加工工艺对饲料营养物质组成、消化率和抗营养因子等指标的影响

韩浩月 译自 268(2020)114576

孟祥光 校 张配配 审 韩浩月 制表

饲料成本是家禽和猪生产成本的主要组成部分。饲料成本中最重要的部分是购买饲料原料的支出，其中约95%的支出用于满足动物对能量和蛋白质的需求，3%～4%是向它们提供矿物质和维生素所产生的费用，1%～2%用于支付所购买的各种饲料添加剂。除谷物外，全价料的第二大组成成分是油籽饼粕类原料。植物油生产的副产物可用作饲料的蛋白质原料，在家禽和猪的饲料中，这类原料的平均用量为27.5%。玉米是饲料中的能量原料，豆粕(soybean meal，SBM)是植物性蛋白质的来源，这两种原料是全球家禽和猪的营养中最常见的饲料成分。但是，环境因素和社会因素显著限制了全球许多地区如欧洲对它们的使用，当然也可以用本地产的谷物(如小麦、大麦、黑麦)、豆类(如豌豆、黄豆和羽扇豆)以及油料籽实(如油菜籽)等其他原料替代，这些饲料原料在家禽和猪的饲料中的使用量通常会受自身所含抗营养因子的限制，并且还经常会受到经济压力的影响，因为豆粕和玉米等饲料原料的全球市场价格对其具有显著影响。例如，欧盟成员国的家禽饲料成本差异较大，从法国的292欧元/t到意大利的331欧元/t。但是，乌克兰(242欧元/t)、巴西(244欧元/t)和美国(241欧元/t)等国家自身可供应玉米和豆粕，因此家禽饲料的成本大大低于欧盟的(311欧元/t)。利用技术手段和生物技术提高本地饲料原料的营养价值，并随之增加它们在家禽和猪饲料市场上的份额，这对饲料行业的发展至关重要。近三十年来，饲料生产所用的加工工艺和生物技术已经得到大力的开发，如机械加工(粉碎)、湿热加工(hydrothermal processing，HTP；如制粒、膨胀和膨化)和发酵。尽管这些加工(生物)技术的确进一步增加了饲料成本，但它们可以提高猪和家禽生产的经济效益。

1 粉碎

饲料生产的第一步是粉碎谷物和豆类，而油籽粕和动物性蛋白质在配制饲料前通常已经预先粉碎，微量成分如合成氨基酸、矿物质和维生素通常以粉末或液态的形式供应。在饲料生产中，饲料加工厂通常会将磨碎的籽实与蛋白粉和微量成分混合，然而它们的粒径并不相同。在混合过程甚至混合之后，由不同粒径大小的原料制成的混合物极有可能发生分层。此外，对家禽饲料来说，由不同粒径大小的原料配制的混合饲料一般不均匀，会使攻击性强的家禽大量地采食大颗粒成分，而将粒径较小的颗粒成分留给性情较温顺的家禽。为了避免饲料中原料的分层并得到颗粒均匀的饲料混合物，在生产饲料时常采用细粉碎的原料，或使用辊式粉碎机粉碎颗粒较大的原料。

