蒸汽压片对玉米的淀粉特性、养分含量、康奈尔净碳水化合物-蛋白质体系组分、体外产气参数和分子结构的影响

韩铖星; 蔡小芳; 杨瑞鑫; 郭艳丽

doi:10.12418/CJAN2024.171

动物营养学报 >

2024 , Vol. 36 >Issue 3: 1964 - 1976

DOI: https://doi.org/10.12418/CJAN2024.171

研究论文

蒸汽压片对玉米的淀粉特性、养分含量、康奈尔净碳水化合物-蛋白质体系组分、体外产气参数和分子结构的影响

韩铖星 ^,¹ ,
蔡小芳 ¹^,² ,
杨瑞鑫 ¹ ,
郭艳丽 ^,¹^,^*

展开

¹ 甘肃农业大学动物科学技术学院,兰州 730070
² 富平县畜牧发展中心,富平 711700

*郭艳丽,教授,博士生导师,E-mail: guoyl@gsau.edu.cn

韩铖星(1996—),男,甘肃天祝人,博士研究生,研究方向为反刍动物营养。E-mail: han_chengxing@163.com

Copy editor: 武海龙

收稿日期: 2023-09-19

网络出版日期: 2024-03-13

基金资助

国家自然科学基金项目(31860654)

甘肃农业大学学科团队项目(GAU-XKTD-2022-20)

收起

Effects of Steam Flaking on Starch Characteristics, Nutrient Contents, Cornell Net Carbohydrate and Protein System Components, in Vitro Gas Production Parameters and Molecular Structure of Corn

HAN Chengxing ^,¹ ,
CAI Xiaofang ¹^,² ,
YANG Ruixin ¹ ,
GUO Yanli ^,¹^,^*

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¹ College of Animal Science and Technology, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
² Animal Husbandry Development Center of Fuping, Fuping 711700, China

*professor, E-mail: guoyl@gsau.edu.cn

Received date: 2023-09-19

Online published: 2024-03-13

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摘要

本试验旨在研究蒸汽压片对玉米的营养特性、体外瘤胃发酵和分子结构的影响。试验采用完全随机设计,分为2个处理,分别为未处理玉米(UC)和蒸汽压片玉米(SFC),每个处理3个重复。测定未处理玉米和蒸汽压片玉米的淀粉特性、养分含量、康奈尔净碳水化合物-蛋白质体系(CNCPS)组分、体外产气参数和分子结构,并对玉米分子结构与CNCPS组分和体外产气参数进行相关分析。结果表明:1)蒸汽压片玉米的淀粉含量、淀粉糊化度、直链淀粉含量及总碳水化合物、中速降解碳水化合物(CB1)、中速降解蛋白(PB2)、慢速降解蛋白(PB3)、不可降解蛋白(PC)含量显著高于未处理玉米(P<0.05),淀粉相对结晶度及粗脂肪(EE)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、粗蛋白质(CP)、快速降解碳水化合物(CA)、慢速降解碳水化合物(CB2)、非蛋白氮(PA)、快速降解蛋白(PB1)含量低于未处理玉米(P<0.05)。2)蒸汽压片玉米的1~4 h产气量显著高于未处理玉米(P<0.05),而缓慢产气部分(b)和潜在产气量(a+b)显著低于未处理玉米(P<0.05)。3)蒸汽压片玉米的总碳水化合物面积及碳水化合物第3峰高度和面积显著高于未处理玉米(P<0.05),酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ高度和面积及α-螺旋、β-折叠显著低于未处理玉米(P<0.05)。4)玉米中蛋白质分子结构酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ高度和面积以及α-螺旋、β-折叠与CA、PA、PB1含量呈显著正相关(P<0.05),与CB1、PB2、PC含量呈显著负相关(P<0.05)。由此可见,蒸汽压片有利于增加玉米的总碳水化合物面积及碳水化合物第3峰高度和面积,降低蛋白质结构的高度和面积,从而提高碳水化合物含量,促进玉米在瘤胃的前期发酵和养分利用。玉米的分子结构与CNCPS组分及体外产气参数相关。

关键词： 蒸汽压片; 玉米; CNCPS; 体外产气; 分子结构

本文引用格式

韩铖星 , 蔡小芳 , 杨瑞鑫 , 郭艳丽 . 蒸汽压片对玉米的淀粉特性、养分含量、康奈尔净碳水化合物-蛋白质体系组分、体外产气参数和分子结构的影响[J]. 动物营养学报, 2024 , 36(3) : 1964 -1976 . DOI: 10.12418/CJAN2024.171

