变化、生物能源发展、中国城镇化和人民生活水平不断提高，饲料工业用玉米价格不断攀升，导致饲料成本急剧增加。木薯素有“淀粉之王”的美誉，是谷物等能量饲料的最佳替代品。木薯(Manihot esculenta Crantz)为多年生灌木，又被称为木番薯、树薯，英文名称有cassava、manioc、tapioca、yuca，是热带、亚热带地区重要的粮食和经济作物。全球61%的木薯生产于非洲，29%在亚洲，9%在南美[1]。木薯在非洲是重要的粮食作物，以木薯作为主粮的人口超过5亿，但是非洲木薯种植技术落后、单产低，因此非洲木薯出口量很少。中国木薯种植技术先进，但是受土地成本限制，中国是世界最大的木薯进口国。2013—2017年中国木薯干(cassava chip)进口量平均824.9万t/年，占世界出口贸易量的93.5%，年均进口额超过17.8亿美元，进口木薯干主要用作生产乙醇、淀粉、动物饲料。东盟是中国最大的木薯贸易伙伴，中国进口木薯干80%以上来自泰国，18%来自越南[2]。荷兰和西班牙是欧洲最重要的木薯干进口国，木薯干主要用于生产动物饲料[1]。木薯是单位土地面积能源产量最高的作物，产量高达25~60 t/hm2[3]。木薯同时具有土壤肥力要求低、田间管理粗疏、淀粉含量高等特点。然而，不同加工工艺会造成木薯产品的营养成分波动，氢氰酸等抗营养因子的存在也会导致动物中毒，木薯在商业饲料中尚未被完全采用。本文全面介绍了木薯的营养特性，详细总结了木薯作为能量饲料在猪、肉鸡和蛋鸡饲粮中的添加比例、使用效果、问题及解决方案。

1、木薯产品加工工艺

广义上讲，根和叶是木薯的2种主要产品，但通过进一步加工(图 1)[4]可以从中获得多种营养价值不同的木薯产品(表 1)，具体包括：1)新鲜的木薯根(cassava root)或木薯块茎(cassava tuber)。木薯根或木薯块茎含水量超过60%，会在2~3 d内变质，为了方便存储和运输，需要尽快使其含水量降低到14%以下。将新鲜木薯根冲洗泥沙、去皮或带皮、机器切割成薄片状、在水泥地板上曝晒2~3 d，直到含水量减少到14%以下，即可制得木薯干[4]。将木薯干粉碎即可获得木薯根粉(cassava root meal)，又简称木薯粉(cassava meal)。木薯干主要成分是淀粉，去皮甜木薯干淀粉含量为81%~88%[5]。木薯干是最初级的木薯加工产品，在泰国、马来西亚、印度尼西亚和非洲地区大量生产。2)木薯粒(cassava pellet)。将木薯干磨成粗粉后添加少量黏合剂或油脂(比如棕榈油)，经蒸汽调制、挤压然后冷却，形成长约2 cm、直径为0.5 cm的圆柱状小硬棒就是木薯粒。制粒可使木薯干体积减少，从而确保动物采食量、降低运输成本，并减少粉尘[6]。通常，1 t新鲜木薯根(干物质含量约为38%)能生产450 kg木薯干或440 kg木薯硬颗粒。木薯干和木薯粒除了用作动物饲料，还可以生产燃料乙醇和柠檬酸。3)木薯皮(cassava peel)。木薯皮是附着在木薯根外部的薄皮和革质薄壁组织。木薯皮的淀粉含量仅为16%，粗灰分和粗纤维含量较高，粗蛋白质含量低[7]。木薯皮中氰化物含量远远高于木薯果肉，适于做动物粗饲料。4)木薯渣(cassava residual pulp)。木薯渣是木薯加工淀粉或乙醇的副产物，主要由木薯皮、破碎细胞壁组织和其他残留物组成。与木薯淀粉渣比较，木薯酒精渣中粗蛋白质、粗纤维和粗灰分含量较高，但是无氮浸出物含量较低。如果不考虑粗蛋白质含量，参照美国粗饲料质量评定指数[饲料相对值(RFV)]，木薯淀粉渣属于特级粗饲料，而木薯酒精渣属于五级粗饲料。鲜木薯淀粉渣含水量高达60%~70%，通常采用物理沉降或压榨方法降低含水量[8]。5)木薯叶(cassava leaf)。木薯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%，具体取决于植物的年龄和生产状况。鲜木薯叶干物质含量为20%~30%，干木薯叶粗蛋白质含量为15%~30%[9]。木薯叶氨基酸含量与苜蓿相似，是良好的蛋白质饲料[10]。但是木薯叶氢氰酸含量比木薯根高6倍，单宁和植酸含量高、消化能低，这降低了木薯叶的饲用价值[11]。

