不同热处理豆渣中碳水化合物分子结构与其营养价值及瘤胃降解特性的相关性研究

李 昕 徐宏建 霍鹏举 王玉洁 刘 鑫 么恩悦 张永根 孙满吉

(东北农业大学动物科学技术学院，哈尔滨 150030)

豆渣是加工豆腐、豆油等豆制品的副产物。研究表明，豆渣中含有膳食纤维、碳水化合物(CHO)、蛋白质等丰富的营养物质[1]。豆渣属于非常规饲料，非常规饲料的开发和利用能够有效降低奶牛饲养成本，对提高我国奶业竞争力具有重要意义。李岩等[2]利用康奈尔净碳水化合物-净蛋白质体系(CNCPS)和体外产气法对4个地区豆渣的营养价值进行评定得出，豆渣为反刍动物提供的可利用能值高，有利于微生物蛋白质合成。张学燕等[3]通过CNCPS和体外发酵参数指标的评定得出，豆渣的饲用营养价值要优于菜籽粕。但由于豆渣含水量高达80%以上，在运输和储存的过程中极易腐败变质，不仅污染环境而且造成极大的资源浪费[4-5]。为了解决饲料运输和储存问题，生产上会采用脱水或者干燥等方式来降低饲料的含水量[6]。适宜的热处理既可以降低豆渣的含水量从而便于运输和储存，又不影响其营养价值，但过热处理会发生美拉德反应导致豆渣的营养价值降低[7]。用传统的化学方法对热处理后豆渣进行营养价值测定既费时又费力，因此，寻求一种能够直接地反映出豆渣营养价值热损害程度的敏感指标显得尤为重要。

1 材料与方法

1.1 试验样品采集与处理

本试验于2017年5月在哈尔滨某饲料加工厂采集新鲜湿豆渣，测定其含水量为80%，并将采集到的新鲜豆渣进行不同温度(100、115、130 ℃)和不同时间(2、4、6 h)的热处理。热处理方法为将新鲜豆渣平铺于滤纸上(厚约1 cm)，放入烘箱中，期间每0.5 h翻搅1次[13-14]。取出样品冷却后，部分样品用粉碎机粉碎过1 mm孔筛，用于常规化学成分分析；再取部分样品粉碎过2 mm孔筛，用于瘤胃降解试验；剩余样品粉碎过0.25 mm孔筛，用于光谱分析。

1.2 试验动物与饲粮

试验动物选用东北农业大学阿城试验基地的3头装有永久性瘤胃瘘管的健康荷斯坦奶牛(体重600 kg左右)进行瘤胃降解试验。试验期间每日饲喂2次(08:00和16:00)，自由饮水。试验动物营养需要量参照奶牛营养需要NRC(2001)[15]标准进行配制，基础饲粮组成及营养水平见表1。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 常规化学成分分析

干物质(DM)、粗灰分(Ash)和粗脂肪(EE)的含量根据《饲料分析及饲料质量检测技术》[16]的方法进行测定。粗蛋白质(CP)含量采用FOSS 8 400全自动凯氏定氮仪进行测定。淀粉(starch)含量按照张旭等[17]的方法进行测定。NDF、酸性洗涤纤维(ADF)和酸性洗涤木质素(ADL)含量按照Van Soest等[18]的方法进行测定。根据NRC(2001)[15]公式求出总碳水化合物、非纤维性碳水化合物(NFC)、半纤维素(hemicellulose)和纤维素(cellulose)的含量。利用CNCPS[19]公式求出碳水化合物中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)、不可利用细胞壁成分(CC)的含量。

表1 基础饲粮组成及营养水平(风干基础)

1)每千克预混料中含有 Contained the following per kg of the premix：VA 8 000 000 IU，VD 700 000 IU，VE 10 000 IU，Fe 1 600 mg，Cu 1 500 mg，Zn 10 000 mg，Mn 3 500 mg，Se 80 mg，I 120 mg，Co 50 mg。2)泌乳净能为计算值，其余为实测值。NELwas a calculated value, while the other nutrient levels were measured values.