Abstract

This experiment was conducted to investigate the effects of steam flaking on the nutritional characteristics, in vitro rumen fermentation and molecular structure of corn. A completely randomized design was adopted, divided into two treatments, which were untreated corn (UC) and steam-flaked corn (SFC), each treatment contained 3 replicates. The starch characteristics, nutrient content, Cornell net carbohydrate and protein system (CNCPS) components, in vitro gas production parameters and molecular structure of untreated corn and steam-flaked corn were measured, and the correlation of corn molecular structure with CNCPS components and in vitro gas production parameters were analyzed. The results showed as follows: 1) the starch content, starch gelatinization degree, amylose content and total carbohydrate, intermediately degraded carbohydrates (CB1), intermediately degraded protein (PB2), slowly degraded protein (PB3), undegradable protein (PC) contents of steam-flaked corn were significantly higher than those of untreated corn (P<0.05), and the starch relative crystallinity and ether extract (EE), neutral detergent fiber (NDF), acid detergent fiber (ADF), crude protein (CP), rapidly degraded carbohydrates (CA), slowly degraded carbohydrates (CB2), non-protein nitrogen (PA), rapidly degraded protein (PB1) contents were significantly lower than those of untreated corn (P<0.05). 2) The 1 to 4 h gas production of steam-flaked corn was significantly higher than that of untreated corn (P<0.05), and the slow gas production (b) and potential gas production (a+b) were significantly lower than those of untreated corn (P<0.05). 3) The total carbohydrate area and carbohydrate 3rd peak height and area of steam-flaked corn were significantly higher than those of untreated corn (P<0.05), and the amide Ⅰ, amide Ⅱ area and height and α-helix, β-sheet were significantly lower than those of untreated corn (P<0.05). 4) The amide Ⅰ, amide Ⅱ area and height and α-helix, β-sheet of protein molecular structure in corn were significant positively correlated with the CA, PA and PB1 contents (P<0.05), and significant negatively correlated with the CB1, PB2 and PC contents (P<0.05). In conclusion, the steam-flaking beneficial for enhance the total carbohydrate area and carbohydrate 3rd peak height and area, and reduce the height and area of protein structures, thereby increase the carbohydrate content, promotes the early fermentation and nutrient utilization in rumen. The molecular structures of corn are correlated with CNCPS components and in vitro gas production parameters.

Key words： steam flaking; corn; CNCPS; in vitro gas production; molecular structure

玉米是最常用的一种能量饲料,玉米的能量主要来自淀粉,淀粉约占玉米总重的70%。玉米中淀粉颗粒的结构以及与蛋白质的互作会影响淀粉在瘤胃中的降解。对玉米进行适当的加工会破坏淀粉结构,从而提高其被动物利用的程度。蒸汽压片一般是将玉米经过100~110 ℃的蒸汽处理30~60 min,然后用经过预热的碾子碾成特定密度的玉米片。蒸汽压片可以改变玉米胚乳的物理形态和结构,使玉米粒径增大、被微生物附着并使攻击的表面积增加^[1]、淀粉糊化度增加^[2]、淀粉消化率提高^[3]、能量和氮利用率提高^[4-5]等。课题组前期在羔羊中的研究结果表明,饲喂蒸汽压片玉米构成的开食料更有利于养分消化、胃肠道发育和促进生长^[6-7]。蒸汽压片玉米(steam-flaked corn,SFC)已在奶牛^[8]、肉牛^[9]和犊牛^[10]饲粮中广泛使用。但有关蒸汽压片对玉米淀粉特性和CNCPS组分影响的研究较少,以羊作为研究对象的也较少。

传统的饲料营养价值评价通常采用“湿”化学分析法和动物试验。“湿”化学分析法是以物质的化学反应为基础测定含量,通常会破坏饲料的固有分子结构^[11]。动物试验则具有费时、费力、成本高等缺点。而衰减全反射-傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)是一种快速、直接、非破坏性和非侵入性的生物分析技术,可以在不破坏组织固有结构的情况下,以超高空间分辨率对植物组织进行分子化学成像,检测完整饲料组织中的碳水化合物和蛋白质分子结构^[12⇓-14]。已有较多采用ATR-FTIR技术揭示饲料分子光谱特征的研究^{[15⇓⇓-18]},这些研究表明,饲料碳水化合物和蛋白质分子光谱特征与其养分利用之间存在相关关系。但有关蒸汽压片对玉米碳水化合物和蛋白质分子结构影响的研究较少,目前仅见到徐宁宁^[19]报道的玉米分子结构变化与瘤胃降解动力学具有相关关系。

因此,本试验对玉米进行蒸汽压片处理,研究这种加工方式对玉米淀粉特性、康奈尔净碳水化合物-蛋白质体系(CNCPS)组分、体外产气参数及碳水化合物、蛋白质分子结构的影响,并对分子结构与CNCPS组分和体外产气参数进行相关分析,为玉米在肉羊生产中的合理加工以及蒸汽压片玉米在肉羊生产中的合理应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验采用完全随机设计,分为2个处理,分别为未处理玉米(untreated corn,UC)和蒸汽压片玉米,每个处理3个重复。试验所用未处理玉米和蒸汽压片玉米为同一批原料,采自河南省开封市大同有限公司。蒸汽压片玉米的加工工艺如下:先用100~110 ℃蒸汽处理整粒玉米45 min,将其中水分含量提高到210~230 g/kg,然后将玉米通过预热的螺纹轧辊,产出密度为334~354 g/L、厚度为2.00 mm的蒸汽压片玉米。在玉米加工过程中,每隔5 min取1次饲料样品,共取3次,构成3个重复。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 样品处理

所有样品分为2份,一份使用粉碎机(QE-400型摇摆式粉碎机)粉碎后过18目孔筛,混匀后用于淀粉特性、化学成分和体外产气参数分析测定;另一份粉碎后过60目孔筛,混匀后用于光谱扫描。