通常来说，粉碎原料可以增加单位体积内饲料颗粒的数量和表面积，进而可以增加消化酶与营养物质的接触，从而提高饲料中主要营养物质如蛋白质、淀粉和脂肪的消化率。粉碎还能够破坏原料的纤维结构，缩短纤维长度，增加非淀粉多糖(non-starch polysaccharides，NSPs)的溶解度。通常认为，NSPs溶解度增加会提高动物消化道中食糜的黏度。然而，通过粉碎和降低分子量降解NSPs会提高其溶解度，但不一定会增加消化道中食糜的黏度。据推测，某些谷物的纤维结构可能会裹挟所含的营养物质，如淀粉、脂质和蛋白质。而高强度的粉碎能够释放出这些营养物质，使其可被消化酶利用。粉碎程度越细，除了会发生一些常规的问题，如能源成本增加、粉尘增多、流动性降低、粉碎设备损耗外，还可能会影响家禽和猪胃肠道(gastrointestinal tract，GIT)前端的健康、功能和效率。家禽的肌胃(具有研磨功能的胃)专门用于研磨饲料颗粒，由大量强壮的有髓鞘神经的肌肉构成。它在调节饲料流动和家禽的采食量方面也起着重要作用。基本上，给家禽饲喂粉碎过细的日粮会降低肌胃的生理活性，随之会降低对肌胃的机械刺激，因此会导致肌胃无法发挥全部潜能。不发达的肌胃只能作为饲料的传送器官，而非研磨器官，也就无法调节饲料的流动和家禽的采食量。据报道，这种生理现象会导致家禽过度采食饲料，造成营养物质摄入过量，食糜在胃肠道中停留的时间缩短，最终会减少营养物质的消化吸收。猪的胃，特别是胃的食管部(pars oesophagea)，是在食道开口周围的一个小的非腺性区域，是给猪饲喂细粉碎日粮的限制器官。饲料颗粒较细会降低猪胃中食糜的密度，并增加食糜的流动性。未被胃黏膜保护的区域(如食管部)暴露于高浓度盐酸中的风险就会增高，进而导致过角质化、糜烂，最终形成溃疡。

2 湿热加工

2.1 颗粒粒径大小在动物生产上的意义

现今，在生产猪和家禽的饲料时，常用的方法是粉碎加工和湿热加工，如制粒、膨胀或膨化的二次效应的一种折衷办法。湿热加工通过机械压缩(剪切力)，同时施加水分、热量和蒸汽超压，将小颗粒聚集成大颗粒。不可否认的是，湿热加工对饲料的粉尘和浪费、动物的采食量、猪和家禽采食饲料时的能量消耗以及家禽挑捡大颗粒饲料等会产生积极的影响。但是，以上这些加工方法产生的摩擦力和剪切力会进一步减小饲料原料的粒径，从而使饲料混合物的颗粒更细且更加均匀。因此，给猪和家禽饲喂经过湿热加工的饲料后，家禽出现肌胃发育不良以及猪发生胃溃疡的可能性更大。若用含有具有很强耐粉碎性的不溶性纤维(如含有高含量木质素成分)的结构性饲料成分配制饲料，可能会部分抵消湿热加工对家禽造成的负面效应。

有研究指出，家禽饲料所含的不可溶性纤维能够延长食糜在肌胃中的停留时间，这会刺激肌胃的活性，从而促进其生理发育。但是，在经过湿热加工的日粮中添加不溶性纤维并不能防止猪发生胃溃疡。在仔猪日粮中添加25 g/kg的木质纤维素并不会降低溃疡的发生率。据我们所知，尚无试验能够证明湿热加工产生的细颗粒饲料对猪食管部的侵蚀作用可以通过营养方法缓解。

2.2 对抗营养因子的影响

植物源性饲料原料中的植酸、NSPs、单宁、凝集素和酶抑制剂(如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和α-淀粉酶抑制剂)被认为是猪和家禽营养中的抗营养因子。但是，除了NSPs以外，其他被提到的所有抗营养因子都不耐高温，可以利用常见的湿热加工手段来减少或去除，尤其是高强度的湿热加工，如膨胀和膨化。抗营养因子的减少可以提高猪和家禽对日粮中营养物质的利用率和消化率。湿热加工对饲料中纤维或NSPs组分的影响也可以说是破坏性的，这种破坏通常是物理性的，而不是对聚合物的降解。这种破坏对日粮纤维消化率的影响不同于对日粮其他营养物质消化率的影响。湿热加工可破坏纤维的物理结构，从而提高猪和家禽对日粮纤维的消化率，增加NSPs的溶解度和食糜黏度也可以影响营养物质在猪和家禽消化道中的消化和吸收。与制粒加工相比，膨胀和膨化能够更加显著地破坏纤维的结构，提高纤维的溶解度。

