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摘 要：高粱是一种可供食用和饲用的谷物；高粱型日粮通常用作反刍动物、猪和家禽的饲料。高粱在动物日粮中主要用作能量饲料，其能量来自所含有的淀粉。然而，高粱所含能量的利用效率差异较大，这不利于动物生产。高粱中的淀粉颗粒被高粱醇溶蛋白体包裹着，二者又被嵌入高粱胚乳中的谷蛋白基质中。高粱胚乳中蛋白-淀粉的互作可能会限制淀粉的水解和利用率。因此，高粱中的蛋白质/氨基酸消化率通常较其他谷物的低。高粱醇溶蛋白在高粱蛋白质组分中占很大的比重，它很难被动物消化，且缺乏一些必需氨基酸，尤其赖氨酸。高粱中酚类化合物和植酸盐含量比其他谷物的高，它们通过直接或间接结合蛋白质和淀粉来影响消化。正如在本综合中所考虑的那样，为提高猪和家禽对高粱的利用率，研究人员已经对多种饲料加工技术进行了评估。带有坚硬胚乳的高粱品种由于对昆虫有抗性和产量高，在育种方案中也越来越多地受到欢迎。研磨后高粱颗粒大小的减小程度和均匀性对猪和家禽的生长性能有极其重要的作用。高粱极易受热液加工的影响，这种工艺将会显著减低高粱蛋白的体外胃蛋白酶的消化率。因此，进行加热和加湿的蒸汽制粒、蒸汽压片和湿式挤压，会在高粱中产生有害的物理-化学变化，如在高粱醇溶蛋白中形成二硫键。干式挤压法（加工过程中通过摩擦产热）在无须添加水分的情况下，通过淀粉的糊化并破坏高粱的结构可以提高淀粉的消化率。将还原剂与水热工艺结合起来，可以通过裂解二硫键或阻止二硫键的形成，来提高高粱蛋白质的溶解性和消化率。在猪和家禽日粮中添加外源性酶，是一种可以提高单胃动物生产性能的公认方法；同时，由于高粱含有相对较高水平的植酸盐，添加植酸降解酶——植酸酶显得更为合理。包括辐射在内的其他策略在提高高粱营养利用率方面也有应用前景。由于猪和家禽在胃肠道结构和生理特征上的巨大差异，它们对以上的处理工艺会产生不同的反应，尤其在谷物的颗粒大小方面。
关键词：高粱；猪；家禽；蒸汽制粒技术；颗粒大小
中图分类号：S816 文献标识码：C 文章编号：1001-0769（2016）08-0060-06
1 引言
以高粱为基础日粮的猪和家禽，其生产性能也许比不上以玉米或其他谷物为基础日粮的动物的生产性能，一部分原因可能是因为高粱含有缩合的单宁（不过水解单宁在全球范围内越来越多的被用于动物饲料），因此任何能够提高以高粱为基础日粮的猪和家禽生产性能的策略均是有益的。
高粱是一种更重要的谷物，它能够在比适合玉米生长的环境更干旱的地方种植，2011年全球高粱产量达6 300万t（Swick，2011）。高粱可以部分或有时甚至全部用做猪和家禽的基础日粮（Kopinski和Willis，1996；Selle等，2010a）。和其他谷物一样，高粱富含淀粉（约700 g/kg），其蛋白质含量为115 g/kg～137 g/kg；高粱的氮校正表观代谢能为13.5 MJ/kg～17.7 MJ/kg（Hughes和Choct，1999）。Bryden等（2009a）报道，17个高粱样品的粗蛋白含量为71 g/kg～118 g/kg，消化系数为0.69～0.84。因此，高粱已成为畜禽生产中潜在的能量来源。
虽然高粱的化学组成与玉米相似，但是高粱会引发家禽生产性能低下或不稳定（Black等，2005；Bryden等，2009b）。高粱在单胃动物营养上的限制因素之一是其含有高粱醇溶蛋白，这种蛋白是高粱中主体类型的蛋白，占其所含总蛋白的544 g/kg左右（Paulis和Wall，1979）。由于其溶解度低和具有特殊的物理结构，醇溶蛋白消化率很低；另外，它的氨基酸组成不合理，因其缺乏多种必需氨基酸，尤其是赖氨酸（1.5 g/kg蛋白质，Mosse等，1988）。Duodu等（2003）报道，高粱蛋白消化率低的原因是由一系列外因（谷物结构、多酚类化合物，植酸盐和细胞壁组分）和内因（二硫化物的交联、醇溶蛋白的不溶性和蛋白质的二级结构）导致的。
高粱谷物含很高浓度的植酸盐或植酸（Doherty等，1982）。植酸除了能和矿物质螯合外，还能和蛋白质结合，形成二元复合体或三元复合体。此外，它还能通过淀粉颗粒相关的蛋白质直接或间接地结合淀粉（Baldwin，2001；Oatway等，2001）。高粱胚乳中，淀粉颗粒被大量的醇溶蛋白包裹，二者再被嵌入谷蛋白基质中。淀粉和蛋白质的相互作用会阻碍淀粉的糊化和酶的水解作用（Rooney和Pflugfelder，1986）。由于植酸盐、淀粉和蛋白质之间存在相互作用，因此通过酶对植酸盐进行水解可能会有助于提高高粱中淀粉和蛋白质的利用率。一些高粱品种含有具有明显抗营养作用的缩合单宁。然而，美国和澳大利亚等一些国家正在生产无单宁的高粱。
高粱的角质胚乳含量为100 g/kg～880 g/kg （Cagampang和Kirleis，1984），质地硬且含高比例角质胚乳的高粱因比软质高粱具有更强的抗真菌感染和抗虫害能力而被广泛种植（Chandrashekar和Mazhar，1999）。然而，高粱胚乳硬度越大，醇溶蛋白含量就越高（Chandrashekar和Kirleis，1988；Selle，2011）。而且，角质胚乳中的淀粉颗粒被嵌在蛋白质基质中；相反，软质淀粉颗粒在粉状胚乳中和纸片样蛋白质松散的联结在一起（Palmer，1972；Hoseney等，1974）。Beta （2001）等报道，高粱胚乳质地与淀粉糊化温度有显著的相关性，糊化温度随高粱籽粒硬度的增加而增加。Cagampang和Kirleis （1984）报道显示，谷物硬质胚乳含量由100 g/kg上升到880 g/kg时，直链淀粉含量由249 g/kg增加到290 g/kg。研磨处理（如锤子研磨）可在物理上减小谷物颗粒的粒度，破坏胚乳的结构。