1.2.2 淀粉特性测定

淀粉糊化度参照熊易强^[20]的方法测定。采用XD多晶X射线衍射仪进行淀粉相对结晶度测定,测试条件为:铜-靶(Cu-Ka)辐射,管压50 kV,KAPTOM膜片滤波,波长为1.541 8 A,管流60 mA,样品和探测器之间的距离为1 370 nm。样品置于2 mm的密封石英管中,散射观察时间为600 s^[21]。采用MDI Jade 6.0软件计算所测样品的相对结晶度。直、支链淀粉含量使用直、支链淀粉试剂盒(南京建成生物工程研究所)测定。

1.2.3 化学成分分析

干物质(DM)、粗脂肪(EE)、粗灰分(Ash)和粗蛋白质(CP)含量按照AOAC^[22]方法测定。酸性洗涤纤维(ADF)、中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤木质素(ADL)含量按照Van Soest等^[23]的方法测定。中性洗涤不溶蛋白(NDICP)、酸性洗涤不溶蛋白(ADICP)、可溶性蛋白(SCP)和非蛋白氮(NPN)含量按照Licitra等^[24]的方法进行分析。淀粉含量使用南京建成生物工程研究所淀粉试剂盒测定。

1.2.4 CNCPS组分计算

CNCPS中碳水化合物[非结构性碳水化合物(CNSC)、快速降解碳水化合物(CA)、中速降解碳水化合物(CB1)、慢速降解碳水化合物(CB2)和不可降解碳水化合物(CC)]和蛋白质组分[非蛋白氮(PA)、快速降解蛋白(PB1)、中速降解蛋白(PB2)、慢速降解蛋白(PB3)和不可降解蛋白(PC)]参照Sniffen等^[25]的方法进行划分和计算。

1.2.5 体外产气试验

选用3只绵羊作为瘤胃液供体,自由采食玉米秸,每日分2次(08:00和16::00)饲喂精料(600 g)。精料组成为:玉米50.00%、豆粕24.00%、麸皮22.00%、食盐0.77%、石粉2.23%、预混料1.00%。瘤胃液于晨饲前2 h采集,混装于保温瓶迅速带回实验室,然后在39 ℃水浴环境中用4层纱布过滤,同时持续通入CO₂。

按照Menke等^[26]的方法进行体外产气试验。准确称取未处理玉米和蒸汽压片玉米各200 mg(干物质基础),送入体外产气管底部,加入预热的体外发酵培养液30 mL(10 mL瘤胃液+20 mL缓冲液),并记录产气管初始刻度。将专制72孔有机玻璃支架置于39 ℃恒温水浴锅上,记录1、2、3、4、8、12、24和48 h后各产气管的产气量。每种原料做4个重复,同时做3个空白。根据如下公式计算产气量:

GP_t=200×(V_t-V₀)/W。

式中:t为发酵开始后某一时间(h);GP_t为样品t时刻产气量(mL);V_t为样品发酵t h后产气管读数;V₀为开始培养时空白管读数;W为样品干物质基础重量(mg)。

利用Prism Software 6.1软件,参照Karami等^[27]产气拟合模型公式计算消化动力参数,公式如下:

GP=a+b(1-e^-^ct)。

式中:t为发酵开始后某一时间(h);a为快速产气部分(mL);b为缓慢产气部分(mL);c为缓慢产气部分的产气速度常数(%/h);a+b为潜在产气量(mL)。

1.2.6 玉米分子结构测定

1.2.6.1 振动分子光谱和光谱表征

光谱分析在中国科学院兰州化学物理研究所分子光谱实验室进行。使用具有衰减全反射的中红外光谱仪(FTIR-ATR-3,Perkinelmer公司,美国)收集所有样品的光谱数据,测定的光谱区域为ca. 4 000~800 cm^-1。所有样品均以1 cm^-1的分辨率执行32次扫描,每5次测定进行1次256次背景扫描噪声矫正。每个样品重复测定5次。测定结束后,使用OMNIC 8.0软件进行后续的光谱数据提取。

碳水化合物和蛋白质官能团相关的吸收峰^[28-29]如下:1)碳水化合物的吸收峰位于ca. 1 186~946 cm^-1区域,相关的3个次级峰分别为:第1峰(ca. 1 186~1 133 cm^-1)、第2峰(ca. 1 133~1 065 cm^-1)和第3峰(ca. 1 065~946 cm^-1),峰中心分别在ca. 1 149、1 075和991 cm^-1。2)蛋白质分子结构相关的光谱区域:酰胺Ⅰ(高度和面积基线为1 717~1 575 cm^-1)和酰胺Ⅱ(高度和面积基线为1 575~1 485 cm^-1)蛋白质二级结构α-螺旋(α-helix)和β-折叠(β-sheet)的吸收峰分别位于ca. 1 658 cm^-1和ca. 1 652 cm^-1。

1.2.6.2 多元分子光谱分析

通过主成分分析(PCA)碳水化合物(ca. 1 186~946 cm^-1)和蛋白质(ca. 1 717~1 485 cm^-1)相关吸收峰的光谱差异。

1.3 统计分析

用SAS 9.4的PROC MIXED程序对淀粉特性、养分含量、CNCPS组分、体外产气参数以及碳水化合物和蛋白质相关官能团的光谱数据进行统计分析。使用的模型是:

Y_ijk=μ+T_i+K₍_T₎_j+e_ijk。

式中:Y_ijk是因变量ijk的观测值;μ是变量的平均值;T_i为处理(i=1,2,3)固定效应;K₍_T₎_j是嵌套在处理中的样本;e_ijk是与变量ijk相关的随机误差。试验数据用平均值±标准差表示,显著性水平为P<0.05。

分子光谱吸收强度与CNCPS组分和体外产气参数的相关由SAS 9.4的PROC CORR程序执行,并执行PROC UNIVARIATE与NORMAL和PLOT选项以测试数据正态性。由于数据正态分布,在相关分析中选择了Pearson选项。

2 结果

2.1 玉米的淀粉特性

由表1可知,蒸汽压片玉米的淀粉含量、淀粉糊化度、直链淀粉含量显著高于未处理玉米(P<0.05),分别提高了12.16%、556.15%、7.59%;淀粉相对结晶度显著低于未处理玉米(P<0.05),降低了36.49%。未处理玉米和蒸汽压片玉米的支链淀粉含量差异不显著(P>0.05)。

表1 玉米的淀粉特性

Table 1 Starch characteristics of corn

项目 Items	未处理玉米 Untreated corn	蒸汽压片玉米 Steam-flaked corn	P值 P-value
淀粉含量 Starch content/% DM	64.84±0.68	72.89±0.47	<0.001
淀粉糊化度 Starch gelatinization degree/%	9.76±0.72	64.04±0.40	<0.001
淀粉相对结晶度 Starch relative crystallinity/%	37.27±2.15	23.67±1.10	<0.001
直链淀粉含量 Amylose content/% DM	7.77±0.23	8.36±0.22	0.002
支链淀粉含量 Amylopectin content/% DM	31.22±0.91	29.55±0.61	0.058

2.2 玉米的营养成分含量

由表2可知,蒸汽压片玉米的总碳水化合物含量显著高于未处理玉米(P<0.05),提高了3.81%(P<0.05);NDF、ADF、CP和EE含量显著低于未处理玉米(P<0.05),分别降低了7.82%、31.85%、10.65%、48.86%。

表2 玉米的营养成分含量

Table 2 Nutrient contents of corn

项目 Items	未处理玉米 Untreated corn	蒸汽压片玉米 Steam-flaked corn	P值 P-value
干物质 DM/%	95.90±0.09	96.10±0.23	0.068
总碳水化合物 Total CHO/% DM	85.39±0.15	88.64±0.11	<0.001
中性洗涤纤维 NDF/% DM	11.73±0.44	10.95±0.42	0.015
酸性洗涤纤维 ADF/% DM	3.74±0.14	2.57±0.15	<0.001
粗蛋白质 CP/% DM	10.23±0.08	9.14±0.06	<0.001
粗脂肪 EE/% DM	3.52±0.16	1.80±0.06	<0.001

2.3 玉米的CNCPS碳水化合物和蛋白质组分

由表3可知,蒸汽压片玉米的CB1、PB2、PB3和PC含量显著高于未处理玉米(P<0.05),CA、CB2、PA和PB1含量显著低于未处理玉米(P<0.05)。未处理玉米和蒸汽压片玉米的CC含量差异不显著(P>0.05)。

表3 玉米的CNCPS碳水化合物和蛋白质组分

Table 3 CNCPS carbohydrate and protein components of corn

项目 Items	未处理玉米 Untreated corn	蒸汽压片玉米 Steam-flaked corn	P值 P-value
快速降解碳水化合物 CA/% CHO	10.44±1.16	6.40±0.72	0.002
中速降解碳水化合物 CB1/% CHO	77.22±1.12	82.57±1.00	<0.001
慢速降解碳水化合物 CB2/% CHO	8.91±0.26	7.85±0.84	0.034
不可降解碳水化合物 CC/% CHO	3.44±0.41	3.07±0.42	0.227
非蛋白氮 PA/% CP	8.93±0.60	2.69±0.51	<0.001
快速降解蛋白 PB1/% CP	21.48±1.17	9.23±0.54	<0.001
中速降解蛋白 PB2/% CP	57.19±0.73	69.46±0.79	<0.001
慢速降解蛋白 PB3/% CP	4.51±1.01	6.52±1.08	0.016
不可降解蛋白 PC/% CP	7.54±1.29	12.12±1.14	<0.001

2.4 玉米的体外产气量及产气参数

由表4可得,蒸汽压片玉米的发酵前期(1~4 h)产气量显著高于未处理玉米(P<0.05),缓慢产气部分(b)和潜在产气量(a+b)显著低于未处理玉米(P<0.05)。未处理玉米和蒸汽压片玉米的发酵后期(8~48 h)产气量和快速产气部分(a)、缓慢产气部分的产气速度常数(c)差异不显著(P>0.05)。

