低淀粉膨化技术及其在宠物饲料生产中的应用分析

2021-03-16王鹏冯杰

饲料工业 2021年3期

王鹏冯杰

（浙江大学饲料科学研究所，浙江省动物营养重点实验室，浙江杭州310058）

随着我国经济的发展，人均GDP 逐年提高，宠物经济蓬勃发展，据报道[1]，2019年我国城镇宠物犬猫市场规模已经达到2 024 亿元（见图1），其中狗市场1 244亿元，猫市场780亿元。市场各细分品类下，宠物主粮食品消费比例达到61.4%，较去年增长9.2%，也因此成为宠物行业从业者们的“兵家必争之地”。也正是由于资本的推动，使得我国在宠物主粮上的技术发展日新月异，一日千里。

图1 我国宠物行业市场规模（亿元）

随着宠物主人的消费理念和专业知识普及度的提高，市场对我国的宠物饲料逐渐呈现出“高蛋白”、“低碳水化合物”、“高动物源性原料”等的趋势，这尤其符合猫科动物的饮食习惯[2]，不仅对伴侣动物的营养学进行研究[3]，也对传统的饲料加工技术提出了更高的要求。在众多新兴技术里，低淀粉膨化技术成为了重要的组成部分，受到行业从业者的广泛关注，因此笔者结合中外文献资料，对该技术进行综述，以期对行业从业者提供一定参考。

1 宠物饲料发展趋势

1.1 世界宠物饲料技术形态发展趋势

1.1.1 1860年前的宠物饲料

据研究，人类在45 000 年前驯化了第一只狗，来辅助狩猎行为[4]；而第一只猫则是在9 000 年前被驯化，来辅助人们捕捉鼠类，保护粮食[5]。而在这个过程中，犬和猫的食物来源很杂乱，不成体系，可以是自然的动物捕食，也可以是人类的剩菜剩饭，这个过程一直持续到了1860年。

1.1.2 膨化饲料前的宠物饲料

1860 年，美国辛辛那提电工詹姆斯·斯普拉特第一次将面粉、蔬菜、肉和水搅合在一起，制造出了历史上的第一份商业狗粮，第一次出现了“宠物饲料”的概念。1954年，拉尔斯通-普瑞纳公司尝试在米粉、盐和糖里掺入乳化的动物内脏、脱脂牛奶大豆粉等原料，搅拌混合后，在沥青地上晒干，获得了第二种形态的狗粮，深受宠物喜爱。

1.1.3 膨化宠物饲料的出现

1957年，美国人将食品中的膨化工艺应用在了宠物食品上，全世界第一代膨化狗粮面世。由于经过膨化工艺制造的宠物食品不仅营养全面均衡，同时具有饲喂方便、储存时间长的优势，这个技术的宠物饲料形态迅速发展并且持续至今。

1.2 我国宠物饲料发展趋势

1992年，我国成立中国小动物协会标志着国内宠物行业的形成[6]，之后我国宠物市场年增长率约为10%。2010 年后，我国宠物行业步入快速发展阶段。而从产品形态趋势上，我国除膨化饲料外的宠物饲料形式也日益丰富，如半湿性宠物饲料、烘焙宠物饲料等[7]，但占据市场主流的仍然是膨化饲料[8]，主要分为如下几类。

1.2.1 功能性宠物膨化饲料

这类膨化饲料主要为预混料类和膨化原料的结合产物，通过不同功能性的饲料预混料，如益生菌、维生素添加剂等[9]，使得传统的膨化饲料具有不同的区分特点。

1.2.2 形态差异的宠物膨化饲料

这类膨化饲料主要是迎合商业噱头而产生的产品形态。具体差异为通过模具、原料色素以及膨化度等组合构建的不同形状、颜色的膨化饲料颗粒，使人们感受到肉眼可见的产品差异[10]。

1.2.3 组成比例差异的宠物膨化饲料

随着互联网的普及，专业的营养学知识愈发为普通消费者所知，消费者也日益关注宠物饲料的原料组成，并将其作为消费决策的重要组成部分，即所谓的“成分党”。而面对这样的消费者，饲料膨化技术上主力开始转型至配方成分调整。而按照目前的消费趋势，“高蛋白”、“低淀粉”、“合适钙磷比”、“高动物源性原料”日益成为消费者所认可的概念，也由此成为膨化饲料开发的研究方向，随之而来的是“无谷粮”、“低敏粮”、“纯肉粮”等概念的诞生。在消费者认知中，宠物应该摄入更多的动物性原料，更少的植物性蛋白，而在动物性原料中，则是显著的蛋白质提高，降低淀粉类原料。而低淀粉膨化技术，就是应对“高蛋白低淀粉”而产生的具体技术发展方向。

