饲料限水糊化动力学及其颗粒结构特性的表征

金 楠，李腾飞，王红英※，方 鹏，段恩泽，陈计远

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 北京城市学院北京3D 打印研究院，北京 100083）

0 引 言

饲料是畜牧养殖业的重要物质基础，随着畜牧业的发展，饲料成本占到养殖成本的 70%左右。在家畜日粮配方中寻求利用一些价格较低的副产物是一种降低饲料成本的重要途径，另一方面，改善饲料加工工艺也能有效提高目标动物的饲料价值，从而降低饲料成本[1]。调质作为饲料加工中最重要的工序之一，是一种典型的水热处理工艺，在调质器桨叶的搅拌混合作用下，饲料在与饱和蒸汽充分进行质热传递的过程中发生糊化[2]，改善了饲料利用率、畜禽胃肠道健康、制粒流变特性[3-5]和适口性。然而在实际生产中，调质的工艺参数往往依靠操作人员的经验设定，加工参数对产品内在特性的影响尚不明确，极大限制了配合饲料颗粒的优质生产。

现有饲料调质工艺的研究，包括对饲料原料[6]及不同原料组分配合饲料比热、导热率等热特性的分析[7-8]，饲料糊化度的测定方法[9]，饲料糊化过程和糊化阶段的划分等方面[10]。饲料的糊化主要是指饲料中淀粉源物料在水热作用下，伴随颗粒吸水溶胀、微晶结构熔融、双折射现象消失等不可逆变化，淀粉分子结构崩溃的过程[11]，主要受淀粉的植物来源、加工水分、加热温度和改性时间等因素共同影响[12-13]，淀粉在过量的水环境中易于糊化，而在水分不足的环境中即使在高温下也很难糊化[14]，只有水与淀粉的比例大于3∶1 时，淀粉在达到糊化温度后才能完全糊化[15]。事实上，在饲料加工的实际应用中，饲料膨化机和调质器中物料的水分是通过饱和蒸汽传热传质方式添加的，膨化腔中的饲料水分可增加至 20%～30%，而调质后的饲料水分仅能达到16%～18%，且水分分布不均匀，饲料整体水分含量通常是有限的甚至是稀缺不足的。但对有限水分条件下饲料糊化特性以及由糊化导致的颗粒结构变化的研究并不充分。

糊化动力学参数是工艺师设计和优化加工工艺的必要基础，用以获取“最适糊化度”产品[16]。左春柽等[17]提出了玉米淀粉在高压处理中保压时间与淀粉糊化度的动力学关系式，指出高压玉米淀粉糊化与热加工淀粉糊化同属一级反应；Sablani 等[18]对糯玉米淀粉的等压和等温动力学进行了量化，描述了时间-温度-压力组合对淀粉糊化的影响；Pielichowski 等[19]采用n级反应模型和Jander 型三维扩散模型拟合了马铃薯淀粉的双步糊化过程；Spigno 等[20]通过比较不同的数学模型研究了大米淀粉在不同浓度范围内的糊化动力学，以优化淀粉提取的最佳工艺。相关学者已对不同植物来源分离淀粉的糊化动力学进行了研究[21]，但尚未有报道对含有复合组分混合物的配合饲料糊化动力学进行评估。

基于以上分析，本文研究在限制水分条件下，温度和时间对配合饲料糊化动力学和颗粒结构特性的影响，基于均匀板加热法对饲料样品进行热处理，分析其糊化程度、动力学参数、结晶特性、双折射特性和微观形貌等理化性质，拟为饲料的热加工提供基础研究数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为取自北京首农畜牧发展有限公司饲料分公司的育肥猪配合饲料（混合后调质前），其配方组成为：玉米66.52%、豆粕15.15%、麦麸8.00%、玉米干全酒糟7.00%、石粉0.85%、磷酸氢钙0.48%、复合预混料2.00%，是一个淀粉含量超过50%（干基）的高能饲料配方，经高速万能粉碎机粉碎后过212μm 筛，测得饲料初始水分为(10.57±0.06)%。根据饲料膨化和调质热加工后物料的水分含量及饲料糊化所需的水分要求，计算饲料水分达到25%和30%所需的蒸馏水用量，向饲料中喷洒蒸馏水并充分混合15 min 后装入聚乙烯密封袋中，置于4 ℃的冰箱平衡48 h，期间每隔8 h 晃动一次，每次持续1 min[13]，获得水分分别为(25.08±0.06)%、(30.11±0.03)%且均匀的饲料作为热处理样品。

