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蒸汽壓片玉米加工工藝及其對牛生產性能的影響

蒸汽壓片是一種對玉米進行濕熱加工的加工工藝，可以提高玉米的生物學價值，改善其利用率，可以提高瘤胃淀粉、過瘤胃淀粉和總腸道淀粉消化率。同時還可以促進其它物質的消化代謝，減少氮、磷的排泄。經過嚴格質量控制的蒸汽壓片玉米可以提高舍飼肉牛的肉料比和提高奶牛的產奶量和乳蛋白量。
玉米作為舍飼牛的主要能量飼料，其消化利用率直接影響到牛的生產性能，而玉米的物理化學狀態會影響到其可消化性和可吸收性。未經加工處理的玉米的種皮、淀粉顆粒外的蛋白質脂膜以及顆粒內淀粉分子的有序排列都會影響到微生物和酶與淀粉的接觸，從而阻礙了動物對淀粉的消化利用。為了經濟有效的利用玉米，飼喂前通常要對玉米進行加工處理。粉碎是普遍的提高玉米消化利用率的加工處理方法，因其簡單易行又經濟，是現在我國養牛生產中常用的加工方法。另外歐美地區普遍采用的有：干法壓扁、蒸汽壓扁、蒸汽壓片、擠壓處理和膨化等，其中蒸汽壓片集機械處理和熱處理于一體，應用為廣泛，Rowe等（1999）[1]總結了不同加工處理方法對玉米的影響（見表1）。

1 蒸汽壓片玉米加工工藝及相關參數
1.1 蒸汽壓片
蒸汽壓片的一般工藝流程為：原料→除雜→調制→蒸汽加熱→壓片→干燥冷卻。具體方法是在原料除去混雜的石塊、金屬等雜質后加水和表面活化劑（調制劑）調制，一般加8%~10%的水保持12~18 h，使水分滲入玉米中；然后將玉米輸入一個立式的不銹鋼蒸汽箱內，經100~110 ℃蒸汽處理40~60 min；最后用兩個預熱的大軋輥把經調制和蒸汽處理過的玉米軋成期望的特定容重（通常309~386 g/l）的玉米片，玉米片容重隨著加工程度（擠壓壓力）的增加而降低(Preston,1999)[2]。玉米片可以直接飼喂或待其“冷卻干燥”（散失一些水分）后飼喂。Zinn (1997)[3]比較了新鮮和干燥后的壓片玉米的消化特性和飼喂價值，發現并不影響其飼喂效果。
1.2 工藝參數
蒸汽壓片品質好壞取決于整個加工過程中熱與力的綜合效果，也就是說，工藝參數的不同對其營養價值具有很大的影響，主要的因素有蒸汽處理時間、擠壓壓力等。
1.2.1 蒸汽處理時間
蒸汽壓片處理過程中對玉米進行調制和蒸汽處理使玉米達到一定的水分含量，并在一定溫度下對玉米淀粉進行濕熱處理使其糊化。
有關蒸汽時間的研究報道很少，理論上延長蒸汽時間可使玉米淀粉顆粒充分吸收水分，當其達到飽和狀態時，就會到達一個平臺期。Zinn（1990）[4]選用3個時間段（34、47、67 min）對其進行研究，得出的結論是：34 min是消化道淀粉消化率達到佳（99.5%）的時間段，延長蒸汽時間并不能改善壓片玉米的營養價值。國外實際生產中通常采用40~60 min的蒸汽處理時間。
1.2.2 擠壓壓力
經過調制和蒸汽處理后的玉米要通過兩個預熱的軋輥壓制成一定密度的玉米片，兩個軋輥一個是固定輥，一個是活動輥。生產中通常有兩種方法來調整擠壓壓力：一種是定壓法，將兩個軋輥緊貼一起，即二者之間的距離為零，然后減小擠壓壓力(約3.5 MPa)，以保證玉米通過軋輥時會形成一定的間隙；二是定距法，即先將兩軋輥調到所需間距(一般為0.8~1.0 mm)，然后增大擠壓壓力（約6 MPa）使二者固定，保證軋輥間的距離不會隨著下落玉米的增加和不斷的擠壓而發生改變。這兩種方法各有利弊， 前者的優點在于它所施壓力較小，原料中的一些雜物均能通過滾筒，減少了對機器的磨損，不足之處是在開始兩個軋輥之間無距離時，有可能造成玉米下落停滯而阻礙整個設備的正常運轉，不易控制；而后者的優勢在于它能提供一個穩定的加工環境，使加工后的壓片玉米具有一致性，但是它需要有很大的壓力來維持一個恒定的間距，耗能大，而且也需要特定的除雜設備。國內外往往采用二種方法(Zinn，2002)[5]。
1.3 質量標準
評價蒸汽壓片玉米的質量主要指標有壓片密度、壓片厚度、玉米淀粉糊化度和淀粉酶降解程度，壓片厚度作為質量標準的優勢是其不隨時間條件、地點的改變而改變， 而壓片密度卻受很多因素影響，如含水量、測定容器的形狀以及壓片玉米的破損程度等。Zinn(1990)[6]報道壓片厚度與壓片密度之間呈中度相關，即 FD（密度，kg/l）=0.042+0.14 FT(厚度，mm)（r2=0.74），而且壓片密度與壓片可溶性淀粉含量（r2=0.87）和酶降解度（r2=0.79）成線性相關。同時，壓片密度測定時操作簡單易行，加工過程中易于控制使其成為度量壓片質量的主要單位，大量的實驗結果表明：壓片密度在360 g/l左右可以使牛發揮大的生產性能。
1.4 加工機制
玉米籽粒中70%以上的都是淀粉，其中約有27%直鏈淀粉和73%的支鏈淀粉，淀粉以淀粉顆粒的形態緊密排列在胚乳中，淀粉顆粒外面包被蛋白質膜。淀粉鏈有的以氫鍵相互連接，有序排列形成結晶區，這些都不利于微生物和酶對淀粉進行消化利用。蒸汽壓片之所以可以有效地提高玉米的消化率主要是將淀粉從蛋白膜包被中釋放出來，同時破壞淀粉的有序排列，使之容易接受微生物和酶的作用。Mcdonough(1997)[7]研究了蒸汽壓片玉米的結構特征，發現了淀粉結晶度減少，原來淀粉顆粒的緊密排列變成凝膠樣狀態。Preston(1998)[8]通過六個實驗來研究蒸汽壓片加工過程中玉米的變化，得出結論：可溶性蛋白在蒸汽處理后降低和可利用淀粉只在壓片后增加，顯示蒸汽壓片過程中淀粉顆粒的變化是分兩部進行的；另外，壓片前后灰分、P和K含量分別降低14%、23%和17%，但作用機理尚不清楚。
2 蒸汽壓片玉米對牛生產性能的影響
關于蒸汽壓片玉米對牛生產性能的影響有很多研究報告，經過嚴格質量控制的蒸汽壓片玉米可以提高肉牛的增重效率和奶牛的大多數泌乳指標(特別是產奶量和乳蛋白量)，表2是整理相關文獻報道的不同加工處理玉米對牛生產性能和乳成分的影響。