2 宠物饲料发展趋势

为了便于解释下文的低淀粉膨化技术，笔者首先概述一下膨化技术的基本原理情况，以便读者对后文具体低淀粉膨化技术的改进角度进行理解。

2.1 膨化技术的基本原理

饲料原料的膨化过程，按照其在整个机械设施中的所处的位置，可以分为三个阶段，分别是送料段、挤压段和蒸煮段[11]。

在送料段，物料进入螺套后，由旋转的螺杆推进并搅拌，在这个过程中，密度会随着气体挤出而增加，温度不断提高。进入挤压段，物料继续受挤压，物料发生剪切作用，从而在压力和摩擦下进一步提高温度，最高可达200 ℃。最后进入蒸煮段，物料升温加压后进入，在这个区域里，螺杆和螺套之间的间隙进一步缩小，压力和温度急剧增大，而由于高压，物料中的水分仍然处在液态之中，当物料排出进入到正常气压后，水瞬间气化，从而使得物料中的胶体化淀粉随之膨化，至此膨化过程完成[12]。

2.2 膨化技术的工艺流程

从工艺流程角度上来看，膨化可以分为预加工、挤压蒸煮（膨化过程）和后加工三个阶段（见表1）。

表1 不同膨化工艺对应的技术

预加工是饲料原料进入膨化系统前的工艺统称，一般称包裹给料系统和预调理机，要根据原料的性质和生产需求调整给料的量和物料大小形态，同时通过注入热水和蒸汽来实现调制，使其便于进行挤压蒸煮，进而完成预加工。

后加工则是对于通过挤压蒸煮后的饲料，进行干燥冷却和切割，从而帮助成型，有些时候还需要配合一些喷涂技术以补充调味。

3 低淀粉膨化技术在宠物饲料中的可行性分析

3.1 低淀粉膨化技术的核心难点

淀粉是膨化技术的核心组分。通常情况下，淀粉类原料用量越高，产品膨化度越高；蛋白质和脂肪的添加量越高，产品膨化度越低。据研究[13]，谷物类原料含量为100%，淀粉原料含量约为70%时，膨化后的颗粒容重可以达到100 g∕L；谷物类含量为75%，淀粉含量约为56%的原料，其膨化后的颗粒容重可达到390 g∕L；谷物类含量约为55%，淀粉含量约为40%的原料，其膨化后的颗粒容重可达450 g∕L。由此可见淀粉的比例高低与膨化饲料品质密切相关，而低淀粉无疑会给饲料形态带来重要的影响。据报道，低淀粉目前给膨化饲料带来的问题主要有三点：

①降低饲料膨化度，影响动物适口性；

②物料黏结性能降低，难以成形；

③颗粒均匀度下降，美观度下降[14]。

这三者间看似并列，但其实又是密切相关，虽说淀粉比例降低会随之导致生产线的生产效率降低，但是决定因素其实是宠物的适口性——淀粉的黏结性下降导致物料难以聚合在一起，强行膨化导致颗粒均匀度下降，进而影响适口性，而饲料膨化度决定着动物的口感，同样影响适口性，而适口性会直接影响产品在市场的销售状况。

3.2 低淀粉膨化技术的解决思路

3.2.1 改变淀粉组成和淀粉形态比例

淀粉作为膨化饲料中的重要组成部分，因此低淀粉膨化技术最优先考虑的就是淀粉的组成和性质。程宏远[15]的研究中，采用了不同的淀粉源进行了膨化，而结果证明，不同淀粉种类和比例对饲料颗粒的物理性质如膨化系数、硬度、糊化度和PDI 都具有显著影响。

而这种淀粉组成的影响本质上是直链、支链淀粉两种结构淀粉比例对膨化率的影响。张燕鹏等[16]的研究显示，不同的饲料原料其两种淀粉比例并不相同，在豌豆淀粉、马铃薯淀粉和玉米淀粉中，豌豆淀粉直链淀粉比例明显较高（见表2）。

表2 不同原料淀粉直链淀粉比例（%）

有研究认为，直链淀粉的含量增大，在熔融体排出模头后，气泡壁破裂的临界张力增大，气泡不容易破裂所致[17]。Chinnaswamy等[18]研究表明，随着直链淀粉含量的提升，产品膨化率呈现出先升后降的趋势，在玉米淀粉中，该比例为50%时达到膨化率最大值16.4%，之后则呈现下降趋势。