1.2 饲料均匀板加热处理

基于均匀板加热方法[13]，饲料样品的热处理采用图1所示的加热装置进行，样品达到温度均匀分布所需的时间尺度远小于样品糊化的时间尺度，可实现对样品热处理时间的准确控制。将(2.0±0.1) g 预调水分的饲料样品密封于聚乙烯-聚酰胺真空袋中，夹持于一组平行温度可控的铸铝加热板内加热。根据目前饲料调质器的工作参数，设定样品热处理的温度梯度为75、80、85、90 和95 ℃，在目标温度下，对样品进行 0.5、1、3、5、7 和 10 min不同时长的加热处理，并将热处理完成后的样品真空袋立即取出置于冰袋上，以迅速停止饲料的糊化进程。冷却至室温后将饲料样品在40 ℃恒温干燥箱中干燥12 h至恒重，以用于后续糊化度和颗粒结构特性的表征分析。

1.3 饲料糊化度的测定

饲料糊化度的测定参照简易酶法[22]并做适当修改。选用糖化酶（Amyloglucosidase，上海源叶生物科技有限公司）配制酶溶液，孵育最适温度为50 ℃。在紫外可见分光光度计（TU-1901，北京普析通用仪器有限责任公司）420 nm 波长下读取吸光值，糊化度为

式中α为饲料的糊化度；As为待测样品的吸光值；Ab为空白吸光值；Af为全糊化样品的吸光值。

图1 饲料样品热处理装置Fig.1 Heat treatment device for feed samples

1.4 非线性一级动力学模型

糊化动力学参数包括活化能、指前因子和模型函数[23]。基于非线性动力学模型[11]，建立配合饲料的糊化动力学方程，该模型引入了一个量化给定温度和水分条件下糊化终端程度的经验参数α∞，

式中t为加热时间，min；n为反应级数；k为速率常数；α∞为无穷因子，量化糊化终端程度。

大量研究认为淀粉与水体系的糊化遵循一级动力学模型[18]，因此，取n=1 时，在给定温度下式（2）的解为

其中，速率常数k与热处理温度T的关系可由Arrhenius 公式[11]表示

式中Z为指前因子；Ea为活化能，J/mol；T为热处理温度，K；G 为理想气体常数，取8.314 5 J/(mol·K)。

对式（4）方程两边取自然对数化简为线性形式

由式（3）可以获得不同热处理温度下的速率常数k，以1/GT为横坐标，lnk为纵坐标，绘制饲料糊化的Arrhenius图，即可通过线性回归方程得到饲料糊化的活化能Ea。

1.5 偏光显微观察

用配备数码相机（CKC2000，上海蔡康光学仪器有限公司）的三目显微镜（XPF-550C，上海蔡康光学仪器有限公司）在偏振光下观察经过干燥处理的饲料样品双折射特性。以体积比为 1∶1 的甘油-水溶液作为分散介质，将10 mg 样品分散到1 mL 分散介质中制成悬浮液，在600 倍放大倍数下观察并拍摄图像。

1.6 X-射线衍射分析

通过X-射线衍射仪（D8 Advance，德国布鲁克公司）测定饲料样品的衍射图谱和相对结晶度。测定条件为：镍过滤Cu-Kα 靶（波长λ=0.154 06 nm），管压40 kV，管流40 mA，衍射角（2θ）扫描范围4°～40°，扫描速率2.5°/min，取值步长0.02°。相对结晶度使用MDI Jade 6.5软件按照面积法计算[24]。

1.7 扫描电镜形貌观察

使用扫描电镜（SU8020，日本日立公司）观察饲料原样品和经过90 ℃热处理3 min 后样品的颗粒形貌。干燥后的样品用双面碳导电胶带固定于样品台后喷金处理，在10 kV 加速电压下拍摄放大2 000 倍颗粒微观图像。

