宠物狗咬胶配方及工艺的优化

刘小楠，钟 芳，李 玥，张明秀，李 超，程雯丽

（江南大学食品学院食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡214122）

近年来，越来越多的中国家庭开始在家中饲养宠物，狗是最常见的宠物之一。但是很多饲主对宠物狗还保留着古老的养狗观念，比如，常用人的食物喂养宠物，由于狗与人在生理上的构造及代谢均有差异，故相应的营养需求也不同[1]。古老的饲养方式出现了许多问题，如宠物常有的难闻口气，不仅影响宠物的健康，而且影响了人与宠物之间的亲昵关系[2]。狗咬胶（dog chew）是一种可清洁宠物口腔和牙垢零食产品，这类产品一般由挤压成型或模压成型工艺加工而成[3]。宠物在进食过程中产品与牙齿的摩擦力可祛除牙垢，同时一些有效成分能够清新口气，因此可作为宠物清洁口腔和牙垢的食品。但是大部分狗咬胶硬度过大、水分含量低、易断裂，在宠物咀嚼过程中可能会对口腔组织造成损伤[4]。目前，国内对狗咬胶的研究尚不成熟。针对以上问题，本研究通过对以玉米淀粉为主要原料的狗咬胶产品的质构特性进行测试比对，以表征产品可承受的力的大小的最大弯曲应力、反映产品韧性的杨氏弹性模量以及体现产品抗弯曲断裂能力的最大弯曲应变为实验参数进行优化实验，筛选出最优产品配方，进而优化四段式挤压工艺参数，使最终产品呈半干半湿状态（水分含量高于15%），形成硬度适中、韧性良好、不易断裂的质构特性，提高产品品质。为狗咬胶在我国的大规模生产起到一定指导作用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

食用玉米淀粉 山东龙力生物科技股份有限公司；ABC-4035塔拉胶 天津安文水溶胶科技有限公司；黄原胶 乔富有限公司；丙三醇（化学纯） 国药集团；玉米粉（黑龙江绥化）、金龙鱼大豆油、天福乌龙茶（福建漳洲，Q/2TFCO41） 均购自无锡大润发超市。

EL204电子分析天平 梅特勒一托利多仪器（上海）有限公司；KS-802专业厨用搅拌机 祈合电器公司；PTW24/25D双螺杆挤压膨化机 美国热电公司；TA.XTPlus物性分析仪 英国SEM公司。

1.2 实验方法

1.2.1 狗咬胶加工工艺流程 将原料中干物质混合后在搅拌机中搅拌5min，依次加入适量的水、丙三醇、大豆油再次高速搅拌，至原料颗粒均匀。将混合好的原料倾入挤压机进料口，在固定挤压参数下挤压成棒状物。产品自然冷却30min后，在25℃下，自然晾晒24h，最终将产品真空包装，静置24h后测试。

1.2.2 狗咬胶配方优化 在四段式挤压工艺的参数均为机筒温度60-75-85-95℃、螺杆转速140r/min、进料速度比0.8、物料加水量35%的条件下分别对产品中的胶凝剂添加量（0%、1%、3%、5%、7%、10%）、丙三醇添加量（0%、5%、10%、15%、20%、25%）、玉米粉添加量（0%、5%、10%、15%、20%）对狗咬胶质构特性的影响进行研究，确定最佳配方。

1.2.3 狗咬胶加工工艺参数优化 在优化后配方的基础上对挤压工艺参数进行优化。分别研究物料加水量、机筒温度、螺杆转速对狗咬胶产品质构的影响，确定最佳的工艺参数范围。各因素所选择的实验水平如表1所示。

表1 工艺优化实验设计因素与水平Table 1 Factors and levels of process parameters optimization experiment

1.3 测试方法

1.3.1 样品前处理 将挤压后的产品切成80mm条状物，测定产品直径d，每根产品测定三次取平均值。

1.3.2 物料水分含量的测定 采用烘干恒重法（GB 6435-86）。

1.3.3 质构特性测定方法 三点弯曲测试法可测定狗咬胶在弯曲过程中表面受力情况（见图1），其中FS图上曲线最高点所对应的力为样品的硬度F[5]，所对应的距离为试样中心处下降的位移D[6]。根据公式得到最大弯曲应力（试样中心所受到最大压强）、最大弯曲应变（试样中心单位长度最大形变）以及作为样品韧性指标的杨氏弹性模量（弯曲应力/弯曲应变）。测试时将处理后的样品放置在间距为40mm的两水平支座上。通过HDP/3PB探头下压直至程序设置中的下降距离15mm。在探头的不断下压过程中样品逐渐产生形变。

