挤压膨化工艺参数对犬粮加工质量的影响研究

■李重阳 董颖超 李军国，3 张嘉琦 李 俊 杨 洁 蒋万春

（1.河北工程大学生命科学与食品工程学院，河北邯郸056000；2.中国农业科学院饲料研究所，北京100081；3.农业部饲料生物技术重点开放实验室，北京100081）

近些年来随着宠物犬饲养量的上涨，犬粮产业得到快速发展。犬粮加工质量的好坏主要由淀粉糊化度和适口性来评定：淀粉的熟化程度低，膨化效果差，犬在采食后易发生腹泻反应；适口性主要与颗粒的硬度和酥脆性有关，适宜的硬度和酥脆性可增大犬采食量和提高摄食乐趣，进而达到提高适口性的效果。在实际生产中可通过调整膨化工艺参数来提高犬粮的淀粉熟化度、膨化度，改变犬粮硬度和酥脆性。通过试验研究膨化工艺参数与各加工质量指标的关系和规律，对高品质犬粮的加工具有重要意义。目前在研究膨化工艺参数对犬粮加工质量影响方面，大多将容重、膨化度和淀粉糊化度作为膨化加工质量的主要评价指标，对硬度和酥脆性等指标的研究较少，也很少有关于模板吨料开孔面积对加工质量的影响研究。本试验研究不同的物料调质水分含量、模板吨料开孔面积、模头温度和螺杆转速与犬粮的容重、膨化度、颗粒硬度、酥脆性和淀粉糊化度间的关系，探求各工艺参数对犬粮加工质量指标影响趋势和显著程度，以期为实际生产提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验配方(见表1)

表1 饲料配方及营养水平（%）

1.2 试验设计(见表2)

表2 单因素试验工艺参数

本试验采用单因素试验方法，研究物料调质水分含量、模板吨料开孔面积、模头温度和螺杆转速等4个膨化工艺参数对加工质量的影响，具体试验工艺参数设计见表2，每行表示在其它3个参数不变的情况下，改变1个工艺参数。

1.3 试验膨化加工条件及取样方法

本试验在中国农业科学院南口中试基地进行，试验设备为牧羊SJPS56×2双螺杆膨化机，模板开孔数为2，模孔直径为3 mm，混合粉料过60 M筛。

每个试验点参数调整后，待膨化机工作稳定后开始取样，再每隔10 min取样1次，每个试验点取样3次。取样包括调质粉状料和膨化颗粒料，在调质器出料口取调质粉状料，用密封袋取300 g，密封保存，用于调质水分测定；在膨化机出料口取膨化颗粒料2 kg，采用自然风干的方法干燥，待水分低于12%，符合贮存条件，收取装袋进行加工质量指标的检测。

1.4 加工质量评价指标及检测方法

1.4.1 容重

容重仪是测定颗粒饲料自然容重的仪器，通过排气锤在容量桶中自然落下，使饲料在容器中呈现自然排列的状态后称重，所得重量为容重，单位为g/l。

1.4.2 膨化度

犬粮的膨化度一般用径向膨化度表示，利用游标卡尺测定犬粮直径，根据模孔直径计算膨化度，每个样品测20个平行。膨化度=颗粒直径/模孔直径。

1.4.3 颗粒硬度、酥脆性

利用质构仪（型号TA-XY2i，产地英国Stable Micro）进行颗粒硬度和酥脆性的测定。每个试验样品随机取20粒进行测量，探针下降速度为1.0 mm/s，颗粒受力形变40%后探针抬起，该阶段图谱峰值作为硬度的结果（g）；探针第一次下压过程中第一个破裂的点即为酥脆性的结果（mm），数值越低效果越好。