用于高粱的饲料加工技术在提高其作为动物饲料原料的价值方面可能起着重要作用。但是，在加工过程中面临的一个问题是高粱对湿热的易损性（Selle等，2010b）。Hamaker等（1986）报道显示，在湿热处理后，高粱中蛋白质的消化率平均下降20.2 %（0.803降至0.641），不可消化蛋白质主要为醇溶蛋白。共焦激光扫描显微术研究证实，在高粱热湿处理期间形成了二硫键；同时显示，蛋白联合体比未热处理的高粱更紧密地嵌入蛋白基质中（Choi等，2008，Ng’andwe等2008）。湿热加工对高粱蛋白质溶解性和消化率的负面影响已成为猪和家禽饲料生产商生产具有可接受颗粒完整性的高质量高粱型日粮所面临的挑战。然而，大量的体外试验表明，还原剂（如亚硫酸氢钠和巯基乙醇）能阻止高粱在湿热加工期间在高粱蛋白质中形成二硫键（Hamaker等，1987；Rom等，1992；Oria等，1995）。 高粱型日粮的加工方法主要包括研磨、蒸汽破碎、蒸汽制粒、膨化、挤压和照射。大多数高粱型猪和家禽日粮可以在较高温度下进行蒸汽制料，以确保淀粉的糊化和颗粒质量（Selle等，2010b）。各种因素，如颗粒大小、研磨后的均匀度、蒸汽制粒的温度、膨化时是否进行加湿等，均会影响成品饲料的营养价值。
此外，尽管猪和家禽都是单胃动物，但是它们对日粮处理的方法反应也有差异。例如，家禽较喜食稍大颗粒甚至是完整颗粒的谷物，目的是为了促进肌胃和小肠的发育；而猪较喜欢食用颗粒相对较小的饲料，因为其胃肠道对饲料颗粒的破坏度有限（Healy等，1991；Amerah等，2007a）。为此，本综述主要讨论各种能够提高采食高粱型日粮的猪和家禽生产性能的策略，如减小颗粒大小、蒸汽制粒、蒸汽破碎、挤压、膨化和照射以及可用的饲料添加剂。
2 破碎高粱颗粒
生产猪和家禽饲料的第一步是粉碎谷物的颗粒，一般用锤式粉碎机或辊式磨粉机进行磨碎。有些时候颗粒大小可能会影响猪和家禽的生产性能 （Amerah等，2007d）。锤式粉碎法是指利用一系列高速运转的锤子将谷物饲料磨碎到能够通过某一筛孔规格的筛子为止；而辊式磨粉法是一种通过强制谷物进入一对或多对水平辊之间的缝隙，达到将颗粒磨碎的方法（Murphy和Harner，1990）。终产品的颗粒大小可以通过调整锤式粉碎机的筛子孔径大小或辊式磨粉机的水平辊缝隙大小来改变。Svihus等（2004）指出，辊式磨粉法生产粒度在0.5 mm以下（227 g/kg相比279 g/kg）和0.6 mm以上（136 g/kg相比170 g/kg）的颗粒比例相比锤式粉碎法低，表明辊式磨粉机生产的颗粒比锤石粉碎机生产的颗粒在大小上更均匀。这一研究结果与Zhuge等（1990），Groesbeck等（2003）和Ngamnikom（2011）的一致。
虽然猪和家禽都是单胃动物，但是由于它们的肠道结构和功能存在差异，因此对饲料颗粒的大小所表现出的反应不一样。Svihus（2011）分析了日粮结构对家禽肌胃功能和营养利用率的影响。家禽的肌胃可以将粗糙的颗粒研磨到某一临界大小（小于0.1 mm），以适合其自身消化，因此建议在家禽日粮中添加200 g/kg～300 g/kg的粒度大于1 mm的粗颗粒，以便刺激家禽肌胃的发育。有关小麦和玉米颗粒大小或完整颗粒对动物生产性能的影响已进行了许多研究（Amerah等，2007c，d；Biggs和Parsons，2009），然而有关高粱的研究数据很少。鸡有一个具有高效研磨功能的器官——肌胃，而猪没有；因此，日粮中原料的颗粒大小对猪的影响远比对家禽的影响大。
Mahasukhonthachat等（2010b）*完成的一项体外试验表明，减小高粱颗粒大小能提高淀粉的消化率、水溶性/吸收指数，并可改变淀粉的糊化特性；而Al-Rabadi等（2009）进行的体外研究认为，平均颗粒大小由3.78 mm减小至0.045 mm，淀粉的消化率提高60 %；在这些研究中，淀粉功能特性的改变可能是研磨使得谷物胚乳结构更展开，增加了与酶作用的表面积。
Amerah等（2007b）在重新探讨颗粒大小对家禽消化和生产性能的影响时强调，玉米或高粱型肉鸡日粮的最适宜颗粒大小介于600 μm～800 μm之间，而颗粒大小对肉鸡性能的影响甚至在制粒后可以观察到。应该注意的是，高粱的适宜颗粒大小受胚乳的影响，硬质胚乳为300 μm，软质胚乳为500 μm。Cabrera（1992）研究了高粱颗粒硬度和颗粒大小对肉鸡增重的交互影响，当高粱谷粒大小由1 000 μm减小至300 μm时，饲喂硬质高粱的肉鸡7～21日龄的日增重提高了9.2 %，而饲喂软质高粱的肉鸡重减少了9.7 %（图1）。
