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1、大豆粕和大豆在反刍动物和猪饲养中的应用1 SOYBEAN MEAL AND SOYBEANS FOR RUMINANTS AND SWINE R. L. Preston 博士,美国德州理工大学 前 言 大豆用作为人膳食中的蛋白质来源已有五千多年的历史(Central Soya Co.,Inc., 1990)。公元前2800年左右,中国的炎帝神农氏首先提倡种植大豆。在本世纪初传人美国以前,大豆主要在中国种植。起初,美国主要关心大豆的含油量,提出油以后的大豆粕和大豆皮仅仅是副产品。不久,大豆粕中蛋白质的优异品质被人们所认识。从此,大豆粕成了猪、鸡日粮中补充蛋白质的主要来源。全世界来说,动物饲料中所
2、用的所有植物性饼粕中62为大豆粕(其次为油菜籽粕,占12);在美国,大豆粕总量中用于猪、鸡日粮的分别占52和29(Chandler, 1999)。 当大豆加工时(图1),大豆的74是大豆粕(SBM)。大豆粕蛋白质的质量优异,也就是说,其氨基酸组成与动物的需要相接近。当往单胃动物日粮的谷物中补加大豆粕时,它可弥补谷物中氨基酸的不足,特别是赖氨酸。如果有商业生产的赖氨酸,补充蛋白质的水平可以下降。 大豆粕用作饲料 在大豆粕可以有效地用作蛋白质补充料之前, 必须对脂肪提取后剩下的大豆粕进行热处理,使其中抑制生长的成分失活。这主要是会在动物肠道中干扰蛋白质消化的胰蛋白酶抑制因子(Vohra and K
3、ratzer, 1991)。脂肪提取后剩下的大豆粕还含有尿酶。胰蛋白酶抑制因子和尿酶都会在加热时失活,而且尿酶的失活是检验热处理是否已足以使胰蛋白酶抑制因子失活的依据。但是,尿酶试验不能测定大豆粕是否加热过度。另一种检验大豆粕加热是否合适的方法是测定大豆粕蛋白质在0.2%KOH(0.0356N)中的溶解度(Araba and Dale, 1990b)。这个方法也可以测定 1 首次发表于1999年8月 90 大豆粕是否加热过度,因为大豆粕蛋白质在0.2%KOH的溶解度低于59时鸡的生长效率就会下降(表1)(Araba and Dale, 1990a; Parson et al, 1991)。有人
4、也提出了测定热处理对大豆粕影响的其他方法(Vohra and Kratzer, 1991)。 大豆 大豆加工过程 清洁,破碎清洁,破碎 大豆皮大豆皮 8 去皮去皮 碾压碾压 大豆油大豆油 18 提取提取 大豆粕大豆粕 74 图1 大豆的加工过程简图 表1 加热(高温高压)大豆粕对其蛋白质在0.2% KOH中的 溶解度及鸡生长效率的影响 加热时间(分钟) 蛋白质溶解度() 效率(对照组的) 对照组 84 100 5 72 102 10 64 98 15 57 94 20 50 90 40 36 64 91 反刍动物对蛋白质的利用 关于当前对反刍动物利用氮方面的概念已有所综述(NRC,1985)。
5、当反刍动物进食粗蛋白(CP)后,不论是完整的蛋白质还是非蛋白氮(NPN),瘤胃微生物都将蛋白质降解为肽类、氨基酸以及终产物氨。这种蛋白质称为可降解的进食蛋白质(degradable intake protein, DIP),它被瘤胃微生物用来合成微生物蛋白质。有些蛋白质由于其化学组成或在瘤胃中停留时间短暂而不能被瘤胃微生物充分降解,因而被称为过瘤胃蛋白(bypass protein)或不降解进食蛋白质(undegradable intake protein, UIP)。这些不降解的蛋白质通过瘤胃而进入真胃和小肠。因此,供动物消化和吸收的蛋白质是微生物蛋白和不降解饲料蛋白的混合物。 由于反刍动物