2、木薯作为能量饲料的营养特性

淀粉是植物碳水化合物的主要贮存方式，也是畜禽所需能量的重要来源。木薯被誉为“淀粉之王”，因为鲜木薯在单位面积内可以生产的淀粉量高达5.02 t/hm2，远远高于鲜玉米的3.78 t/hm2；风干物中淀粉含量，木薯为71.6%，也高于玉米的65.4%[13]。在卫生指标合格的情况下，木薯的淀粉含量决定了其品质和营养价值。荷兰SFR饲料研究所根据淀粉含量对木薯干等级进行了区分，分为62%、65%和69%淀粉含量的木薯干。木薯干含有约82.6%的无氮浸出物和3.6%的粗纤维[17]。木薯干粗蛋白质含量为2%~4%，缺乏含硫氨基酸(蛋氨酸、胱氨酸和半胱氨酸)[18]。木薯干中还富含元素钾(0.78%)、铁(150 mg/kg)和锌(14 mg/kg)[19]。木薯根多数为白色，也有黄色。黄色木薯通常比白色木薯含有更多的β-胡萝卜素。木薯根缺乏B族维生素，仅维生素C含量相对较高，为15~450 mg/kg[20]。

按照分子结构组成，淀粉主要分为2种：直链淀粉和支链淀粉。研究表明，淀粉中直链淀粉和支链淀粉比例与其消化性能有关[21]。由于支链淀粉的分子表面积比直链淀粉大得多，因此认为支链淀粉含量高的淀粉可以更快地被消化。在断奶仔猪(体重约7 kg)饲粮中选择不同来源淀粉(玉米、木薯、小麦和豌豆)作为能量来源，结果表明木薯淀粉(直链淀粉与支链淀粉比例为1.0 : 8.3)消化率最高、消化速度最快，玉米淀粉和小麦淀粉(直链淀粉与支链淀粉比例均接近1.0 : 4.1)消化率和消化速度居中，豌豆淀粉(直链淀粉与支链淀粉比例为1.0 : 2.1)的消化率最低，消化速度最慢[22]。根据体外消化动力学，淀粉又被分为快速消化淀粉(RDS)、慢速消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。据报道，木薯粒和玉米的抗性淀粉含量接近(31.01%和33.24%)，略低于木薯干中抗性淀粉含量(38.97%)[14]。加工工艺可以改变木薯淀粉的消化率。膨化处理会使木薯淀粉的支链结晶区结构受到破坏，更有利于动物消化[23]。采用体外消化试验评估木薯粒、木薯干、玉米和木薯渣的淀粉消化率时，木薯粒消化率最高(>90%)，玉米和木薯干消化率居中(>75%)，木薯渣消化率最低(>65%)[14]。木薯粒的淀粉消化率很高，其原因可能是由于制粒过程中的高温蒸汽处理使得淀粉糊化程度增加，更容易被消化酶分解。

3、木薯的物理特性

木薯的物理特性对其应用具有一定消极影响。鲜木薯水分含量高达60%以上，收获后2~3 d内就变质，难于长期储存。木薯干比重低、粉尘多，会影响适口性和采食量。以粉状饲料形式提供的所有水平木薯饲粮，动物生长性能都比玉米饲粮差[6]。但是，当木薯饲粮被制成颗粒后，动物却获得了与玉米饲粮类似的生长性能。Régnier等[24]研究了木薯产品加工形式对动物采食量的影响，结果发现体重75 kg阉猪平均摄取的木薯碎粒质量是木薯干的2倍，是木薯粉的4倍。当同时提供玉米饲粮和干燥6 h的木薯粉饲粮时，猪更喜欢采食玉米饲粮而拒绝采食木薯粉饲粮[24]。不同品种蛋鸡和肉鸡的试验结果也表明，以粉状饲料形式饲喂木薯粒或木薯干饲粮也会限制家禽采食量[25-27]。另有研究表明，以粉状饲料形式饲喂肉鸡，与玉米饲粮比较，木薯干饲粮采食量降低，而木薯粒饲粮采食量略有增加；当添加酶制剂之后，木薯粒饲粮采食量趋势不变，但是木薯干饲粮采食量显著增加，不过仍旧低于玉米饲粮[28]。这说明添加酶制剂可以缓解粉状饲料形式木薯饲粮导致的采食量降低。究其原因，一是制粒可使木薯饲粮的体积减少约1/3，从而增加其密度。当木薯替代饲粮中40%的玉米时，饲粮的比重从100 g/L降低到81 g/L，但当饲粮制成颗粒时，比重则增加到109 g/L。二是粉状饲料经过制粒后，对呼吸器官的刺激性降低，确保了最佳采食量[6]。或许最重要的原因是，颗粒状饲料增加了干物质摄入量。这对处在应激环境的动物尤其重要，比如热带地区的高温导致家禽采食量下降。因此，加工方式对木薯饲粮的成功应用尤为重要。