该研究中胚乳质地按照软硬程度划分为5个级别，1～3级表示为硬质颗粒，4～5级为软质颗粒。高粱均有红色果皮，但无单宁，所配制的饲料在65 ℃、模孔径4.8 mm下进行蒸汽制粒，随后粉碎。有趣的是，这二种高粱的组成相近，包括必需氨基酸、灰分和总能（Gross Energy，GE），不过软质高粱比硬质高粱含有更多的粗蛋白（105 g/kg比95 g/kg）。高粱谷物颗粒大小和高粱质地的交互作用研究表明，家禽日粮中高粱颗粒的最适大小因其质地的硬度不同而不同。小颗粒通过增加与酶的接触面积而提高营养物质的利用率，然而减小颗粒大小不应影响肉鸡胃肠道的发育。根据图1中列出的两个回归方程，饲喂硬质高粱型和软质高粱型日粮的肉鸡，在高粱颗粒大小为576 μm时应该获得相同的增重。
Healy等（1991）研究表明，相比玉米，高粱磨细后喂猪通常可提高其饲料转化率。Feoli等（2007）发现，高粱经过孔径为4.0 mm的筛子研磨后，相比用6.4 mm孔径的筛子，肉鸡的饲料转化率可提高10.1 %（1.52相比1.69）。以上研究均表明，高粱谷物经过研磨后达到适宜的颗粒大小，具有和玉米相似的营养价值。随后，Rodgers等（2012）发现，高粱颗粒由锤式粉碎机研磨改为用辊式磨粉机研粉碎时，11～35日龄肉鸡的饲料转化率提高了4 %，这可能是辊式磨粉法使得饲料颗粒更均匀的原因。总之，这两种加工方法所引起饲料转化率的差异可能是淀粉和蛋白质的消化率与葡萄糖和氨基酸的吸收之间不平衡的结果，最终会影响氮的保留和排出（Black等，2005）。
谷物颗粒大小和饲料形式（粉状或颗粒状）之间的关系比较复杂。粉状日粮的原料颗粒大小不均匀会降低肉鸡的饲料转化率，因为其会花更多的时间和能量采食较大的颗粒（Nir等，1994），不过这可以用饲喂颗粒料或压碎的颗粒料来克服。Nir等（1990）强调了粉状日粮中高粱研磨后粗度的有益作用——采食量和日增重与饲料的粒度有积极的相关性，不过在这些处理间饲料利用率并没有出现差异。
Nir等（1995）研究了饲料研磨加工方法和饲料形式对1～28日龄雏鸡增重和采食量的交互影响。结果表明，锤式研磨的颗粒日粮比滚式粉碎的日粮效果更明显，可能是因为辊式磨粉法生产的饲料颗粒直径比锤式破碎的颗粒直径大（1.413 mm相比0.628 mm），这与该研究中的肌胃相对重相一致，即辊式粉碎型日粮中较大的颗粒促进了肌胃的发育。然而，在颗粒日粮中，原料颗粒越小，颗粒的质量越好（硬度和完整性），同时可增加采食量和增重。总之，减小高粱颗粒大小对提高家禽日粮中高粱的利用很关键，意味着破碎颗粒的直径和均匀均很重要。 蒸汽制粒型日粮中原料颗粒大小的重要性可能不及其在饲料中那么重要（Amerah等，2007c）。然而，我们实验室完成的一个由三项试验组成的系列研究却表明并非如此：白高粱通过孔径大小分别设定为6.0 mm、3.2 mm和2.0 mm的锤式粉碎机粉碎后（Selle等，2012），饲喂蒸汽制粒型日粮的肉鸡生长性能明显受颗粒大小的影响（表1）。锤式粉碎机粉筛子孔径与肉鸡饲料利用率间存在二次效应（P<0.001），并表明用孔径为3.73 mm（图2）的筛子粉碎白高粱要优于蒸汽制粒型全价日粮。从理论上讲，用孔径3.73 mm的锤式粉碎机产生的颗粒大小，会使这种高粱获得最佳的饲料转化率；但是，不同高粱品种间几乎肯定存在差异，这取决于谷物的质地。在此系列研究中，值得注意的是该日粮采用直径4 mm的钢模进行制粒。因此，蒸汽制粒过程将会影响粗糙粉碎的高粱颗粒大小。
有关高粱型日粮中高粱的粉碎技术和颗粒大小对产蛋母鸡生产性能影响的研究报道比较少。Deaton等（1989）发现，在玉米型日粮中，由锤式粉碎（0.814 mm～0.873 mm）和辊式粉碎 （1.343 mm～1.501 mm）产生的不同大小的颗粒对蛋鸡的增重、产蛋量、饲料转化率和蛋品质没有影响。而Cabrera等（1994a）报道，高粱型日粮的高粱颗粒由1.0 mm减小到0.4 mm，软质高粱组蛋鸡的产蛋量增加7 %，硬质高粱组蛋鸡的产蛋量增加3 %；整体上，蛋重增加2 %，饲料转化率提高9 %。在同一研究中，玉米型日粮中的玉米颗粒大小对蛋鸡生产性能没有显著影响。因此，可以得出蛋鸡对高粱型日粮中高粱颗粒大小的反应大于对玉米型饲料中玉米颗粒大小的反应的结论。然而，还应该指出的是，饲料原料颗粒大小下降会降低饲料生产效率，增加能量消耗，因此需要考虑额外增加的饲料生产成本。
高粱颗粒大小的减小对猪也很重要；然而，观察到的结果与家禽上的完全不同。跟家禽相似的是，猪最适宜的谷物颗粒大小也取决于谷物的类型（Healy等，1994；Laurinen等，2000）、质地（Healy等，1991）、饲喂系统（Choct等，2004）和动物日龄（Ngoc等，2011）有关。Guillou和Landeau（2000）在对23篇论文进行了综述后，证明饲料颗粒大小每增加100 μm，生长猪粪便中能量和氮的消化率分别降低0.6 %和0.8 %，料重比增加0.03 %。增加高粱的粉碎细度可提高断奶仔猪和生长育肥猪的营养消化率和饲料转化率，原因可能在于增加了酶水解的作用面积（Carter，1996）。然而，颗粒大小低于400 μm时会增加动物患胃溃疡的风险（Morel，2005）。粉碎太细的高粱会降低生长育肥猪回肠末端淀粉和蛋白质的消化系数，并会破坏其营养的平衡吸收（Owsley等，1981）。猪和家禽体内淀粉和蛋白质消化及吸收的协同性对蛋白的有效沉积很重要（Li等，2007；Yin等，2010；Drew等，2012）。
