乳的初级生产
满足不断增长人口所需的关键食物
乳是一种成分复杂的食物，含有幼龄哺乳动物生长发育所需的关键营养物质。在生命最初阶段，乳是哺乳动物唯一的食物来源，其中所含的物质能提供能量和抗体，抵御感染。对人类而言，乳及乳制品是满足人体对钙、镁、硒、核黄素、维生素B12和泛酸（维生素B5）需求的重要来源，在人体生命过程中发挥着关键作用。
乳的生产起源
当今的乳畜是经过数千年驯化与选育的产物，其野生祖先曾生活在不同海拔与纬度地区，时常面临严酷极端的天气条件。从奶牛、山羊、绵羊和水牛身上获取乳的技术始于大约六千年前。如今我们所饲养的产乳动物仍与当年相同。与肉食性动物相比，这些草食性动物因其危险性较低、更易驯养，自然而然地成为满足人类衣食需求的选择。用于产奶的动物属于反刍动物，它们可快速大量进食，随后再反刍消化。
如今，世界上分布最广的产乳动物是奶牛。奶牛遍布世界各大洲。除奶牛外，山羊、绵羊和水牛也是自给型与工业化乳畜养殖中常见的乳畜种类，这些动物的乳汁作为优质蛋白质和其他营养成分的来源，对乡村社区具有重要意义。在地中海地区、非洲和亚洲的广大区域，绵羊和山羊尤其重要。全球山羊和绵羊的数量已达数十亿，是所有产乳产肉动物中数量最为庞大的种类。在最贫困的地区，山羊和绵羊对奶类和肉类生产的贡献同样不可小觑。特别是在那些受气候、地形、经济、技术或社会因素制约而无法发展更复杂蛋白质生产系统的地区，这两种动物都是廉价的食物来源。
乳的营养品质
乳中所含的必需矿物质和维生素包括铁和维生素D。然而，由于这些营养物质的含量不足或比例不佳，无法满足全面营养的需求。因此，在生命最初阶段，幼畜通过利用出生时从母体获得的储备来弥补母乳中某些营养物质的短缺；这些储备通常足以维持到其饮食中包含其他食物为止。为便于摄取和消化，乳汁以液态形式存在，一部分呈溶液状态，另一部分为分散体或悬浮液。尽管不同哺乳动物乳汁的基本成分大体相同，但各成分的比例存在很大差异。
奶牛所产原料奶中各种主要成分的含量可能差异显著，这种差异既出现在不同品种的奶牛之间，也存在于同一品种的不同个体之间。水是牛奶的主要成分，也是所有其他成分的载体。牛奶中约含87%的水分和13%的干物质，这些干物质以悬浮或溶解状态存在于水中。在讨论牛奶成分时，除“总固体”外，还常用到“非脂乳固体”这一术语。
奶牛
自约六千年前牛被驯化为家畜以来，牛属物种的基因组成已发生了显著变化。其中最重大的变化是，现代泌乳奶牛的产奶量远高于其犊牛所需。基因改良使得泌乳量大幅提高。如今奶牛的产奶量约为原始牛种的六倍。即便在大约三十年前，一头奶牛每产一胎通常也只能产奶约4000公斤，而如今奶牛的平均产奶量已达到7000至12000公斤。有些奶牛每胎可产奶量甚至高达14000升或更多。对于牛群管理、动物福利和优化饲喂重要性认知的不断提升，也推动了这一基因改良进程。
与所有哺乳动物一样，奶牛为其后代产奶。因此，牛奶生产与繁殖周期密切相关。母牛必须先生下犊牛，才能开始产奶。母牛在7至8个月大时达到性成熟，此时称为“育成小母牛”。小母牛通常在15至18个月大时通过与公牛自然交配或人工授精进行配种。妊娠期通常为265至300天，小母牛一般在2至2.5岁时产下第一胎犊牛。它们通常在产犊后4至8周再次配种。
图 1.1 乳房剖面图
1. 乳池
2. 乳头池
3. 乳头管
4. 乳腺腺泡
泌乳与泌乳期
牛奶由奶牛的乳房分泌。乳房是一个半球形器官，由一道中央悬韧带分为左、右两半。每半部分又由一道较浅的横韧带分为四个乳区。每个乳区各有一个乳头，并分别具备独立的乳腺。因此，从理论上说，同一头牛可产出四种不同品质的牛奶。乳房的剖面结构如图1.1所示。
奶牛的乳房由腺体组织构成，其中包含泌乳细胞。该组织外层为肌肉层，使乳房整体保持结构完整，并起到抗损伤的保护作用。腺体组织中约有20亿个称为腺泡的微小囊体。泌乳细胞位于腺泡内壁，8-120个腺泡组成一个腺泡小叶。从腺泡延伸出的细小导管逐渐汇合成更粗大的乳导管，最终通向乳头上方的腔体。该腔体称为乳池，大约可储存乳房内总奶量的20%。
