谷物淀粉加工处理及在奶牛生产中的应用

1.前言
谷物饲料是反刍动物的重要能量物质。在常见的谷物籽实中，淀粉的含量较高(约占52%-78%)，容易被动物消化吸收，并且利用效率高。淀粉在瘤胃中降解的终产物为挥发性脂肪酸（VFA），VFA的营养意义在于能够为反刍动物提供能量需求的70%-80%。近四十多年来，由于西方一些国家的谷物饲料的价格低于干草的价格，谷物产品被广泛用作反刍动物生产的主要饲料。在我国，谷物饲料应用也非常广泛，但价格通常高于干草。一般来说，加工处理可在一定程度上改善瘤胃微生物及总消化道的营养利用效率（韩正康，1988），因此，对谷物饲料进行加工处理以提高其利用率的研究十分必要。
2. 谷物淀粉的营养生理作用及其加工的必要性
淀粉在瘤胃内大部分被微生物发酵为VFA，一部分VFA作为碳架，被整合为微生物蛋白；另一部分VFA经瘤胃吸收进入血液参与代谢。未被瘤胃降解的淀粉直接进入皱胃和小肠（过瘤胃淀粉），在消化酶的作用下分解为葡萄糖后被吸收利用。小肠中未被消化吸收的淀粉和葡萄糖，在进入到大肠后又被微生物发酵,部分吸收后，排出体外。
淀粉在瘤胃中迅速降解，仅有少量淀粉能够逃过瘤胃发酵而直接进入小肠（约占10%-30%），而且VFA的迅速生成会降低瘤胃的pH值，这样就破坏了瘤胃发酵的正常进行，造成饲料分解和微生物合成之间不平衡。保持一定比例的淀粉对于有效利用瘤胃中的N源和提高微生物蛋白质合成效率是必须的，但过量的淀粉在瘤胃中发酵会导致瘤胃内环境的改变，影响营养物质的利用效率，甚至引起代谢疾病。如果日粮中的一部分非结构性碳水化合物NSC（淀粉及非淀粉多糖等）能够避免瘤胃发酵，动物的生产力会提高（Bruchem,1991）。因为逃过瘤胃发酵的NSC不但能为动物提供更多的葡萄糖，而且可以防止瘤胃发酵损失（Tamminga,Jansman, 1993）；为动物提供的葡萄糖可以作为乳糖的重要前体，节省氨基酸的利用，并可提高奶牛的产奶量。
对谷物饲料进行加工处理可以在一定程度上调控瘤胃降解淀粉和过瘤胃淀粉的比例，使动物发挥出最佳的生产性能。
3.加工处理对谷物淀粉营养价值的影响及其可能机理
加工处理可以改变淀粉在整个消化道的消化部位和消化程度（Huntington, 1997）。加工处理的方法很多，主要包括物理加工（如膨化烘烤制粒破碎磨碎碾压蒸汽压片等）、化学加工（如碱处理）和生物学加工（如酶制剂）等。目前生产中应用较多的是对谷物饲料进行物理加工。加工的时间、温度、水分含量和颗粒大小都会影响加工效果。
淀粉表面被蛋白质基质和脂肪所包围，其表面有时也有锯齿小沟裂缝或小孔，可作为微生物和酶进攻的位点。一些加工处理方法（破碎磨碎碾压）可破碎谷物颗粒的外种皮，使其颗粒减小，表面积增加，增大瘤胃微生物和酶进入的机会，加快瘤胃对淀粉的消化速度,从而提高其营养价值。
生淀粉（β-淀粉）的分子排列紧密，能形成囊状的胶囊，彼此的间隙较小，但在水中加热时，部分胶囊会被溶解，形成空隙，水分子便可由此渗入淀粉分子的内部；再继续加热达到糊化温度时，胶囊会全部崩溃，分子间键断裂, 形成的糊化淀粉（α-淀粉）更易被酶消化。膨化就是当水分处于高温、高压条件下，突然减压，瞬间汽化，填充在间隙内的水产生强大的膨化力，促使淀粉体积膨胀而呈多孔状。