对比两种减少饲料颗粒大小的加工方法时发现，在配制猪日粮方面辊式磨粉法优于锤式粉碎法。Thacker（2006）表示，虽然两种加工方法不会影响猪的生产性能和胴体品质，但是与锤式粉碎法相比，辊式磨粉法所消耗的能量更少，维持成本更低，噪音更小，生产的饲料颗粒大小更能精确控制。这一结果与早先一项研究结果相一致，该研究表明饲料颗粒大小的减小方法不会影响猪的生长性能，但是用辊式磨粉法生产的饲料饲喂猪，能够明显提高日粮干物质、氮和总能的表观消化率，显著降低猪粪便中干物质和氮的排泄率（Wondra等，1993）。因此，饲料颗粒大小的均匀性对提高猪营养消化率很关键。此外，Costa等（2007）表示，由细小颗粒引起的灰尘会降低猪舍内部的空气质量，然而这可以通过采用最佳颗粒研磨粒度、适宜的饲喂配制方式和饲料颗粒质量来消除。
综上所述，虽然更小的饲料颗粒能提高猪的生产性能，但是额外增加的生产成本也应该加以考虑。对辊式磨粉法而言，高粱颗粒大小由800 μm减小到400 μm，能耗将增加近30 %，饲料生产量将降低63 %（Cabrera等，1993）。同样，如果利用锤式粉碎法，能耗将增加5.7倍，产量会降低 75 %（Cabrera等，1994b）。虽然二次锤式粉碎可能是一种获得均匀颗粒的解决方案，然而合适的加工技术和再混合也非常重要。而且，较高饲料生产成本与较小颗粒大小之间的平衡受生长猪较高的饲料转化率影响。然而，不断上涨的饲料原料价格会提高由饲料加工技术产生的任何益处的价值。
3 高粱型日粮的蒸汽制粒
由于颗粒完整性高的日粮能比粉料提供更多的优点，因此大多数的猪和家禽日粮采用蒸汽制粒。正如Behnke（1996）所强调的那样，这些优点包括可降低饲料的浪费、减少动物采食的挑食性、降低饲料成分的分离性、杀灭致病菌、淀粉和蛋白质的热变质处理以及提高日粮的适口性。重要的是，家禽会花费更少的时间和能量采食颗粒饲料，因为颗粒饲料能促进动物的采食，进而可提高动物的自主采食量（Jensen等，1962）。同粉状饲料相比，颗粒饲料可持续提高猪（Medel等，2004；Lahaye等，2007）和家禽（Engberg等，2002；Svihus等，2004；Zang等，2009）的生产性能。Vanschoubroek等（1971）对117项有关颗粒饲料对猪生长性能影响的试验进行了总结，即制粒能使猪生长速度加快6.6 %，饲料转化率提高7.9 %，采食量减少2.1 %。
Cerrate和Waldroup（2010）对18项肉鸡试验进行了评估，发现颗粒饲料使肉鸡增重提高14.4 %，采食量增加10.5 %，饲料转化率改善3.4 %。颗粒饲料的制备包括混合、蒸汽调质、制粒和冷却。粉状饲料通过由流入的蒸汽进行加热的调质机，然后进入一个挤压机的内膛，调质后的粉状料在压力的作用下通过钢模，最终产生成品——颗粒饲料。高粱淀粉的糊化温度（68 ℃～78 ℃）通常高于玉米（62 ℃～72 ℃）和小麦（58 ℃～64 ℃）（Taylor 和Dewar，2001）。因此，它需要较高的蒸汽制粒温度，以能够达到足够的糊化和完整的颗粒。然而，由于高粱对湿热处理很敏感，且在热液处理后很可能会形成二硫键，因此较高的蒸汽制粒温度可能会破坏高粱的营养价值，尤其是蛋白质的营养（Taylor，2005）。 颗粒的完整度对颗粒饲料最大程度地发挥其有益作用非常重要，影响饲料颗粒品质（硬度和保存的持久性）的主要因素有日粮的整体组分、谷物类型、颗粒大小、生产速度、加工模具的厚度、添加的结合剂和调质温度（Thomas和van der Poel，1996；Thomas等，1997，1998；Loar和Corzo，2011）。制粒后淀粉的糊化度似乎较低，糊化范围介于50 g/kg～300 g/kg。蒸汽制粒后淀粉的部分糊化对淀粉的消化没有大的影响（Svihus和Zimonja，2011）。评价淀粉糊化度的其他方法有差示扫描量热法、快速黏度分析法及其他的湿化学法，这些方法也许均会造成淀粉糊化的差异。
高粱对湿热加工比较敏感，蒸汽制粒的高粱型日粮因提高了二硫键的水平而会部分降低蛋白的溶解度。Selle等（2012）报道，蒸汽制粒的高粱型肉鸡日粮会增加二硫键（每33.88 μmol/g蛋白相比34.95 μmol/g蛋白），并会降低蛋白的溶解度（56.3 %相比38.3 %）。此外，该研究还发现，氮的保留率和蛋白质的溶解度呈显著的正相关（r=0.659；P<0.001）。这表明，蒸汽制粒的高粱型日粮会降低蛋白质的体外溶解度和氮的体内保留率。
Selle等（待发表）当将调质温度由70 ℃升高到80 ℃和90 ℃时，细磨（2 mm）的肉鸡高粱型日粮，小肠四个部位的淀粉消化系数呈线性提高，平均增加达8.7 %（70 ℃时为0.766，90 ℃时为0.833）。同样，氮（N）的平均消化系数提高11.7 %（70 ℃时为0.666，90 ℃时为0.744）。有趣的是，淀粉和氮消化率的这种提高并没有在肉鸡生产性能上反映出来。然而，当将粉碎粒度为3.2 mm的高粱型日粮的制粒温度从65 ℃提高到95 ℃时，淀粉消化率的改善并不显著（Selle等，已接收）。这表明谷物颗粒大小和蒸汽制粒温度对淀粉的消化率有交互影响。