乳池向下延伸至乳头内部，形成乳头乳池。乳头末端有一条长约1-1.5厘米的乳头导管。在两次挤奶之间，乳头导管由括约肌收缩而关闭，以防止乳汁泄漏和细菌侵入乳房。整个乳房遍布血管和淋巴管。它们将富含营养的血液从心脏输送至乳房，再通过腺泡周围的毛细血管进行分配，从而为产奶细胞提供分泌乳汁所需的养分。代谢后的血液由毛细血管输送至静脉，返回心脏。流经乳房的血液量十分巨大。对于一头日产60升牛奶的奶牛，其乳腺的日血液循环量高达约30000升。
随着腺泡分泌乳汁，其内部压力逐渐上升。若奶牛未被挤奶，当压力达到一定限度时，将停止泌乳。压力增大会使少量乳汁流入较大的乳导管并进入乳池。然而，乳房中的大部分乳汁仍存于腺泡及其周围的细小导管中。这些细小导管极为狭窄，乳汁无法自行流出，必须通过外力从腺泡中挤压出来，并推过细小导管进入较大的乳导管。挤奶时，环绕每个腺泡的肌上皮细胞会执行此功能（参见图1.2）。
图1.2 从腺泡中挤出乳汁
奶牛在产犊前不久便开始分泌乳汁，以便犊牛出生后几乎可以立即开始哺乳。随后，奶牛持续产奶约10个月（约305天），这一时期称为泌乳期。在泌乳期内，产奶量逐渐下降，305天后可能降至峰值产量的25%-50%。此时停止挤奶，奶牛进入持续最多60天的干奶期，直至再次分娩。随着犊牛出生，新一轮泌乳周期随之开始。
乳房内还含有淋巴系统，负责将代谢废物运出乳房。淋巴结作为过滤器，可消灭异物，并提供淋巴细胞以抵御感染。有时，初产奶牛在分娩前后会出现水肿，部分原因是乳房中积存的乳汁压迫了淋巴结。
初乳
犊牛出生时因免疫系统发育迟缓而缺乏免疫保护。因此，奶牛在产犊后分泌的初乳在成分和营养特性上与常乳有很大差异。犊牛依赖通过初乳获取母源抗体和必需的免疫球蛋白。抗体是由机体免疫系统产生的球状蛋白质，用于抵御疾病。个体产生抗体及抵抗疾病的能力各不相同。未能获得充足初乳的幼畜极易发生肠道感染并继发腹泻。
一头犊牛正常生长约需1000升乳汁，这大致相当于原始奶牛每胎的产奶量。为直观反映个体产奶性能，通常将产奶量与时间关系绘制成泌乳曲线。产奶量在产犊后最初数月逐渐上升，之后进入持续下降阶段。泌乳曲线的形态因个体和品种差异而有所不同。饲养管理方式会影响泌乳曲线走势，并对总产奶量产生显著影响。理想泌乳期为305天，但实际周期通常更长，随后进入持续约两个月的干奶期，直至下一次产犊。
挤奶
在挤奶过程中，必须将催产素释放到奶牛的血液中，乳房才能顺利排空。这种激素由垂体分泌并储存。当奶牛因触觉刺激而做好挤奶准备时，神经信号被传递至垂体，促使垂体将储存的催产素释放到血液中。在原始牛种中，这一刺激由犊牛吮吸乳头的动作提供。当奶牛感觉到犊牛吮吸时，便会释放催产素。现代奶牛在挤奶时通常没有犊牛在场，因此需要通过操作人员/挤奶工在乳头清洁和准备过程中进行手动刺激，或通过挤奶机刺激来引发排乳反射。催产素在刺激操作开始约一分钟后起效，促使肌上皮细胞压缩乳腺泡，从而在乳房内产生压力，这种压力能够用手感觉到，这一过程称为排乳反射。压力将乳汁压入乳头乳池，进而被吸入挤奶机的挤奶杯，或在手工挤奶时通过手指挤压排出。若为“挤净”乳汁而延长挤奶过程，会对乳房造成不必要的负担，导致奶牛烦躁，并可能增加后续挤奶的难度。
乳脂主要由甘油三酯构成，甘油三酯则由甘油和脂肪酸合成。长链脂肪酸从血液中摄取。短链脂肪酸则由乳腺利用血液中的乙酸和β-羟丁酸合成。乳蛋白由同样来源于血液的氨基酸合成，主要成分为酪蛋白，其次为乳清蛋白。乳糖由泌乳细胞内的葡萄糖和半乳糖合成。维生素、矿物质、无机盐和抗体则从血液经细胞质转运至乳腺泡腔。
挤奶频率
受劳动模式和工作时间影响，每日挤奶两次一直是工业化生产国家的惯例。在劳动力成本较低的国家，挤奶频率则通常更加频繁。近几十年来，提高挤奶频率日益受到关注，这一趋势在高产牛群中尤为明显。提高挤奶频率具有多方面益处。
将每日挤奶次数从两次增至三次可显著提升产奶量。公开数据显示，每增加一次挤奶，每头奶牛日均产奶量可提高5%至25%。此外，泌乳期也会延长。一种假说认为，提高挤奶频率可增加乳腺接受泌乳激素刺激的时间，从而促进产奶量提升（一种假说认为，提高挤奶频率可能会增加乳腺暴露于刺激泌乳的激素的机会，从而促进乳汁分泌并提升产奶量）。另有观点认为，乳汁中含有一种可减少泌乳的抑制因子，但该因子尚未被分离提取，其作用机制也未完全明确。乳池较小的奶牛对挤奶频率更敏感。这类乳池会更频繁地排空乳汁。