1.3.2 瘤胃尼龙袋法

参照Peng等[20]的方法，准确称取7 g样品装入已称重的尼龙袋内(规格10 cm×20 cm，孔径40 μm)，然后用橡皮筋扎紧袋口。试验选用3头装有永久性瘤胃瘘管的健康荷斯坦奶牛。将称好的尼龙袋随机放入规格为45 cm×45 cm的瘤胃网兜中，并用90 cm长的绳子固定在瘤胃瘘管上，分别培养0、2、4、8、12、16、24、36、48 h，每个时间点同一瘘管牛的尼龙袋个数均是3个。将取出后的尼龙袋，与0 h时间点一起用冷自来水冲洗，至水澄清为止，65 ℃烘干48 h至恒重，并记录残渣与尼龙袋的总重，然后粉碎过1 mm孔筛，保存于封口袋中待测。

1.3.3 光谱数据的采集及分析

在红外烤灯照射下，以溴化钾作为背景，将2 mg干燥的样品与200 mg溴化钾混合于玛瑙研钵中，充分研磨混匀后，用红外专用压片机(型号：769YP-15A粉末压片机)压成半透明薄片。然后利用傅里叶变换红外光谱仪(型号：岛津FTIR-8400S)对样品进行扫描，扫描波段在4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数为128，每个样品做5个重复，收集不同热处理豆渣的碳水化合物分子结构光谱图。

1.4 数据分析与计算

1.4.1 瘤胃降解特性相关参数的计算

某成分瘤胃消失率(%)=100×(某成分质量-残留物中某成分质量)/某成分质量。

根据Ørskov等[21]提出的瘤胃动力学数学指数模型进行计算：

Y=a+b(1-e-ct)。

式中：Y为尼龙袋在瘤胃中滞留t时间后营养成分的瘤胃消失率(%)；a为快速降解部(%)；b为慢速降解部分(%)；c为慢速降解部分的降解速率(%/h)；t为瘤胃滞留时间(h)。下式同。

饲料有效降解率的计算公式为：

有效降解率(%)=a+[(b×c)/(c+k)]。

式中：a为快速降解部(%)；b为慢速降解部分(%)；c为慢速降解部分的降解速率(%/h)；k为瘤胃外流速率，为0.046 h-1[22]。

1.4.2 中红外光谱分析

利用OMNIC 8.2软件对扫描后的样品红外光谱图进行处理和分析。先在OMNIC 8.2软件中找出碳水化合物基线位置，确定出结构性碳水化合物区域(基线：ca.1 475～1 187 cm-1)、纤维复合物区域(基线：ca.1 287～1 187 cm-1)、总碳水化合物区域(基线：ca.1 187～898 cm-1)，然后利用傅里叶自去卷积(FSD)确定位于总碳水化合物中3个峰高位置(峰位依次是1 155、1 109、1 046 cm-1)，然后记录他们的峰高和峰面积并进行统计分析。

1.4.3 数据统计与分析

试验数据利用Excel 2010进行初步处理。然后，采用SAS 9.4软件中的PROC MIXED程序对不同热处理豆渣的碳水化合物成分、瘤胃降解参数以及光谱数值进行数据分析。具体模型为：

Yijk=μ+Fi+Bj+Fi×Bj+eijk。

式中：Yijk是对自变量ijk的因变量；μ是变量的平均值；Fi是温度效应(i=3；100、115、130 ℃)；Bj是时间效应(j=3；2、4、6 h)；温度与时间的交互作用Fi×Bj作为固定效应；eijk是误差效应。

Tuley-Karmaer检验用于比较不同温度和时间之间的差异，P≤0.05表示差异显著；P>0.05表示差异不显著。再利用SAS中的PROC CORR对它们进行相关性分析(P<0.01表示极显著相关，P≤0.05表示显著相关，0.05

2 结 果

2.1 不同热处理对豆渣的碳水化合物成分和CNCPS碳水化合物组分的影响

由表2可知，不同温度和时间对豆渣的碳水化合物成分和CNCPS碳水化合物组分均有显著影响(P<0.05)，并且2个因素之间存在显著的互作效应(P≤0.05)。在碳水化合物成分中，随着温度的升高以及加热时间的延长，豆渣的NDF、ADF、ADL、半纤维素和纤维素含量增加，130 ℃、6 h组最高，100 ℃、2 h组最低。随着温度的升高以及加热时间的延长，豆渣的NFC含量减少，碳水化合物含量变化不明显。而在CNCPS碳水化合物组分中，豆渣的CA含量随着温度的升高以及加热时间的延长而减少，130 ℃、6 h组最低，100 ℃、2 h组最高；豆渣的CB2和CC含量却随着温度的升高以及加热时间的延长而增加，130 ℃、6 h组最高，100 ℃、2 h组最低。