2.肉牛蒸汽壓片組壓片密度為0.28~0.37 kg/l，奶牛蒸汽壓片組壓片密度為0.36 kg/l。
從表2我們可以看出，對肉牛來說，相對于干碾壓玉米，蒸汽壓片玉米降低干物質采食量16.9%，但不影響日增重，可以降低料肉比17.8%左右。Reinhardt(1998)[9]和Barajas (1998)[10]分別研究了蒸汽壓片玉米與整粒玉米對肉牛生產性能的影響，發現蒸汽壓片玉米可以降低干物質采食量，增加日增重，降低料肉比，但不影響胴體品質。蒸汽壓片（約0.36 kg/l）玉米較干碾壓玉米使奶牛產乳量、乳蛋白率和乳蛋白量分別提高6.7%、2.7%、17.9%，使泌乳奶牛乳脂率相對下降4%~5%,但并沒有影響乳脂量和干物質采食量。Plascencia(1996)[11]研究不同密度蒸汽壓片玉米對奶牛生產性能的影響，得出結論：相對于干碾玉米，蒸汽壓片玉米可以提高采食量5%，產乳量、乳蛋白量和乳蛋白率分別提高11%、8%和16%，降低乳脂率4%，但不影響乳脂量。研究者認為，蒸汽壓片可以提高產乳量可能的原因包括：①微生物蛋白合成的提高；②丙酸的增加；③淀粉的過瘤胃消化率提高；④過瘤胃蛋白的提高。飼喂水平（限飼或自由采食）和精粗料比例也會影響到蒸汽壓片玉米的飼喂效果。
3 對物質代謝的影響
3.1 對淀粉消化利用的影響
許多實驗研究表明：蒸汽壓片玉米可以提高瘤胃淀粉、過瘤胃淀粉和總腸道淀粉的消化率。Barajasa(1998)[10]報道，相對于干碾玉米，蒸汽壓片玉米提高瘤胃淀粉消化率26%、過瘤胃淀粉消化率41%、總消化道淀粉消化率19%，但在Joy(1997)[15]經過實驗發現， 蒸汽壓片的瘤胃淀粉消化率與干碾壓玉米沒有顯著差異， 而十二指腸和全消化道的消化率， 壓片玉米要明顯好于干碾壓玉米， 這可能與試驗中所選用的玉米品種及動物所處的生理時期不同有關。和干碾玉米或玉米相比，蒸汽壓片增加肉牛的瘤胃和總腸道的淀粉消化率，并且消化的主要位點是瘤胃，但是對奶牛來說，蒸汽壓片提高淀粉消化率主要歸功于提高過瘤胃淀粉的消化率。表3是相關實驗報告給出的不同玉米加工方法瘤胃淀粉、過瘤胃淀粉和總腸道淀粉消化率的數值。