提高挤奶频率兼具短期与长期效应。短期内，由于泌乳细胞活性增强，产奶量增加；长期来看，得益于泌乳细胞数量的增长，产奶量增加。后者表明，即使在泌乳稳定期，仍有可能影响泌乳细胞数量，这对动物的产奶能力具有重要意义。
提高挤奶频率带来的最重要的益处之一是改善动物福利。据观察，高产奶牛在挤奶前数小时通常不愿卧倒休息。许多高产奶牛日产奶量高达60公斤，却每日仅挤奶两次，挤奶间隔长达8至16小时。仅晨间单次挤奶，这些奶牛的产奶量便可接近40公斤。乳腺中储存如此大量牛奶会导致乳房内压过高，必然引起奶牛不适。研究发现，若给予选择，高产奶牛更倾向于接受每日超过两三次的挤奶频率。
挤奶技术
传统手工挤奶
正如全球各地农场数千年来的做法一样，手工挤奶至今仍在沿用。小规模农场的奶牛通常由固定人员每日挤奶，因此逐渐适应其挤奶员。乳头最初挤出的几股牛奶通常会被丢弃，因为通过仔细检查这部分牛奶，挤奶员可观察乳房健康状况的外显迹象。
每次同时处理乳房的相对两个乳区：一只手挤压乳头从乳头乳池挤出牛奶，随后放松压力使更多的牛奶从乳房乳池继续流下到乳头乳池，同时另一只手从对侧乳头挤出牛奶。通过这种方式，对两个乳头进行交替挤奶。当两个乳区排空后，挤奶员便可继续操作另外两个乳区。
牛奶收集于奶桶中，经滤网去除粗大杂质后，转移至容量为30-50升的奶罐内。随后将奶罐冷却至4°C并储存，等待被运往乳品厂。沉浸式冷却器与喷淋式冷却器为常用的冷却设备。
挤奶系统
挤奶机的基本工作原理如图1.3所示。该设备通过真空负压从乳头中吸取牛奶。真空泵、真空容器、集乳容器、挤奶杯和脉动器均为挤奶机不可或缺的组成部分。
挤奶杯单元由一个杯壳及其内部橡胶内衬（称为挤奶杯内衬）构成。挤奶过程中（针对奶牛），内衬内部与乳头接触处持续保持32-42千帕的真空度。
图1.3 机械挤奶设备
脉动室（位于奶衬与挤奶杯之间）的压力由脉动器规律切换：在吸吮阶段约为40千帕，在按摩阶段则恢复为大气压。其作用是在吸吮阶段将牛奶从乳头乳池中吸出。而在按摩阶段，挤奶杯奶衬受压闭合，从而得以对乳头进行按摩。随后再次进入吸吮阶段，如此循环，如图1.4所示。
图1.4 挤奶杯内衬中的机械挤奶段
按摩阶段对乳头的放松十分必要，可避免血液和组织液在乳头内淤积。此类充血不仅会引起奶牛疼痛，还会影响排乳反射和挤奶效率。若多次挤奶中反复出现充血，甚至可能损害乳房健康。脉动器的吸吮与按摩阶段切换频率约为每分钟50-60次。
四个挤奶杯通过一个称为集乳器的装置连接，依托真空吸力及乳头与内衬之间的摩擦力固定在乳头上。真空通常以交替脉动方式作用于左右乳头，或在某些系统中分别作用于前后乳头。同时对四个乳头施加真空（同步脉动）的方式较为少见。牛奶从乳头吸出后，直接进入奶桶或通过真空输送管道送至收集单元。
若挤奶过程中挤奶杯脱落，自动截止阀会启动，以防止污物进入系统。挤奶完成后，奶桶被送至奶厅，牛奶被倒入奶罐或专用奶槽进行冷却。为省去搬运满载奶桶至奶厅的繁重与耗时工作，可安装管道系统将牛奶直接输送至奶厅（图1.5）。该系统能够在封闭环境下将牛奶从奶牛身上直接输送至奶厅的收集罐中。这一方式对保障卫生条件具有显著优势。
图1.5 管道式挤奶系统的常用设计
1. 清洗管线
2. 牛奶输送管道
3. 接收器
4. 牛奶泵
5. 板式冷却器
6. 清洗单元
7. 牛奶冷却储罐
主流传统的挤奶系统
挤奶厅是专为奶牛设计的隔间，可同时为一群奶牛挤奶。其采用下沉式设计，挤奶员站在低于奶牛地面的工作坑内操作，符合人体工程学要求。通过分组轮换，可完成整个牛群的挤奶作业。挤奶厅既可设置在牛舍内部，也可建于独立建筑中。在大型农场，转台式挤奶厅可作为上述固定式挤奶厅的替代方案。该设备配有一个缓慢旋转的平台，其上安装挤奶系统。奶牛登上旋转平台，在平台转动过程中完成挤奶，并在旋转一周后于出口处离开。转台式挤奶厅同样采用下沉式操作设计，有助挤奶员保持良好的工作姿势。