恰恰相反的是，Abdollahi等（2010）研究表明，将蒸汽制粒温度由60 ℃升高到90 ℃时，肉鸡回肠淀粉和蛋白质消化率分别降低2.5 %和3.0 %，此外，淀粉和蛋白质消化率的降低并没有显著影响肉鸡的增重和饲料转化率。这些作者指出，采用90 ℃蒸汽制粒温度从而导致较差的回肠蛋白质消化率，可以用蒸汽制粒后形成了可以阻碍酶的二硫化物与蛋白质的聚合体来解释。这一结果得到了Selle等（2012）最新发现的支持，Selle等（2012）在研究中发现蒸汽制粒增加了高粱蛋白的二硫化物键。然而，高粱蛋白在肉鸡日粮中的总蛋白含量上仅占很小的部分，加入日粮后会稀释蒸汽制粒后高粱蛋白溶解率下降的不利影响。消化率的提高和生产性能之间缺乏相关性表明，在决定动物的生产性能方面，淀粉和蛋白质消化的动力学较它们静态的表观消化率（包括回肠末端消化率）更为重要。的确，肉鸡的生长性能参数与淀粉和蛋白质消化动力学之间的相关性似乎高于与消化系数间的相关性。
关键词：高粱；猪；家禽；蒸汽制粒技术；颗粒大小
中图分类号：S816 文献标识码：C 文章编号：1001-0769（2016）08-0060-06
1 引言
以高粱为基础日粮的猪和家禽，其生产性能也许比不上以玉米或其他谷物为基础日粮的动物的生产性能，一部分原因可能是因为高粱含有缩合的单宁（不过水解单宁在全球范围内越来越多的被用于动物饲料），因此任何能够提高以高粱为基础日粮的猪和家禽生产性能的策略均是有益的。
高粱是一种更重要的谷物，它能够在比适合玉米生长的环境更干旱的地方种植，2011年全球高粱产量达6 300万t（Swick，2011）。高粱可以部分或有时甚至全部用做猪和家禽的基础日粮（Kopinski和Willis，1996；Selle等，2010a）。和其他谷物一样，高粱富含淀粉（约700 g/kg），其蛋白质含量为115 g/kg～137 g/kg；高粱的氮校正表观代谢能为13.5 MJ/kg～17.7 MJ/kg（Hughes和Choct，1999）。Bryden等（2009a）报道，17个高粱样品的粗蛋白含量为71 g/kg～118 g/kg，消化系数为0.69～0.84。因此，高粱已成为畜禽生产中潜在的能量来源。
虽然高粱的化学组成与玉米相似，但是高粱会引发家禽生产性能低下或不稳定（Black等，2005；Bryden等，2009b）。高粱在单胃动物营养上的限制因素之一是其含有高粱醇溶蛋白，这种蛋白是高粱中主体类型的蛋白，占其所含总蛋白的544 g/kg左右（Paulis和Wall，1979）。由于其溶解度低和具有特殊的物理结构，醇溶蛋白消化率很低；另外，它的氨基酸组成不合理，因其缺乏多种必需氨基酸，尤其是赖氨酸（1.5 g/kg蛋白质，Mosse等，1988）。Duodu等（2003）报道，高粱蛋白消化率低的原因是由一系列外因（谷物结构、多酚类化合物，植酸盐和细胞壁组分）和内因（二硫化物的交联、醇溶蛋白的不溶性和蛋白质的二级结构）导致的。
高粱谷物含很高浓度的植酸盐或植酸（Doherty等，1982）。植酸除了能和矿物质螯合外，还能和蛋白质结合，形成二元复合体或三元复合体。此外，它还能通过淀粉颗粒相关的蛋白质直接或间接地结合淀粉（Baldwin，2001；Oatway等，2001）。高粱胚乳中，淀粉颗粒被大量的醇溶蛋白包裹，二者再被嵌入谷蛋白基质中。淀粉和蛋白质的相互作用会阻碍淀粉的糊化和酶的水解作用（Rooney和Pflugfelder，1986）。由于植酸盐、淀粉和蛋白质之间存在相互作用，因此通过酶对植酸盐进行水解可能会有助于提高高粱中淀粉和蛋白质的利用率。一些高粱品种含有具有明显抗营养作用的缩合单宁。然而，美国和澳大利亚等一些国家正在生产无单宁的高粱。
高粱的角质胚乳含量为100 g/kg～880 g/kg （Cagampang和Kirleis，1984），质地硬且含高比例角质胚乳的高粱因比软质高粱具有更强的抗真菌感染和抗虫害能力而被广泛种植（Chandrashekar和Mazhar，1999）。然而，高粱胚乳硬度越大，醇溶蛋白含量就越高（Chandrashekar和Kirleis，1988；Selle，2011）。而且，角质胚乳中的淀粉颗粒被嵌在蛋白质基质中；相反，软质淀粉颗粒在粉状胚乳中和纸片样蛋白质松散的联结在一起（Palmer，1972；Hoseney等，1974）。Beta （2001）等报道，高粱胚乳质地与淀粉糊化温度有显著的相关性，糊化温度随高粱籽粒硬度的增加而增加。Cagampang和Kirleis （1984）报道显示，谷物硬质胚乳含量由100 g/kg上升到880 g/kg时，直链淀粉含量由249 g/kg增加到290 g/kg。研磨处理（如锤子研磨）可在物理上减小谷物颗粒的粒度，破坏胚乳的结构。