6、中存在这两种蛋白质利用过程, 因而实际上必须满足两种蛋白质需要量,即瘤胃微生物对可降解蛋白质(氮)的需要量和反刍动物在数量和质量上对蛋白质的需求。研究表明,为使动物发挥最大效率,首先应满足瘤胃微生物的蛋白质需求,因此首先需要有适量的DIP。 厌氧瘤胃发酵的结果是瘤胃微生物产生了能量(挥发性脂肪酸,主要是乙酸、丙酸和丁酸)和微生物蛋白,但是蛋白质与能量相比往往不能在数量上满足反刍动物对蛋白质的需求,特别是青年动物和高产奶牛(Orskov et al, 1980)。这一点最好用蛋白能量比来表示(Preston, 1966)。在采食维持能量的情况下,反刍动物需要的可消化蛋白(DP)对可消化能量(DE
7、)之比为12克DP/Mcal DE。快速生长的反刍动物需要2224克DP/Mcal DE,高产奶牛需要3132克DP/Mcal DE(Preston, 1972),而瘤胃发酵产生的DP与DE之比只有18(Purser, 1970)。这些关系说明,DIP可以供应维持、低速生长和低产奶量所需要的蛋白质。但是,对于快速生长,所进食蛋白质中至少应有25100(2415)/24是UIP;对于高产奶牛,至少44100(3218)/32的进食蛋白必须是UIP。根据最新的NRC肉牛营养需要(1996),对于采食高粗饲料日粮的低速生长牛,UIP的需要量是进食蛋白质需要量的12;而对于采食高精饲料日粮的快速生长围
8、栏肥育肉牛,UIP应占56。根据最新的NRC奶牛营养需要(1989),泌乳牛的UIP需要量应占进食蛋白质的3744。 反刍动物对大豆粕的利用 关于大豆粕在反刍动物日粮中的应用已发表了三篇很好的综述(Satter et al, 1991; Lin and Kung, 1997; Stallings, 1999)。 92 瘤胃微生物对大豆粕蛋白质的降解力相当高(CP的6468是DIP;Hillman, 1998; Preston, 1999),这说明其UIP相对较低(CP的3236)。如上所述,DIP是第一位需要,是为满足维持、低速生长或低产奶量所需的全部所有。但是,最新的数据表明,在高精料、高增
9、重的围栏肥育型日粮中DIP也可能是重要的,特别是如果日粮中的谷物是经过热加工的。这可能用来解释,为什么在CP含量适当的高谷物日粮中加入大豆粕以提供释放率比尿素缓慢的DIP后围栏肥育牛的生长率和饲料转化率可以得到提高(表2)(Trenkle, 1994)。当往以蒸汽压片高粱粒为基础的、 CP含量适当的围栏肥育牛日粮中加入尿素后也能观察到这种反应 (Preston et al, 1993)。对上述数据进行重新评估后得出的结论是,高谷物的围栏肥育牛日粮应含有7DIP和最多达6的UIP。 表2 大豆粕在CP适当的生长牛围栏肥育日粮中的应用 日粮CP(DM的) 项 目 9.5 11a 12.5a 14
10、蛋白质来源 尿素 尿素 大豆粕尿素 大豆粕尿素 日增重,公斤 1.56 1.68 1.79 1.93 增重/100DM 19.2 19.9 20.3 21.4 a 11-12.5%CP是适宜水平 但是,日益引人注意的是提高大豆粕中UIP含量,使其更适用于高产反刍动物特别是泌乳牛日粮的加工工艺。在叙述这些工艺之前必须指出的是,有可能发生加工过度,上面说过的鸡方面的数据就是证明(Araba and Dale, 1990a; Parsons et al, 1991)。目标是既要提高大豆粕的UIP值,又不降低蛋白质在真胃和肠道中的消化率(Van Soest, pp. 294-296, 1994)。 用