无论采用桶式、管道式、厅式、转台式还是自动式挤奶系统，其设计均须避免挤奶过程中混入空气。过量的空气泄漏会影响乳质，并导致游离脂肪酸含量升高。挤奶设备还需配备原位清洗（CIP）装置。
自动挤奶系统
挤奶是奶牛养殖中劳动强度最大、最耗时的环节之一。而且，全年每日至少需进行两次挤奶操作。自动挤奶系统（图1.6）为此提供了解决方案，可帮助奶农降低劳动力需求、提升乳品质量、改善牛群健康并提高产奶量。与传统挤奶方式中由人工驱赶奶牛至挤奶区不同，自动挤奶系统侧重于利用奶牛每日多次自愿挤奶的习性，实现自助式挤奶。图1.8展示了配备自动挤奶系统的典型奶牛场布局。
图1.6 自动挤奶系统核心单元
奶牛可随时进入挤奶站，由该装置完成乳头清洁与挤奶作业。
图1.7 用于清洗、干燥及预挤奶的挤奶杯
乳头，经温水冲洗清洁后，终以气流干燥。预挤出的牛奶与清洗废水一并排入下水道。
当奶牛需要挤奶时，会自行走向挤奶站。其佩戴的应答器将识别该奶牛，若近期已挤过奶，系统会引导其返回休息区或饲喂区。奶牛进入自动挤奶站后，系统会为其提供定量分配的精饲料。自动挤奶系统（或称“自愿挤奶系统”）通过激光与视觉摄像头对乳头进行定位识别。
例如，可采用一种类似挤奶杯的装置（图1.7）分别对各乳头进行清洁，该装置使用温水，以特定压力与湍流模式间歇性喷淋，从而确保清洗效果。乳头干燥工序由同一挤奶杯通入压缩空气完成。
预挤奶由该清洗挤奶杯执行，其在清洗周期末尾通过施加真空吸力完成挤奶操作。清洗挤奶杯最终须经清水冲洗。传感器可检测预挤奶是否已完成，并启动持续数秒的前乳挤取，以确保牛奶充分排空并激活排乳反射。挤奶杯自动依次安装，并分别收集四个乳头的牛奶，直到奶量计量器完成对各乳区产量的记录。最后，对每个乳头进行消毒剂喷洒，至此自动挤奶全过程结束。
图1.8 配备自动挤奶系统的现代化牧场布局
1. 自动挤奶站
2. 控制室
3. 牛奶冷却与储存区
4. 智能闸门系统，用于预选即将进入挤奶站的奶牛
5. 生活区
6. 饲喂站
7. 犊牛区
牛奶质量与动物健康
奶牛的生产力通常可持续约三个泌乳期。实现经济性产奶的前提是：在养殖计划期内，能持续获得高产优质的牛奶，同时杜绝任何导致非自愿淘汰的因素。这意味着必须在保障动物健康、无疾病困扰的前提下实现高产。乳腺炎是奶牛群中最常见且治疗成本最高的疾病。养殖者通常仅能察觉到临床症状病例。
据报道，临床型乳腺炎的发病率通常为每年每100头牛20至100例；而亚临床感染可影响5%-35%的乳区，且主要由致病性细菌引起。临床型乳腺炎较易被养殖者发现。其症状包括牛奶结块变色、腺体硬化发红或肿胀，严重时奶牛会发热并伴有食欲减退。亚临床型乳腺炎则难以察觉，因牛奶和乳房外观可能基本正常，但牛奶体细胞数会升高。乳腺炎是乳腺的炎症反应，多由细菌感染或创伤引发，极少数情况下由病毒引起。细菌繁殖过程中释放的代谢物和毒素会激发奶牛防御机制。炎症反应导致白细胞从外周循环迁移至乳房，使牛奶体细胞数从每乳区每毫升≤10万个升至数百万，同时激活多种乳酶。
关于奶牛舒适度的科学
优质牛奶的生产与动物福利密切相关，而舒适度已被确定为影响奶质和产量的主要因素之一。观察和经验表明，饲养在舒适环境中的奶牛产奶量更高，通常也更健康、更长寿。奶牛应获得充足的优质饲料和饮水、新鲜空气、柔软洁净的休息表面以及安全稳固的站立地面。应让奶牛能够充分表达其自然天性，并能够轻松站立或卧倒。乳腺炎、蹄部疼痛、颈部擦伤以及跗关节磨损或肿胀等问题，均反映出奶牛舒适度不足。
所有畜牧业系统中的一个重要概念是动物福利及“五大自由”。“五大自由”关乎动物的理想生存状态，包括：
- 免受饥饿和口渴之苦
- 免受不适之苦
- 免受疼痛、伤害和疾病之苦
- 表达天性的自由
- 免受恐惧和焦虑之苦