用于高粱的饲料加工技术在提高其作为动物饲料原料的价值方面可能起着重要作用。但是，在加工过程中面临的一个问题是高粱对湿热的易损性（Selle等，2010b）。Hamaker等（1986）报道显示，在湿热处理后，高粱中蛋白质的消化率平均下降20.2 %（0.803降至0.641），不可消化蛋白质主要为醇溶蛋白。共焦激光扫描显微术研究证实，在高粱热湿处理期间形成了二硫键；同时显示，蛋白联合体比未热处理的高粱更紧密地嵌入蛋白基质中（Choi等，2008，Ng’andwe等2008）。湿热加工对高粱蛋白质溶解性和消化率的负面影响已成为猪和家禽饲料生产商生产具有可接受颗粒完整性的高质量高粱型日粮所面临的挑战。然而，大量的体外试验表明，还原剂（如亚硫酸氢钠和巯基乙醇）能阻止高粱在湿热加工期间在高粱蛋白质中形成二硫键（Hamaker等，1987；Rom等，1992；Oria等，1995）。 高粱型日粮的加工方法主要包括研磨、蒸汽破碎、蒸汽制粒、膨化、挤压和照射。大多数高粱型猪和家禽日粮可以在较高温度下进行蒸汽制料，以确保淀粉的糊化和颗粒质量（Selle等，2010b）。各种因素，如颗粒大小、研磨后的均匀度、蒸汽制粒的温度、膨化时是否进行加湿等，均会影响成品饲料的营养价值。
此外，尽管猪和家禽都是单胃动物，但是它们对日粮处理的方法反应也有差异。例如，家禽较喜食稍大颗粒甚至是完整颗粒的谷物，目的是为了促进肌胃和小肠的发育；而猪较喜欢食用颗粒相对较小的饲料，因为其胃肠道对饲料颗粒的破坏度有限（Healy等，1991；Amerah等，2007a）。为此，本综述主要讨论各种能够提高采食高粱型日粮的猪和家禽生产性能的策略，如减小颗粒大小、蒸汽制粒、蒸汽破碎、挤压、膨化和照射以及可用的饲料添加剂。
2 破碎高粱颗粒
生产猪和家禽饲料的第一步是粉碎谷物的颗粒，一般用锤式粉碎机或辊式磨粉机进行磨碎。有些时候颗粒大小可能会影响猪和家禽的生产性能 （Amerah等，2007d）。锤式粉碎法是指利用一系列高速运转的锤子将谷物饲料磨碎到能够通过某一筛孔规格的筛子为止；而辊式磨粉法是一种通过强制谷物进入一对或多对水平辊之间的缝隙，达到将颗粒磨碎的方法（Murphy和Harner，1990）。终产品的颗粒大小可以通过调整锤式粉碎机的筛子孔径大小或辊式磨粉机的水平辊缝隙大小来改变。Svihus等（2004）指出，辊式磨粉法生产粒度在0.5 mm以下（227 g/kg相比279 g/kg）和0.6 mm以上（136 g/kg相比170 g/kg）的颗粒比例相比锤式粉碎法低，表明辊式磨粉机生产的颗粒比锤石粉碎机生产的颗粒在大小上更均匀。这一研究结果与Zhuge等（1990），Groesbeck等（2003）和Ngamnikom（2011）的一致。
虽然猪和家禽都是单胃动物，但是由于它们的肠道结构和功能存在差异，因此对饲料颗粒的大小所表现出的反应不一样。Svihus（2011）分析了日粮结构对家禽肌胃功能和营养利用率的影响。家禽的肌胃可以将粗糙的颗粒研磨到某一临界大小（小于0.1 mm），以适合其自身消化，因此建议在家禽日粮中添加200 g/kg～300 g/kg的粒度大于1 mm的粗颗粒，以便刺激家禽肌胃的发育。有关小麦和玉米颗粒大小或完整颗粒对动物生产性能的影响已进行了许多研究（Amerah等，2007c，d；Biggs和Parsons，2009），然而有关高粱的研究数据很少。鸡有一个具有高效研磨功能的器官——肌胃，而猪没有；因此，日粮中原料的颗粒大小对猪的影响远比对家禽的影响大。
Mahasukhonthachat等（2010b）*完成的一项体外试验表明，减小高粱颗粒大小能提高淀粉的消化率、水溶性/吸收指数，并可改变淀粉的糊化特性；而Al-Rabadi等（2009）进行的体外研究认为，平均颗粒大小由3.78 mm减小至0.045 mm，淀粉的消化率提高60 %；在这些研究中，淀粉功能特性的改变可能是研磨使得谷物胚乳结构更展开，增加了与酶作用的表面积。
Amerah等（2007b）在重新探讨颗粒大小对家禽消化和生产性能的影响时强调，玉米或高粱型肉鸡日粮的最适宜颗粒大小介于600 μm～800 μm之间，而颗粒大小对肉鸡性能的影响甚至在制粒后可以观察到。应该注意的是，高粱的适宜颗粒大小受胚乳的影响，硬质胚乳为300 μm，软质胚乳为500 μm。Cabrera（1992）研究了高粱颗粒硬度和颗粒大小对肉鸡增重的交互影响，当高粱谷粒大小由1 000 μm减小至300 μm时，饲喂硬质高粱的肉鸡7～21日龄的日增重提高了9.2 %，而饲喂软质高粱的肉鸡重减少了9.7 %（图1）。
该研究中胚乳质地按照软硬程度划分为5个级别，1～3级表示为硬质颗粒，4～5级为软质颗粒。高粱均有红色果皮，但无单宁，所配制的饲料在65 ℃、模孔径4.8 mm下进行蒸汽制粒，随后粉碎。有趣的是，这二种高粱的组成相近，包括必需氨基酸、灰分和总能（Gross Energy，GE），不过软质高粱比硬质高粱含有更多的粗蛋白（105 g/kg比95 g/kg）。高粱谷物颗粒大小和高粱质地的交互作用研究表明，家禽日粮中高粱颗粒的最适大小因其质地的硬度不同而不同。小颗粒通过增加与酶的接触面积而提高营养物质的利用率，然而减小颗粒大小不应影响肉鸡胃肠道的发育。根据图1中列出的两个回归方程，饲喂硬质高粱型和软质高粱型日粮的肉鸡，在高粱颗粒大小为576 μm时应该获得相同的增重。