然而，应该注意的是，不同来源的NSPs对机械加工或湿热加工提高其溶解度的敏感性不同。例如，经机械加工或湿热加工后，与燕麦、大麦壳和小麦麸中的β-葡聚糖相比，大麦和豌豆中的β-葡聚糖更容易溶解，因为燕麦、大麦壳和小麦麸中的β-葡聚糖位于次生细胞壁中。因此，饲料原料经过制粒甚至粉碎后含有易溶解的NSPs，会提高纤维的溶解度。

2.3 对日粮淀粉消化率的影响

许多研究人员已经全面综述了湿热加工对家禽日粮中淀粉的结构及其消化率的影响。因此，本文仅简要概述。假定湿热加工主要通过淀粉糊化提高猪和家禽对日粮淀粉的消化率，并通过α-淀粉酶提高对淀粉分子的利用率。据报道，在湿热加工过程中，日粮淀粉消化率的提高也伴随着以下副作用：α-淀粉酶抑制剂遭到破坏，细胞壁被损坏，蛋白质结构也因剪切力而受到破坏。Goodarzi Boroojeni等(2016)综述了湿热加工对家禽饲料中淀粉的回肠消化率影响的研究，但是没有一项研究表明，在提高家禽饲料中淀粉的回肠消化率上，湿热加工不优于糊状饲料。此外，一些研究表明，与糊状饲料相比，家禽饲料经制粒和膨胀制粒后，淀粉的回肠消化率更低。这种现象归因于家禽的肌胃发育不良，导致其过度采食饲料，肠道内聚积了过量的淀粉，以及淀粉退化，形成直链淀粉-脂质复合物，内源性淀粉酶失活，并且提高纤维的溶解度会增加食糜的黏度。

但是，大量在猪上的研究发现，湿热加工可以改善淀粉的回肠消化率。如果湿热加工降低家禽日粮淀粉消化率的主要原因是淀粉回生、形成难消化的复合物、内源性淀粉酶失活以及食糜黏度增加等，那么湿热加工降低猪日粮淀粉消化率也应有相关文献，然而并非如此。因此，发生在家禽上的这种现象似乎与动物的种类有关，因家禽肌胃发育不良导致的采食过量饲料以及肠道中淀粉积聚过量应该是造成这种现象的主要原因。

2.4 对日粮蛋白质消化率的影响

湿热加工期间温度升高会导致蛋白质多肽链发生热运动，使蛋白质的三维结构断裂，在冷却过程中形成新的共价键，并最终导致蛋白质结构重组，这种变化称为蛋白质变性。蛋白质的变性温度(denaturation temperature，DT)取决于其自身的氨基酸组成和结构的复杂性。相关研究在评估了15种不同的蛋白质后发现，蛋白质的DT与其含有的天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、赖氨酸、亮氨酸、精氨酸、色氨酸和酪氨酸残基的合计百分比之间存在很强的正相关性(r＝0.98)。此外，蛋白质的DT与其含有的丙氨酸、天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸、缬氨酸和酪氨酸残基的总百分比之间存在很强的负相关性(r＝－0.975)。蛋白质的α螺旋结构通常不如β折叠结构稳定。当α螺旋结构占据较大的比例时，蛋白质的DT通常较低。湿热加工时增加的水分也会破坏蛋白质的稳定性，从而降低DT。但是，不同类型的蛋白质对因水造成的不稳定的敏感性不同。

例如，在高水分含量时，某些蛋白酶在温度高于40 ℃时会发生变性并且失活，而其他蛋白质却可以承受80 ℃以上的温度。当水分含量为16%时，小麦面筋在室温下容易变性，而玉米面筋则需要更高的温度才会发生变性。上述结果是由于对水分更敏感的蛋白质含有较小比例的交联结构，并且其对水的吸收更加敏感。此外，研究证明，与含有较高比例的亲水氨基酸的蛋白质相比，含有较高比例的疏水氨基酸，特别是含有苯丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸的蛋白质，其DT趋于更高。