11、螺旋压榨法生产大豆粕与溶剂提取法不同, 螺旋压榨过程中产生热, 使所得大豆粕的UIP值(CP的3870)高于溶剂提取大豆粕(CP的34)。虽然在某一加工厂内螺旋压榨大豆粕的UIP值可能比较一致,但在不同加工厂之间由于螺旋压榨过程中条件不一,UIP值可能有很大差异(Brederick, 1987)。螺旋压榨大豆粕饲喂生长牛的效果优于溶剂提取大豆粕 (图2) , 特别是在试验的头57天 (Coenen 93 and Trenkle, 1989),每采食1公斤螺旋压榨大豆粕的蛋白质使增重提高1.41公斤,而每采食1公斤溶剂提取大豆粕的蛋白质则增重提高0.80公斤(前者为后者的1.75倍);试验98天
12、的反应分别为0.77和0.57(增比为1.35)。这个例子很好地说明,用数量较少的高UIP值饲料原料即可满足对CP的需要。瘤胃尼龙袋试验结果表明,螺旋压榨大豆粕的蛋白质在瘤胃中降解较慢。用螺旋压榨大豆粕(50CP为UIP)代替血肉粉(高UIP值)或溶剂提取大豆粕后,产奶量、乳脂率和乳脂校正奶产量都得到提高 (表3) ,乳蛋白质含量有下降趋势,说明蛋氨酸可能不足(Shirley et al, 1997)。 螺旋压榨 溶剂提取大豆粕蛋白质(公斤/天) 增重(公斤/天) 图2 螺旋压榨大豆粕和溶剂提取大豆粕饲喂生长牛的比较 研究过几种提高大豆粕UIP值的加工方法(Waltz and Stern, 1
13、989; Broderick et al, 1991),有些已取得专利并在饲料工业中采用。最通常的加工方法是挤压、加热或焙烤、木质磺酸盐处理、甲醛处理等。热处理的加工方法是使饲料中的碳水化合物和氨基酸(特别是赖氨酸)组分之间发生美拉德反应(褐化)(Van Soest, pp.173-176, 1994)。 对大豆粕进行热处理可以提高其UIP值(Hillman, 1998),这是时间和温度协同作用的结果(Satter et al, 1991; Chandler, 1999)。由于大豆粕加热的时间和温度条件各不相同,因此动物生产中所得到的结果也有差异。将溶剂提取大豆粕在转筒中于102、128、14
14、4、159和185oC焙烤2分钟,随后立即冷却,通过饲养试验观察 94 鸡生长效率和羔羊对蛋白质的消化率,结果表明,当焙烤温度超过144oC后蛋白质的可利用率就会下降;尼龙袋瘤胃蛋白质降解试验结果表明最适的焙烤温度是144159oC, 在159185oC进行焙烤会使酸性洗涤剂不溶性氮 (acid detergent insoluble nitrogen, ADIN)增加(表4;Plegge et al, 1982)。在ADFCP和鸡只生长之间存在高度负相关(r2=0.99)。这些作者的结论是,在128144oC对溶剂提取大豆粕进行焙烤可以增加瘤胃不降解蛋白质的数量,而这些蛋白质在达到反刍动物小
15、肠后仍能被消化。随后的研究(Plegge et al, 1985)表明,在130或145oC焙烤大豆粕可以使其UIP值提高100(即从CP的34 提高到68)。 表3 蛋白质来源对奶牛产奶性能的影响 日粮CP(DM的) 项 目 16 16 16 蛋白质来源 溶剂提取大豆粕挤压大豆粕 血粉肉骨粉 DM/天(公斤) 26.3 26.9 26.3 奶/天(公斤) 41.1 42.9 42.7 乳脂() 3.45 3.65 3.30 乳蛋白() 3.09 2.98 3.16 乳脂校正奶/天(公斤) 40.5 44.0 41.5 表4 大豆粕焙烤温度对蛋白质可利用性的影响 焙烤温度(oC) ADFCP