表2 不同热处理对豆渣碳水化合物成分和CNCPS碳水化合物组分的影响

2.2 不同热处理对豆渣NDF瘤胃动态降解参数的影响

由表3可知，不同温度和时间对豆渣的NDF的快速降解部分(NDFa)含量有显著影响(P<0.05)，并且2个因素之间存在显著的互作效应(P<0.05)。但是，不同温度和时间对豆渣的NDF的慢速降解部分(NDFb)、NDF的慢速降解部分的降解速率(NDFc)和NDF的有效降解率(NDFED)含量不存在互作效应(P>0.05)，其中只有温度对豆渣的NDFb和NDFED含量有显著影响(P<0.05)。豆渣的NDFa和NDFED含量随着温度的升高而减少，其中100 ℃、2 h组最高；豆渣的NDFb含量随着温度的升高而增加，其中100 ℃、2 h组最低。

表3 不同热处理对豆渣NDF瘤胃动态降解参数的影响

NDFa：中性洗涤纤维的快速降解部分；NDFb：中性洗涤纤维的慢速降解部分；NDFd：中性洗涤纤维的潜在可降解部分；NDFc：中性洗涤纤维的慢速降解部分的降解速率；NDFED：中性洗涤纤维的有效降解率。表5和表6同。NDFa: rapid degradable fraction of neutral detergent fiber; NDFb: slowly degradable fraction of neutral detergent fiber; NDFd: potentially degradable fraction of neutral detergent fiber; NDFc: degradation rate of the slowly degradable fraction of neutral detergent fiber; NDFED: effective degradability o of neutral detergent fiber. The same as Table 5 and Table 6.

2.3 不同热处理对豆渣碳水化合物分子结构的影响

由表4可知，不同温度和时间对豆渣的碳水化合物分子结构中结构性碳水化合物峰面积(A_STCHO)、纤维复合物峰面积(A_CELC)、总碳水化合物峰面积(A_CHO)以及3个峰面积中相应的峰高[总碳水化合物中1155峰高(H_1155)、总碳水化合物中1109峰高(H_1109)、总碳水化合物中1046峰高(H_1046)]均有显著影响(P<0.05)，并且2个因素之间存在显著的互作效应(P<0.05)。2个因素之间对峰面积比值[结构性碳水化合物与总碳水化合物峰面积的比值(A_STCHO/A_CHO)、纤维复合物与总碳水化合物峰面积的比值(A_CELC/A_CHO)、纤维复合物与结构性碳水化合物峰面积的比值(A_CELC/A_STCHO)]和峰高比值[总碳水化合物中1155峰高与1109峰高的比值(H_1155/H_1109)、总碳水化合物中1155峰高与1046峰高的比值(H_1155/H_1046)、总碳水化合物中1109峰高与1046峰高的比值(H_1109/H_1046)]不存在互作效应(P>0.05)，温度对A_CELC/A_STCHO以及总碳水化合物中H_1155/H_1109、H_1155/H_1046、H_1109/H_1046有显著影响(P<0.05)。随着温度的升高，A_STCHO、A_CELC、A_CHO逐渐减小，总碳水化合物的3个峰高也呈降低趋势。其中，100 ℃、2 h组豆渣的A_STCHO、A_CELC、A_CHO最大，总碳水化合物中的3个峰高最高。

2.4 不同热处理豆渣的碳水化合物分子结构与其营养价值和NDF瘤胃降解特性之间的相关关系

由表5可知，不同热处理豆渣的碳水化合物分子结构光谱参数与其营养价值之间存在一定的相关关系。其中，碳水化合物与A_STCHO/A_CHO存在极显著正相关(r=0.62，P<0.01)。NFC与A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中的H_1155/H_1046、H_1109/H_1046存在极显著正相关(r=0.56～0.67，P<0.01)。NDF、ADF与A_STCHO、A_CELC、A_CHO、A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中的H_1155/H_1046，H_1109/H_1046存在极显著负相关(r=-0.50～-0.63，P<0.01)。ADL与A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中的H_1155/H_1046、H_1109/H_1046存在极显著负相关(r=-0.51～-0.58，P<0.01)。半纤维素与A_STCHO、A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中的H_1155/H_1109、H_1155/H_1046，H_1109/H_1046存在极显著负相关(r=-0.50～-0.64，P<0.01)。纤维素与A_STCHO、A_CELC、A_CHO、A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中的H_1155/H_1046、H_1109/H_1046存在极显著负相关(r=-0.54～-0.63，P<0.01)。