图1 三点弯曲实验压缩图Fig.1 Sample of three-point bending test

采用Measure Force in Compression模式，测前速度1mm/s、测试速度1mm/s、测后速度为10mm/s。因各试样之间存在差异，为保持实验结果的准确性，每个样品重复8次，取平均值。由质构仪分析测得样品的硬度F、中间点形变位移D，通过下式计算得到最大弯曲应力、最大弯曲应变以及杨氏弹性模量[7]。

式中：σ为弯曲应力（N·mm-2）；ε为弯曲应变（mm·mm-1）；E为杨氏弹性模量（N·mm-2）；F为硬度（N）；L为跨度（mm）；d为样品的直径（mm）；D为样品中间位置垂直变形量（mm）。

2 结果与分析

2.1 狗咬胶配方优化

淀粉作为狗咬胶产品的主要原料起到分子结构支撑的作用[3]，而玉米淀粉又是价格低廉、直链淀粉含量较高、具有较低的糊化温度及较高凝胶硬度的优良品种，且在我国产量大，故为本研究最佳选择原料；食用亲水胶体作为产品的胶凝剂对产品的内部分子排列的紧密度有直接影响[3]，而黄原胶、塔拉胶等亲水胶体不仅价格适中，且少量的添加即可达到较好的效果；丙三醇是一种优良的保湿剂和增塑剂[3]，对狗咬胶产品挤压成型及保持一定的弯曲应变能力起到至关重要的作用；玉米粉既是粗纤维及蛋白质等营养物质的来源，又是产品的填充剂，对产品的分子结构内部排列具有一定的影响[7]，宏观上影响产品的质构特性，以上述原料为研究对象对狗咬胶质构特性进行研究。

2.1.1 胶体添加量对狗咬胶质构的影响 胶体的添加量对产品的质构特性有明显的影响。通过以前的实验结果选择黄原胶与塔拉胶（1∶1）的复配胶为产品胶凝剂，在配方其余物质添加量及工艺参数不变的情况下，改变胶体在粉质体中的含量，研究胶体添加量对产品质构特性的影响，最终确定最适添加量。

图2 复配胶体对质构特性的影响组图Fig.2 The effect of content of complex colloidal on textural properties of products

图2为随着胶体添加量的增加，产品最大弯曲应力、杨氏弹性模量、最大弯曲应变的变化情况。从图2中可以看出，随着胶体添加量的增大，最大弯曲应力先上升后下降，并在胶体添加量为3%时达到最大值，这种现象产生的原因可能是在胶体添加量较低时增大物料的粘度，会使淀粉可利用的水分减少，从而在一定程度上阻碍淀粉在糊化以后的进一步降解[8]；但当胶体的含量增加到一定程度后，胶体分子会与淀粉颗粒结合，改变产品分子粒径，进而增强淀粉消化性，使得淀粉降解，在宏观上即表现为硬度的降低。杨氏弹性模量随胶体添加量的增大呈先小幅下降后逐渐上升的趋势，在添加量为1%时最小，即韧性最适点。随着胶体量的增大最大弯曲应变逐渐下降，产品越来越容易断裂。为得到韧性好并且具有一定弯曲应力的产品，添加量应在3%以下，其中添加量为1%时产品韧性较好，且硬度与3%时差别不大，故确定最优胶体添加量为1%。

2.1.2 丙三醇添加量对狗咬胶质构的影响 丙三醇是狗咬胶产品的保湿剂和增塑剂，使产品具有一定形态，达到特有的质构特性[9]。在之前实验中已确定的原料添加量及固定的工艺参数下，研究丙三醇添加量对质构特性影响，确定最佳丙三醇添加量。

图3 丙三醇含量对质构特性的影响组图Fig.3 The effect of content of glycerol on textural properties of products

通过图3可以看出，随着丙三醇添加量增大产品的弯曲应力逐渐减小；杨氏模量也逐渐降低并在最后后有略微的上升；弯曲应变先升高后又小幅下降，并在丙三醇含量在15%时得到最大值。出现这种现象的原因可能是适量的丙三醇在物料体系混合过程中能充分渗透到淀粉颗粒之间，削弱分子间氢键作用力，破坏结晶结构；当丙三醇含量增加到一定程度时，物料中粉质体相对含量降低，材料的致密性降低，结构变差，弹性和硬度也下降[9]。综合质构特性三项指标，丙三醇含量为15%添加量时，可得到最佳质构特性。

2.1.3 玉米粉添加量对狗咬胶质构的影响 玉米粉作为狗咬胶中纤维素和蛋白质的主要来源，不仅具有营养价值，而且极大的影响着狗咬胶的质构特性。在之前实验中已确定的原料添加量及固定的工艺参数上，研究玉米粉的不同添加量对质构特性的影响，并最终确定玉米粉的最适添加量。