表4 玉米的体外产气量及产气参数

Table 4 In vitro gas production and gas production parameters of corn

项目 Items	未处理玉米 Untreated corn	蒸汽压片玉米 Steam-flaked corn	P值 P-value
产气量 Gas production/(mL/g DM)
1 h	3.10±1.73	7.00±1.87	0.008
2 h	5.83±2.02	11.50±2.08	0.015
3 h	10.08±2.52	18.25±4.40	0.036
4 h	12.92±4.65	24.50±6.61	0.049
8 h	36.00±10.48	59.75±15.77	0.075
12 h	95.08±27.47	129.13±22.14	0.127
24 h	255.17±50.85	277.88±21.85	0.451
48 h	366.00±36.59	371.63±18.68	0.798
产气参数 Gas production parameters
快速产气部分 a/mL	-24.77±9.46	-26.77±0.77	0.734
缓慢产气部分 b/mL	776.64±158.62	491.35±37.98	0.039
缓慢产气部分的产气速度常数 c/(%/h)	0.02±0.01	0.03±0.01	0.089
潜在产气量 a+b/mL	751.87±165.87	464.58±38.43	0.043

2.5 玉米的碳水化合物和蛋白质分子光谱特征

由表5可知,蒸汽压片玉米的总碳水化合物面积及碳水化合物第3峰高度和面积显著高于未处理玉米(P<0.05),酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ高度和面积及α-螺旋、β-折叠显著低于未处理玉米(P<0.05)。未处理玉米和蒸汽压片玉米的其他光谱特征差异不显著(P>0.05)。

表5 玉米的碳水化合物和蛋白质分子光谱特征

Table 5 Carbohydrate and protein molecular spectral characteristics of corn

项目 Items	吸收峰波数 Absorption peak wave/cm^-1	未处理玉米 Untreated corn	蒸汽压片玉米 Steam-flaked corn	P值 P-value
总碳水化合物面积 Total CHO area	ca. 1 186~946	15.39±0.14	16.24±0.39	0.002
碳水化合物第1峰面积 CHO 1st peak area	ca. 1 186~1 133	2.08±0.10	1.95±0.22	0.180
碳水化合物第2峰面积 CHO 2nd peak area	ca. 1 133~1 065	3.27±0.13	3.43±0.32	0.223
碳水化合物第3峰面积 CHO 3rd peak area	ca. 1 065~946	10.02±0.11	10.75±0.28	<0.001
碳水化合物第1峰高度 CHO 1st peak height	ca. 1 149	0.05±0.00	0.05±0.01	0.888
碳水化合物第2峰高度 CHO 2nd peak height	ca. 1 075	0.06±0.00	0.07±0.01	0.066
碳水化合物第3峰高度 CHO 3rd peak height	ca. 991	0.10±0.00	0.12±0.01	<0.001
酰胺Ⅰ面积 Amide Ⅰ area	ca. 1 717~1 575	3.66±0.29	2.63±0.25	<0.001
酰胺Ⅱ面积 Amide Ⅱ area	ca. 1 575~1 485	2.20±0.17	1.53±0.17	<0.001
酰胺Ⅰ高度 Amide Ⅰ height	ca. 1 646	0.04±0.00	0.03±0.00	<0.001
酰胺Ⅱ高度 Amide Ⅱ height	ca. 1 533	0.03±0.00	0.02±0.00	<0.001
α-螺旋 α-helix	ca. 1 658	0.04±0.00	0.03±0.00	<0.001
β-折叠 β-sheet	ca. 1 652	0.04±0.00	0.03±0.00	<0.001

多变量分析结果如图1所示,未处理玉米和蒸汽压片玉米的碳水化合物(图1-a)和蛋白质(图1-b)的吸收峰区域明显分开。

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图1 玉米的ATR-FTIR多变量分析

(a)总碳水化合物光谱区域:946~1 186 cm^-1。(b)蛋白质光谱区域:1 485~1 717 cm^-1。UC:未处理玉米;SFC:蒸汽压片玉米。

Fig.1 Multivariate analysis of ATR-FTIR of corn

(a) total carbohydrates spectra region: 946 to 1 186 cm^-1. (b) protein spectra region: 1 485 to 1 717 cm^-1. UC: untreated corn; SFC: steam-flaked corn.

2.6 玉米分子结构与CNCPS组分和体外产气参数的相关性

由表6可知,总碳水化合物面积与PB2含量呈显著正相关(P<0.05),与PA含量呈显著负相关(P<0.05)。碳水化合物面积第3峰面积与1 h产气量和PB2含量呈显著正相关(P<0.05),与CA、PA、PB1含量呈显著负相关(P<0.05)。碳水化合物第3峰高度与2、3、4、8 h产气量和CB1含量呈显著正相关(P<0.05),与CB2含量呈显著负相关(P<0.05)。碳水化合物第2峰面积与CB2含量呈显著负相关(P<0.05)。

表6 玉米分子结构与CNCPS组分和体外产气参数的相关性

Table 6 Correlation of corn molecular structure with CNCPS components and in vitro gas production parameters