1.4.4 淀粉糊化度

含淀粉的饲料原料经膨化后淀粉的熟化程度，饲料中已熟化（糊化）淀粉与所含全部淀粉量之比的百分数表示，采用熊易强（2000）的方法。

1.5 数据分析

数据通过SPSS 20.0进行方差分析，并用“平均值±标准差”表示试验结果。

2 结果与分析

2.1 物料调质水分含量对膨化犬粮加工质量的影响

本试验中，保持模板吨料开孔面积为200 mm2/(t·h)，4段膨化腔温度分别为100、130、130、130 ℃，螺杆转速为300 r/min，调质温度95℃不变，调整物料调质水分含量分别为24%、26%、27%、28%、30%，每种条件下膨化犬粮加工质量试验结果见表3。

表3 物料水分含量对膨化犬粮加工质量的影响

由表3试验结果可知，随调质水分含量的上升，容重显著降低（P＜0.05），膨化度显著升高（P＜0.05），颗粒硬度呈现升高后降低的趋势，酥脆性变差，但差异不显著（P＞0.05），淀粉糊化度在水分为26%后显著升高（P＜0.05）。当水分含量为30%时，容重最低，膨化度最大，但在此水分含量条件下，物料经挤压膨化出模孔后，会黏结成团，所以此水分含量对实际生产的参考意义不大。虽然水分含量为28%时膨化度和淀粉糊化度最高，但硬度也是最高。而水分含量为27%时，膨化度、容重和硬度在5个试验组中处于中等水平，因此建议水分含量为27%。

2.2 模板吨料开孔面积对膨化犬粮加工质量的影响

在本试验中，保持物料调质水分含量为28%，调质温度95℃，4段膨化腔温度分别为100、130、130、130℃，螺杆转速为300 r/min不变，模板吨料开孔面积分别为240、220、200、180、160 mm2/(t·h)(随喂料速度的增高模板吨料开孔面积缩小)，每种条件下膨化犬粮加工质量试验结果见表4。

表4 模板吨料开孔面积对膨化犬粮加工质量的影响

由表4试验结果可得出，随模板吨料开孔面积的降低，容重显著降低，膨化度显著升高（P＜0.05），当模板吨料开孔面积为 160 mm2/(t·h)和 180 mm2/(t·h)时，容重显著低于另外3个试验组(P＜0.05)；从犬粮质构特性来看，模板吨料开孔面积为240 mm2/(t·h)时，硬度最低，酥脆性最好，但淀粉糊化度却最低，此参数不建议使用；与模板吨料开孔面积是220、180、160 mm2/(t·h)相比，模板吨料开孔面积是200 mm2/(t·h)时，硬度最低，酥脆性最好，淀粉糊化度达94.78%，因此建议模板吨料开孔面积为200 mm2/(t·h)。

2.3 模头温度对膨化犬粮加工质量的影响

本试验中保持调质水分含量为28%，调质温度95℃，模板吨料开孔面积为200 mm2/(t·h)，螺杆转速300 r/min，膨化加工过程中主要通过调整膨化腔第4段温度使模头温度发生改变，因此，固定膨化腔前3段温度为100、130、130℃不变，分别调整模头温度为110、120、130、140 ℃和150 ℃（实际加工过程中模头温度存在波动，因此，表4中实际温度值与试验设计间存在误差），每种条件下膨化犬粮加工质量试验结果见表5。

表5 模头温度对膨化犬粮加工质量的影响

从表5试验结果可见，随模头温度的升高，容重呈先降低后升高的趋势，膨化度的趋势与容重相反，淀粉糊化度随模头温度的升高显著升高，但当温度超过139.6℃后，淀粉糊化度显著降低。模头温度的升高，会增加犬粮的硬度，降低酥脆性。当模头温度为127.6℃时，膨化度显著高于另外4组（P＜0.05）。从质构特性结果分析得出，模头温度为111.5℃和118.7℃的硬度和酥脆性无显著差异(P＞0.05)，当模头温度升高至127.6℃后酥脆性显著高于温度为111.5℃和118.7℃（P＜0.05），在5个处理组中处于中间水平。综合膨化加工质量和质构特性的结果分析，建议模头温度为127.6℃。