Healy等（1991）研究表明，相比玉米，高粱磨细后喂猪通常可提高其饲料转化率。Feoli等（2007）发现，高粱经过孔径为4.0 mm的筛子研磨后，相比用6.4 mm孔径的筛子，肉鸡的饲料转化率可提高10.1 %（1.52相比1.69）。以上研究均表明，高粱谷物经过研磨后达到适宜的颗粒大小，具有和玉米相似的营养价值。随后，Rodgers等（2012）发现，高粱颗粒由锤式粉碎机研磨改为用辊式磨粉机研粉碎时，11～35日龄肉鸡的饲料转化率提高了4 %，这可能是辊式磨粉法使得饲料颗粒更均匀的原因。总之，这两种加工方法所引起饲料转化率的差异可能是淀粉和蛋白质的消化率与葡萄糖和氨基酸的吸收之间不平衡的结果，最终会影响氮的保留和排出（Black等，2005）。
谷物颗粒大小和饲料形式（粉状或颗粒状）之间的关系比较复杂。粉状日粮的原料颗粒大小不均匀会降低肉鸡的饲料转化率，因为其会花更多的时间和能量采食较大的颗粒（Nir等，1994），不过这可以用饲喂颗粒料或压碎的颗粒料来克服。Nir等（1990）强调了粉状日粮中高粱研磨后粗度的有益作用——采食量和日增重与饲料的粒度有积极的相关性，不过在这些处理间饲料利用率并没有出现差异。
Nir等（1995）研究了饲料研磨加工方法和饲料形式对1～28日龄雏鸡增重和采食量的交互影响。结果表明，锤式研磨的颗粒日粮比滚式粉碎的日粮效果更明显，可能是因为辊式磨粉法生产的饲料颗粒直径比锤式破碎的颗粒直径大（1.413 mm相比0.628 mm），这与该研究中的肌胃相对重相一致，即辊式粉碎型日粮中较大的颗粒促进了肌胃的发育。然而，在颗粒日粮中，原料颗粒越小，颗粒的质量越好（硬度和完整性），同时可增加采食量和增重。总之，减小高粱颗粒大小对提高家禽日粮中高粱的利用很关键，意味着破碎颗粒的直径和均匀均很重要。 蒸汽制粒型日粮中原料颗粒大小的重要性可能不及其在饲料中那么重要（Amerah等，2007c）。然而，我们实验室完成的一个由三项试验组成的系列研究却表明并非如此：白高粱通过孔径大小分别设定为6.0 mm、3.2 mm和2.0 mm的锤式粉碎机粉碎后（Selle等，2012），饲喂蒸汽制粒型日粮的肉鸡生长性能明显受颗粒大小的影响（表1）。锤式粉碎机粉筛子孔径与肉鸡饲料利用率间存在二次效应（P<0.001），并表明用孔径为3.73 mm（图2）的筛子粉碎白高粱要优于蒸汽制粒型全价日粮。从理论上讲，用孔径3.73 mm的锤式粉碎机产生的颗粒大小，会使这种高粱获得最佳的饲料转化率；但是，不同高粱品种间几乎肯定存在差异，这取决于谷物的质地。在此系列研究中，值得注意的是该日粮采用直径4 mm的钢模进行制粒。因此，蒸汽制粒过程将会影响粗糙粉碎的高粱颗粒大小。
有关高粱型日粮中高粱的粉碎技术和颗粒大小对产蛋母鸡生产性能影响的研究报道比较少。Deaton等（1989）发现，在玉米型日粮中，由锤式粉碎（0.814 mm～0.873 mm）和辊式粉碎 （1.343 mm～1.501 mm）产生的不同大小的颗粒对蛋鸡的增重、产蛋量、饲料转化率和蛋品质没有影响。而Cabrera等（1994a）报道，高粱型日粮的高粱颗粒由1.0 mm减小到0.4 mm，软质高粱组蛋鸡的产蛋量增加7 %，硬质高粱组蛋鸡的产蛋量增加3 %；整体上，蛋重增加2 %，饲料转化率提高9 %。在同一研究中，玉米型日粮中的玉米颗粒大小对蛋鸡生产性能没有显著影响。因此，可以得出蛋鸡对高粱型日粮中高粱颗粒大小的反应大于对玉米型饲料中玉米颗粒大小的反应的结论。然而，还应该指出的是，饲料原料颗粒大小下降会降低饲料生产效率，增加能量消耗，因此需要考虑额外增加的饲料生产成本。
高粱颗粒大小的减小对猪也很重要；然而，观察到的结果与家禽上的完全不同。跟家禽相似的是，猪最适宜的谷物颗粒大小也取决于谷物的类型（Healy等，1994；Laurinen等，2000）、质地（Healy等，1991）、饲喂系统（Choct等，2004）和动物日龄（Ngoc等，2011）有关。Guillou和Landeau（2000）在对23篇论文进行了综述后，证明饲料颗粒大小每增加100 μm，生长猪粪便中能量和氮的消化率分别降低0.6 %和0.8 %，料重比增加0.03 %。增加高粱的粉碎细度可提高断奶仔猪和生长育肥猪的营养消化率和饲料转化率，原因可能在于增加了酶水解的作用面积（Carter，1996）。然而，颗粒大小低于400 μm时会增加动物患胃溃疡的风险（Morel，2005）。粉碎太细的高粱会降低生长育肥猪回肠末端淀粉和蛋白质的消化系数，并会破坏其营养的平衡吸收（Owsley等，1981）。猪和家禽体内淀粉和蛋白质消化及吸收的协同性对蛋白的有效沉积很重要（Li等，2007；Yin等，2010；Drew等，2012）。
对比两种减少饲料颗粒大小的加工方法时发现，在配制猪日粮方面辊式磨粉法优于锤式粉碎法。Thacker（2006）表示，虽然两种加工方法不会影响猪的生产性能和胴体品质，但是与锤式粉碎法相比，辊式磨粉法所消耗的能量更少，维持成本更低，噪音更小，生产的饲料颗粒大小更能精确控制。这一结果与早先一项研究结果相一致，该研究表明饲料颗粒大小的减小方法不会影响猪的生长性能，但是用辊式磨粉法生产的饲料饲喂猪，能够明显提高日粮干物质、氮和总能的表观消化率，显著降低猪粪便中干物质和氮的排泄率（Wondra等，1993）。因此，饲料颗粒大小的均匀性对提高猪营养消化率很关键。此外，Costa等（2007）表示，由细小颗粒引起的灰尘会降低猪舍内部的空气质量，然而这可以通过采用最佳颗粒研磨粒度、适宜的饲喂配制方式和饲料颗粒质量来消除。