16、(CP的) CP在尼龙袋中的残留()a绵羊对蛋白质的消化率() 鸡的生长率 (对照的) 对照组 6 5 72 100 102 6 12 68 95 128 8 30 68 97 144 10 49 68 94 159 18 53 68 77 185 60 82 50 34 a 24小时以后 95 木质磺酸盐处理大豆粕可以提高其UIP值。木质磺酸盐是酸性亚硫酸盐木材加工业的一种副产品,含有各种木材糖类,尤其是木糖。处理方法是往大豆粕中加入5木质磺酸钙,在95100oC加热3分钟后在9095oC保持45分钟,然后烘干。用尼龙袋方法测定UIP,未处理大豆粕和木质磺酸盐处理大豆粕的蛋白质UIP值分别为
17、2942和5965(Windschitl and Stern, 1988; Stanford et al, 1995)。在一个相似的研究中(Calsamiglia et al, 1995),大豆粕的UIP从22提高到77,而UIP的肠道消化率并未降低(93)。木糖似乎是木质磺酸盐中对加强美拉德反应起作用的一种重要成分(Windschitl and Stern, 1988; Cleale et al, 1987a;Cleale et al, 1987b) 。 用木糖处理大豆粕可以使生长羔羊对蛋白质的利用效率改进100 (Cleale et al, 1987c)。用木质磺酸盐处理大豆粕按未处理大豆
18、粕喂量的一半饲喂,母牛产奶量没有改变(Nakamura et al, 1992)。这些结果说明了处理蛋白质饲料的评定工作中的复杂因素之一。常常遇到的一个情况是当用一种蛋白质饲料取代另一种蛋白质饲料时生产性能并无变化,这可能是因为对照日粮含有足够的蛋白质(不论是DIP或UIP),本来就可以用较少的处理蛋白质来维持生产。 表5 奶牛对木质磺酸盐处理大豆粕的反应 项 目 未处理大豆粕 处理大豆粕 CP(DM的) 16 13 DM/天(公斤) 23.9 23.6 奶/天(公斤) 37.5 36.6 乳脂() 3.71 3.78 乳蛋白() 2.88 2.89 乳脂校正奶/天(公斤) 38.3 38.3
19、 甲醛(HCHO)处理也可提高大豆粕的UIP值(提高80,Hillman, 1998)。作者用甲醛处理溶剂提取大豆粕(用量为大豆粕的0.6%或CP的1.4%),并通过生长牛试验将其与溶剂提取大豆粕进行比较(Preston and Smith, 1974)。饲喂甲醛处理的溶剂提取大豆粕后,增重和饲料效率相当于溶剂提取大豆粕的一倍,特别是在试验的最初26天。这样的结果和上面提到的用木质磺酸盐处理大豆粕饲喂奶牛的效果相近似。 Ferguson (1975) 曾对用甲醛处理来保护某些饲料蛋白质写过综述。 96 甲醛用量在CP的1.5%以内不会显著降低总的肠道蛋白质消化率,但是如果甲醛用量达到CP的2或
20、更多就会降低消化率。 能够提高大豆蛋白质UIP值的其他方法包括用以下物质进行处理:单宁、油、钙皂、钠膨润土和锌盐(Broderick et al, 1991)。用乙酸、丙酸或氢氧化钠进行处理也表现出一定的希望(Waltz and Loerch, 1986)。 饲喂整粒大豆 近来, 饲喂整粒大豆受到越来越多的注意, 尤其是在泌乳母牛日粮中使用整粒大豆。这是因为大豆所含有的高质量蛋白质可以通过处理来提高其UIP值,同时由于大豆含油18,有高的能值,因此可以形成高能日粮,这对泌乳初期的母牛尤为重要。上面关于UIP的作用和通过加工来提高大豆粕UIP的所有论述同样适用于整粒大豆。 上面提到的有些综述同样