表4 不同热处理对豆渣碳水化合物分子结构的影响

在CNCPS碳水化合物组分中，CA、CB1与A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中的H_1155/H_1046、H_1109/H_1046存在极显著正相关(r=0.54～0.65，P<0.01)。CB2、CC与A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中的H_1155/H_1046、H_1109/H_1046存在极显著负相关(r=-0.51～-0.69，P<0.01)。

在NDF瘤胃降解参数中，NDFa与A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中的H_1155/H_1046、H_1109/H_1046存在极显著正相关(r=0.59～0.62，P<0.01)。NDFb与A_STCHO/A_CHO存在极显著负相关(r=-0.65，P<0.01)。NDFd与总碳水化合物中的H_1155/H_1109、H_1155/H_1046，H_1109/H_1046存在显著正相关(r=0.43～0.50，P<0.05)。NDFc、NDFED与A_STCHO/A_CHO存在极显著正相关(r=0.55～0.64，P<0.01)。

2.5 不同热处理豆渣的碳水化合物分子结构与其营养价值和NDF瘤胃降解特性之间的回归关系

由表6可知，A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中的H_1155/H_1046、H_1109/H_1046是最佳预测因子，可以有效地估测碳水化合物(R2=0.38，P<0.01)、淀粉(R2=0.55，P<0.01)、NFC(R2=0.63，P<0.01)、NDF(R2=0.60，P<0.01)、ADF(R2=0.63，P<0.01)、ADL(R2=0.49，P<0.01)、半纤维素(R2=0.54，P<0.01)、纤维素(R2=0.64，P<0.01)的含量，和CNCPS碳水化合物组分中CA(R2=0.61，P<0.01)、CB1(R2=0.55，P<0.01)、CB2(R2=0.63，P<0.01)、CC(R2=0.50，P<0.01)的组分含量，以及NDF瘤胃降解参数中NDFa(R2=0.60，P<0.01)、NDFb(R2=0.42，P<0.01)、NDFc(R2=0.30，P<0.01)、NDFd(R2=0.23，P<0.01)、NDFED(R2=0.41，P<0.01)的含量。

3 讨 论

3.1 不同热处理对豆渣的碳水化合物成分和CNCPS碳水化合物组分的影响

Samadi等[23]在研究干热(120 ℃ 1 h)和湿热(120 ℃ 1 h)处理对油菜籽的影响时发现，干热法使NDF的含量减少，对ADF、ADL的含量影响不显著，与本试验的结果不一致，其原因可能是由于加热的程度或方式不同影响饲料中纤维含量的变化程度。在Fales[24]的研究中，温度升高使高羊茅牧草的NDF、ADF、半纤维素、纤维素含量增加。本试验的研究结果证明，温度的升高以及加热时间的延长会显著增加NDF、ADF、半纤维素、纤维素含量，结果与Fales[24]一致。加热后使豆渣碳水化合物成分中NFC的含量减少，这与Peng等[20]和Samadi等[23]的研究结果一致。从CNCPS碳水化合物组分来看，植物性饲料中碳水化合物是反刍动物的主要能量来源，CA、CB1和CB2含量较高，CC的含量较低，说明饲料在瘤胃中降解速度较快，营养价值较高[2-3]。本试验研究表明，加热处理增加了豆渣中CC的组分含量，降低了豆渣的营养价值。

3.2 不同热处理对豆渣NDF瘤胃动态降解参数的影响

豆渣中营养物质含量的变化导致NDF瘤胃有效动态降解参数的改变。CNCPS体系能够反映出饲料在瘤胃中的消化利用等情况，随着加热程度的增加，豆渣中可溶性碳水化合物含量的降低导致NDFa含量降低，CB2含量的升高导致NDFb含量升高，同时加热使不可降解纤维的含量增加，这部分纤维在瘤胃内不被降解[19]。据文献报道[25]，饲料中NDFa的含量减少、NDFb的含量增加以及不可降解部分的含量增加会使NDFED降低。研究表明，加热使NDF与真蛋白质结合生成中性洗涤纤维不溶蛋白质(NDICP)，从而降低粗蛋白质瘤胃有效降解率[26]。本试验中加热后NDFED降低原因可能是：1)加热使可溶性纤维转化为不可溶性纤维；2)加热使NDF与真蛋白质结合生成NDICP，从而也降低了NDFED。加热导致NDFED降低的原因还有待进一步研究与探讨。

