雷澤田 王金榮 許繼隆 趙宜豐

(河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，鄭州450001)

作為單胃動物生產(chǎn)的主要能量來源，不同植物來源淀粉的消化率和體內(nèi)代謝特性受到直鏈淀粉、支鏈淀粉組成和淀粉結(jié)晶度的影響[1]。直鏈淀粉是一種線性聚合物，平均由2×103～12×103個葡萄糖單元組成，通過α-1,4糖苷鍵相互連接；而支鏈淀粉則一般由0.4×106～35×106個葡萄糖單元組成，并依靠α-1,6糖苷鍵連接[2-4]。支鏈淀粉分子比直鏈淀粉具有更大的表面積，可以與淀粉酶更好地結(jié)合，而直鏈淀粉的葡萄糖鏈則多通過氫鍵結(jié)合在一起，這使得直鏈淀粉比支鏈淀粉更難被淀粉酶水解[5]。直鏈淀粉以及支鏈淀粉長鏈主要位于淀粉顆粒的無定形區(qū)域，而支鏈淀粉外鏈則多分布于淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)域[6]。根據(jù)植物來源以及支鏈淀粉螺旋堆積方式的不同，淀粉顆粒會表現(xiàn)出3種類型的結(jié)晶：A型結(jié)晶、B型結(jié)晶和C型結(jié)晶，其中C型結(jié)晶是A型結(jié)晶與B型結(jié)晶的組合[7-8]。A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)堆積緊密，可以阻礙淀粉顆粒被分解；B型結(jié)晶結(jié)構(gòu)是土豆、香蕉等塊莖以及水果類淀粉的典型結(jié)晶特征[9]；而C型結(jié)晶結(jié)構(gòu)主要存在于從豆類或植物根部(如豌豆種子或木薯根部)中所提取的淀粉中[10]。由于淀粉結(jié)構(gòu)和組成的不同，淀粉的消化速度以及在消化道的通過時間等性質(zhì)也會產(chǎn)生一定差異。根據(jù)不同的消化速度，淀粉可以被分為快速消化淀粉、慢速消化淀粉以及抗性淀粉[11]。含較多快速消化淀粉的谷物飼料可以在20 min內(nèi)被小腸快速消化吸收并大幅提高血糖峰值[11-12]。另外，育肥豬飼喂含快速消化淀粉的預(yù)糊化馬鈴薯可以顯著促進豬只對能量的消化利用率[13]。慢速消化淀粉也可在小腸中被完全消化，但與快速消化淀粉相比，慢速消化淀粉有著更慢的消化速度，通常在20～120 min內(nèi)被水解完全[11,14]?？剐缘矸蹌t主要在結(jié)腸進行微生物發(fā)酵，產(chǎn)生短鏈脂肪酸和丁酸等物質(zhì)，并可以有效地增強動物飽腹感并減少能量的攝入[15]。對豬飼喂慢速消化淀粉(或抗性淀粉)含量高的飼料不僅可以控制血糖的波動，同時還會延長豬的進食持續(xù)時間和采食間隔[16-17]。不同飼料原料中淀粉消化速度的差異還會影響飼糧中其他營養(yǎng)物質(zhì)的消化特性。Van den Borne等[18]將糊化玉米淀粉和土豆蛋白質(zhì)、大豆分離蛋白質(zhì)作為淀粉和蛋白質(zhì)原料對育肥豬進行了淀粉和蛋白質(zhì)同時飼喂與分別飼喂的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分別飼喂淀粉和蛋白質(zhì)所造成的葡萄糖與氨基酸不同步吸收顯著降低了育肥豬對飼糧中能量、有機物以及非淀粉多糖的表觀消化率。13C富集檢測也證明淀粉和蛋白質(zhì)的不同步消化吸收會增加氨基酸的氧化，并顯著降低育肥豬對蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的利用。除與飼料原料來源有關(guān)外，加工工藝、加工條件等也是影響動物對飼糧中淀粉消化利用的重要因素[19]。在飼料生產(chǎn)中常通過粉碎、擠壓膨化、調(diào)質(zhì)及制粒等方法對飼料原料進行加工處理，這些加工技術(shù)不僅可以改變谷物飼料的顆粒大小，同時還能夠破壞細胞壁并部分糊化淀粉，使淀粉消化速度、消化率等性質(zhì)發(fā)生變化，從而達到改變淀粉消化特性的目的。本文綜述了粉碎、擠壓膨化、調(diào)質(zhì)及制粒等飼料加工工藝對淀粉消化特性的影響，旨在為后續(xù)飼料加工工藝的改善以及淀粉在動物體內(nèi)消化的研究提供理論依據(jù)。