项目 Items	总碳水化合物面积 Total CHO area	碳水化合物第1 峰面积 CHO 1st peak area	碳水化合物第2 峰面积 CHO 2nd peak area	碳水化合物第3 峰面积 CHO 3rd peak area	碳水化合物第1 峰高度 CHO 1st peak height	碳水化合物第2 峰高度 CHO 2nd peak height	碳水化合物第3 峰高度 CHO 3rd peak height	酰胺Ⅰ 面积 Amide Ⅰ area	酰胺Ⅱ 面积 Amide Ⅱ area	酰胺Ⅰ 高度 Amide Ⅰ height	酰胺Ⅱ 高度 Amide Ⅱ height	α-螺旋 α-helix	β-折叠 β-sheet
快速降解碳水化合物 CA	-0.784	0.617	-0.391	-0.822^*	0.161	-0.129	-0.742	0.720	0.952^*	0.947^*	0.954^*	0.974^*	0.954^*
中速降解碳水化合物 CB1	0.633	-0.380	0.604	0.689	0.118	0.256	0.874^*	-0.618	-0.868^*	-0.858^*	-0.826^*	-0.961^*	-0.826^*
慢速降解碳水化合物 CB2	-0.254	-0.113	-0.925^*	-0.334	-0.601	-0.598	-0.898^*	0.309	0.531	0.521	0.382	0.728	0.382
不可降解碳水化合物 CC	-0.195	0.041	-0.403	-0.247	-0.334	0.137	-0.764	0.300	0.496	0.475	0.531	0.625	0.531
非蛋白氮 PA	-0.831^*	0.534	-0.523	-0.871^*	0.121	-0.286	-0.727	0.769	0.924^*	0.919^*	0.889^*	0.994^*	0.889^*
快速降解蛋白 PB1	-0.776	0.548	-0.545	-0.824^*	0.060	-0.322	-0.796	0.705	0.953^*	0.949^*	0.903^*	0.999^*	0.903^*
中速降解蛋白 PB2	0.829^*	-0.567	0.516	0.871^*	-0.118	0.300	0.738	-0.763	-0.942^*	-0.938^*	-0.905^*	-0.998^*	-0.905^*
慢速降解蛋白 PB3	0.675	-0.460	0.629	0.735	0.208	0.595	0.617	-0.746	-0.687	-0.701	-0.637	-0.810	-0.637
不可降解蛋白 PC	0.641	-0.401	0.473	0.679	-0.102	0.121	0.807	-0.526	-0.900^*	-0.883^*	-0.850^*	-0.928^*	-0.850^*
产气量 GP
1 h	0.866	-0.684	0.472	0.902^*	-0.209	0.500	0.583	-0.913^*	-0.923^*	-0.841^*	-0.911^*	-0.841^*	-0.841^*
2 h	0.596	-0.397	0.729	0.658	0.110	0.631	0.858^*	-0.894^*	-0.894^*	-0.732	-0.912^*	-0.732	-0.732
3 h	0.520	-0.160	0.780	0.576	0.146	0.499	0.885^*	-0.813^*	-0.799^*	-0.649	-0.892^*	-0.649	-0.649
4 h	0.302	-0.133	0.685	0.359	0.153	0.472	0.890^*	-0.771	-0.757	-0.572	-0.750	-0.572	-0.572
8 h	0.209	-0.059	0.589	0.260	0.149	0.272	0.873^*	-0.707	-0.685	-0.543	-0.688	-0.543	-0.543
12 h	0.228	0.170	0.570	0.253	0.022	0.209	0.646	-0.513	-0.484	-0.347	-0.566	-0.347	-0.347
24 h	0.115	0.372	0.272	0.103	-0.112	-0.135	0.227	-0.130	-0.096	-0.063	-0.242	-0.063	-0.063
48 h	-0.007	0.384	-0.104	-0.050	-0.279	-0.462	-0.137	0.143	0.176	0.113	0.061	0.113	0.113

	*:显著相关(P<0.05)。
	*: significant correlation (P<0.05).

酰胺Ⅰ面积与1、2、3 h产气量呈显著负相关(P<0.05)。酰胺Ⅱ面积和高度与CA、PA、PB1含量呈显著正相关(P<0.05),与CB1、PB2、PC含量和1、2、3 h产气量呈显著负相关(P<0.05)。酰胺Ⅰ高度、α-螺旋、β-折叠与CA、PA、PB1含量呈显著正相关(P<0.05),与CB1、PB2、PC含量和1 h产气量呈显著负相关(P<0.05)。

3 讨论

本试验所用的蒸汽压片玉米和未处理玉米来自同一批玉米原料,保证了因玉米来源不同可能造成的基本差异。

3.1 玉米的淀粉特性

淀粉是葡萄糖分子聚合成的高分子碳水化合物,由直链淀粉和支链淀粉组成^[30]。两者相互配合、作用,共同组成淀粉的结晶结构^[31]。淀粉糊化是淀粉颗粒在足够水分条件下被加热,从有序结构变为无序结构,整个过程包括淀粉颗粒膨胀,自然结晶熔融,直、支链淀粉变化,双折射损失和淀粉溶解等现象^[30],淀粉糊化是一个不可逆过程。本试验中,蒸汽压片玉米的淀粉含量、淀粉糊化度和直链淀粉含量显著高于未处理玉米的结果,是本课题组前期研究中,饲喂蒸汽压片玉米开食料组羔羊淀粉消化率高于饲喂粉碎玉米开食料组的直接原因^[7]。Malekkhahi等^[8]在奶牛中的试验中得到了相似结果(饲喂蒸汽压片玉米组的淀粉消化率高于饲喂粉碎玉米组)。蒸汽压片玉米淀粉含量和糊化度升高的原因可能是玉米在蒸汽压片过程中,高水分、高热和高压联合作用,促使淀粉颗粒内部的结晶结构解体、化学键断裂,更多的淀粉小分子被释放出来所致^[32]。同时,淀粉颗粒内部结构由结晶区向无定形区转化,从而使直链淀粉从颗粒表面渗出。乔富强^[33]、郭亮等^[34]均得出蒸汽压片使玉米淀粉的糊化度提高的结果,与本试验结果一致。但有关蒸汽压片对玉米支、直链淀粉含量影响的报道较少,暂无法比较分析。