植物源性饲料原料所含的蛋白质通常可分为结构蛋白质、生物活性蛋白质和储存蛋白质。种子的总蛋白质含量大多来源于储存蛋白质，后者同时决定了蛋白质的营养品质。例如，各种谷类种子的赖氨酸、苏氨酸和色氨酸含量小，而豆类种子的半胱氨酸和甲硫氨酸含量低，这是由于这些氨基酸在它们的主要储存蛋白质如白蛋白、球蛋白和谷醇溶蛋白中的比例较低。与酶、凝集素和酶抑制剂等具有生物活性的蛋白质相比，植物源性饲料原料所含储存蛋白质具有相对更为复杂的结构。因此，储存蛋白质抵抗不稳定因素的能力更强，高温和高湿才能导致其变性。球蛋白是向日葵的一种储存蛋白质，当水分含量从30%降低至0时，向日葵中的球蛋白的DT从120 ℃升高至190 ℃。大豆球蛋白(11S球蛋白)是大豆的主要储存蛋白质之一。它的DT在水分含量为94%时为93 ℃，当水分含量降至29%时线性提高至170 ℃。当水分含量低于29%时，大豆球蛋白的DT则无法检测到。膨胀和膨化加工过程中的水分含量高于制粒过程中的，但通常低于29%。考虑到普通湿热加工过程中的水分含量和温度，豆类和油料籽实的储存蛋白质似乎具有太过复杂的结构，因而无法通过普通的湿热加工完全变性。鉴于这些蛋白质是家禽和猪饲料中蛋白质和氨基酸的主要组成部分，因此家禽和猪饲料中的蛋白质因湿热加工而变性的程度可能没有假设的那么大。但是，对于那些在湿热加工过程中变性的蛋白质，原本内向性的疏水氨基酸会向外弯曲，因此会降低蛋白质的溶解度。蛋白质在动物胃肠道中的溶解是蛋白质消化主要的前提步骤之一。有研究发现，饲料中的氮在肉鸡体内的沉积量与颗粒饲料的蛋白质溶解度之间呈正相关。因此推定，可以忽略不计湿热加工对饲料中蛋白质的化学和物理特性及其在肉鸡胃肠道中自身消化的直接影响，如果有的话，不一定会提高蛋白质的消化率。Goodarzi Boroojeni等(2016)收集并回顾了2016年前的研究，并调查了常见的湿热加工对家禽饲料中蛋白质和氨基酸的回肠消化率的影响。仅一项由Al-Marzooqi和Wiseman(2009)进行的研究报道了湿热加工能够降低氨基酸回肠消化率，其他探讨湿热加工(特别是膨胀和膨化加工)对蛋白质和氨基酸的回肠消化率影响的研究表明，湿热加工不会影响蛋白质和氨基酸的回肠消化率，或不会提高它们的回肠消化率。报道膨胀和膨化加工会提高日粮蛋白质和氨基酸消化率的研究通常使用了已知含有大量抗营养因子的饲料成分。当猪的饲料原料含有大量抗营养因子时，膨化加工也可以提高日粮蛋白质和氨基酸的回肠消化率。在一项以生长猪为试验对象的研究中，未经处理的豌豆在75 ℃、115 ℃或155 ℃的温度下膨化，或在75 ℃温度下制粒，结果日粮粗蛋白和氨基酸的表观回肠消化率(apparent ileal digestibility，AID)和标准回肠消化率(standardized ileal digestibility，SID)随着膨化温度的升高而提高。