4、木薯生氰糖苷及其脱毒方法

木薯生氰糖苷本身不呈现毒性，主要由其水解产物氢氰酸引发毒性。正常情况下，生氰糖苷和分解生氰糖苷的酶存在于不同组织的细胞中。但含有生氰糖苷的植物被动物采食、咀嚼后，植物组织的结构遭到破坏，生氰糖苷与其水解酶作用产生氢氰酸引起动物中毒。中毒的主要原理是使组织细胞不能利用氧，形成“细胞内窒息”[29]。木薯有2种类型：甜木薯无苦味且氢氰酸含量低，大量种植在世界各地，主要用于人类或动物食用；苦木薯氢氰酸含量较高，主要用作加工木薯干、木薯淀粉和乙醇等。据报道，猪的自由采食量随木薯干和木薯碎粒中氢氰酸含量的升高而降低，这表明木薯中氢氰酸含量对动物采食量、适口性有重要影响[24]。中国《饲料卫生标准》(GB 13078—2017)[30]规定，氰化物[以氰化氢(HCN)计]在木薯及其加工产品中要≤100 mg/kg，在雏鸡配合饲料中要≤10 mg/kg，在其他配合饲料中要≤50 mg/kg。通过饲料加工工艺，可以降低或消除木薯中氰化物对动物的危害。据报道，木薯皮中氢氰酸含量比木薯肉平均高5.6倍[31]。如果去掉皮层，木薯根的毒性会大大降低，而皮层的重量仅占全薯的13.4%，因此加工过程中去皮是减少木薯根毒性的有效途径。

晒干和青贮也是简单有效的木薯脱毒方法。Régnier等[24]将新鲜木薯根分别用粉碎机研磨成木薯碎粒、用切片工具手动切成薄片，然后在太阳能干燥机中干燥0、2、4、6、9、12和24 h，结果发现达到最低氢氰酸所需的最短干燥时间，木薯碎粒和木薯干分别需要3和6 h；而同样干燥6 h，氢氰酸含量木薯碎粒最高(367 mg/kg)，是木薯粉的14倍(25 mg/kg)，木薯干居中(212 mg/kg)。该研究结果说明木薯氢氰酸含量受到烘干时间和粒度(表面积)大小等多种因素的影响。Atlaw[32]研究了托盘干燥、烤箱干燥和太阳晒干3种方法对木薯淀粉的脱毒效果，结果发现3种方法都可以将木薯淀粉的水分含量降低到12%以下，水分活度降低到0.6以下；但是晒干18 h后氰化物含量最低(1.4 mg/kg)，烤箱干燥55 ℃、16 h后氢氰酸含量为13.2 mg/kg，托盘干燥26 h后氢氰酸含量为20.3 mg/kg。因此，晒干是一种简单、实惠的脱毒方法。田静等[33]研究了青贮、水煮、烘干和微波加热4种方法的脱毒效果，结果显示：木薯块根经水煮和烘干后氢氰酸去除率最高，水煮25 min和烘干12 h氢氰酸的去除率均达到81.7%，微波加热6 min去除率为78.8%，而30和40 ℃青贮56 d可去除50%以上的氢氰酸。但是水煮15 min后粗蛋白质含量降低17%，可溶性碳水化合物含量降低24.9%，淀粉含量降低11.8%，并且随着水煮时间的延长(15~25 min)，营养损失增加。烘干和微波加热耗能大。因此，青贮也是一种简单有效的脱毒方法。此外，有毒氰化物与硫代硫酸盐反应会形成低毒的硫氰酸盐，可使毒性降低200倍。因此，在木薯饲粮中增加蛋氨酸的添加比例或者添加一定量的硫代硫酸钠、碘、维生素B12非常重要。
5、木薯作为能量饲料在养猪生产中的应用