良好的动物福利意味着动物在生理和心理上均保持健康，且未遭受不必要的痛苦（农场动物福利委员会，2009年）。在奶牛养殖中，“奶牛舒适度”这一概念涵盖了动物福利与生产效率两方面。因此，奶农应致力于为奶牛创造一种环境，能够最大限度降低其遭受饥饿、口渴、不适和疼痛风险。无论从经济学还是动物福利视角来看，为奶牛创造舒适的环境都至关重要。除了尺寸因素外，牛舍的舒适度还取决于垫料材料的类型与质量。垫料应具备保温性、柔软度、耐用性，并提供足够摩擦力，以方便奶牛起卧而不打滑。垫料还应有助于保持奶牛清洁健康，同时尽量减少日常维护垫料所需投入的劳动力。
目前针对奶牛舒适环境的研究日益增多。过去的观察和实践表明，饲养在舒适环境中的奶牛产奶量更高，通常也更健康、更长寿。
在奶牛养殖业中，常用“奶牛利用年限”（cow longevity）一词描述个体在牛群中的留存时间。通常可将其一生分为首次产犊前和产犊后两个阶段。美国荷斯坦牛的平均产犊月龄为24.3个月。过去15年间，全美范围内奶牛的初产月龄呈下降趋势，奶农正愈发关注这一关键生产指标。而这一趋势也为奶农带来了更高收益。以首胎产犊月龄为依据进行推算，会略微高估新生犊牛的预期寿命，因其排除了约15%在首次产犊前便被淘汰的小母牛。
“淘汰”指牛只因出售、屠宰、疾病或死亡而离开牛群（Fetrow等人，2006年）。“生产寿命”则指从首次产犊到被淘汰的时间，其计算方式为（牛群）淘汰率的倒数。根据美国多个州荷斯坦牛群的数据，平均淘汰率为38%（DRMS-Dairy Metrics数据，检索日期：2022-06-14）。该数值在全球范围内存在差异。这相当于平均生产寿命为2.63年（31.6个月）。因此，根据美国农业部数据，当地奶牛的平均利用年限约为57.1个月（4.8年）。与1960年出生的奶牛相比，2000年出生的奶牛的生产寿命从35个月下降了约40%（美国农业部动物改良计划实验室，2013年）。1930年时，年平均淘汰率约为25%（Cannon与Hansen,1939年）。据报道，牛的自然寿命可达20年（自然老死情况下）。实际寿命较短主要是奶农基于经济决策的结果：一旦奶牛不再盈利或被更具效益的个体取代，便会遭到淘汰。
奶衬与奶管设计的重要性
在挤奶机上，奶衬是挤奶设备中唯一与动物直接接触的部件。每个奶衬的质量与特性会极大影响挤奶性能及动物的整体健康状况。若奶衬使用时间超出其推荐使用寿命，还会危及挤奶性能与卫生安全。奶衬选择的首要考量因素与硬件相关。奶衬需与牧场现有设备匹配，包括集乳器、奶杯体以及奶杯清洗托或清洗胶杯的类型。其他需考虑的因素还包括牛群的平均乳头尺寸和乳房结构。
牛奶冷却
图1.9 牛奶必须尽快冷却至4℃
刚离开乳房的牛奶温度约为37℃。来自健康奶牛乳房的新鲜乳汁仅含有正常微生物菌群，因此必须防止其在离开乳房后受到污染。能够导致牛奶变质的微生物无处不在——乳房表面、挤奶员双手、空气中的尘埃与水滴、垫草与谷壳、牛毛以及土壤中都可能存在。牛奶在进入储奶罐前通常需经过过滤。挤奶后对原奶进行高效冷却是抑制细菌繁殖的最佳方法（图1.9）。现有多种冷却系统可供选择，具体取决于产奶量规模。如图1.10所示，桶内冷却器适用于小型生产者。该设备深受冷冻水机组用户及直挤式桶装挤奶设备生产者的青睐。沉浸式冷却器专为直接对奶桶或储奶罐中的牛奶进行冷却而设计。
冷凝机组安装于墙上（图1.11）。蒸发器位于沉浸式冷却器的底端。该沉浸式冷却器亦可用于间接冷却，例如冷却隔热槽中的水。随后，将运输奶桶浸入冰水中即可冷却其中的牛奶。
适用于沉浸式冷却器的保温式牧场储罐有固定式与移动式两种（图1.12）。当道路条件阻碍奶罐车通行时，可使用移动储罐将牛奶运送至合适的收集点。移动储罐便于运输，因而适合在牧场生产区进行挤奶作业。如图1.13所示，直接膨胀式储罐也可用于牛奶的冷却与储存。为生产出细菌总数指标优异的牛奶，必须高度重视卫生管理。然而，即使采取一切预防措施，也无法完全杜绝细菌进入牛奶。牛奶是细菌极佳的生长介质，可为细菌提供所需全部营养。因此，细菌一旦进入牛奶便会开始繁殖。
另一方面，刚从乳头挤出的乳汁含有某些天然杀菌物质，可在挤奶后的一段初始时间内保护乳汁免受微生物侵害。此外，感染性微生物也需要一定时间适应新环境，之后才能开始繁殖。
图1.10 桶内冷却器可安装于挤奶桶或各类奶桶顶部