此外，除精氨酸和脯氨酸外，豌豆制粒后所含粗蛋白和氨基酸的AID和SID与未经加工的豌豆的相似，但低于经膨化加工的豌豆的。Owusu-Asiedu等(2002)还报道了与未经加工的豌豆相比，大多数膨化加工的豌豆所含的氨基酸的AID更高，包括赖氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸和缬氨酸。与制粒和未经加工的日粮相比，对低纤维日粮(含有玉米和豆粕)、中纤维日粮[含有玉米、豆粕和250 g/kg干酒糟及其可溶物(Distillers Dried Grains，DDGS)]、高纤维日粮(含玉米、SBM、250 g/kg DDGS、200 g/kg大豆皮)进行膨化加工或膨化加工再结合制粒，可以改善日粮粗蛋白和大部分氨基酸的AID。另一项评估膨化加工对大麦、豌豆、马铃薯淀粉与麦麸的混合物（4∶1，potato starch and wheat bran，PSWB)作用的研究发现，大麦和豌豆型日粮粗蛋白的AID有所提高，但不影响PSWB日粮粗蛋白的AID，因为PSWB日粮中的蛋白质大多数并非来源于被检测的饲料原料，而是以添加酪蛋白的形式提供。对用经过0或60 min蒸脱的菜籽粕(rapeseed meal，RSM)配制而成的生长猪日粮进行制粒，日粮粗蛋白的AID未受到影响。但是，对用经过120 min蒸脱的RSM配制而成的日粮进行制粒，日粮粗蛋白的AID较糊状日粮的提高了9.3%。与糊状日粮相比，RSM型日粮膨化经过0、60 min和120 min的蒸脱后，其粗蛋白的AID分别提高了3.4%、4.3%和6.9%。制粒和膨化也有助于提高日粮赖氨酸和活性赖氨酸的AID，尤其是当日粮含有经过更高强度蒸脱的RSM时。这些有益效应是由于日粮在加工后所含的中性洗涤不溶性氮减少、细胞壁破裂引起蛋白质释放以及制粒和膨化过程中的剪切力减小了蛋白质聚集体(由于蒸脱过程形成的)的颗粒大小所致。综上所述，当日粮含有蒸脱的RSM时，制粒和膨化可以抵消蒸脱对日粮粗蛋白和氨基酸消化率的负面影响。家禽和猪饲料中的蛋白质和氨基酸的消化率不仅仅取决于饲料所含多肽的结构和氨基酸的属性，抗营养因子(例如蛋白酶抑制剂、丹宁酸、NSPs和植酸)的存在和浓度、食糜黏度和排空速率都会显著影响经过加工的家禽和猪饲料中的蛋白质和氨基酸的消化率。湿热加工可以降低日粮中热不稳定性抗营养因子的含量，这解释了为什么诸多文献报道，含有大量抗营养因子的饲料原料经膨胀或膨化加工后，对蛋白质和氨基酸的消化率会产生有利的影响。此外，Ginste和De Schrijver(1998)推测，湿热加工对植物源性饲料原料细胞结构的破坏或转化会释放出被包裹的蛋白质，这种释放产生的积极作用可能超过了蛋白质变性对蛋白质消化率的负面影响。