木薯有效能值约为玉米的90%，木薯能值与其淀粉含量呈显著正相关。不同加工处理方式会造成木薯营养成分含量波动，进而导致木薯能值差异。三元杂交猪对晒干甜木薯片消化能为14.96 MJ/kg，代谢能为14.55 MJ/kg，净能为10.74 MJ/kg[34]。阉猪对酸奶青贮全木薯块根饲料的消化能为15.84 MJ/kg DM，代谢能为15.39 MJ/kg DM[35]。发酵降低了木薯粉有效能值，去势三元杂交公猪对发酵木薯粉表观消化能和代谢能分别为(13.57±0.58)MJ/kg和(13.03±0.49)MJ/kg[36]，对普通木薯粉表观消化能和代谢能分别为(13.97±0.75)MJ/kg和(13.32±0.54)MJ/kg。挤压可以提高木薯粉的能量利用率，猪对木薯粉可消化能量系数为87.8%、消化能为13.85 MJ/kg，挤压木薯粉可消化能量系数为93.3%、消化能为14.73 MJ/kg[37]。

荷兰SFR饲料研究所推荐：仔猪断奶至6周龄和6周龄至22 kg体重的小猪饲粮中木薯(淀粉含量＞64%)最高可分别添加15%和20%，22~40 kg生长猪和>40 kg育成猪饲粮中木薯(淀粉含量>64%)最高可分别添加25%和40%。温氏集团技术中心通过小规模试验表明，在猪80~110 kg阶段，使用 < 10%的木薯替代玉米对猪生长性能没有任何负面影响[38]。有研究表明，木薯粉可以替代断奶仔猪饲粮中50%的玉米，可以促进增重、减轻腹泻[39]。生长猪饲粮中，煮熟、青贮或晒干木薯根在补充蛋白质浓缩饲料前提下，可以完全替代小麦型[40]或者玉米型饲粮[41]。然而，木薯青贮饲粮完全替代玉米后会降低育肥猪胴体重和背部脂肪厚度[41]。不过在补充蛋氨酸和赖氨酸前提下，木薯饲料(块根、叶、嫩茎混合物)可以代替生长猪饲粮中50%~70%的玉米，增加胴体重和瘦肉产量[42]。本文总结了木薯作为能量饲料在养猪生产中的应用情况，详见表 2。

6、木薯作为能量饲料在养猪生产中的应用

木薯有效能值约为玉米的90%，木薯能值与其淀粉含量呈显著正相关。不同加工处理方式会造成木薯营养成分含量波动，进而导致木薯能值差异。三元杂交猪对晒干甜木薯片消化能为14.96 MJ/kg，代谢能为14.55 MJ/kg，净能为10.74 MJ/kg[34]。阉猪对酸奶青贮全木薯块根饲料的消化能为15.84 MJ/kg DM，代谢能为15.39 MJ/kg DM[35]。发酵降低了木薯粉有效能值，去势三元杂交公猪对发酵木薯粉表观消化能和代谢能分别为(13.57±0.58)MJ/kg和(13.03±0.49)MJ/kg[36]，对普通木薯粉表观消化能和代谢能分别为(13.97±0.75)MJ/kg和(13.32±0.54)MJ/kg。挤压可以提高木薯粉的能量利用率，猪对木薯粉可消化能量系数为87.8%、消化能为13.85 MJ/kg，挤压木薯粉可消化能量系数为93.3%、消化能为14.73 MJ/kg[37]。

