膨化工艺参数对全植物蛋白水产饲料颗粒质量的影响

2021-10-13李军国秦玉昌马世峰程宏远

饲料工业 2021年17期

■王昊李军国杨洁秦玉昌马世峰李俊薛敏程宏远

（1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193；2.中国农业科学院饲料研究所，北京 100081；3.农业农村部饲料生物技术重点实验室，北京 100081）

近年来，挤压膨化技术逐渐成为了我国水产饲料行业最主要的加工方式。相比于传统的制粒工艺，膨化加工过程会显著提高饲料的外观质量、消化率、耐久性以及耐水性，减少浪费以及水体污染[1-3]。但是由于挤压膨化工艺涉及的影响因素众多且缺乏相关的基础性研究，目前膨化水产饲料尚未形成系统且完善的工艺控制体系。因此，在实际生产中，当出现由于配方与生产参数不匹配而导致的产能降低和产品质量波动等问题时难以做出及时准确的工艺调整。

鱼粉作为水产饲料主要蛋白源，具备优良的营养特性以及适宜的加工性能[4]。但是近年来，随着海洋资源的限制以及鱼粉价格的不断上涨，包括昆虫蛋白、藻类蛋白及植物蛋白在内的多类原料已被应用于水产饲料的生产并获得了较为理想的养殖效果[5-8]，其中以豆粕及大豆浓缩蛋白的使用较为广泛。虽然大部分中高档鱼类由于特定的营养需求，配方中采用植物性蛋白替代鱼粉的比例较为有限。但对于另外一些养殖成本较低的品种来说，在不影响动物产品质量的前提下降低鱼粉使用量可以大大节约原料成本，从而获得更高的经济效益，而营养学方面的问题则可通过补充必需氨基酸、酶制剂以及采用发酵工艺等加以解决[4]。目前关于植物蛋白源替代鱼粉的研究主要集中在对动物肠道健康、生长性能等方面的评价[9-12]，而对饲料物理质量影响的报道较为缺乏。由于挤压膨化工艺的复杂性，原料的种类及功能特性、设备构型及工艺参数都会对最终的产品物理质量产生重要影响[5，13]，并且这些影响会直接决定最终的养殖饲喂效果和水体环境。这就要求饲料中植物性蛋白源替代鱼粉后不仅需要提供正确的营养成分，而且要具有在当前工艺条件下形成优良饲料品质的加工性能[14-15]。虽然植物蛋白具有安全廉价的优点，但与鱼粉相比其蛋白质含量较少，这就意味着配方中淀粉原料的空间可能被压缩，这将会使一些成品性质的可调整性降低[16]，比如合适的膨化度及孔隙率。所以针对不同品种的饲料，植物性蛋白替代鱼粉会对颗粒饲料质量产生积极或者负面的影响，如果想在此条件下稳定或改善饲料质量，就需要从设备及工艺的角度考虑，而设备构型的调整可操作性差且成本代价很大，因此研究植物性蛋白源替代鱼粉后的工艺参数调整具有重要的实际意义。

本试验旨在研究挤压膨化工艺中的关键参数（调质水分含量、模头温度、主机螺杆转速以及吨料开孔面积）对水产颗粒饲料产品质量的影响，评价全植物蛋白配方的加工适应性并且为生产具有理想质量的膨化饲料提供合理参考。

1 材料及方法

1.1 试验原料及配方

本次试验用大豆粕由北京粮油集团提供，面粉来自北京市昌平区南口面粉厂，大豆浓缩蛋白及豆油由秦皇岛市益海嘉里集团提供。具体试验配方见表1。

表1 基础饲料组成及营养水平(干物质基础，%）

1.2 试验设计

本试验采用单因素试验设计，综合考虑各项对产品质量具有影响的参数，选取物料的调质水分含量（24%～32%）、模头温度（75～135 ℃）、主机螺杆转速（180～300 r/min）以及吨料开孔面积[400～600 mm2/(t·h)]作为独立变量进行试验，单因素试验设计见表2。