随着玉米粉添加量的增加，产品最大弯曲应力明显下降（见图4），添加量大于15%后下降趋势缓和；杨氏弹性模量也具有明显下降的趋势，产品的韧性增大，在15%添加量时达到最低点，之后又有略微增大，此结果与Frédéric Robin[7]的结论相同。其原因是纤维素分子与连续的淀粉相之间的结合力随纤维素的含量增加而逐渐下降，在挤压产品受到外力作用时，连接相之间易发生断裂[7]。最大弯曲应变随着玉米粉含量的增加先上升后下降，其原因可能是在纤维素含量低时，纤维素颗粒在挤压过程中变形均匀的分散在淀粉结构中，使产品在受外力作用时具有一定延伸性[7]，而在超过15%的高纤维素分子含量时，纤维素分子不能达到均匀分布，故使最大弯曲应变下降。综合质构特性的三项指标，玉米粉添加量在10%～15%时的产品具有适中的最大弯曲应力，较低的杨氏弹性模量和较高的最大弯曲应变，但玉米粉添加量为15%时产品的最大弯曲应变较低，产品的硬度小，这在一定程度上影响产品对狗的适口性，故最终确定玉米粉的最适添加量为10%。

图4 玉米粉含量对质构特性的影响组图Fig.4 The effect of content of corn flour on textural properties of products

综合以上对配方的优化实验的结果，达到最佳质构效果的最佳配方，以粉质体为基准，为玉米淀粉为89%、复配胶（黄原胶∶塔拉胶为=1∶1）1%、丙三醇15%、玉米粉10%、大豆油3.33%，其他添加剂8%。

2.2 挤压工艺参数优化

2.2.1 物料加水量对狗咬胶质构的影响 水分在挤压蒸煮加工中是一种非常关键的催化剂，其不仅在淀粉的糊化和蛋白质的变性过程中起了重要作用[10]，还会影响挤压螺杆与物料之间的剪切力，进一步影响玉米淀粉在加工过程中的分子结构，从而影响终产品的质构特性[5]。以优化配方实验中得到的最佳配方，玉米淀粉89%、复配胶1%，丙三醇15%、玉米粉10%、大豆油3.33%、其他添加剂8%及固定挤压参数，通过研究不同加水量的物料经挤压后的质构特性，确定最适水分含量范围。

图5 物料加水量对质构特性的影响组图Fig.5 The effect of water content on textural properties of products

由图5可以看出，产品的质构特性随物料水分含量有明显变化，在物料水分含量偏低时，物料中添加的胶体使淀粉可利用的水分减少，使淀粉糊化度较低，产品分子粒径分布不均匀[6]，导致弯曲应力较低，弯曲应变也较低；随水分含量增加，弯曲应力急剧上升，在25%时达到最大，而在过高的水分含量下物料流动性强，挤压作用时间较短，且在压头处受到压力较小，产品径向膨化度上升，表面存在的水分急速蒸发后留下不规则气孔，使产品质地不紧密，造成产品弯曲应力下降，弯曲应变小，极易断裂。为了达到较好的质构特性，应选择加水量为25%～30%。

2.2.2 挤压机筒温度对狗咬胶质构的影响 挤压机机筒温度也是挤压工艺中的一个重要的因素。温度显著的影响淀粉的糊化，温度越高，淀粉糊化的程度就越高；同时温度越高，原料中营养成分的损失就越大[11]。在含水量为30%，螺杆转速140r/min，喂料速度50r/min的挤压参数下，改变四段式挤压系统中后三段的挤压温度，研究机筒温度对产品质构特性的影响。

图6 机筒温度对质构特性的影响组图Fig.6 The effect of barrel temperature on textural properties of products

随着挤压机筒温度的升高，挤压产品的弯曲应变下降，杨氏弹性模量先逐渐下降后又有所回升，弯曲应变则先上升在95℃处达到峰值后下降（见图6）。产生这种显现的原因是在较低的温度下，玉米淀粉糊化不完全，不能很快形成糊状流体，故在机筒内与螺杆作用时间延长，最终形成径向膨胀率较小的产品。虽然产品弯曲应力较高，但是由于分子粒径分布不均匀，故极易断裂；当温度超过100℃后，玉米淀粉充分糊化后又部分降解，且膨化率上升，密度下降；在挤压压头处有大量水分迅速蒸发，导致表面质地不均，继而导致弯曲应力下降[6]，弯曲应变下降，但是韧性较好。为获得硬度适中，又具有韧性的产品，最佳的机筒温度参数为60-70-85-95℃。