图1.11 沉浸式冷却器直接置于运输奶桶上使用
图1.12 保温式牧场储奶罐可在产奶区完成灌装，并便于运输至冷却装置
图1.13 用于牛奶冷却与储存的直接膨胀式储奶罐
因此，在储存期间将牛奶保持在低温状态至关重要。若温度允许比推荐储存温度高出几度，微生物活性便会迅速回升。图1.14显示了不同温度下细菌随时间推移的繁殖速率。喷雾式或沉浸式冷却器常见于使用奶罐向乳品厂送奶的牧场。在喷雾冷却器中，循环冷却水喷洒于奶罐外壁以维持牛奶低温；沉浸式冷却器则将盘管浸入罐内，通过在盘管内循环冷却水，将牛奶维持在所需温度。
图1.14 温度对原奶中细菌繁殖的影响
使用挤奶机的牧场通常将牛奶收集于专用储奶罐中。现有多种规格的储奶罐可供选择，均配备内置冷却设备，确保在规定时间内将牛奶冷却至指定温度。这些储奶罐大多配有自动清洗装置，以保证稳定高标准的卫生条件。在需将超过5000升牛奶从37°C快速冷却至4°C的大型牧场及收奶中心，奶罐自带的冷却系统可能无法满足需求。此类情况下，储奶罐主要用于维持既定储存温度；大部分冷却作业通过输送管道中的管道内热交换器完成（参见图1.15）。
图1.15 配备热交换器（1）的牧场挤奶设备，可实现牛奶从37℃至4℃的快速冷却
1. 板式冷却器
2. 真空泵
3. 集乳罐
4. 储奶罐
5. 制冷压缩机
水牛
几个世纪以来，水牛一直被用于牛奶生产。它是亚洲及非洲部分地区最常见的产奶动物。水牛种类繁多，其主要类型因地区而异。当前全球水牛存栏量约为1.5亿头，其中1.45亿头分布于亚洲。大多数水牛由小型农户饲养，主要作为家庭额外收入来源。
印度家庭普遍拥有一至两头水牛。印度北部则常见10至15头规模的牛群。该地区还建立了完善的收奶体系。在印度大城市周边，拥有100至300头水牛的大型牧场也并不罕见。水牛广泛分布于印度、巴基斯坦和东南亚地区，同时在埃及、罗马尼亚、土耳其和意大利也形成了相当规模的饲养群体。在印度、巴基斯坦和埃及，约50%-65%的牛奶产量来源于水牛。据估计，全球牛奶总产量的17%来自水牛。印度产的水牛奶仅6%经过加工处理，大部分由农户自用或以“散装生奶”形式直接销售。水牛奶可像牛奶一样进行加工。但其热稳定性较低，因此采用水牛奶与牛奶混合的奶液更适用于超高温灭菌处理。
泌乳、分泌与产量
水牛在泌乳期内的产奶量因地区和饲料供应条件而异。印度和中国的普通水牛每泌乳期产量为450至500公斤，而印度大学附属专业化牧场等机构的水牛奶产量则可超过1700公斤。意大利的水牛奶产量最高可达3000公斤。水牛的泌乳期长短不一，埃及为217天，印度则为270至295天。
水牛的泌乳机制与其他产奶动物相同。但其乳头结构与奶牛略有差异。水牛乳头管周围的肌肉层更厚，因此需要更大力度才能将其打开，这也使得水牛被称为“难挤奶的动物”。水牛的乳汁主要储存于乳房上部的腺体组织，即乳腺泡及细小乳导管中。值得注意的是，水牛乳池的储奶比例仅占5%。水牛奶的成分与牛奶存在显著区别，最主要的差异在于其脂肪含量——某些品种的水牛奶脂肪含量可高达13%。由于饱和脂肪酸比例更高，水牛奶脂肪的熔点也高于牛奶。此外，水牛奶中磷脂和胆固醇含量较低，且比牛奶更耐氧化。水牛在产犊后最初几天会分泌初乳。其初乳的干物质含量可达30%，并富含珍贵蛋白质。初乳期通常持续三天，期间初乳成分逐渐变化，日益接近常乳。需注意，初乳不得交售至乳品厂。
特性
水牛奶大多数主要成分的含量均高于牛奶。其蛋白质、乳糖及灰分含量略高于牛奶。水牛奶含有维生素A，但缺乏牛奶中所含的胡萝卜素。
挤奶技术
为水牛挤奶并非难事，但需注意不可直接套用奶牛的挤奶技术，为水牛挤奶需要稍微不同的操作方法。在家庭式小牧场中，手工挤奶是最常用的方法。采用平稳且令水牛感到舒适的挤奶手法至关重要。手工挤奶时，必须克服乳头括约肌较大的阻力。数十年来，机械挤奶已成功应用于水牛，尤其是在意大利等南欧国家，以水牛奶制成的乳制品（如马苏里拉奶酪）已成为日常饮食的一部分。近年来，机械挤奶对亚洲和非洲的养殖户也愈发具有吸引力。水牛的乳房和乳头结构与奶牛不同，因此需要更重的奶杯组、更高的工作真空度以及更快的脉动频率。研究表明，通过采用适配的奶衬设计与奶杯组重量组合，可降低奶杯组重量并减少滑杯漏气频率。重要的不仅是奶杯组的总重量，其重量在乳房上的分布也同样关键。