表2 单因素试验设计

1.3 试验加工条件及过程

本试验在中国农业科学院南口中试基地饲料加工车间进行，选用牧羊SJPS56×2双螺杆膨化机，膨化机螺杆直径56 mm，长径比（L/D）为20∶1，螺杆转速在0～300 r/min范围内可调，膨化机与一台双轴差速调质器相连，最大处理量为200 kg/h。试验选用3 mm沉性颗粒料模板进行生产加工，开孔面积21.21 mm2。膨化加工过程中固定调质温度为（95±3）℃，调质水分含量及模头温度通过冷水/蒸汽注入量调整。每组试

验条件调整后，待膨化机各项参数稳定10 min，分别在调质器出料口以及膨化机出料口进行样品采集，样品采集3 份，采样间隔30 s。取样后立即用国标法进行调质样品水分含量的检测。试验样品采用自然风干的方法，待水分低于10%，符合贮存条件，收取装袋进行试验指标的检测。试验中膨化机系统各项参数由自动数据采集系统收集（每4 s采集1次）并储存在计算机中以备后续处理分析。

1.4 检测方法

1.4.1 容重

采用容重测量仪测量。将单位体积（1 L）容器装满饲料，用铁板刮平容器口，量取重量。每份样品测量3次取平均值用于数据分析。

1.4.2 膨化率

每份样品随机取20粒，用游标卡尺测量其直径，取其平均值作为样品直径，计算膨化率。

样品的膨化率=颗粒直径/模孔直径

1.4.3 下沉率

取100 粒饲料样品置于装有400 mL 纯化水的500 mL烧杯中，于25 ℃下浸泡，计时。10 min后记录下沉颗粒数，取三次试验结果均值记为下沉率。

1.4.4 耐水时间

取100 粒饲料样品置于装有400 mL 纯化水的500 mL 烧杯中，于25 ℃下浸泡，计时。每5 min 模拟水中环境以同样力度和方式用玻璃棒搅拌1 次。检测期间观察水中颗粒变化情况，以50%饲料出现开裂，溃散的时间记为耐水时间，每个样品测量3 次取平均值进行数据分析。

1.4.5 软化时间

取200 粒饲料样品置于装有400 mL 纯化水的500 mL 烧杯中，于25 ℃下浸泡，计时。每5 min 用玻璃棒以同样的力度和方式搅拌1次，模拟饲料在水中的受力情况。试验期间不间断地用镊子随机取出颗粒进行观察，直至取出的颗粒横截面全部被水浸润，可以用手指捏碎且无“硬芯”，此时记录时间，每份样品取三次测量平均值作为软化时间。

1.5 数据分析

试验数据经Excel做初步统计，用SAS 9.2数据分析软件中ANOVA进行单因素方差分析并进行协方差分析，采用Duncan’s 检验进行多重比较和显著性分析，显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 调质水分含量对产品质量的影响（见图1、表3）

表3 调质水分含量对饲料物理质量的影响

调质水分含量对饲料颗粒质量的影响如表3 和图1 所示。当水分含量由24%增加到32%，饲料容重上升96.8 g/L，且各处理组间均差异显著（P<0.05）。28%水分含量处理组的膨化率显著高于其他处理组达到了1.19，且下沉率为100%。耐水时间随水分含量的升高呈先增加后减少的趋势，且各处理组之间差异显著（P<0.05），28%水分含量处理组耐水时间最长，超过240 min。24%水分含量处理组的饲料软化时间最短仅为16 min，可能是其表面粗糙，颗粒成型效果较差，因此水分较易于进入，从外观质量上看为不合格产品。随着水分含量继续升高，软化时间逐渐增加，但各处理组均低于30 min。

2.2 模头温度对产品质量的影响（见表4）

模头温度对饲料产品质量的影响见表4。可以看出，随着模头温度由90 ℃升高到120 ℃，容重显著降低81.3 g/L（P<0.05），继续升温到135 ℃后无显著变化（P>0.05）。膨化率总体上与容重变化趋势相反，模头温度为120 ℃时最高为1.17。各处理组下沉率均为100%，当模头温度≥105 ℃时，饲料耐水时间均超过240 min。模头温度从75 ℃升高到135 ℃，饲料软化时间显著减少26 min（P<0.05）。