荷兰SFR饲料研究所推荐：仔猪断奶至6周龄和6周龄至22]木薯同样是家禽重要的能量饲料。肉鸡对非洲木薯干的代谢能为13.72 MJ/kg[43]，对泰国木薯干和木薯粒的代谢能分别为12.6和11.7 MJ/kg[28]；肉鸡对晒干木薯、发酵木薯和瘤胃液发酵木薯的表观代谢能分别为13.40、13.08和12.49 MJ/kg，氮校正真代谢能分别为13.50、13.05和12.58 MJ/kg[12]。现有研究表明，肉鸡饲粮中木薯粉可以替代50%的玉米而不影响生长性能和肉色[28, 43]；如果添加外源酶制剂，则可以替代100%的玉米[28]。但是，随饲粮中木薯粉添加量(0、20%、40%和60%)的增加，肉鸡体重和增重呈线性增加，腿部和胸部肌肉皮肤颜色呈线性降低[44]。由于木薯中缺乏叶黄素，需要在饲粮中添加人工色素满足肉色需求。另外，家禽消化道较短，木薯中含有的非淀粉多糖物质会影响生产性能。唐德富等[14]测定可溶性非淀粉多糖含量分别是木薯干8.28%、木薯粒8.73%、玉米3.39%；同时，测定不可溶性非淀粉多糖含量分别是木薯干42.19%、木薯粒53.30%、玉米65.70%。在木薯饲粮中添加2 500 U/kg的α-淀粉酶可增加肉鸡1~21日龄平均日采食量(ADFI)和平均日增重(ADG)[14]。Bhuiyan等[28]在木薯粒或者木薯干饲粮中添加外源饲料酶组合(木聚糖酶、蛋白酶、淀粉酶和植酸酶)可以提高1~21日龄肉鸡采食量、增加肉鸡生产净能摄入量，进而将生产性能提高到接近甚至超过玉米饲粮水平。本文总结了木薯作为能量饲料在肉鸡生产中的应用情况，详见表 3。

前人研究表明，在蛋鸡饲粮中，在小母鸡阶段木薯粉可以替代30%的玉米[52]，在产蛋期木薯粉可以替代50%的玉米[25]，在换羽期木薯粉可以替代100%的玉米[25, 51]。在40周龄蛋鸡饲粮中长期添加8%玉米干酒糟及其可溶物(DDGS)和30%木薯粉，会显著降低蛋鸡平均日采食量、产蛋量和饲料转化率，同时导致蛋黄颜色评分降低[49]。但是在蛋鸡饲粮中加入17.2%木薯干+5.7%木薯叶混合的乳酸发酵饲料替代40%的玉米，可以增加蛋黄颜色评分，降低鸡蛋胆固醇含量，并且鸡蛋哈夫单位显著高于其他组[15]。这可能是由于木薯叶含有丰富的氨基酸和叶黄素，饲粮中加入高比例木薯叶平衡了氨基酸和色素的营养。木薯粉可以完全替代玉米作为蛋鸡换羽期唯一能量来源。早期研究表明，饲粮中添加96%的木薯粉饲喂2周会导致蛋鸡体重严重降低，卵巢和输卵管退化，换羽后死亡率和鸡蛋蛋白质量有所改善，但是产蛋量没有提高，蛋壳厚度下降，鸡蛋壳超微结构和鸡蛋质量异常[26]。不过如果在木薯饲粮诱导换羽后2周内及时给蛋鸡饲喂小母鸡饲粮就可以提高换羽后的生产性能[50]。最新研究表明饲粮中添加96%的木薯粉饲喂4周、再继续饲喂2周产蛋期饲粮可成功诱导蛋鸡换羽，并且不影响换羽后的产蛋性能；但是如果饲喂添加96%的木薯粉饲粮超过4周，则会造成蛋鸡体重严重下降和卵巢退化[51]。本文对木薯作为能量饲料在蛋鸡生产中的应用情况进行了总结，见表 4。

7、小结

木薯是优质的能量饲料，是谷物原料的最佳替代品，但是需要注意将氢氰酸含量降低至无毒水平，以及平衡氨基酸、维生素、矿物质和必需脂肪酸。虽然在动物营养领域对木薯作为能量饲料的应用进行了广泛研究，但是在商业饲料中木薯尚未被完全采用，木薯仍旧被主要用于生产工业乙醇。究其原因，一是由于受到品种、栽培条件、植龄、加工过程等因素影响，木薯产品的营养价值缺乏一致性；二是木薯营养价值数据库、木薯替代玉米的新型饲粮配方体系还不够完善；三是木薯产品的市场供应量和价格影响其饲料应用。未来仍旧需要继续培育和筛选饲料用的优质木薯品种，研究在不同条件下种植和加工木薯产品，建立标准化的木薯生产加工流程和制定完善的饲用产品标准，研究不同形式和饲料配方的木薯产品对动物生产性能、繁殖性能及产品品质的影响，并探讨酶制剂及其组合提高动物生产潜力的可行性。

参考文献：略

作者：冀凤杰、曹婷、刘胜敏、周汉林

来源：动物营养学报