2.4 螺杆转速对膨化犬粮加工质量的影响

本试验中固定物料调质水分含量28%，调质温度95 ℃，模板吨料开孔面积为200 mm2/(t·h)，4段膨化腔温度100、130、130、130 ℃，螺杆转速为180、210、240、270、300 r/min，每种条件下膨化犬粮加工质量试验结果见表6。

表6 螺杆转速对膨化犬粮加工质量的影响

由表6试验结果可知,随螺杆转速的升高，容重下降，膨化度升高,淀粉糊化度升高。膨化犬粮颗粒硬度随螺杆转速的增加呈降低趋势；螺杆转速对膨化犬粮酥脆性的影响无显著差异。当螺杆转速为300 r/min时，容重显著低于另外4个试验组，螺杆转速的提高，可增强物料在膨化腔内的受剪切强度，剪切力越大，硬度越小；因为膨化机螺杆配置的差异，其转速和扭矩都会有所不同，因此实际生产中可适当提高螺杆转速来达到提高膨化度、酥脆性和降低硬度的效果,因此建议螺杆转速为300 r/min。

3 讨论

3.1 调质水分含量对膨化犬粮加工质量的影响

物料中水分含量的变化主要是通过改变调质过程水和蒸汽的注入量。在膨化加工过程中，水分含量低，淀粉颗粒的内部结构不能完全被破坏，糊化度和膨化度低。水分超出物料能接受的范围后，水会在膨化腔中充当润滑剂的作用，使物料吸收的剪切力和摩擦力减少，模头压力降低，导致物料在膨化腔中糊化程度降低，膨化度下降。本试验研究发现，随水分含量的升高，淀粉颗粒吸水溶胀，吸收摩擦热和螺杆剪切力增强，淀粉熟化（糊化）程度和膨化度随之升高。在质构特性方面，水分为淀粉颗粒被破坏提供了媒介，吸水后的淀粉颗粒，发生膨胀，在膨化腔中经过摩擦和剪切的作用后，淀粉颗粒被破坏，粉碎呈片状，直链淀粉和支链淀粉的结构被破坏，产品的硬度和酥脆性发生改变。Ding等与Stojceska等的研究认为水分含量的升高会增加膨化颗粒的硬度。但Adriana等、Draganovic等和本试验研究结果得出，随水分含量的升高，膨化颗粒硬度降低。这可能是因为各试验中水分添加量的范围不同，水分过低，物料的黏结强度差，此时提高水分含量会使膨化颗粒硬度增加，而本试验中最低的水分含量已经达到22%，继续增加水分物料出模孔后，水分闪蒸作用增强，导致颗粒组织结构松散，颗粒的断裂程度下降，硬度降低，酥脆性变差。

3.2 模板吨料开孔面积对膨化犬粮加工质量的影响

在模板吨料开孔面积（模孔数量和直径）不变的情况下，喂料速度决定了模板吨料开孔面积，喂料速度越大吨料开孔面积越小，喂料速度越小吨料开孔面积越大。吨料开孔面积决定了物料在膨化腔内的填充程度、停留时间和模头压力，这些作用最终都会引起产品品质的变化。模板开孔面积不变，喂料速度低会造成物料在膨化腔内的填充度下降，从而影响到物料吸收机筒壁的有效热量、螺杆的剪切力和模头压力；快的喂料速度，可以提高物料在膨化腔内的填充度，吕宝龙等、Lio等与Ding等研究发现，随喂料速度的升高，膨化腔内物料填充度增大、受剪切程度增强，支链淀粉的降解程度和物料黏弹性升高，淀粉的糊化度提高。但喂料速度过高，会发生淀粉糊化度降低的现象。本试验中，试验结果与前人研究结果基本一致，喂料速度的增加使膨化腔内物料填充程度变高，膨化度提高；在质构特性方面，本试验中，犬粮的硬度和酥脆性随模板吨料开孔面积的缩小而升高，这是因为熔融体中淀粉致密的晶体结构被破坏程度升高，膨化腔内物料黏弹性增强，导致颗粒硬度增加和酥脆性变差。

