蒸汽压片玉米加工工艺及其对牛生产性能的影响

蒸汽压片是一种对玉米进行湿热加工的加工工艺，可以提高玉米的生物学价值，改善其利用率，可以提高瘤胃淀粉、过瘤胃淀粉和总肠道淀粉消化率。同时还可以促进其它物质的消化代谢，减少氮、磷的排泄。经过严格质量控制的蒸汽压片玉米可以提高舍饲肉牛的肉料比和提高奶牛的产奶量和乳蛋白量。
玉米作为舍饲牛的主要能量饲料，其消化利用率直接影响到牛的生产性能，而玉米的物理化学状态会影响到其可消化性和可吸收性。未经加工处理的玉米的种皮、淀粉颗粒外的蛋白质脂膜以及颗粒内淀粉分子的有序排列都会影响到微生物和酶与淀粉的接触，从而阻碍了动物对淀粉的消化利用。为了经济有效的利用玉米，饲喂前通常要对玉米进行加工处理。粉碎是普遍的提高玉米消化利用率的加工处理方法，因其简单易行又经济，是现在我国养牛生产中常用的加工方法。另外欧美地区普遍采用的有：干法压扁、蒸汽压扁、蒸汽压片、挤压处理和膨化等，其中蒸汽压片集机械处理和热处理于一体，应用为广泛，Rowe等（1999）[1]总结了不同加工处理方法对玉米的影响（见表1）。

1 蒸汽压片玉米加工工艺及相关参数
1.1 蒸汽压片
蒸汽压片的一般工艺流程为：原料→除杂→调制→蒸汽加热→压片→干燥冷却。具体方法是在原料除去混杂的石块、金属等杂质后加水和表面活化剂（调制剂）调制，一般加8%~10%的水保持12~18 h，使水分渗入玉米中；然后将玉米输入一个立式的不锈钢蒸汽箱内，经100~110 ℃蒸汽处理40~60 min；最后用两个预热的大轧辊把经调制和蒸汽处理过的玉米轧成期望的特定容重（通常309~386 g/l）的玉米片，玉米片容重随着加工程度（挤压压力）的增加而降低(Preston,1999)[2]。玉米片可以直接饲喂或待其“冷却干燥”（散失一些水分）后饲喂。Zinn (1997)[3]比较了新鲜和干燥后的压片玉米的消化特性和饲喂价值，发现并不影响其饲喂效果。
1.2 工艺参数
蒸汽压片品质好坏取决于整个加工过程中热与力的综合效果，也就是说，工艺参数的不同对其营养价值具有很大的影响，主要的因素有蒸汽处理时间、挤压压力等。
1.2.1 蒸汽处理时间
蒸汽压片处理过程中对玉米进行调制和蒸汽处理使玉米达到一定的水分含量，并在一定温度下对玉米淀粉进行湿热处理使其糊化。
有关蒸汽时间的研究报道很少，理论上延长蒸汽时间可使玉米淀粉颗粒充分吸收水分，当其达到饱和状态时，就会到达一个平台期。Zinn（1990）[4]选用3个时间段（34、47、67 min）对其进行研究，得出的结论是：34 min是消化道淀粉消化率达到佳（99.5%）的时间段，延长蒸汽时间并不能改善压片玉米的营养价值。国外实际生产中通常采用40~60 min的蒸汽处理时间。
1.2.2 挤压压力
经过调制和蒸汽处理后的玉米要通过两个预热的轧辊压制成一定密度的玉米片，两个轧辊一个是固定辊，一个是活动辊。生产中通常有两种方法来调整挤压压力：一种是定压法，将两个轧辊紧贴一起，即二者之间的距离为零，然后减小挤压压力(约3.5 MPa)，以保证玉米通过轧辊时会形成一定的间隙；二是定距法，即先将两轧辊调到所需间距(一般为0.8~1.0 mm)，然后增大挤压压力（约6 MPa）使二者固定，保证轧辊间的距离不会随着下落玉米的增加和不断的挤压而发生改变。这两种方法各有利弊， 前者的优点在于它所施压力较小，原料中的一些杂物均能通过滚筒，减少了对机器的磨损，不足之处是在开始两个轧辊之间无距离时，有可能造成玉米下落停滞而阻碍整个设备的正常运转，不易控制；而后者的优势在于它能提供一个稳定的加工环境，使加工后的压片玉米具有一致性，但是它需要有很大的压力来维持一个恒定的间距，耗能大，而且也需要特定的除杂设备。国内外往往采用二种方法(Zinn，2002)[5]。
1.3 质量标准
评价蒸汽压片玉米的质量主要指标有压片密度、压片厚度、玉米淀粉糊化度和淀粉酶降解程度，压片厚度作为质量标准的优势是其不随时间条件、地点的改变而改变， 而压片密度却受很多因素影响，如含水量、测定容器的形状以及压片玉米的破损程度等。Zinn(1990)[6]报道压片厚度与压片密度之间呈中度相关，即 FD（密度，kg/l）=0.042+0.14 FT(厚度，mm)（r2=0.74），而且压片密度与压片可溶性淀粉含量（r2=0.87）和酶降解度（r2=0.79）成线性相关。同时，压片密度测定时操作简单易行，加工过程中易于控制使其成为度量压片质量的主要单位，大量的实验结果表明：压片密度在360 g/l左右可以使牛发挥大的生产性能。
1.4 加工机制
玉米籽粒中70%以上的都是淀粉，其中约有27%直链淀粉和73%的支链淀粉，淀粉以淀粉颗粒的形态紧密排列在胚乳中，淀粉颗粒外面包被蛋白质膜。淀粉链有的以氢键相互连接，有序排列形成结晶区，这些都不利于微生物和酶对淀粉进行消化利用。蒸汽压片之所以可以有效地提高玉米的消化率主要是将淀粉从蛋白膜包被中释放出来，同时破坏淀粉的有序排列，使之容易接受微生物和酶的作用。Mcdonough(1997)[7]研究了蒸汽压片玉米的结构特征，发现了淀粉结晶度减少，原来淀粉颗粒的紧密排列变成凝胶样状态。Preston(1998)[8]通过六个实验来研究蒸汽压片加工过程中玉米的变化，得出结论：可溶性蛋白在蒸汽处理后降低和可利用淀粉只在压片后增加，显示蒸汽压片过程中淀粉颗粒的变化是分两部进行的；另外，压片前后灰分、P和K含量分别降低14%、23%和17%，但作用机理尚不清楚。
2 蒸汽压片玉米对牛生产性能的影响
关于蒸汽压片玉米对牛生产性能的影响有很多研究报告，经过严格质量控制的蒸汽压片玉米可以提高肉牛的增重效率和奶牛的大多数泌乳指标(特别是产奶量和乳蛋白量)，表2是整理相关文献报道的不同加工处理玉米对牛生产性能和乳成分的影响。