本试验中,蒸汽压片使玉米的淀粉相对结晶度显著降低的结果是由于蒸汽压片过程中玉米淀粉链降解为更多的短链淀粉分子,淀粉分子因在空间上发生无序重组导致内部晶体结构被破坏,从而使得淀粉颗粒的结晶区向无定形区转变^[35]。同时也有研究表明,直链淀粉含量越高,淀粉相对结晶度越低^[36],本试验结果符合这一规律。徐宁宁^[19]研究得出与本试验一致的结果,即蒸汽压片降低了玉米的淀粉相对结晶度。

3.2 玉米的营养成分

本试验中,蒸汽压片玉米的总碳水化合物含量显著提高、NDF和ADF显著降低的结果说明,蒸汽压片能提高玉米中的总碳水化合物和非结构性碳水化合物含量,减少结构性碳水化合物含量,可为反刍动物提供更多的能量。

本课题组前期研究发现,饲喂蒸汽压片玉米组羔羊瘤胃中总挥发性脂肪酸含量^[37]和瘤胃形态学参数(乳头高度、乳头宽度、肌层厚度)高于粉碎玉米组^[7];蒸汽压片玉米构成的开食料更有利于优势菌群建立^[37],改变了氨基酸和糖类代谢通路^[38]。结合本试验结果,说明蒸汽压片加工使其总碳水化合物含量增加,促进瘤胃发酵,帮助优势菌群建立,进而改变了瘤胃内营养物质代谢通路,并最终促进羔羊瘤胃发育。而Malekkhahi等^[8]研究表明,饲喂蒸汽压片玉米与粉碎玉米的奶牛瘤胃中总挥发性脂肪酸含量无显著差异,可能是由于蒸汽压片玉米加工工艺不同所致。总碳水化合物含量增加的原因可能是蒸汽压片处理过程中剧烈的机械剪切和高温高湿处理能够破坏淀粉颗粒的内部结构,释放出更多的游离态的碳水化合物^[19]。同时高温、高湿和高压处理导致玉米细胞壁结构被破坏,使其中的NDF和ADF含量降低。Crocker等^[39]、Kokić等^[3]和Rahimi等^[2]报道了类似结果,玉米经蒸汽压片降低了ADF和NDF含量。

蒸汽压片玉米的CP和EE含量显著低于未处理玉米,原因可能是高温使玉米中低价态氮转化为高价态氮,而凯氏定氮法无法测定高价态氮^[40],导致测定的CP含量下降。而蒸汽压片使玉米的EE含量降低,可能是由于在热处理过程中脂肪和糊化淀粉之间形成了络合物,在测定过程中不能被有机溶剂提取,导致测定的EE含量降低^[2]。Corona等^[41]、刘颖等^[42]和郭亮等^[34]得到了类似结果,蒸汽压片使玉米的CP和EE含量降低。但Qiao等^[43]、Chrenkova等^[44]、Rahimi等^[2]的报道结果不一致,蒸汽压片未改变玉米的CP含量。产生差异结果的原因可能是玉米品种和蒸汽压片加工工艺的不同所致。

3.3 玉米的CNCPS碳水化合物和蛋白质组分

本试验中,蒸汽压片使玉米的CNCPS碳水化合物和蛋白质组分的大部分指标发生改变,说明蒸汽压片能改变玉米在反刍动物瘤胃中的被利用程度。蒸汽压片加工过程中的高温、高压、高湿处理使其碳水化合物中的还原糖与氨基酸发生了一定程度的美拉德反应,从而使CA和PB1含量降低。由于蒸汽压片可以使玉米的淀粉含量提高,从而导致了其CB1含量高于未处理玉米。蒸汽压片玉米的CB2含量低于未处理玉米是由于蒸汽压片玉米的细胞壁成分降低所致。这说明蒸汽压片加工增加了玉米在瘤胃中CB1含量。

本试验中,蒸汽压片玉米的PA和PB1含量低于未处理玉米,说明蒸汽压片加工降低了玉米在瘤胃PB1含量。PB2和PB3为纤维结合蛋白质,与PB1相比,PB2和PB3只有少量可在瘤胃内降解,其余大部分流入后肠段^[45]。De Melo等^[9]在肉牛中的试验结果表明,饲喂蒸汽压片组的肉牛在采食量相同的情况下,平均日增重显著高于饲喂粉碎玉米组,但对瘤胃形态组织学(乳头高度、乳头宽度和肌层厚度)无显著影响。结合本试验中蒸汽压片玉米的PB2、PB3和PC含量高于未处理玉米的结果,说明蒸汽压片加工可能导致更多的玉米优质蛋白质到达后肠段进行消化利用,进而更有利于肉牛育肥^[46]。白云鹏等^[47]在平凉红牛的试验中发现,饲粮中蒸汽压片玉米代替粉碎玉米后,平均日增重显著提高,平均日采食量无显著差异,与上述结果类似。蒸汽压片玉米的PB2、PB3和PC含量高于未处理玉米,可能与高温、高压发生美拉德反应生成高分子蛋白质聚合物,导致降低了蛋白质在瘤胃中的降解。Chrenkova等^[44]研究得到类似结果,即蒸汽压片加工显著降低了玉米的PA含量,显著提高了PB2含量。