绵羊
在众多的绵羊品种中，一些主要被作为肉用和产毛用来饲养，但偶尔也会用于产奶。部分品种被视为乳用品种，但由于饲养条件限制，其每泌乳期的产量不超过100公斤。相反，一些肉用品种的产奶量可达每泌乳期150至200公斤。
然而，也有一些品种因产奶量高且“泌乳性能”良好，可被归类为乳用品种，包括法国的拉科讷、德国的东弗里斯兰、近东的阿瓦西以及主要分布于独联体国家、罗马尼亚、匈牙利和保加利亚的茨盖羊。据报道，东弗里斯兰和阿瓦西母羊每泌乳期的产量可达500至1000公斤。
据估计，在其他因素均相同的条件下，8至10只乳用母羊的产奶量相当于一头奶牛的平均产量。在集约化家庭农场中，200只规模的母羊群十分常见，而拥有300至400只母羊的羊群便可作为一个专业化的生产单元来运营。大型企业可能各自拥有数千只绵羊。功能完善、坚固耐用的挤奶设备、高效的挤奶流程，以及高质量的羊群管理，都至关重要。
母羊在羊群中的饲养周期通常为4至5年。妊娠期约为五个月，大多数品种年均产羔1.5至2只。在发展中国家，这一数字低于1只。母羔羊可从6至8月龄开始配种。
泌乳、分泌与产量
不同品种乃至同一品种内，关于产奶量和泌乳周期的数据均存在显著波动。因此，每只母羊每日0.4-2.3公斤的产奶量及100-260天的泌乳期长度，应视为平均值范围的粗略参考。
母羊的泌乳机制与其他家畜相同。绵羊奶所有重要成分的含量均高于牛奶，干物质含量高出近30%。绵羊奶成分的差异变化与牛奶大致相同，包括品种、个体差异和泌乳阶段等方面。母羊在产羔后最初几天会分泌初乳。初乳干物质含量可高达40%，并富含重要的蛋白质——白蛋白和免疫球蛋白。初乳期持续3-4天，期间初乳成分逐渐变化，日益接近常乳。需注意，初乳不得交售至乳品厂。
特性
绵羊奶中的脂肪球直径在0.5至25微米之间，其中占比最多的为3至8微米，尺寸近乎牛奶脂肪球的两倍。绵羊奶脂肪中辛酸和癸酸的含量高于牛奶，这是绵羊奶制品特殊风味与香气的主要来源。
绵羊奶平均含有4.5%的酪蛋白及约1%的乳清蛋白。其酪蛋白与乳清蛋白的比例约为82:18，与牛奶的80:20略有不同。绵羊奶的比重约为1.032-1.040，部分源于其较高的非脂固形物含量；同时因蛋白质含量高，其酸度也较高。绵羊奶的pH值通常介于6.5至6.8之间。
挤奶技术
图1.16 绵羊不同类型的乳房结构示例
母羊的乳房结构与奶牛不同，其乳房分为两半，各有一个乳头。无论是手工还是机械挤奶，奶牛通常都易于操作，但绵羊的挤奶难度普遍较高，且与挤奶方法无关。一个重要原因在于许多母羊的乳头呈水平方向生长。理想的乳房形态是乳头位于乳房半球的最低点。图1.16展示了绵羊不同类型的乳房结构示例。
与奶牛相同，绵羊的排乳过程由催产素激发，该激素促使肌样细胞压缩乳腺泡，在乳房内产生压力，从而推动乳汁从乳腺泡进入乳池。相比奶牛，绵羊乳池中的乳汁比例显著更高，占比超过50%。这意味着，在实际操作中，无需大量预刺激，即可为绵羊安装挤奶机进行挤奶。
图1.17 绵羊单侧乳房剖面结构
1. 乳腺泡组织
2. 乳导管
3. 乳头乳池
4. 乳头管
手工挤奶常见于小型羊群，其效率高度依赖排乳速度。对于排乳较慢的品种（如拉科讷羊），一名挤奶工一小时可挤20-40只母羊；而对于排乳较快的品种（如马内什羊），同一挤奶工每小时可完成40-100只。拥有超过150只母羊的牧场通常安装机械挤奶系统以减轻劳动强度。绵羊挤奶机的工作原理与奶牛相似，但工作真空度较低，脉动频率更高。常见的机械挤奶设备包括桶式、移动式以及管道式系统（见图1.18、1.19和1.20）。在桶式系统中，真空系统为固定式，而奶桶可移动。奶桶容量为20-40升，用于人工将乳汁运送至储罐。