2.肉牛蒸汽压片组压片密度为0.28~0.37 kg/l，奶牛蒸汽压片组压片密度为0.36 kg/l。
从表2我们可以看出，对肉牛来说，相对于干碾压玉米，蒸汽压片玉米降低干物质采食量16.9%，但不影响日增重，可以降低料肉比17.8%左右。Reinhardt(1998)[9]和Barajas (1998)[10]分别研究了蒸汽压片玉米与整粒玉米对肉牛生产性能的影响，发现蒸汽压片玉米可以降低干物质采食量，增加日增重，降低料肉比，但不影响胴体品质。蒸汽压片（约0.36 kg/l）玉米较干碾压玉米使奶牛产乳量、乳蛋白率和乳蛋白量分别提高6.7%、2.7%、17.9%，使泌乳奶牛乳脂率相对下降4%~5%,但并没有影响乳脂量和干物质采食量。Plascencia(1996)[11]研究不同密度蒸汽压片玉米对奶牛生产性能的影响，得出结论：相对于干碾玉米，蒸汽压片玉米可以提高采食量5%，产乳量、乳蛋白量和乳蛋白率分别提高11%、8%和16%，降低乳脂率4%，但不影响乳脂量。研究者认为，蒸汽压片可以提高产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淀粉的过瘤胃消化率提高；④过瘤胃蛋白的提高。饲喂水平（限饲或自由采食）和精粗料比例也会影响到蒸汽压片玉米的饲喂效果。
3 对物质代谢的影响
3.1 对淀粉消化利用的影响
许多实验研究表明：蒸汽压片玉米可以提高瘤胃淀粉、过瘤胃淀粉和总肠道淀粉的消化率。Barajasa(1998)[10]报道，相对于干碾玉米，蒸汽压片玉米提高瘤胃淀粉消化率26%、过瘤胃淀粉消化率41%、总消化道淀粉消化率19%，但在Joy(1997)[15]经过实验发现， 蒸汽压片的瘤胃淀粉消化率与干碾压玉米没有显著差异， 而十二指肠和全消化道的消化率， 压片玉米要明显好于干碾压玉米， 这可能与试验中所选用的玉米品种及动物所处的生理时期不同有关。和干碾玉米或玉米相比，蒸汽压片增加肉牛的瘤胃和总肠道的淀粉消化率，并且消化的主要位点是瘤胃，但是对奶牛来说，蒸汽压片提高淀粉消化率主要归功于提高过瘤胃淀粉的消化率。表3是相关实验报告给出的不同玉米加工方法瘤胃淀粉、过瘤胃淀粉和总肠道淀粉消化率的数值。