1 粉碎

粉碎是飼料生產(chǎn)的第1道工序，該工藝利用摩擦、碰撞和剪切力等物理作用改變淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)[20-22]。粉碎處理會降低天然淀粉的相對結(jié)晶度，在淀粉顆粒表面形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)，從而可以改變吸水率、溶解度等淀粉理化性質(zhì)并最終對淀粉的消化率產(chǎn)生影響[23-26]。Lv等[20]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)球磨機粉碎處理后，馬鈴薯淀粉結(jié)晶度降低，淀粉吸熱峰值向低溫方向移動，糊化熱由992.4 J/g降至835.9 J/g。同時，研究還指出，粉碎過程可以破壞馬鈴薯淀粉的結(jié)晶區(qū)域并提高消化酶對淀粉顆粒的作用效果，這使得經(jīng)粉碎處理的馬鈴薯淀粉更加容易被消化[20,27]。此外，粉碎還可以通過破壞谷物結(jié)構(gòu)來影響淀粉酶對淀粉的作用速率。研究表明，對小麥籽粒進行粉碎可以較大程度上破壞其細胞壁，減少細胞壁對淀粉酶的物理屏障作用，促進淀粉與胰淀粉酶的有效接觸并提高淀粉消化速率[28-29]。Martens等[30]所進行的13C呼氣試驗也證實粉碎提高了大麥、玉米等谷物淀粉在豬體內(nèi)的消化速度以及胃排空速度。

粉碎粒度會影響飼料的消化及動物的營養(yǎng)吸收，不同粉碎粒度飼料中淀粉的理化性質(zhì)以及消化特性都存在較顯著差異。細顆粒淀粉由于其更低的硬度、更大的比表面積以及幾乎無定形的構(gòu)象往往會具備更高的淀粉消化速度及消化程度[23]。Ratanpaul等[31]利用外源α-淀粉酶、葡萄糖苷酶和胰蛋白酶體外模擬豬口腔、胃及小腸環(huán)境條件，測定了淀粉酶在粉碎的小麥、大麥和高粱等谷物中的擴散速率和淀粉回腸消化率，發(fā)現(xiàn)幾種谷物的淀粉酶酶解速率與其粉碎粒度成反比的平方關(guān)系。通常認為，不同階段豬飼料的最佳粉碎粒度區(qū)間為500～1 600 μm，過細或過粗的粉碎粒度都可能會影響豬對飼糧中營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收[32]。Li等[33]報道，當(dāng)飼糧中糙米粉碎粒度從800 μm提高至600 μm時，斷奶仔豬和育肥豬對飼糧中淀粉以及干物質(zhì)的表觀消化率隨之提高，但400 μm粉碎粒度的糙米的淀粉消化率與600 μm相比則沒有進一步改善。Al-Rabadi等[34]在對不同粉碎粒度高粱與大麥的研究中觀察到，最細粉碎顆粒體外酶解釋放的葡萄糖約是最粗顆粒的10倍。經(jīng)24 h酶孵育后，粒徑小于1.0 mm的大麥中淀粉被完全消化，而粒徑大于1.0 mm的大麥所含淀粉則未被完全酶解。另外，在Al-Rabadi等[34-35]的試驗中，不同粉碎粒度的高粱均未能被淀粉酶完全消化，這可能是由于高粱中較多的抗性淀粉、蛋白質(zhì)以及抗?fàn)I養(yǎng)因子共同阻礙了淀粉酶的作用，也進一步說明了不同來源淀粉消化特性所存在的差異。值得注意的是，粉碎處理飼料中淀粉的有效利用不僅與消化速率有關(guān)，更取決于不同粒度的淀粉在消化道內(nèi)的通過時長，淀粉在小腸中的停留時間越長，谷物淀粉消化越完全[31]。因此，在未來的研究中應(yīng)該更加注重研究不同階段動物對不同飼料的最佳粉碎粒度，探究最佳腸道滯留時間，改善飼料淀粉的消化速率及消化率，以最佳動物生產(chǎn)性能為指征提高飼料的利用率，并實現(xiàn)飼料的精準(zhǔn)加工。

