玉米加工方式对肉牛淀粉利用率和生产性能影响的研究进展

史长笑，李英齐，苏华维

（中国农业大学动物科学技术学院，动物营养学国家重点实验室，北京 100193）

近年来，我国玉米产量趋于平稳，但随着我国畜牧业的快速发展，玉米的需求量总体呈上涨趋势。据统计，我国玉米总产量的70% 被用于畜禽饲料。2020年的玉米产量同比2011 年增长23.35%，进口量同比2019 年增长135.7%。预计到2030 年，玉米需求将超过3 亿t，国内产需缺口将达到2 500 万t 以上。受到2020 年新冠疫情、生猪产能恢复、全球经济下滑等因素影响，玉米的价格连连上涨，饲料成本成为困扰畜牧业发展的最大难题。在肉牛养殖业中，为了使育肥中后期的肉牛尽快达到出栏体重，通常使用以玉米为主的高精料进行催肥，玉米使用不当容易造成饲料浪费，无形之中增加了饲养成本，如何科学利用玉米成为了亟待解决的生产问题。本文综述了反刍动物利用淀粉的机理、不同客观性质及加工方式的玉米对肉牛生产性能和淀粉利用的影响、淀粉消化率预测模型的建立，并重点关注干加工、蒸汽压片、湿贮等工艺对玉米产生的具体效果，为生产者选择玉米加工方式提供可靠的参考。

1 反刍动物利用淀粉的机理

淀粉作为植物碳水化合物的主要储存方式，在天然状态下以淀粉颗粒的形式存在，淀粉颗粒包括由支链淀粉组成的结晶区、直链淀粉以及非结晶支链淀粉组成的无定形区。一般情况下，谷物淀粉通常由16%～35% 的直链淀粉和65%～84% 的支链淀粉组成，而普通玉米的直链淀粉含量为22%～27%，蜡质玉米仅含2%直链淀粉，而高直链型玉米的直链淀粉含量高达50%～80%。随着玉米成熟度的提升，直链淀粉与支链淀粉的比例也随之上升。

肉牛可以通过瘤胃中细菌、原虫、真菌对淀粉进行分解利用，具体降解变化：淀粉→麦芽糖→葡萄糖-6-磷酸→果酸-6-磷酸→果糖-1,6-二磷酸→丙酮酸→挥发性脂肪酸（VFA）+CO+CH+少量乳酸，碳水化合物在瘤胃中的主要发酵途径见图1。没有在瘤胃中被分解的淀粉会在小肠中酶解为葡萄糖被吸收，具体过程与单胃动物相似。首先-淀粉酶将淀粉分解为小分子多糖，然后被小肠上皮细胞分泌的低聚糖酶分解为葡萄糖，经转运载体被小肠上皮吸收。其余淀粉进入大肠被微生物发酵分解或直接通过粪便排出体外。淀粉经过整个消化道的分解吸收，可以作为主要能量物质提供反刍动物机体能量需要的70%～80%。

图1 碳水化合物在瘤胃中的主要发酵途径[11]