3.4 玉米的体外产气量及产气参数

瘤胃微生物降解饲料中碳水化合物产生大量气体,当产气量越高时,表明饲料可发酵碳水化合物含量越高,所提供的能量越高^[48]。本试验中,蒸汽压片玉米的1~4 h产气量显著高于未处理玉米,说明蒸汽压片玉米在人工瘤胃中快速发酵,可为反刍动物快速提供能量,其原因可能是由于蒸汽压片加工提高了玉米的淀粉含量所致;蒸汽压片玉米的b和a+b含量显著低于未处理玉米,说明蒸汽压片玉米在人工瘤胃中的b和a+b含量降低,这可能是由于处理过程中发生美拉德反应或引起非酶褐变反应,导致抗性淀粉的比例增加,而抗性淀粉是酶活性较低的淀粉^[23]。这一结果与蒸汽压片玉米的CB1含量增多、CB2含量降低的结果一致。Depeters等^[49]、Rahimi等^[4]和Karami等^[27]均得到了类似结果。

3.5 玉米的碳水化合物和蛋白质分子光谱特征变化

研究表明,碳水化合物的3个次级峰主要是由表征淀粉物质的官能团组成,其主要由游离态的C-O-H伸缩振动、C-O-H平面弯曲振动、糖苷键中C=O的伸缩振动构成^[50]。蛋白质的分子光谱酰胺Ⅰ由80%的C=O伸缩振动和20%的C-N伸缩振动组成,酰胺Ⅱ由60%的N-H弯曲振动和40%的C-N伸缩振动组成。酰胺Ⅰ是用来预测蛋白质的二级结构的主要波带,对蛋白质的二级结构特别敏感^[51-52]。本试验中,蒸汽压片玉米总碳水化合物面积及碳水化合物第3峰高度和面积均显著高于未处理玉米,说明蒸汽压片玉米具有较高的碳水化合物分子吸收,产生该结果可能是由于蒸汽压片加工提高了淀粉含量导致^[19]。研究表明碳水化合物第3峰高度和面积越高,其淀粉含量越高^[28]。本试验中,碳水化合物第3峰高度和面积与淀粉含量的结果(蒸汽压片玉米的淀粉含量显著高于未处理玉米)验证了以上理论。Fen等^[53]研究发现,湿热处理大麦的碳水化合物第3峰面积显著高于未处理组,与本试验结果类似。蒸汽压片玉米的酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ高度和面积及α-螺旋和β-折叠低显著低于未处理玉米,可能是由于该处理过程中的高温、高压、高湿环境破坏了蛋白质的物理结构和化学结构。徐宁宁^[19]、Han等^[54]、Peng等^[55]以及Samadi等^[14]研究得到类似结果。

3.6 玉米分子结构与CNCPS组分和体外产气参数的相关性

碳水化合物及蛋白质吸收峰与CNCPS组分和体外产气参数的相关结果表明,玉米的碳水化合物和蛋白质的分子结构与这2种养分在瘤胃的利用相关。碳水化合物第3峰面积越大,瘤胃初期发酵越快;酰胺Ⅰ面积越大,前期发酵越慢;酰胺Ⅱ面积和高度越大,CB1、PB2、PC含量越低;酰胺Ⅰ高度、α-螺旋和β-折叠越大,CA、PA、PB1含量越高,而CB1、PB2、PC含量和1 h产气量越低。陈凯等^[56]研究发现,总产气量(24 h)与酰胺Ⅰ高度呈显著负相关。Zhang等^[57]研究发现,大麦副产物混合物的碳水化合物面积与CB1含量呈显著正相关,与CA、CB2、CC含量呈显著负相关。Gomaa等^[58]研究发现,菜籽油加工副产物的酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ面积与PA2含量呈正相关。也有研究发现,不同配比下黑麦与纯小麦干酒糟及其可溶物组合饲料的碳水化合物面积与CB1含量呈显著正相关,与CA含量呈显著负相关^[59]。还需要做大量针对性的研究以明确饲料中碳水化合物和蛋白质分子结构与其养分利用之间的相关关系。

4 结论

蒸汽压片加工破坏了玉米的内在结构,总碳水化合物面积、碳水化合物第3峰高度和面积提高,酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ高度和面积及α-螺旋、β-折叠降低,淀粉糊化度增加,淀粉相对结晶度降低,淀粉和直链淀粉含量提高,从而使玉米在瘤胃的发酵和降解加强。玉米的碳水化合物和蛋白质分子结构与部分CNCPS组分及体外产气参数存在一定程度的相关。

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