2 擠壓膨化

擠壓膨化可通過高溫、高壓以及剪切力破壞飼料中淀粉的分子間鍵，允許氫鍵位點結(jié)合更多的水分子并使淀粉膨脹并糊化，在原本光滑的天然淀粉顆粒表面形成疏松、多孔的結(jié)構(gòu)[36-39]。此外，與粉碎工藝類似，擠壓膨化也會破壞天然淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)[40]，并降低玉米[41]和大米[38]等多種谷物淀粉的結(jié)晶度。Yang等[42]通過差式掃描量熱分析發(fā)現(xiàn)，擠壓膨化可以通過降低玉米淀粉結(jié)晶度并促進淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)解離來提高玉米淀粉的糊化溫度。對膨化玉米淀粉與普通玉米淀粉進行的熱重分析結(jié)果顯示，在500 ℃時，膨化玉米淀粉的質(zhì)量損失率(82.08%～91.75%)低于普通玉米淀粉(97.25%)；另外，膨化玉米淀粉的殘留量和最大分解溫度均高于原玉米淀粉，這說明擠壓處理后的玉米淀粉與普通玉米淀粉相比具備更好的熱穩(wěn)定性[42]。Spier等[43]認為，擠壓膨化后淀粉糊化溫度的升高是由于淀粉中的聚合物鏈發(fā)生了重新排列，形成了更為穩(wěn)定的構(gòu)型。還有研究指出，擠壓膨化處理會導(dǎo)致玉米中的直鏈淀粉-脂肪復(fù)合體平行排列，并使得淀粉晶體結(jié)構(gòu)由A型轉(zhuǎn)變?yōu)閂型結(jié)晶[44]。擠壓膨化過程所導(dǎo)致的淀粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及淀粉顆粒大小改變會提高淀粉的消化速度和淀粉消化率[45-46]。Martens等[47]指出擠壓膨化處理可以通過增加玉米、大麥等谷物中的快速消化淀粉含量顯著提高飼料淀粉的消化速度，并且得到與粉碎飼糧相比更高的淀粉消化系數(shù)。但不同來源飼料原料擠壓膨化后的消化特性也可能存在一定差異。Rodriguez等[48]在試驗中發(fā)現(xiàn)擠壓膨化改善了育肥豬對玉米、小麥和高粱中淀粉的回腸表觀消化率以及玉米和高粱中能量的全消化道表觀消化率，但未能提高小麥在豬只體內(nèi)的消化能和代謝能。Zaworska等[49]在豬上的研究表明，擠壓處理雖然顯著降低了豌豆中抗性淀粉、粗纖維和中性洗滌纖維含量，但未對豌豆中淀粉的消化率產(chǎn)生影響。

作為重要的飼料生產(chǎn)工序，進料水分、溫度等工藝參數(shù)都會對擠壓膨化處理后的淀粉結(jié)構(gòu)和消化率產(chǎn)生影響。適當(dāng)?shù)倪M料水分可以提高膨化料的生產(chǎn)效率。Shrestha等[41]證實，在物料含水量較低的條件下，擠壓膨化機需要消耗更多的能耗才可使飼料原料中的淀粉糊化。Veum等[50]通過向擠壓膨化機機筒內(nèi)注水，顯著促進了擠壓膨化玉米淀粉的糊化。還有研究報道，14%～23%的物料水分添加量，可顯著提高擠壓膨化后玉米淀粉的糊化程度，并促進幼年哺乳動物對玉米淀粉中能量的利用[51-53]。但如果原料含水量過高，則可能阻礙原料中淀粉與螺桿和機筒之間的摩擦，并減少擠壓后淀粉表面孔結(jié)構(gòu)的數(shù)量，從而降低淀粉的糊化程度并降低淀粉的消化率[54-55]。提高擠壓膨化溫度往往會在擠出淀粉表面形成更多的孔和更薄的孔壁結(jié)構(gòu)以增加淀粉與酶的接觸面積并促進淀粉消化[36,56]。Ali等[57]報道，于較高溫度下擠壓的玉米和馬鈴薯淀粉與較低擠壓溫度下得到的淀粉相比具有更低的糊化黏度和更高的體外淀粉消化率。除溫度與水分外，螺桿轉(zhuǎn)速也會影響膨化飼料中淀粉的性質(zhì)[58]。Faraj等[59]稱擠壓膨化大麥中抗性淀粉的含量會隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加而減少，而Mahasukhonthachat等[60]的研究中則發(fā)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)速的改變無法對擠壓膨化后高粱淀粉的消化動力學(xué)產(chǎn)生顯著影響。

盡管適宜條件的擠壓處理可以促進動物對飼糧中淀粉的消化，但飼喂擠壓膨化飼糧卻并非一定可以提高動物的生長性能[61]。因此，為了提高動物生產(chǎn)效率，需要進一步對不同來源、不同參數(shù)條件下擠壓膨化飼料中淀粉的理化性質(zhì)、消化速度以及消化率進行探索，從而合理利用擠壓膨化技術(shù)生產(chǎn)出消化特性可控的飼料，為動物精準(zhǔn)營養(yǎng)奠定良好的基礎(chǔ)。