2 玉米客观性质对其淀粉营养和肉牛生产性能的影响

玉米的淀粉营养会受品种、产地、年份、储存条件等客观因素影响，其中品种对玉米品质的影响最大，美国玉米品种主要是马齿型玉米，淀粉含量61%～78%，平均为71.7%，而我国主要种植半马齿型和硬粒型品种，淀粉含量为71%～75%。储存温度也是影响玉米淀粉含量的重要因素。有研究发现，在15℃条件下储存6 个月的玉米中，淀粉含量比24℃条件下高1.33%；高温会对玉米淀粉含量产生负面影响，应尽量选择19℃以下进行长期保存。玉米的淀粉储存于胚乳中，根据淀粉与蛋白质基质相结合的程度，胚乳被分为玻璃状胚乳（角质胚乳或硬质胚乳）和粉质胚乳，玻璃状胚乳的淀粉颗粒紧密地压缩于蛋白质基质之间，胚乳组织坚实且透明；粉质胚乳的淀粉颗粒与蛋白质基质结合比较松散，胚乳组织疏松且不透明。将不同品种玉米籽粒根据胚乳玻璃化程度的高低进行区分，由高到低分别为爆玉米、硬粒型玉米、马齿型玉米、粉质玉米。淀粉颗粒表面的醇溶蛋白为玉米胚乳的主要储存蛋白，其含量受胚乳类型的影响，即玻璃状胚乳中玉米醇溶蛋白含量较高。玉米胚乳玻璃化程度和淀粉与蛋白质基质结合的紧密程度以及玉米醇溶蛋白含量呈正相关。对14 种马齿型玉米（平均胚乳玻璃化程度48.2%）和5 种硬粒型玉米（平均胚乳玻璃化程度73.1%）进行体外发酵，结果表明玻璃化程度越低，瘤胃淀粉降解速率越快、利用程度越高；另一项以4 种胚乳玻璃化程度不同的马齿型玉米为原料的试验也显示出玻璃化程度越低，淀粉被利用的程度越高；胚乳玻璃化程度越高，淀粉全消化道消化率（TTD）越低，肉牛的增重效率越低。

3 玉米加工方式对肉牛淀粉利用率和生产性能的影响

虽然胚乳玻璃化程度的升高会导致淀粉利用效率降低，但是这种负面效应可以通过一定的加工处理方式进行消减。玉米的加工方式主要有粉碎、干碾压、蒸汽压片、湿贮等，这些方法通过破坏玉米结构（表1），从而影响肉牛对淀粉的消化利用。

表1 不同加工方式对玉米和肉牛消化的影响[29]

3.1 干加工玉米对肉牛生产性能和淀粉利用率的影响常见的干加工方法有破碎、粉碎、碾压等，通过破坏玉米的物理结构，增加瘤胃微生物和消化酶与胚乳的接触面积，相当于在饲喂前提前模拟了一次咀嚼，更有利于淀粉的利用。

从目前的试验结果来看，整粒玉米和干加工玉米的饲喂效果仍存在争议。Gorocica-Buenfil 等认为，破碎玉米和整粒玉米TTD 均能达到95%，虽然使用整粒玉米饲喂的肉牛粪便中明显可见未消化的玉米籽粒，但是二者粪便淀粉含量差异不大。Owens 等研究表明，干加工玉米相较于整粒玉米并没有提高TTD；此后其对164 个饲养试验的数据进行综合分析后发现，整粒玉米的代谢能和饲料转化效率（日增重/采食量，G:F）均优于干碾压玉米，这可能是因为粗饲料占比较少，整粒玉米可以给肉牛提供更多的反刍时间，在控制瘤胃酸中毒的同时提高了整粒玉米的利用程度。但是在另外一些研究中，饲喂整粒玉米会使干物质采食量（DMI）增加3.2%，日增重（ADG）降低2.5%；而经过干加工后的玉米有更高的ADG 和G:F，并且在粪便分析对比结果上也显示出饲喂干加工玉米的淀粉浪费更少。对比自由采食和限饲2 种模式，自由采食整粒玉米和干碾压玉米的牛具有相似的TTD（分别为96%和97.1%）；但在限饲时，整粒玉米比干碾压玉米的TTD 降低8%。而分别给2 种阉牛饲喂整粒玉米和干加工玉米，结果显示不同牛种对淀粉消化率没有显著差异，但是玉米经过干碾压或粉碎后的TTD 均比整粒玉米提升5%。

加工后的玉米颗粒度是最应受关注的指标。一项由俄克拉荷马州立大学进行的调查显示，粉碎至粒径1.744 mm的玉米能够带来最高的养殖效益；万发春等也认为，玉米粉碎至2 mm 能带来最高的利润，更小的粒度虽然会带来更高的淀粉消化程度，但是肉牛的生产性能差异并不显著。同时，玉米颗粒度对肉牛生产性能的影响受日粮中粗饲料水平的影响，而增加粒径后，采食行为会更加均匀地分布在每一个测试时间段内，发酵速率降低，能够有效缓解瘤胃酸中毒，不同粉碎粒度的玉米组合添加在生产上也有积极效果。