2 结果与分析

2.1 饲料糊化动力学及活化能分析

速率常数和活化能等饲料糊化动力学参数可用于设计和优化调质和膨化等工业化饲料热加工工艺。图 2 为不同水分饲料在 75、80、85、90 和 95 ℃热处理温度下的饲料糊化动力学曲线，饲料原样品的糊化度为0.023 6±0.017 3；25%水分饲料在不同热处理温度下的糊化度均较低，即使在95 ℃的高温下，最大糊化度也仅为 0.320 6±0.016 2，而在75 和80 ℃热处理温度下糊化度尚且不足0.2；30%水分饲料，分别在75、95 ℃下热处理10 min 后，最大糊化度从0.308 0±0.007 5 增加到0.668 8±0.015 0，由此可见，饲料的加工水分是限制饲料糊化的第一因素。值得注意的是，饲料的糊化在加热1～2 min 内发展迅速，并在加热3 min 左右时，糊化度趋向渐进值，达到糊化终端程度，且在不同水分、不同热处理温度下表现出相同的变化趋势，这一现象与Fukuoka 等[14]对小麦淀粉的研究结果一致。

图2 不同水分饲料在不同热处理温度下的糊化动力学曲线Fig.2 Gelatinization kinetics curves of feed with different moisture at different heat treatment temperatures

采用一级糊化动力学模型对糊化度数据进行拟合，模型参数拟合结果见表1。速率常数k和无穷因子α∞表现出明显的温度依赖性，均随热处理温度的升高而增大，这是因为较高的温度可以提供更多的热能，从而激发饲料中更多的分子活化加快糊化速率。25%和30%两个有限水体系下，方程拟合结果的决定系数R2分别在0.984 1～0.996 3 和0.983 4～0.998 6 之间，表明式（3）对饲料糊化动力学具有良好的拟合度，印证了以淀粉成分为主的饲料糊化过程遵循一级动力学模型。

表1 一级糊化动力学模型参数拟合Table1 Fitting values of parameters with the first order gelatinization kinetic model

以 1/GT为横坐标，lnk为纵坐标，绘制饲料糊化的Arrhenius 图如图3 所示，由式（5）可知，Ea为图中直线斜率的绝对值。25%和30%水分饲料样品糊化的Ea值分别为11 356.58 和52 705.56 J/mol，远低于天然淀粉糊化活化能 83 000～920 000 J/mol 的范围[15]。Resio 等[15]指出只有水与淀粉的比例大于3∶1 时，淀粉在达到糊化温度后才能完全糊化，而本文在限制水分条件下对饲料进行热处理，由于水分不足，饲料中淀粉颗粒未完全糊化，也就是说，在有限水体系中得到的是饲料“不完全糊化活化能”，故其Ea值相对较低。30%水分下的糊化活化能高于25%水分，是由于30%水分下饲料的糊化程度更高，若继续增加饲料水分，则糊化活化能会随着水分的提高而增大，直至达到饲料完全糊化的活化能值。

图3 饲料糊化的Arrhenius 图Fig.3 Arrhenius plot of the feed gelatinization

活化能是淀粉源饲料在糊化转化过程中必须克服的能量势垒，从活化分子与活化能的关系上来看，增加单位体积内活化分子总数可加快反应速率[17]，更高的热处理温度和更持久的加热时间能有效激活更多淀粉分子加快反应，但在有限水体系下，饲料中的淀粉糊化机理很大程度上受水分扩散作用的控制。

2.2 热处理对淀粉颗粒结构的影响

双折射特性是由于淀粉颗粒内部高度有序的分子结构引起的，也是淀粉颗粒为晶体的重要标志[25]。原样品和经过热处理的25%水分饲料样品的偏光显微图像如图 4 所示，饲料中的淀粉颗粒在中心呈现黑色的偏光十字，将颗粒分成四个白色区域，原样品的偏光十字明显，而经过不同温度热处理的样品，其双折射强度不同程度减弱，但即使热处理温度达到 95 ℃，同一热处理样品中仍共存有不同双折射消失程度的颗粒（如图4 箭头所示），这表明在有限水分条件下，经过热处理饲料中淀粉颗粒的晶体特性仍有保持，颗粒结构未被完全破坏，且不同颗粒对热处理的敏感性不同。Evans 等[26]也报道了在过量水或糖溶液中，马铃薯淀粉同时存在不稳定和更稳定颗粒的两种熔融状态。30%和25%水分条件下淀粉颗粒双折射消失程度基本相同，而在较高热处理温度下，由于30%水分饲料的糊化度更高，其淀粉颗粒的破坏程度明显高于25%水分饲料。