21、也包括整粒大豆的内容 (Waltz and Stern, 1989; Satter et al, 1991; Broderick et al, 1991; Lin and Kung, 1997; Stallings, 1999)。 焙烤和挤压是加工整粒大豆最常用的两种方法。 焙烤时, 旋转的带鳍片烘筒把大豆提升通过火焰喷嘴。焙烤大豆的典型UIP值为CP的4045,但是商业生产的焙烤大豆的UIP值范围为CP的3658,平均为48(Faldet and Satter, 1991)。如表6所示,在140oC焙烤90分钟或在150oC焙烤60分钟或在160oC焙烤30分钟可以使大豆具有几乎是最佳的UI
22、P值和有效赖氨酸值(Faldet et al, 1992a)。把焙烤过的大豆保温一段时间,使热量透入豆中,可以改进UIP值并使赖氨酸在通过瘤胃后有较好的效率(Faldet et al, 1992a; Faldet et al, 1992b)。作者们的结论是,焙烤适当的大豆在离开烘筒时的温度约为146oC并在焙烤后保温大约30分钟。焙烤大豆在饲喂前一般要破碎。挤压(膨化)是把大豆喂入挤压机膛,机膛内由旋转的螺杆用剪切力将大豆挤压通过一块模板,形成薯条或薯片状的产品,一般还要进行破碎或磨碎。挤压过程中摩擦产生的热量足以破坏胰蛋白酶抑制因子,但是在挤压过程中还经常注入蒸汽。挤压大豆的UIP值为CP的
23、35,此值的高低取决于挤压时产生的热量。 给奶牛饲喂挤压大豆一般有利于产奶量。在泌乳期的第1至第17周,饲喂挤压大豆、大豆粕或未加热大豆的奶牛的日产奶量分别为38.0、33.4和34.7公斤;DM进食量和乳脂率不受影响,但乳蛋白含量略有下降(Faldet and Satter, 1991)。在焙烤温度为123、135、146或153oC,保温030分钟的大豆中,只有在146oC焙烤并 97 保温30分钟的大豆能提高产奶量(Hsu and Satter, 1995),这和早先关于最佳焙烤条件的结论是一致的。综合36个用热处理整粒大豆(焙烤或挤压)、大豆粕或未热处理大豆进行的比较饲养试验结果(表7
24、)表明,热处理整粒大豆平均使日产奶量提高1.5公斤,乳脂校正奶的日产量提高1.3公斤(Socha, 1991)。不是所有的试验都能显示热处理大豆对产奶量的效应。这可能是因为大豆加热不足或过度,也可能因为日粮含有充足的CP(更准确地说是UIP)致使热处理大豆没有发挥作用的余地。 表6 大豆粕焙烤温度和时间对UIP和有效赖氨酸的影响 温度(oC) 时间(分钟)UIP(CP的) 有效赖氨酸(DM的)对照组 30 2.4 140 10 34 2.4 30 44 2.2 60 49 2.2 90 90 55 55 2.0 2.0 150 10 37 2.4 30 42 2.2 60 60 58 58 2
25、.0 2.0 90 64 1.6 160 10 37 2.3 30 30 53 53 2.1 2.1 60 72 1.4 90 71 1.1 关于热处理大豆饲喂生长牛的试验数据不多,多数为无效(Lin and Kung, 1997)。生长牛的CP需要量低于泌乳牛,因此比较容易用普通饲料来满足其对UIP的需要。但是,正如上面关于甲醛处理大豆粕的论述,热处理大豆应在生长牛饲养期最初阶段的日粮中进行试验。 98 表7 饲喂焙烤大豆或挤压大豆后产奶量的变化 (36个试验的总结) 项 目 产奶量变化 DM/天(公斤) 0 奶/天(公斤) +1.5 乳脂() 0.07 乳蛋白() 0.07 乳脂校正奶/天
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