Owens(2005)[16]总结不同玉米加工处理方法对小肠淀粉消化率的影响时认为：干碾玉米只有49.8%的过瘤胃消化淀粉在小肠中消化，而高湿玉米和蒸汽压片玉米小肠消化淀粉分别占过瘤胃消化淀粉的57.8%和96%。饲粮组成、采食水平、饲喂方式和瘤胃流通速率都会影响到淀粉的消化利用。
3.2 对氮消化代谢的影响
Plascencia(1996)[11]研究了蒸汽压片玉米对氮消化代谢的影响，发现相对于干碾玉米，蒸汽压片玉米可以提高微生物蛋白量28%左右，提高微生物效率10%，小肠和总肠道氮消化率分别提高10%、8%。而Theurer(1999)[13]研究蒸汽压片玉米和干碾玉米认为，蒸汽压片可以提高微生物蛋白量15%、微生物效率17%，但不影响小肠和总肠道的氮消化率。淀粉在瘤胃内消化率提高为瘤胃微生物生长提供能量，从而促进微生物对氨氮的利用，提高了微生物蛋白的产量。碳水化合物作为能源物质为瘤胃微生物利用氮素来合成微生物蛋白提供大量能量，随着蛋白的不断合成及流向小肠，瘤胃中氨的浓度减少，机体就会动员血液中的尿素向瘤胃转运，进行尿素再循环，而被吸收的氮在内脏、乳腺等组织进行代谢转化。Theurer（1990[17]、2002[18]）和Alio (2000)[19]研究了蒸汽压片玉米对氮在组织和器官的转运和吸收，结果表明，相对于蒸汽压扁和干法压扁，蒸汽压片玉米使玉米脲氮向肠道的转移量分别增加了27%和80%；肉牛肝脏和奶牛乳腺组织对α-氨基酸氮的摄入各增加了41%和38%。
许多研究表明，蒸汽压片玉米可以减少氮的排出，可能与采食量降低导致氮摄入减少和氮的消化利用率提高有关。Burkholder(2004)[20]用蒸汽压片和干碾玉米饲喂舍饲牛研究发现：蒸汽压片玉米排粪量和排尿量减少，粪氮和尿氮浓度增加，但是总排出氮量减少，氨氮浓度降低，这与氮的摄入量减少和氮的消化利用率提高有关。
3.3 对其它物质代谢的影响
蒸汽压片玉米对纤维素消化率的影响分歧比较大，Joy（1997）[15]得出高瘤胃淀粉消化率会降低纤维素的消化利用率。Chen(1994)[21]则提出高的瘤胃淀粉消化率会提高纤维素的消化利用率。而Poore(1993)[22]和Knowlton(1998)[23]得出：蒸汽压片玉米高的瘤胃淀粉消化率会降低瘤胃内纤维素的利用率，但是对总消化道纤维素利用率没有影响。
Guyton(2003)[24]对比蒸汽压片玉米和干碾玉米对奶牛磷的代谢时发现：蒸汽压片玉米可以降低磷的排泄量，而对乳磷含量没有影响，对磷平衡也没有影响，可能是蒸汽压片玉米降低采食量，使得摄入磷量降低，从而降低磷的排泄量。
3.4 对能值的影响
NRC（1996）给出的蒸汽压片玉米的NEm、NEg分别为9.36 MJ/kg、6.48 MJ/kg，分别高出干法加工的玉米9.3%和11.5%，但是很多研究者的实验报告得出高于NRC（1996）给出的数值。Zinn(2002)[5]得出蒸汽压片玉米的NEm、NEg增长值平均在15%~18%之间。表4是部分实验报告给出的蒸汽压片玉米NEm、NEg的数值。
对于NRC给出的蒸汽压片玉米NEm、NEg数值偏低，Zinn(2002)[5]认为：一是NRC中NEm值是根据TDN值推算出来的，即NEm＝0.030 5TDN-0.505 8，并且NRC认为玉米经过蒸汽压片技术处理后，其TDN值上升了5.7%，而将其全部增值归结为压片玉米淀粉利用率的提高。实际上，蒸汽压片技术不仅能大大提高淀粉的消化利用率，其它营养物质如蛋白质等的消化率也随之而改善。二是压片玉米的能值与其容重的相关系数很大，不同容重的压片玉米能值差异很大，有的甚至超过了与干碾压玉米的差值，所以NRC所列出的能值是一个综合数值。

4 结语
蒸汽压片技术是一种有效的玉米加工方法，其主要是通过改变玉米的物理化学状态，从而提高瘤胃、小肠以及全消化道中的淀粉消化率，增加能值和机体内尿素再循环的次数，优化氮素在机体内的分配，提高牛的生产性能。玉米品种、产地、收获时间和降水量等都可以影响到玉米成分，这都可能影响到蒸汽压片玉米的加工；同时蒸汽压片玉米的饲用方式以及饲粮精粗料比例不同对生产性能也会产生一定的影响。我国近几年刚刚引进该工艺，现在尚需对蒸汽压片加工工艺和玉米压片饲喂方式及其对其它物质代谢的影响进行进一步的研究，以促进蒸汽压片玉米在国内的推广和应用。