综上所述，虽然更小的饲料颗粒能提高猪的生产性能，但是额外增加的生产成本也应该加以考虑。对辊式磨粉法而言，高粱颗粒大小由800 μm减小到400 μm，能耗将增加近30 %，饲料生产量将降低63 %（Cabrera等，1993）。同样，如果利用锤式粉碎法，能耗将增加5.7倍，产量会降低 75 %（Cabrera等，1994b）。虽然二次锤式粉碎可能是一种获得均匀颗粒的解决方案，然而合适的加工技术和再混合也非常重要。而且，较高饲料生产成本与较小颗粒大小之间的平衡受生长猪较高的饲料转化率影响。然而，不断上涨的饲料原料价格会提高由饲料加工技术产生的任何益处的价值。
3 高粱型日粮的蒸汽制粒
由于颗粒完整性高的日粮能比粉料提供更多的优点，因此大多数的猪和家禽日粮采用蒸汽制粒。正如Behnke（1996）所强调的那样，这些优点包括可降低饲料的浪费、减少动物采食的挑食性、降低饲料成分的分离性、杀灭致病菌、淀粉和蛋白质的热变质处理以及提高日粮的适口性。重要的是，家禽会花费更少的时间和能量采食颗粒饲料，因为颗粒饲料能促进动物的采食，进而可提高动物的自主采食量（Jensen等，1962）。同粉状饲料相比，颗粒饲料可持续提高猪（Medel等，2004；Lahaye等，2007）和家禽（Engberg等，2002；Svihus等，2004；Zang等，2009）的生产性能。Vanschoubroek等（1971）对117项有关颗粒饲料对猪生长性能影响的试验进行了总结，即制粒能使猪生长速度加快6.6 %，饲料转化率提高7.9 %，采食量减少2.1 %。
Cerrate和Waldroup（2010）对18项肉鸡试验进行了评估，发现颗粒饲料使肉鸡增重提高14.4 %，采食量增加10.5 %，饲料转化率改善3.4 %。颗粒饲料的制备包括混合、蒸汽调质、制粒和冷却。粉状饲料通过由流入的蒸汽进行加热的调质机，然后进入一个挤压机的内膛，调质后的粉状料在压力的作用下通过钢模，最终产生成品——颗粒饲料。高粱淀粉的糊化温度（68 ℃～78 ℃）通常高于玉米（62 ℃～72 ℃）和小麦（58 ℃～64 ℃）（Taylor 和Dewar，2001）。因此，它需要较高的蒸汽制粒温度，以能够达到足够的糊化和完整的颗粒。然而，由于高粱对湿热处理很敏感，且在热液处理后很可能会形成二硫键，因此较高的蒸汽制粒温度可能会破坏高粱的营养价值，尤其是蛋白质的营养（Taylor，2005）。 颗粒的完整度对颗粒饲料最大程度地发挥其有益作用非常重要，影响饲料颗粒品质（硬度和保存的持久性）的主要因素有日粮的整体组分、谷物类型、颗粒大小、生产速度、加工模具的厚度、添加的结合剂和调质温度（Thomas和van der Poel，1996；Thomas等，1997，1998；Loar和Corzo，2011）。制粒后淀粉的糊化度似乎较低，糊化范围介于50 g/kg～300 g/kg。蒸汽制粒后淀粉的部分糊化对淀粉的消化没有大的影响（Svihus和Zimonja，2011）。评价淀粉糊化度的其他方法有差示扫描量热法、快速黏度分析法及其他的湿化学法，这些方法也许均会造成淀粉糊化的差异。
高粱对湿热加工比较敏感，蒸汽制粒的高粱型日粮因提高了二硫键的水平而会部分降低蛋白的溶解度。Selle等（2012）报道，蒸汽制粒的高粱型肉鸡日粮会增加二硫键（每33.88 μmol/g蛋白相比34.95 μmol/g蛋白），并会降低蛋白的溶解度（56.3 %相比38.3 %）。此外，该研究还发现，氮的保留率和蛋白质的溶解度呈显著的正相关（r=0.659；P<0.001）。这表明，蒸汽制粒的高粱型日粮会降低蛋白质的体外溶解度和氮的体内保留率。
Selle等（待发表）当将调质温度由70 ℃升高到80 ℃和90 ℃时，细磨（2 mm）的肉鸡高粱型日粮，小肠四个部位的淀粉消化系数呈线性提高，平均增加达8.7 %（70 ℃时为0.766，90 ℃时为0.833）。同样，氮（N）的平均消化系数提高11.7 %（70 ℃时为0.666，90 ℃时为0.744）。有趣的是，淀粉和氮消化率的这种提高并没有在肉鸡生产性能上反映出来。然而，当将粉碎粒度为3.2 mm的高粱型日粮的制粒温度从65 ℃提高到95 ℃时，淀粉消化率的改善并不显著（Selle等，已接收）。这表明谷物颗粒大小和蒸汽制粒温度对淀粉的消化率有交互影响。
恰恰相反的是，Abdollahi等（2010）研究表明，将蒸汽制粒温度由60 ℃升高到90 ℃时，肉鸡回肠淀粉和蛋白质消化率分别降低2.5 %和3.0 %，此外，淀粉和蛋白质消化率的降低并没有显著影响肉鸡的增重和饲料转化率。这些作者指出，采用90 ℃蒸汽制粒温度从而导致较差的回肠蛋白质消化率，可以用蒸汽制粒后形成了可以阻碍酶的二硫化物与蛋白质的聚合体来解释。这一结果得到了Selle等（2012）最新发现的支持，Selle等（2012）在研究中发现蒸汽制粒增加了高粱蛋白的二硫化物键。然而，高粱蛋白在肉鸡日粮中的总蛋白含量上仅占很小的部分，加入日粮后会稀释蒸汽制粒后高粱蛋白溶解率下降的不利影响。消化率的提高和生产性能之间缺乏相关性表明，在决定动物的生产性能方面，淀粉和蛋白质消化的动力学较它们静态的表观消化率（包括回肠末端消化率）更为重要。的确，肉鸡的生长性能参数与淀粉和蛋白质消化动力学之间的相关性似乎高于与消化系数间的相关性。