3 調(diào)質(zhì)、制粒

經(jīng)調(diào)質(zhì)、制粒工藝制得的顆粒飼料被廣泛應(yīng)用于豬的商業(yè)化養(yǎng)殖之中。調(diào)質(zhì)、制粒是利用蒸汽、熱量和壓力對飼料原料進行加工的工序，加工過程中的高溫和蒸汽會破壞谷物原料的胚乳細胞壁以及維持淀粉晶體結(jié)構(gòu)的分子間鍵，使淀粉吸收水分膨脹，最終經(jīng)過?？趬褐菩纬深w粒飼料[32,62-63]。這一處理過程可以使經(jīng)過粉碎以及擠壓膨化處理后的淀粉進一步糊化，并可提高動物對淀粉的回腸表觀消化率以及飼料轉(zhuǎn)化率[64-66]。另外有研究證實，一定條件下的調(diào)質(zhì)與制粒加工在提高豬對淀粉消化率的同時，還可促進豬對飼糧中蛋白質(zhì)、能量和干物質(zhì)等營養(yǎng)成分的利用[67-68]。

溫度是調(diào)質(zhì)與制粒加工中重要的因素之一。合理的調(diào)質(zhì)制粒溫度不僅能有效殺滅原料中的潛在病原體[69]，同時還可起到改善飼料顆粒質(zhì)量，提高淀粉糊化程度以及淀粉消化率的作用[70-71]。較低溫度下調(diào)質(zhì)的飼料可能提高初生仔豬的飼料轉(zhuǎn)化率，而提高調(diào)質(zhì)溫度并延長處理時間則會有效提高飼料淀粉糊化度[66,72]。Pace等[73]于研究中觀察到，將制粒溫度從60 ℃提高至90 ℃可以較好地促進精制甘蔗中的淀粉糊化。但是，過高或過低的處理溫度都可能會導(dǎo)致調(diào)質(zhì)制粒后飼料淀粉營養(yǎng)價值降低[75-76]。適宜的調(diào)質(zhì)溫度可以提高顆粒飼料的生產(chǎn)效率，并促進動物對顆粒飼料中養(yǎng)分的消化利用。Truelock等[76]發(fā)現(xiàn)，隨著調(diào)質(zhì)溫度的上升(74～85 ℃)，玉米淀粉的糊化程度逐漸提高并且在85 ℃時達到最大。Wang等[75]也探討了不同溫度對高粱顆粒飼料理化特性和營養(yǎng)消化率的影響，發(fā)現(xiàn)高粱的糊化淀粉含量、淀粉全消化道表觀消化率和淀粉回腸表觀消化率都于80 ℃時達到最高；但Wang等[75]同時也指出，隨著調(diào)質(zhì)溫度進一步升高，高粱中抗性淀粉的含量則會顯著增加，不利于淀粉消化。值得注意的是，在調(diào)質(zhì)制粒過程中，加工溫度還可能與物料水分產(chǎn)生交互作用，對顆粒飼料中淀粉的性質(zhì)產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，提高調(diào)質(zhì)溫度不利于低含水量玉米中淀粉的糊化，而當(dāng)玉米含水量超過31.25%時，玉米淀粉的糊化度則會隨著調(diào)質(zhì)溫度的上升而急劇提高。王德培等[77]指出，在低水分條件下的制粒過程中，一些直鏈淀粉會形成“高分子直鏈積聚體”；高溫處理只能輕微振動這些“高分子直鏈積聚體”中的微晶束結(jié)構(gòu)，卻無法斷裂其分子間的氫鍵，這會導(dǎo)致淀粉糊化度的降低并最終影響動物對淀粉的消化。除溫度與水分外，環(huán)模壓縮比也是影響顆粒飼料品質(zhì)以及消化特性的另一重要因素[78]。陳山等[79]報道，提高制粒機環(huán)模壓縮比可以促進淀粉糊化。而在唐彥杰等[80]的試驗中，降低環(huán)模壓縮比卻顯著提高了玉米淀粉的糊化程度。這說明調(diào)質(zhì)、制粒加工中環(huán)模壓縮比對淀粉理化性質(zhì)的影響可能因淀粉來源而異，對不同來源飼料原料制粒后的理化性質(zhì)及消化特性差異還有待深入研究。

4 小 結(jié)

粉碎、擠壓膨化、調(diào)質(zhì)及制粒可以顯著改善飼料原料中淀粉的理化性質(zhì)和消化特性并影響動物生產(chǎn)性能。在未來的研究中應(yīng)繼續(xù)探尋各加工工藝對多種來源淀粉的消化特性所產(chǎn)生的不同影響，在加工過程中調(diào)整工藝參數(shù)從而改善加工后淀粉的理化性質(zhì)，生產(chǎn)出適合不同動物消化特征的飼料，促進營養(yǎng)物質(zhì)的協(xié)同利用，實現(xiàn)動物精準(zhǔn)營養(yǎng)。