3.2.2 增强配方黏性

由于低淀粉含量会降低物料的黏连程度，从而导致颗粒均匀度下降、难以成形的问题，所以想办法提高物料的粘连程度是低淀粉膨化技术的一个重要途径。

淀粉的糊化机理目前研究已经较为成熟，物料经历了无定形区吸水膨胀、小分子聚合物溶出、结晶区逐渐消失、大分子聚合物溶出、淀粉颗粒破裂的过程[19]。而淀粉糊化则与物料黏性高度相关。在非淀粉成分影响因素下，一般会受到如pH、盐等的影响。pH对淀粉糊化影响较大，一般酸性使得黏度下降，碱性使得黏度上升[20]。而盐对淀粉的作用主要取决于盐的种类和其对应的浓度，氯化钙和氯化锌等可以促进淀粉的糊化，而钠离子、钾离子等则会阻碍糊化[21]。Evans 等[22]研究显示，NaCl 的溶液浓度对糊化温度呈现先升后降的一个趋势。

此外，物料中添加适当的天然粘连性物质也是一个选择。根据程宏远等[15]的研究显示，不同比例的天然粘连性物质添加可以对物料粘连性造成有益影响（见表3），可以通过淀粉性原料的选择起到相关作用，也可以通过海藻盐和海藻酸盐等水溶胶质类物质起到相似的效果。

表3 不同原料添加比例对饲料黏结效果的影响

3.2.3 调整膨化工艺参数组合

膨化工艺对于低淀粉膨化饲料的生产具有重要的意义，本部分主要分析在预加工、挤压蒸煮和后加工三部分不同的技术参数影响。

3.2.3.1 预加工阶段

淀粉老化是指通过糊化淀粉的缓慢冷却，由于其分子运动减弱，淀粉的分子排列整齐，互相靠拢重新组成不呈放射状的结晶过程，淀粉的老化特性对于产品的膨化品质起到重要的作用[23]。一般研究认为，随着淀粉老化程度的增加，产品膨化率随之降低[24]。根据孙翠霞等[25]的研究表明，随着冷藏的时间延长，淀粉凝胶的硬度逐渐增加，老化程度越来越大，不同淀粉源的产品膨化率呈现出先增加后降低的趋势，马铃薯淀粉在冷藏12 h 时，膨化率最大，而豌豆淀粉则在8 h时最大（见图2）。因此淀粉物料在膨化过程中，要根据不同的淀粉种类，选择合适的老化时间，以便保证低淀粉含量时的膨化率。

图2 淀粉老化程度对膨化率的影响[24]

调制过程中的水分含量对于物料膨化率也有较大影响。根据前文对膨化原理的阐述，我们知道水分的汽化对膨化有着重要的影响，此外，水分还会降低淀粉的浓度和黏度，起到增塑剂的作用。Chinnaswa⁃my等[18]的研究在玉米淀粉的挤压试验中发现，物料含水率由15%增加到20%时，挤压产品的截面膨化率由8.4%增至9.3%，而随着含水率的进一步提升，至40%时膨化率则由9.3%下降至6.0%。而Parsons等[26]对小麦淀粉的挤压也有类似的发现。

3.2.3.2 挤压蒸煮阶段

温度对于挤压产品膨化率具有较大影响，机筒温度一方面通过改变熔融体的流变学特性影响膨化率，一方面则是影响水分形态从而影响膨化率。随着机筒温度的升高，淀粉类挤压产品的膨化率呈现先增大后减小的趋势。Chinnaswamy等[18]的研究显示当温度从110 ℃升到140 ℃时，玉米淀粉膨化率从11.5%升到13.2%，继续升高则开始下降，转折点则是取决于淀粉原料。

膨化机的结构对于产品品质也有较大影响。目前研究显示[27-28]，双螺旋膨化机更好的适应于低淀粉配方，且可以适应低黏性物料、高黏性物料，更有利于高动物源性原料的添加，如鲜肉、油脂等[29]。而螺杆构型和模头结构也会对产品膨化率产生影响。Martinez等[30]发现，从机械原理上，通过改变不同螺杆元件、元件的位置、元件的长度以及改变螺杆对物料的机械力作用，可以达到影响膨化率的效果。而王宁等[31]研究发现，模具的直径和长度比和产品膨化率呈现正相关。

后加工阶段主要对产品的成型有关，对整体膨化影响不大。