在热处理饲料样品中存在部分颗粒，其中心的双折射消失，而边缘仍保持着清晰的双折射性（如图 4 矩形框所示），这一观察结果与Xing 等[27]对玉米淀粉湿热处理和酸解过程中的双折射变化一致。双折射性的损失可能是由于热处理向颗粒输入的热能增加了淀粉分子链的流动性，从而导致结构上的破坏。淀粉颗粒结构的稳定性由低到高依次为无定形区、亚结晶区和结晶区[28]，颗粒中心无定形区淀粉分子链的排列较松弛，而颗粒外围结晶区的排列更为紧密[29]，因此，颗粒外围双折射性的消失就需要更高的能量。这充分解释了上述淀粉颗粒偏光十字从中心区域开始消失的现象，表明在有限水分条件下，饲料热处理过程中淀粉颗粒的结构变化主要集中为颗粒中心无定形区的破坏，仅有少数颗粒结构被完全破坏。

图4 25%水分饲料样品加热3 min 时在不同热处理温度下的偏光显微图像Fig.4 Polarizing photomicrographs of feed samples with 25% moisture after heat treatment at different temperatures for 3 min

2.3 X-射线衍射图谱与结晶度分析

由饲料糊化动力学的分析可知，样品在加热3 min 左右糊化度趋于稳定，因此，为了研究热处理温度对饲料样品晶体结构的影响，对加热时间为 3 min 的样品进行X-射线衍射分析。原样品和热处理饲料样品的X-射线衍射图谱如图5 所示，图6 为这些样品对应的相对结晶度值。由于饲料中的淀粉成分除了玉米淀粉外，还含有少量的豆科淀粉，所以原样品表现为C 型结晶图谱，分别在衍射角 5.6°、15°、17°、18°和 23°处有较强峰值；而经过热处理的饲料样品，衍射角5.6°处的峰值消失，转变为典型的A 型结晶图谱，这表明饲料中的豆科淀粉优先被破坏，相较于玉米淀粉，豆科淀粉的耐热性更差；随着热处理温度的升高，在衍射角20°处的相对强度有增加趋势，当25%水分饲料在热处理温度为95 ℃时、30%水分饲料热处理温度高于 85 ℃时，在衍射角 20°处形成较尖锐的峰，转变为V 型结晶图谱，这归因于直链淀粉-脂质复合物的形成。直链淀粉通常存在于淀粉颗粒的无定形区[30]，上文分析指出有限水分条件下，热处理饲料淀粉颗粒的结构变化主要是无定形区的破坏，这促进了直链淀粉的浸出，易于与饲料配方中的脂质成分形成直链淀粉-脂质复合物。

图5 不同水分饲料样品加热3 min 时在不同热处理温度下的X-射线衍射图谱Fig.5 The X-ray diffraction patterns of feed samples with different moisture after heat treatment at different temperatures for 3 min

由图6 可见，在加热时间3 min 条件下，热处理会降低饲料原样品的相对结晶度，由于较高水分饲料糊化程度高、饲料晶体结构破坏更大，30%水分饲料在75、80、95 ℃相对结晶度较25%水分饲料更低。随着热处理温度的升高样品的相对结晶度先降低，在 25%水分饲料热处理温度为90 ℃、30%水分饲料热处理温度为85 ℃时，样品的结晶度出现一次明显回升，但随后再次降低，这一变化与淀粉晶体结构的转变和再生密切相关。Zavareze等[31]指出，淀粉晶体结构的破坏和重排在湿热处理过程中是同时发生的，淀粉分子链段在破坏的同时也为链段的重新排序提供了条件，允许其在有限条件下形成更多的晶体结构[32]，热处理过程中淀粉链之间的相互作用甚至可以减少或抵消淀粉微晶结构的破坏[33]，这是饲料样品相对结晶度回升的重要原因。结合不同水分饲料样品在不同热处理温度的相对结晶度变化分析可知，在有限水分饲料样品的热处理中，淀粉晶体结构的破坏随着温度升高逐渐增强，但淀粉晶体结构的重排表现出较强的温度依赖特性，且25%和30%水分饲料晶体结构再生的最适温度分别在 90 和 85 ℃左右，水分含量升高有利于饲料中淀粉晶体结构的重排。