3.3 模头温度对膨化犬粮加工质量的影响

膨化腔分为喂料段、揉合段和熟化段，物料在调质器中经过水和蒸汽的双重作用后，通过膨化腔喂料段进入揉合段，在揉合段被注入强大的机械能和机筒壁传导的热能后进入熟化段，在此阶段大部分的淀粉颗粒发生破裂，最终在模头处短暂的停留后，被瞬间挤压出模孔，由于压力和蒸汽瞬间的释放，形成了内部多孔的膨化颗粒。吕宝龙等在研究宠物食品挤压膨化加工工艺时发现，随模头温度的升高，膨化度显著升高，但当温度升高到140℃后再继续升温，膨化度的升高幅度变缓。还有研究结果显示，随温度上升至淀粉糊化所需的最高温度后，继续加温会出现膨化度降低的现象，因为高温加剧了水分的蒸发和淀粉受破坏的程度，导致气泡在未被挤出模孔时就已经破裂，并可能出现焦糊现象，膨化度下降。本试验中，随模头温度升高至127.6℃时，膨化度达最高，再继续升温膨化度有轻微降低的趋势；当模头温度达127.6℃时，淀粉就已经取得了很好的熟化效果，再继续升温虽然淀粉的熟化程度有提高的趋势，但效果不显著，还会额外增加能量的耗费。在质构特性方面，本试验结果得出，模头温度的升高，颗粒硬度显著升高，酥脆性显著降低，这可能是因为随模头温度的升高，熔融物在膨化腔内的黏度降低，水分蒸发量增加，颗粒组织结构紧密，硬度升高；同时，淀粉颗粒破碎、卷曲、膨胀、内部出现大量气泡，淀粉糊化、糊精化程度升高，原本的晶体结构被严重破坏，酥脆性降低。

3.4 螺杆转速对膨化犬粮加工质量的影响

螺杆转速决定了物料在膨化腔内停留时间长短、填充度和受剪切程度的高低，最终导致产品的容重、膨化度和质构特性发生改变。王亮等在研究挤压条件对谷物早餐质构的影响发现，较低的螺杆转速会使物料在膨化腔内停留时间变长，受热的作用变强，淀粉颗粒容易遭到破坏，晶体结构变为无序结构，螺杆转速提高，物料在膨化腔内停留的时间变短，受热作用减少，但螺杆强大的剪切能力使淀粉颗粒内部产生气泡，从而提高膨化度。吕宝龙等在研究宠物食品挤压膨化加工工艺和机理时发现，随螺杆转速的升高，产品膨化度显著升高。但螺杆转速过高，糊化度和膨化度下降较明显：王文贤等发现，当螺杆转速高于260 r/min时，会有生淀粉从模孔处挤出，这说明由于螺杆转速较高，淀粉在膨化腔内还尚未完全糊化就被挤出模孔，从而造成膨化度的下降。本试验研究发现，犬粮的膨化度随螺杆转速的升高而升高，硬度和酥脆性随螺杆转速的升高而降低。在实际生产中，因膨化机类型的不同，其螺杆配置和构型也不同，因此通过本试验结果可以得出，随螺杆转速的变化犬粮膨化度的变化趋势，在实际生产中可通过本试验得出的趋势，来调整螺杆转速。

4 结论

当物料调质水分含量为27%；模板吨料开孔面积为200 mm2/（t·h）时，犬粮容重、膨化度较其他各组相比处于中等水平，硬度与酥脆性无显著性差异。当模头温度为127.6℃时，犬粮的膨化度显著高于其他各组。当螺杆转速为300 r/min时，犬粮的膨化度显著高于其他各组，硬度显著低于另外各试验组。

因此，针对不同犬粮加工质量的要求应选择适宜的挤压膨化工艺参数。