脉动器可安装于桶盖，盖上的单向阀则用于从桶中抽气。每名操作员可管理1-3个奶桶。一名操作员管理两个奶桶的正常产能为每小时70只母羊。此类设备适用于最多140只羊的小规模羊群。在管道式挤奶系统中，输奶管道可安装于挤奶厅的高处或低处。挤奶产量取决于挤奶厅的设计。移动式挤奶单元适用于小规模羊群、户外挤奶及需要多地作业的场景，其产能与桶式设备相当。该单元包含完整的真空系统、动力装置（电动机或内燃机）、挤奶杯组、奶容器（奶桶）及脉动系统，全部安装于手推车上。挤奶时，手推车置于4-8只母羊后方。两根枢转杆在羊只身后向外转动，挤奶杯组则从母羊的背后套在羊乳房上。
图1.18 桶式挤奶系统
1. 带脉动器的奶桶
2. 真空管道
3. 用于冷却与储存的奶罐
4. 真空泵
5. 挤奶杯清洗装置
图1.19 移动式挤奶单元
图1.20 管道式挤奶系统
1. 真空管线
2. 输奶管线
3. 接收单元
4. 用于冷却与储存的奶罐
5. 真空泵
6. 挤奶杯清洗装置
山羊
图1.21 山羊乳房形态
图1.22 山羊单侧乳房剖面结构
1. 乳腺泡组织
2. 乳导管
3. 乳池
4. 乳头管
山羊被视为最早被驯化的反刍动物。其起源地为亚洲，如今已遍布全球各地。山羊适应力极强，能在其他动物难以生存的区域繁衍生息。与绵羊不同，山羊不属于群居性动物。山羊品种繁多，但并无专门的乳用品种。然而，萨能、阿尔卑斯、吐根堡和岩羚羊等品种已通过成功选育实现了产奶量的提升。正因如此，这些品种已被广泛引进至世界各地，用于与当地品种进行杂交改良。
泌乳、分泌与产量
在管理良好的产奶山羊群中，每只山羊在200-300天的泌乳期内可产奶400-1300公斤。机械挤奶缓解了手工挤奶的繁重与不适。然而，唯有达到一定的产奶量或养殖规模，转向机械挤奶才具有经济合理性。取决于当地条件，一个家庭式山羊养殖场通常需要至少50-150只山羊才能实现可观的收益；而企业化经营则需要更大规模，例如200-1000只。然而，无论是家庭式养殖还是企业化运营，一个集约化生产单元不仅需要合适的挤奶设备，还需配套有效的管理、饲喂和育种计划。
山羊的泌乳机制与其他哺乳家畜相同。与其他物种相似，山羊奶的成分受多种因素影响。由表1.1可知，山羊奶的基本成分与牛奶相近，但其酪蛋白与乳清蛋白的比值较低，约为75:25，而牛奶为80:20。
山羊奶乳清蛋白含量相对较高，表明其可能对高温更敏感。山羊奶的pH值通常介于6.5至6.7之间。
与母绵羊类似，雌山羊的乳房分为两半（见图1.21），各有一个乳头。山羊乳头通常略长于绵羊，并位于各自乳房半球的最低点。大部分乳汁储存于乳房的乳池部分，因此手工与机械挤奶均易于操作（见图1.22）。
手工挤奶仍是全球许多地区常见的山羊挤奶方式，但机械挤奶正迅速普及。机械挤奶为大型奶山羊农场提高了工作效率。前文关于绵羊及其挤奶、冷却、清洗和储存设备的信息，大多同样适用于山羊。
不断增长的世界人口需要稳定的食品供给
到2050年，全球人口预计将增长34%，达到91亿。这一增长将主要出现在巴西、中国和印度等发展中国家。在这些国家，越来越多的人选择迁入城市生活并获得更高收入。因此，必须提高食品总产量，以满足这一不断增长人口的预期需求。
对人体而言，奶是最富营养的食品之一。它为人体补充钙、维生素B2、维生素B12、碘、钾和磷等重要营养素提供了关键来源。联合国粮农组织（FAO）认为奶在人类营养中至关重要，因此建议每日摄入2-3份奶或其他乳制品。
从长远看，提高奶产量意味着乳业所有相关方必须学会以更少自然资源实现更高生产率，在保障动物福利的同时取得必要的经济回报。换言之，建立稳定的食品供应需要依靠可持续农业技术。其目标是在提高奶产量、农场盈利能力和保障人与动物福利的同时，减少农场对环境的影响。这需要对可持续发展的各个方面进行统筹改进，从而推动乳业养殖向更可持续的模式转型。
乳业养殖生态系统
尽管奶农是奶牛、水牛、绵羊和山羊等哺乳动物挤奶过程中的主要参与者，但他们本身也是复杂生态系统的一部分。小农户和自给型奶农依赖于当地兽医及其他农民的支持与建议。而拥有数百乃至数千头牲畜的大规模奶农则面临更复杂的任务：他们必须在满足市场需求的同时，平衡动物健康与福利、环境问题、法规政策、设备供应、劳动力问题以及饲料价格等多重因素。