3.2 蒸汽压片玉米对肉牛淀粉利用率和生产性能的影响蒸汽压片工艺最早在20 世纪60 年代被提出，即先采用蒸汽对玉米进行调制，然后由辗辊加工成薄片，由于实践效果良好，现在广泛应用于肉牛生产。

蒸汽压片玉米饲喂肉牛能够带来良好的生产效果，与干加工玉米相比，使用蒸汽压片玉米饲喂肉牛可以使ADG 提升6.3%，同时DMI 降低5%。不过有学者对其试验条件稳定性提出质疑，并分别在限饲和自由采食的试验条件对干碾压玉米和蒸汽压片玉米的饲喂效果进行比对，虽然限饲条件下蒸汽压片玉米ADG 更低，但是在自由采食条件下，蒸汽压片玉米替代干碾压玉米可提高ADG 和G:F，综合来看，蒸汽压片工艺在2 种试验条件下均对玉米净能和饲养效益有积极作用。近期也有试验表明，用4 种不同水平粗饲料饲喂内洛尔牛，蒸汽压片玉米的饲喂效果比粗粉碎玉米（粒径3.2 mm）更好，可使DMI 降低7%，并使ADG、G:F 分别提高10.6%、19%，同时蒸汽压片玉米的维持净能（NEm）和增重净能（NEg）较粗粉碎玉米分别高14.9%和19.4%；并且相较于细粉碎玉米（粒径1.3 mm），使用蒸汽压片玉米的肉牛ADG、G:F 都更好。

蒸汽压片工艺的优良效果是由于在水、热、力共同作用下，使淀粉颗粒发生了凝胶化或糊化反应，破坏了蛋白质基质和结晶结构，多糖溶解并从破裂的淀粉颗粒中扩散出来，从而使淀粉TTD 提升。蒸汽压片玉米的质量可以从压片厚度、容重、淀粉溶解度和酶活性4 个方面进行判断，而蒸汽箱温度、蒸汽处理时间、对辊表面起伏纹路、辊轮间隙、辊轮张力是决定质量的5 个因素。最受关注的蒸汽压片玉米容重有一些不同的推荐建议，如260～360 g/L、309～412 g/L、310～390 g/L等。Zinn 等认为，容重过高有可能会诱导瘤胃酸中毒和瘤胃臌气的发生，并且不会带来更高的淀粉TTD。目前，美国国家科学、工程和医学院推荐的蒸汽压片玉米容重范围是310～360 g/L。而关于新型加压蒸汽压片装置的研究提出，最适加工温度为100～105℃，最佳调制时间为700～720 s，压片玉米的厚度需要控制在2.5～3 mm。

3.3 高湿玉米对肉牛淀粉利用率和生产性能的影响 高湿玉米（又称高水分玉米、湿贮玉米）是指将水分含量为28%～32%的玉米籽粒收获后经过粉碎、加工、压窖、封窖进行厌氧发酵后的产物。国外在20 世纪50 年代就开始将高湿玉米应用在反刍动物生产上。高湿玉米具有早收割、省加工、产量高、营养保存好、淀粉瘤胃消化率高等优点，但目前在我国肉牛生产上应用并不广泛。

有研究表明，给12 月龄阉牛饲喂破碎高湿玉米后其ADG 和G:F 均均优于整粒高湿玉米、干碾压玉米；Hopfauf 等认为，相比于干碾压玉米，用高湿玉米饲喂肉牛可以提升G:F。综合来看，高湿玉米NEm 比干碾压玉米提高6%，肉牛TTD 提高近10%，与传统的干加工方式相比，饲喂高湿玉米会使肉牛ADG 降低0.8%，DMI 降低6.6%，G:F 增加18.3%。由于原料和制作工艺存在一定差异，高湿玉米饲喂肉牛的效果并不稳定，这与高湿玉米较高的瘤胃消化率有关，并且淀粉消化率和消化速率会随着湿贮原料加工时水分含量的增加而提高，这就需要在制作高湿玉米时寻找最佳的湿贮水分含量和贮存时间以避免肉牛发生瘤胃酸中毒，并且在使用高湿玉米时，进行更精准的营养测定和更科学的饲料配比。