不同的加工方法会使谷物淀粉的瘤胃降解率发生改变。大多数情况下，用蒸汽和剥皮结合处理（例如蒸汽压片、膨化挤压）可使瘤胃淀粉降解率提高，而烘烤处理则使瘤胃淀粉降解率显著降低（Nocek，Tamminga,1991）。
大多数加工方法使瘤胃中的淀粉降解增加，通常也使进入小肠的淀粉的消化增加，有时可能对过瘤胃淀粉的增加更有利（Owens,Zinn，Kim, 1986）。与精细磨碎的玉米相比较，饲喂整粒的玉米使瘤胃淀粉降解率降低；较大颗粒的淀粉可能不易被小肠内的酶消化，而且颗粒和密度较大的玉米颗粒流通加快，使整个消化道的降解率降低。（Owens,Zinn，Kim,1986）。
加工处理必须掌握一个“度”，否则过犹不及。高温长时间加工时，可能使淀粉过度保护，碳水化合物与氨基酸发生美拉德反应(Millard Reaction)，形成复杂的化合物，既不能在瘤胃中降解也不能在小肠中消化。
4.谷物淀粉的加工处理在奶牛生产中的应用
据Y.Ying 报道,在干乳期及泌乳期饲喂高水分玉米(HMC),可提高奶牛瘤胃内有机物和淀粉的消化率,增加瘤胃VFA的浓度。由于饲喂HMC，减小了瘤胃食糜的流出速度，从而改善了淀粉的消化率，但整个消化道的淀粉消化率未见提高。 R.B.Reis认为，饲喂HMC和精细粉碎的玉米，改善了奶牛各消化器官的干物质（DM）和淀粉的消化率，提高了产奶量。B.P.Glem 报道，HMC：DC（低水分玉米）为6：4时, 提高了干物质采食量（DMI）和产奶量。
L.G.Nussio 等人发现，用蒸汽压片处理（SF）玉米时，提高淀粉消化率的效果要比细粉碎处理好，但出现了瘤胃pH值和纤维素消化率降低的现象，尽管提高了产奶量，但乳脂率有所下降。Huber认为饲喂压扁薄片处理的高粱，在瘤胃内降解率高于其他加工处理方法，试验效果最理想。与未处理的高粱相比，尽管产奶量没有差异，但提高了饲料利用率和乳蛋白含量。这可能与瘤胃微生物合成数量增加有关。
有研究表明，粒度变小可以增加淀粉降解率(Thomas等,1988;Cerneau， Michalet, 1991)。奶牛饲料经过制粒处理，玉米淀粉瘤胃降解率从56%提高到62%，大麦淀粉从92%增加到94%，木薯淀粉从93%提高到96%。因为粒度减小时降解速度加快，同时可能瘤胃流通速率也高，这样会对慢速降解的纤维物质的降解率不利，而中速降解的淀粉的降解率则增加。
Peisker(1993) 报道，给奶牛饲喂膨化饲料比饲喂未膨化饲料产奶量提高。但有相反的结论，Arieli等（1995）研究认为膨化处理导致淀粉在瘤胃的降解率减少。Goelema(1999)则认为：膨化处理时的剪切力造成颗粒变小，而颗粒大小与淀粉凝胶化、瘤胃内蛋白质和淀粉的降解率呈负相关。剪切力除了减小颗粒大小，还可能改变了颗粒表面结构使其多孔，使水解容易发生，因而容易在瘤胃中发酵。
5.研究展望
目前，国外的研究主要集中在用各种不同的加工方法处理豆科和禾本科籽实，以改善淀粉在瘤胃和小肠中的降解和消化特性，从而达到优化瘤胃发酵，改善营养物质利用率，提高反刍动物生产性能及减少环境污染的目的。国外采取的加工方法主要有高压膨化、颗粒化、蒸汽压片等。随着加工技术的逐步改进，新的方法还在不断涌现，而且加工处理的方法由定性向定量研究转变。我国在这方面的研究刚刚起步，国内的加工处理还停留在简单的粉碎上，而且加工的费用较高。随着我国畜牧业生产力水平的不断提高，对谷物饲料进行加工处理潜力很大，有待于进一步研究和开发。