值得注意的是，在储存蛋白质中，有一些蛋白质的结构较简单，它们具有潜在的致敏性。例如，谷醇溶蛋白超家族是一种储存蛋白质家族，其中几种蛋白具有致敏性，如2S白蛋白和大豆疏水蛋白。免疫反应蛋白会激发家禽和猪的肠道相关免疫系统。蛋白质的变性会直接影响它们的功能特性。湿热加工会使抗原或过敏原蛋白变性，导致天然蛋白分子上的抗原位点被肠道中的抗原识别细胞感应并破坏。

为了防止肠道黏膜组织损伤，并使消化和吸收功能保持在最佳水平，应尽量减少动物对饲料衍生抗原的不良免疫反应。因此，湿热加工可使饲料中的抗原或致敏性蛋白发生变性，进而促进猪和家禽的消化吸收过程。然而，应该考虑的是，有时变性蛋白会展开或与饲料中的其他营养分子发生化学反应，从而会暴露出新的抗原位点。

2.5 对饲料卫生的影响

高质量的家禽和猪饲料不仅需要确保其能够提供动物所需的营养物质，还要保证自身具有良好的卫生状况，这些会直接影响动物的健康和食品安全。众所周知，湿热加工可以减少饲料中细菌的污染水平。饲料与高温的接触时间在确保湿热加工的功效上起着重要的作用。饲料中肠炎沙门菌的数量随着湿热加工时间的延长(水分为5%、10%和15%时，温度设定为71.1 ℃、76.7 ℃和82.2 ℃)呈线性减少。高温与水的协同作用会影响食源性病原体的存活率。想要通过制粒杀灭饲料中的沙门菌、大肠杆菌，建议调质温度为85.7 ℃，暴露时间为4.1 min，水分含量为14.5%。虽然在室温下饲料中的羰基化合物(还原糖类)和氨基化合物(氨基酸和蛋白质)也可能会发生美拉德反应等不良反应，但相对较高的温度、湿度和较长的暴露时间可能会增加发生美拉德反应以及导致氨基酸降解的风险。据报道，与饲料在70 ℃下制粒以及在110 ℃和130 ℃下膨胀3 s～5 s相比，在85 ℃下进行长达3 min的调质会降低饲料中氨基酸和粗蛋白的AID。因此，McCapes等(1989)建议在85.7 ℃下调制4.1 min可能过长，并且可能对营养物质的消化率产生负面影响。这种负面影响可能是由美拉德反应或热不稳定性氨基酸(例如赖氨酸、精氨酸和组氨酸)的降解引起的。在热加工过程中增加水分和提高温度可以缩短杀灭沙门菌和大肠杆菌等食源性病原体所需的暴露时间。当水分含量从5%提高到15%后，杀灭肠炎沙门菌所需的在高温下的暴露时间随之减少。例如，在温度为82.2 ℃和水分含量为5%的条件下加热20 s和80 s后，肠炎沙门菌分别被杀灭了65%和86%。而当温度为82.2 ℃、水分含量分别为10%和15%时，加热20 s可分别杀灭97%和近乎100%的肠炎沙门菌。膨胀加工和膨化加工所设置的最高温度和水分含量(分别为高于100 ℃和至少18%)通常高于制粒工艺的设置值。当膨化温度为77 ℃～110 ℃(出口温度)、水分含量为24.5%～34.5%以及暴露时间为3 s～11 s时，饲料中的鼠伤寒沙门菌能够被完全灭活。因此，膨胀加工和膨化加工的高温和高湿可以弥补制粒加工所需的较长的暴露时间，McCapes等(1989)建议为4.1 min。值得注意的是，经过湿热加工的饲料仍然存在二次污染的风险，尤其在冷却过程中。这主要是由于饲料厂中的粉尘污染以及冷却器内的水凝结为细菌的生长提供了有利条件。使用高效空气过滤器可以降低这种风险，其原理为将温度合适的空气注入冷却器内并保持冷却器壁和冷却器顶部的温度高于露点。此外，在饲料中添加有机酸也有助于防止二次污染。

3 小结

通过改善饲料的卫生状况、减少饲料的浪费、增加动物的采食量、减少动物采食饲料时的能量消耗、减少饲料中的过敏原蛋白和抗营养因子的含量，湿热加工饲料有助于家禽和猪的生产效益。然而，湿热加工会影响家禽日粮淀粉的回肠消化率，但有利于猪日粮淀粉的回肠消化率。与目前的看法相反，湿热加工对饲料中蛋白质的化学和物理性质及其消化率的直接影响可以忽略不计，如果有的话，也不一定会提高蛋白质的消化率。但是，膨胀加工和膨化加工可以减少饲料中抗营养因子的含量来提高家禽和猪日粮蛋白质和氨基酸的消化率。