图6 不同水分饲料样品在不同热处理温度下的相对结晶度Fig.6 The relative crystallinity of feed samples with different moisture at different heat treatment temperatures

2.4 饲料扫描电镜图像分析

由上文分析可知，90 ℃加热3 min 的热处理条件足以满足饲料的糊化要求，所以对饲料原样品和该条件热处理后的样品进行扫描电镜分析，以确定糊化对饲料颗粒形貌的影响，结果如图 7 所示。配合饲料原料的多组分给图像的分析带来了一定难度，图中球形或近球多角形颗粒是饲料中的淀粉颗粒。原样品中淀粉颗粒由于粉碎作用导致表面粗糙，存在凸起和微孔，但颗粒整体结构饱满；经过90 ℃热处理3 min 后的样品中，淀粉颗粒表面出现明显的塌陷，30%水分样品颗粒塌陷程度高于25%水分样品（如图7 箭头所示）。

在有限水分条件下，饲料的糊化未导致其颗粒结构的彻底破坏而发生明显皱缩，仅有部分颗粒形貌发生变化，可见水分在饲料糊化中的重要作用。低水分下的热处理，由于淀粉颗粒以中心无定形区的破坏为主，颗粒中心结构的破坏导致了颗粒表面塌陷形成凹坑，并且受热后颗粒表面的熔融改变了其原有的形貌。从营养的角度来看，饲料颗粒的形貌关系着饲料的消化利用率，表面不规则的颗粒有利于增加消化酶的附着点，促进酶的攻击，从而提高消化率[34]。但饲料在限制水分条件下的热处理对饲料利用率的影响有待进一步研究。

图7 不同水分饲料样品在90 ℃热处理3 min 的扫描电镜图像Fig.7 Scanning electron microscope of feed samples with different moisture after heat treatment at 90 ℃ for 3 min

3 结 论

1）在有限水分条件下，25%和30%水分饲料的最大糊化度分别为 0.320 6±0.016 2 和 0.668 8±0.015 0，饲料的糊化过程遵循非线性一级动力学模型，该模型中引入了一个量化糊化终端程度的无穷因子，且在热处理时间达到3 min 左右时，糊化度趋向糊化终端的渐进值，不同水分和不同热处理温度表现出相同的变化趋势。由Arrhenius 公式获得的25%和30%水分饲料糊化活化能相较于天然淀粉更低，分别为11 356.58 和52 705.59 J/mol。

2）有限水分条件下的饲料糊化导致其颗粒结构发生变化。经过热处理的饲料样品颗粒形貌未被完全破坏，仅有部分颗粒表面塌陷形成凹坑；具有不同双折射消失程度的淀粉颗粒共存于同一热处理样品体系中，淀粉颗粒双折射性的消失从颗粒中心开始，表明颗粒中无定形区的结构优先破坏，并促进了直链淀粉的浸出；由于直链淀粉-脂质复合物的形成，经过热处理样品的结晶图谱由A 型转变为V 型；饲料样品的相对结晶度随着热处理温度的升高先降低，在25%水分饲料热处理温度为90 ℃、30%水分饲料热处理温度为85 ℃时，样品的结晶度出现一次明显回升，但随后再次降低，表明在热处理过程中饲料样品晶体结构的破坏和重排同时发生。

3）水分是饲料糊化的第一限制性因素，在饲料调质和膨化参数的设定中适当增加水分有利于提高饲料糊化度和改善颗粒成型特性；饲料的糊化在加热1～2 min 内发展迅速，并在加热3 min 左右时达到糊化终端程度，因此应避免过分追求多级调质延长调质时间，而导致饲料中热敏性组分的损失。