3.3 不同热处理对豆渣碳水化合物分子结构的影响

碳水化合物分子结构光谱主要研究结构性碳水化合物、纤维复合物和总碳水化合物，而且碳水化合物内部分子结构特点会影响饲料的NDFED[27]。由于加热会使饲料的分子结构发生改变，因此本试验研究了不同热处理对豆渣的碳水化合物分子结构的影响，发现加热会使豆渣A＿STCHO、A_CELC和A_CHO减小，总碳水化合物中的3个峰高值降低。目前，没有关于热处理对饲料碳水化合物分子结构特点影响的研究。但是，Yu等[28]得出了生物乙醇的制作过程中加热改变了原来谷物的碳水化合物的分子结构，而碳水化合物分子结构的变化会影响干酒糟及其可溶物(DDGS)的利用价值。因此，加热使豆渣碳水化合物分子结构发生改变也会影响其利用价值。

表5 不同热处理豆渣的碳水化合物分子结构与其营养价值和NDF瘤胃降解特性之间的相关关系

r：相关系数；P：P值。r: correlation coefficient;P:P-value.

表6 不同热处理豆渣的碳水化合物分子结构与其营养价值和NDF瘤胃降解特性之间的回归关系

3.4 不同热处理豆渣的碳水化合物分子结构与其营养价值、NDF瘤胃降解特性之间的相关关系

大量文献已证明饲料的碳水化合物分子结构与其营养价值之间存在着一定的相关性[8,12,28-29]。Xin等[29]在研究碳水化合物分子结构与其营养价值、瘤胃降解特性之间的相关关系中得出，A_CELC与NDF、ADF、ADL之间存在显著负相关(r=-0.73～-0.97)，A_CELC与NDFc之间存在显著负相关(r=-0.84)，与NDFED之间存在显著正相关(r=0.84)。本试验中，A_CELC与NDF、ADF之间存在显著负相关(r=-0.50～-0.52)，A_CELC与NDFc之间不存在相关性，与NDFED之间存在正相关(r=0.40)，与Xin等[29]的研究存在差异，原因可能是饲料的不同以及对饲料加工的方式不同导致饲料中碳水化合物分子结构的不同，使碳水化合物分子结构与其营养价值之间的相关性存在差异[30]。

3.5 不同热处理豆渣的碳水化合物分子结构与其营养价值、NDF瘤胃降解特性之间的回归关系

Xin等[8]研究表明，A_CELC/A_CHO以及总碳水化合物中的峰高比能够较好地对玉米秸秆不同部位的常规营养成分和NDFED进行快速的分析和估测，回归方程拟合最好的是粗纤维=-195.227×R_CHO_1_3-129.344×R_CHO_2_3+183.411 (R2=0.66，P<0.01)。本试验得出，A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中峰高比可以有效地估测加热后豆渣的常规营养成分和NDF瘤胃有效降解率。其中，A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中峰高比能够较好地估测加热后豆渣的常规营养成分，回归方程拟合最好的是纤维素=63.81-79.38 A_STCHO/A_CHO-13.45 H_1109/H_1046 (R2=0.64，P<0.01)。而NDF瘤胃有效降解参数所在回归方程的R2偏小，但NDF瘤胃有效降解参数仍与A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中的峰高比存在相关关系。

4 结 论

① 不同热处理对豆渣的营养价值和NDFED均有影响。其中，100 ℃、2 h组豆渣的营养价值最高，NDFED最高。

② 不同热处理对豆渣的碳水化合物分子结构有影响。其中，100 ℃、2 h组豆渣的A_STCHO、A_CELC、A_CHO最大，总碳水化合物中的3个峰高最高。

③ 不同热处理豆渣的碳水化合物分子结构与其营养价值、NDF瘤胃降解特性之间存在相关关系，并根据相关关系构建出回归方程。其中，A_STCHO/A_CHO以及总碳水化合物中的峰高比可以有效地估测不同热处理后豆渣的营养价值和NDF瘤胃降解参数的含量。

④ 初步证明，通过FTIR光谱技术得到的光谱信息可以作为热处理中一个敏感指标对豆渣的热损害程度进行简单、快速、无破坏性的分析。