将高湿玉米与干加工谷物联合使用（高粱组合、与干玉米组合、与小麦组合等）可取得正向效果。此外，应用高湿玉米会对肌内脂肪酸的比例产生影响。Silva 等研究表示，使用高湿玉米会提高背最长肌多不饱和脂肪酸（PUFA）和共轭亚油酸CLA（c9，t11）的水平。Archibeque 等发现，杂交牛饲喂高湿玉米的淀粉消化率较干碾压玉米更高，粪便中用于微生物发酵的淀粉较少，这对减少粪便中恶臭味化合物的合成有积极作用，是一种减轻肉牛养殖场气味的有效方法。

不同加工方式处理的玉米会不同程度地影响肉牛对淀粉的消化利用（表2）。总的来说，蒸汽压片玉米对肉牛TTD 和生产性能的提升效果最好，但是具体使用何种加工方式还需要综合考虑生产效果是否能弥补加工成本的增加。对比干碾压玉米、蒸汽压片玉米、高湿玉米在不同规模肉牛场使用的加工成本发现，蒸汽压片玉米的加工成本最为昂贵，但是蒸汽压片玉米对提升饲料效率最具优势。干加工玉米可能更适合小规模的育肥场，高湿玉米的经济回报有较大的可变性。针对育肥后期肉牛，万发春等倾向于使用粒径2 mm的玉米粉，而王洪亮等则认为蒸汽压片玉米能够带来最高的收益。因此，选用何种加工方式在具体应用中还需进行综合考量。

表2 不同加工方式玉米对肉牛消化和能值的影响

4 淀粉消化率预测模型的建立

对于反刍动物淀粉利用的研究在奶牛上已较成熟。张霞等认为，奶牛粪便淀粉含量应小于5%，在摄入同样干物质的情况下，粪便淀粉含量每减少1%，产奶量增加0.3 kg。通过精准调控淀粉摄入可以降低产奶成本；Fredin 等应用近红外反射光谱法预测粪便淀粉含量，从而确定淀粉TTD。针对提高肉牛对高精料的利用，通过测算肉牛饲料和粪便中的淀粉可以计算淀粉的TTD，并能够建立粪便淀粉含量与淀粉消化率的估测曲线模型（图2），也有学者通过近红外光谱分析法将粪便成分与肉牛TTD 联系起来并建立模型，其中淀粉TTD 的验证系数大于0.94，预测准确程度较高。但是将粪便淀粉含量作为淀粉TTD 测定的指标仍存在一定缺点，淀粉TTD 受到玉米品种、玉米加工方式、饲料配方、肉牛类型（体重、饲养阶段、遗传背景等）、DMI 等因素的影响，而且能否通过大量样本消除模型误差仍然有待验证。

图2 粪便淀粉含量与全消化道淀粉消化率的关系[78]

5 总结

玉米的品种、产地、加工方式等因素均会使肉牛对其淀粉利用率产生影响，而最直接的途径便是利用合适的加工方式使玉米能量利用最大化。在不考虑加工成本的情况下，蒸汽压片是最值得推荐的加工方式，但2 mm粒径玉米粉饲喂肉牛产生的经济效益并不逊色于前者。生产者可以通过分析粪便淀粉含量来评估淀粉的利用率，并对于是否改变玉米加工方式进行决策。就目前玉米价格趋势来看，不同加工方式玉米进行组合添加的饲喂效果与玉米和其他能量饲料不同比例添加的饲喂效果仍然值得进一步探讨。