2.2.3 挤压螺杆转速对狗咬胶质构的影响 螺杆转速也是挤压工艺中一个非常重要的参数。物料在挤压机中的停留时间取决于螺杆转速，螺杆旋转越快，物料在挤压机中停留的时间就越短。在挤压过程中，高温和剪切力是改变原料营养价值的主要因素，但是过高的剪切力将导致产品口感变差，风味古怪。在挤压温度60-70-85-95℃，喂料速度50r/min的挤压参数下，改变挤压螺杆转速，研究转速对产品质构的影响。

图7 螺杆转速对质构特性的影响组图Fig.7 The effect of screw speed on textural properties of products

挤压转速对产品的质构特性影响如图7所示，在低螺杆转速时，物料在机筒内停留时间较长，由于物料与机筒间的剪切力大，机械能耗高，为物料间分子的粒径改变和分子结构重排提共了充足的能量，使产品结构紧密[6]，故产品的弯曲应力较高，杨氏弹性模量较高，韧性不佳；随着螺杆转速上升，弯曲应力和杨氏弹性模量相应下降，这与Frédéric Robin等[7]的研究结果相同；随螺杆转速上升，杨氏弹性模量有明显下降趋势，原因可能是随着螺杆转速增加，物料在机筒内受到剪切力变小，物料行进速度加快，使物料集聚于压头所需时间变短，水分损失率减小，产品挤出时含水量增高，故产品具有较好的韧性；同时弯曲应变随之上升，产品不易断裂，但是较高的转速会明显降低产品的弯曲应力。综合考虑项指标，选择最适的螺杆转速为140r/min。

综合以上工艺优化结果，最佳的工艺参数为加水量30%，机筒温度60-70-85-95℃，挤压螺杆转速140r/min，喂料速度50r/min。将最佳配方及最佳工艺参数下的产品与市面狗咬胶产品进行质构特性比较结果如表2所示。

从表2中的数据可以看出，实验中优化后的产品具有相对高的最大弯曲应变力，较低的杨氏模量，以及较高的弯曲应变。与市面产品质构特性相比具有明显改善。

表2 优化产品与市面产品质构特性比较Table 2 Comparison on the textural properties of the product and market product

3 结论

通过对宠物狗咬胶的配方及挤压参数的优化实验，最终得到最佳配方为玉米淀粉占粉质体比例89%，复配胶体（黄原胶∶塔拉胶）1%，丙三醇15%，玉米粉10%，加水量30%，乌龙茶2%。在优化后的配方下对挤压参数进一步优化，最终确定挤压工艺参数为：机筒温度60-70-85-95℃，挤压螺杆转速140r/min，喂料速度50r/min。所得到的产品的弯曲应变力为0.797N·mm-2，杨氏弹性模量为16.434N·mm-2，弯曲应变为3.183（100×mm·mm-1），产品具有较高的硬度且韧性尚佳。

[1]李凯年，孟丹，孟昱.宠物猫狗的食品、日粮与饲喂制度[J].中国动物保健，2010（8）：55-59.

[2]Alexander J Simone.Pet chew product having oral care properties：US，005，296，209A[P].1994-03-22.

[3]郝平佳.宠物营养学的近期新进展[J].饲料广角，2001，19：18-20.

[4]Anthony Lawlor.Easily-digestible pet chew that promotes oral health and prevents malodorous breath in animals，and method of making thereof：US，007，662，414Bl[P].2010-02-16.

[5]Valentina Stojceska，Paul Ainsworth，Andrew Plunkett，et al.The effect of extrusion cooking using different water feed rates on the quality of ready-to-eat snacks made from food byproducts[J].Food Chemistry，2009，114：226-232.

[6]Frédéric Robin，Jan Engmann，Nicolas Pineau，et al.Extrusion，structure and mechanical properties of complex starchy foams[J].Journal of Food Engineering，2010，98：19-27.

[7]Frédéric Robin，Cédric Dubois，Delphine Curti，et al.Effect of wheat bran on the mechanical properties of extruded starchy foams[J].Food Research International，2011，44：2880-2888.

[8]张雅媛.玉米淀粉与亲水性胶体协效性和作用机理的研究[D].无锡：江南大学，2012.

[9]熊汉国.淀粉基生物质材料的制备、特性及结构表征[D].武汉：华中农业大学，2008.

[10]王亮.谷物早餐质构特性的研究[D].无锡：江南大学，2007.

[11]Yvonne Mensa-Wilmot， R D Phillips， J L Hargrove.Protein quality evaluation of cowpea-based extrusion cooked cereal/legume weaning mixtures[J].Nutrition Research，2001，21：849-857.