表4 模头温度对饲料物理质量的影响

2.3 螺杆转速对产品质量的影响（见表5）

表5 螺杆转速对饲料物理质量的影响

螺杆转速变化对饲料质量的影响结果见表5。随着螺杆转速的增加，容重呈下降趋势，膨化率呈上升趋势，其中300 r/min 处理组的容重显著低于其他各组（P<0.05），膨化率与270 r/min 处理组无显著差异（P>0.05），但显著高于其他3 组（P<0.05）。各处理组下沉率均为100%。随着螺杆转速从180 r/min提高到300 r/min，饲料耐水时间显著增加15 min（P<0.05），软化时间减少7 min（P<0.05）。

2.4 吨料开孔面积对产品质量的影响（见表6）

吨料开孔面积对饲料质量的影响如表6所示，在模板开孔面积固定的情况下，吨料开孔面积的调整主要通过改变喂料速度实现。随着吨料开孔面积的增加，容重主要表现为升高的趋势而膨化率逐渐下降，600 mm2/(t·h)处理组容重显著高于其余4组达到590.8 g/L（P<0.05），膨化率显著低于其余4组（P<0.05）。各处理组下沉率均为100%，400 mm2/(t·h)处理组耐水时间最长为55 min，显著高于其他4组（P<0.05）。饲料软化时间随吨料开孔面积变大从29 min显著增加到40 min（P<0.05）。

表6 吨料开孔面积对饲料物理质量的影响

3 讨论

3.1 调质水分含量对产品质量的影响

从试验结果可以看出，调质水分含量对全植物蛋白配方饲料产品质量的影响最为显著。在水分含量从24%上升至32%的过程中，容重呈持续上升的趋势。这与Singh等[17]在研究挤压膨化豌豆蛋白时所获得的研究结果相一致，说明在膨化过程中水分增加起到的增塑作用使物料黏度以及模头压力降低而减弱了膨化效果[18]，其程度大于模头处水分闪蒸作用对膨化率的积极影响。此结果可能与豆粕相较于鱼粉所具有的高吸水性有关[19]，当水分被豆粕吸收而与其紧密结合后，所能起到的蒸发效果可能会大大减弱。水分对于维持饲料颗粒完整性以及产品物理质量是至关重要的[20]。从图1中可以看出，当水分含量为24%、26%时，饲料外观质量较差，表面粗糙。Kaliyan 等[21]认为原料间的自由水在颗粒之间润湿并扩散，由于液体桥接而产生内聚力，通过毛细管作用和黏性力将颗粒结合在一起，对淀粉、面筋等物质形成饲料骨架以及产生黏合效果起到重要作用。粗糙的外观质量说明颗粒内部用于结合原料微粒的水分不足，因此黏结效果较差，浸入水中易溃散。水分含量为28%时饲料颗粒大小均匀且表面光滑，质量最佳。同时，本试验表明水分含量过高也会降低饲料的耐水时间，且当水分含量升高到30%以上时，饲料表面颜色不均一，这可能与熔融物料黏度降低导致其受到的剪切及揉合作用减弱有关[18]。另外，出模时压力较低会使颗粒趋向于挤压成型而非膨化成型，较难形成致密且均匀的内部结构，因而使饲料的耐水性下降。所以在加工过程中应合理控制调质水分以保证饲料的外观及物理质量。

3.2 模头温度对产品质量的影响

膨化温度是影响挤压膨化饲料产品质量的最关键因素之一。物料从进入膨化机到被挤压成型一般会经过喂料区、输送区、剪切糅合区以及挤出区，各区均可通过蒸汽/冷水系统进行温度控制[22]。其中挤出区即物料出模前处的温度对饲料质量的影响最为显著。随着模头温度的增加，模头处压力也随之增加，导致模孔处水分闪蒸作用加强，因而饲料的容重逐渐降低，膨化率提高[23]。本次试验模头温度增加到135 ℃，饲料仍全部下沉且膨化率不足1.2，这与许多以鱼粉为基础的饲料的膨化结果有较大差异，Sørensen等[24]在研究中也发现以豆粕替代部分鱼粉会使容重显著增加，膨化率明显降低。这主要归因于植物性蛋白自身理化性质和加工特性，豆粕较高的吸水性（亲水性）会使熔融物料具有更高的表观黏度，增强了水与微颗粒之间的结合强度，从而降低了模头处熔体过热时的膨胀效果[10]。除此之外，研究[24]还认为豆粕中植物性纤维的存在可能在很大程度上限制了饲料在出模时的膨化效果。因此，在膨化加工豆粕含量较高的配方时，可适当采用较高（105～135 ℃）的模头温度以同时保证饲料的糊化度及耐水性。模头温度的增加同样会促进混合物料中淀粉及蛋白质等大分子物质的降解及变性，在一定程度上改善饲料的熟化度[25]。在自由水相对充足的情况下，提高膨化温度也会促进原料微颗粒之间的均匀混合与相互交联，使成型后颗粒在经过长时间浸泡过后更具有黏弹性而不易溃散。升温造成的大分子物质降解也相应地提高了饲料的水溶性[26]，有利于水分进入颗粒内部，加之膨化率增加所造成的饲料孔隙率提高，两种因素共同作用使软化透芯时间减少。

