原料粒径与种类互作对体外淀粉消化动力学的影响

《Animal Feed Science and Technology》：Ingredient-particle size interactions affect in vitro starch digestion kinetics

　　

：淀粉是单胃动物日粮中的主要能量来源，高效的淀粉消化对于动物的最佳生长、饲料转化率和健康至关重要。富含淀粉的原料（如谷物、豆类和块茎类及其副产品）是猪、禽和鱼日粮的重要组成部分。然而，原料供应有限和饲料生产成本高昂，要求对常规富含淀粉的饲料原料及副产品进行高效利用。因此，饲料加工对于优化原料利用、提高效率和增强可消化性至关重要。在各类饲料加工方法中，通过锤磨粉碎（hammer milling）降低粒径是提高营养素可利用性的广泛应用策略。粉碎会影响原料的结构组织和粒径，进而影响可供包括α-淀粉酶（α-amylase）在内的消化酶利用的基质和表面积，从而改变淀粉水解的速率和程度。尽管粉碎显著影响养分消化动力学及其代谢归宿，但大多数饲料评价体系忽略了此类工艺（预）处理的影响。深入了解这些（预）处理的影响对于提高饲料评价体系的准确性具有重要意义。不同植物来源（如谷物、豆类和块茎）的淀粉在颗粒结构、结晶度、直链淀粉与支链淀粉比例以及周围基质互作方面存在差异，这些内在差异可能调节粒径降低向淀粉消化动力学变化的转化。然而，多数研究仅独立关注粒径或原料种类，限制了对二者互作如何影响不同原料间淀粉消化动力学的理解。本研究通过评估多种淀粉来源中粒径与原料的互作效应，推进了对淀粉消化动力学的现有认知，强调了粒径降低的基质依赖性响应。本研究的目的是评估粒径对淀粉消化速率和最大可消化部分（平台期）的影响，并探究因粉碎强度或粒径降低导致的消化动力学变化是否具有原料特异性（原料-粒径互作）。研究人员选用玉米、小麦、大麦、蚕豆和小麦次粉等不同富含淀粉的原料，在锤磨机中以不同粉碎强度粉碎，获得对比鲜明的粒径分级（粗、中、细），并采用体外模型评估这些粉碎原料的消化动力学。研究人员假设粒径分级在淀粉消化动力学上存在差异，但效应大小可能因原料而异，具体而言，预期谷物类淀粉在粉碎后消化动力学变化大于豆类或副产品淀粉。

论文解读：原料粒径与种类互作对体外淀粉消化动力学的影响

一、研究背景与问题

淀粉是单胃动物日粮中最重要的能量来源，其高效消化对动物生长性能、饲料转化率和健康状态具有决定性作用。玉米、小麦、大麦、豆类、块茎类及其加工副产品等富含淀粉的原料是猪、禽和鱼类日粮的重要组成部分。然而，饲料原料供应日趋紧张且生产成本持续攀升，迫使行业必须高效利用常规淀粉原料及副产品。在此背景下，饲料加工工艺成为优化原料利用、提升消化效率的关键环节。

在众多加工方法中，锤磨粉碎降低粒径是应用最广泛的策略之一。粉碎改变原料的结构组织和粒径，进而影响可供α-淀粉酶作用的基质和比表面积，从而调控淀粉水解的速率与程度。尽管粉碎对养分消化动力学及动物生产性能影响显著，但现行大多数饲料评价体系并未纳入此类工艺（预）处理的影响，导致评价精度受限。此外，不同植物来源的淀粉在颗粒结构、结晶度、直链淀粉/支链淀粉比例及与周围基质互作方面差异显著，这些内在差异可能决定粒径降低对消化动力学影响的程度。然而，既往研究多将粒径和原料种类作为独立因素考察，鲜有系统评估二者互作对跨原料淀粉消化动力学的影响。在单胃动物实际配方中，采用统一的粉碎策略可能导致日粮淀粉利用欠佳，尤其当配方由多种淀粉原料组成时更为突出。因此，开展本研究旨在系统解析粒径-原料互作对淀粉消化动力学的影响机制，为饲料加工策略优化提供理论依据。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员选取玉米、小麦、大麦、蚕豆和小麦次粉五种富含淀粉的原料，采用锤磨机（Hammer mill D-Innox 300-530-300, Dinnissen, 荷兰）以不同粉碎强度加工，获得粗、中、细三个粒径等级。原料由ABZ De Samenwerking（荷兰）采购，粉碎在Feed Design Lab（荷兰）完成。粒径分布采用ASABE（2008）干筛法测定，以几何平均粒径（geometric mean diameter, GMD）和几何标准差（geometric standard deviation, GSD）表征，同时按Lachman等（1987）方法计算算术平均粒径（arithmetic mean diameter, AMD）、平均表面积粒径（mean surface area diameter, MSAD）、平均体积粒径（mean volume diameter, MVD）和平均体积-表面积粒径（mean volume-surface area diameter, MVSAD）。干物质含量按ISO 6496（1999）烘箱干燥法测定，总淀粉含量按ISO 15914（2004）酶法测定。体外淀粉消化动力学测定在Schothorst Feed Research（Lelystad, 荷兰）实验室进行，基于Englyst等（1992）和Weurding等（2001）方法，采用胃蛋白酶预处理、胰酶-淀粉葡萄糖苷酶-转化酶混合酶体系，于37℃振荡水浴中孵育24 h，在30、60、90、120、240 min及24 h时间点取样，以葡萄糖氧化酶法（GOPOD, Megazyme）分光光度法测定释放葡萄糖量。消化动力学参数采用修正的Chapman-Richards模型拟合，获得速率（rate）和平台期（plateau）两个参数。统计分析采用SPSS 28版一般线性模型（GLM），以粒径参数为协变量，评估原料主效应、粒径效应及其互作效应，并以参数标准误的倒数作为权重进行加权回归。