Owens(2005)[16]總結不同玉米加工處理方法對小腸淀粉消化率的影響時認為：干碾玉米只有49.8%的過瘤胃消化淀粉在小腸中消化，而高濕玉米和蒸汽壓片玉米小腸消化淀粉分別占過瘤胃消化淀粉的57.8%和96%。飼糧組成、采食水平、飼喂方式和瘤胃流通速率都會影響到淀粉的消化利用。
3.2 對氮消化代謝的影響
Plascencia(1996)[11]研究了蒸汽壓片玉米對氮消化代謝的影響，發現相對于干碾玉米，蒸汽壓片玉米可以提高微生物蛋白量28%左右，提高微生物效率10%，小腸和總腸道氮消化率分別提高10%、8%。而Theurer(1999)[13]研究蒸汽壓片玉米和干碾玉米認為，蒸汽壓片可以提高微生物蛋白量15%、微生物效率17%，但不影響小腸和總腸道的氮消化率。淀粉在瘤胃內消化率提高為瘤胃微生物生長提供能量，從而促進微生物對氨氮的利用，提高了微生物蛋白的產量。碳水化合物作為能源物質為瘤胃微生物利用氮素來合成微生物蛋白提供大量能量，隨著蛋白的不斷合成及流向小腸，瘤胃中氨的濃度減少，機體就會動員血液中的尿素向瘤胃轉運，進行尿素再循環，而被吸收的氮在內臟、乳腺等組織進行代謝轉化。Theurer（1990[17]、2002[18]）和Alio (2000)[19]研究了蒸汽壓片玉米對氮在組織和器官的轉運和吸收，結果表明，相對于蒸汽壓扁和干法壓扁，蒸汽壓片玉米使玉米脲氮向腸道的轉移量分別增加了27%和80%；肉牛肝臟和奶牛乳腺組織對α-氨基酸氮的攝入各增加了41%和38%。
許多研究表明，蒸汽壓片玉米可以減少氮的排出，可能與采食量降低導致氮攝入減少和氮的消化利用率提高有關。Burkholder(2004)[20]用蒸汽壓片和干碾玉米飼喂舍飼牛研究發現：蒸汽壓片玉米排糞量和排尿量減少，糞氮和尿氮濃度增加，但是總排出氮量減少，氨氮濃度降低，這與氮的攝入量減少和氮的消化利用率提高有關。
3.3 對其它物質代謝的影響
蒸汽壓片玉米對纖維素消化率的影響分歧比較大，Joy（1997）[15]得出高瘤胃淀粉消化率會降低纖維素的消化利用率。Chen(1994)[21]則提出高的瘤胃淀粉消化率會提高纖維素的消化利用率。而Poore(1993)[22]和Knowlton(1998)[23]得出：蒸汽壓片玉米高的瘤胃淀粉消化率會降低瘤胃內纖維素的利用率，但是對總消化道纖維素利用率沒有影響。
Guyton(2003)[24]對比蒸汽壓片玉米和干碾玉米對奶牛磷的代謝時發現：蒸汽壓片玉米可以降低磷的排泄量，而對乳磷含量沒有影響，對磷平衡也沒有影響，可能是蒸汽壓片玉米降低采食量，使得攝入磷量降低，從而降低磷的排泄量。
3.4 對能值的影響
NRC（1996）給出的蒸汽壓片玉米的NEm、NEg分別為9.36 MJ/kg、6.48 MJ/kg，分別高出干法加工的玉米9.3%和11.5%，但是很多研究者的實驗報告得出高于NRC（1996）給出的數值。Zinn(2002)[5]得出蒸汽壓片玉米的NEm、NEg增長值平均在15%~18%之間。表4是部分實驗報告給出的蒸汽壓片玉米NEm、NEg的數值。
對于NRC給出的蒸汽壓片玉米NEm、NEg數值偏低，Zinn(2002)[5]認為：一是NRC中NEm值是根據TDN值推算出來的，即NEm＝0.030 5TDN-0.505 8，并且NRC認為玉米經過蒸汽壓片技術處理后，其TDN值上升了5.7%，而將其全部增值歸結為壓片玉米淀粉利用率的提高。實際上，蒸汽壓片技術不僅能大大提高淀粉的消化利用率，其它營養物質如蛋白質等的消化率也隨之而改善。二是壓片玉米的能值與其容重的相關系數很大，不同容重的壓片玉米能值差異很大，有的甚至超過了與干碾壓玉米的差值，所以NRC所列出的能值是一個綜合數值。

4 結語
蒸汽壓片技術是一種有效的玉米加工方法，其主要是通過改變玉米的物理化學狀態，從而提高瘤胃、小腸以及全消化道中的淀粉消化率，增加能值和機體內尿素再循環的次數，優化氮素在機體內的分配，提高牛的生產性能。玉米品種、產地、收獲時間和降水量等都可以影響到玉米成分，這都可能影響到蒸汽壓片玉米的加工；同時蒸汽壓片玉米的飼用方式以及飼糧精粗料比例不同對生產性能也會產生一定的影響。我國近幾年剛剛引進該工藝，現在尚需對蒸汽壓片加工工藝和玉米壓片飼喂方式及其對其它物質代謝的影響進行進一步的研究，以促進蒸汽壓片玉米在國內的推廣和應用。