3.3 螺杆转速对产品质量的影响

膨化过程中机械能及部分热能的注入需要由主机螺杆完成，因此螺杆转速的改变直接影响加工过程的能量注入水平。螺杆转速增加会使螺杆与物料间的摩擦作用增强，产热增加，最终加强物料在出模时的膨化效果，使产品容重降低[22]，但同样会使膨化机扭矩及加工能耗上升。除此之外，螺杆转速的增加将也会使物料在膨化机内停留时间减短，更多地堆积在模头处使此部分压力上升，进而提高饲料的膨化效果。王亮等[27]在研究挤压条件对谷物早餐质构的影响时发现，虽然较低的螺杆转速使物料在膨化腔内停留的时间延长，受到的热效应较大，但当螺杆转速增加时，机械能注入量的增加依旧提高了颗粒的脆性和膨化率。牛化欣等[28]在研究挤压蒸煮工艺参数对沉性水产饲料颗粒质量的影响时也得出了相似的结论。在膨化腔内的湿热环境下，螺杆转速的增加会加强其对熔融态物料的剪切作用，从而促进淀粉、蛋白质等大分子物质的热降解及熟化[29]，使饲料的黏结性和可塑性增加，提高了饲料的水中稳定性，延长了耐水时间。与提高模头温度产生的影响相似，高剪切作用下生成的低分子量物质也会提高饲料的水溶性指数[30]，加之对膨化效果的促进作用使饲料在水中的软化时间减少。但与模头温度和水分含量相比，螺杆转速变化对产品质量的影响程度较为有限。

3.4 吨料开孔面积对产品质量的影响

膨化机的喂料速度/产能也是影响饲料物理质量的重要因素。由于不同类型和规格的膨化机开孔面积不尽相同，因此将模板开孔面积与喂料速度的比值作为一个通用性的工艺参数进行研究比较和指导生产是较为合适的。吨料开孔面积定义为膨化系统湿基喂料速度为1 000 kg/h时模板的总开孔面积[30]。在连续生产过程中，更换模板较难实现，因此会通过调整喂料速度控制吨料开孔面积。在模板开孔面积固定的情况下，喂料速度会通过影响膨化腔填充度、物料热传递效率、物料停留时间以及模头压力等系统参数进而对产品质量起到调控作用[22]。张嘉琦等[30]研究发现吨料开孔面积由300 mm2/(t·h)增加到500 mm2/(t·h)会使水产饲料的膨化率显著降低，容重升高123 g/L且由浮性饲料变为沉性饲料。李重阳等[22]在研究工艺参数对宠物饲料物理质量影响的研究中也认为增加吨料开孔面积对饲料的膨化效果具有负面影响。本试验中吨料开孔面积在400～600 mm2/(t·h)之间变化，膨化率均小于1.2且样品全部下沉，这与前人的研究结果基本一致。主要是由于随着吨料开孔面积的增加，膨化腔填充度下降，物料在膨化腔内受到的压力减小，相应地降低了膨化率，使饲料容重增加[30]。根据研究结果及生产经验，一般在生产浮性料的过程中吨料开孔面积控制在200～250 mm2/(t·h)，而沉性饲料则为550～600 mm2/(t·h)。膨化腔内填充度降低同样会导致物料所受到的剪切作用减弱，使混合程度、高分子降解作用和黏结效果下降[31]，从而使饲料耐水时间减少、软化透芯时间增加。