三、研究结果

3.1 富含淀粉原料的特性

不同粉碎条件下获得的粗、中、细三个粒径等级在各原料间实现良好区分。各粒径表达参数均随粉碎程度提高而递减。全部处理平均GMD为635 μm，AMD为842 μm，MSAD为1015 μm，MVD为1192 μm，MVSAD为1686 μm。除MVSAD外，各粒径参数间高度相关（r>0.96），MVSAD与其他参数相关系数为0.88–0.96。各原料内部粒径范围存在差异，如玉米GMD为318–957 μm，蚕豆为225–1461 μm。各原料的粒径区间存在重叠。干物质含量在87.3%（蚕豆）至89.1%（大麦）之间，淀粉含量差异显著，小麦次粉仅24.3%，玉米高达62.3%。

3.2 粒径与淀粉消化动力学的关系

速率和平台期均受GMD与原料的互作效应显著影响（p<0.05），表明GMD对消化动力学参数的影响因原料而异。随粒径增大，淀粉水解速率线性下降。GMD每增加1 mm，蚕豆速率下降0.144%/min，小麦次粉下降0.484%/min，其余原料下降0.665–1.026%/min。小麦和大麦对粒径变化最为敏感。在平均GMD（0.647 mm）处，小麦次粉速率最高（3.168%/min），蚕豆最低（0.191%/min）。谷物中速率排序为小麦>玉米>大麦。平台期同样随GMD增大而线性下降。GMD每增加1 mm，小麦次粉平台期仅下降1.32%，而大麦降幅最大（-41.89%/mm），小麦次之（-34.97%/mm）。在平均GMD处，小麦次粉（98.9%）和小麦（96.3%）平台期最高，蚕豆最低（63.7%）。谷物中平台期排序为小麦>玉米>大麦。部分细粉碎样品平台期估计值略超100%，研究人员指出这反映总淀粉测定与体外消化测定之间的方法学差异，并非生物学上可实现的超过100%的消化程度。

四、讨论与结论

讨论部分指出，锤磨粉碎降低粒径主要通过增加比表面积、破坏胚乳细胞壁和蛋白质基质等物理屏障、以及粉碎过程中摩擦热弱化淀粉-蛋白质互作等机制，提高酶对淀粉的可及性，从而加速水解。粒径降低对消化动力学的影响呈原料特异性：大麦和小麦对粒径降低高度敏感，因其淀粉颗粒紧密包裹于结构基质中，机械破坏显著增强酶扩散；玉米敏感性相对较低，可能与其淀粉颗粒固有的孔隙、通道和空腔结构有关；蚕豆敏感性最低，归因于其C型结晶结构、较高的直链淀粉/支链淀粉比例及较高的蛋白质含量，限制了酶的可及性；小麦次粉因本身为制粉副产物、结构已高度破碎，粒径进一步降低的增益有限。研究还发现，GMD是预测淀粉消化动力学最可靠的粒径指标。在饲料加工策略方面，细粉碎可改善大麦、小麦和玉米的淀粉消化，但对小麦次粉和蚕豆增益有限，蚕豆可能需要压调、制粒或挤压膨化等进一步加工，而小麦次粉因固有高消化性无需额外加工。这些发现对猪、禽的粉状饲喂及亚洲池塘鲤鱼养殖具有直接应用价值，GMD可作为预测和优化富含淀粉原料淀粉消化的参数。研究结论为：原料粒径影响淀粉消化动力学，消化速率和程度随原料粉碎细度增加呈线性提高，但粒径效应具有原料特异性，可归因于淀粉结构和性质的差异。因此，采用原料特异性粉碎策略可改善单胃及无胃动物的淀粉消化动力学。