不同淀粉源对颗粒饲料加工及品质特性影响研究进展

■ 彭 飞 向 蕊 张丽梅* 李志强 陈建明 王红英

(1.北京工商大学，北京 100048；2.浙江省淡水水产研究所，浙江湖州 313001；3.中国农业大学工学院，北京 100083)

我国的饲料行业市场规模庞大、发展迅猛，在国民经济中具有重要地位。2021 年，我国饲料产量达到2.93 亿吨，同比增长16.1%[1]，其中，颗粒饲料是我国主要的饲料形态，具有适口性好、营养全面均衡、易于消化吸收、避免动物挑食、便于运输与储存等优点，在实际生产中应用广泛[2-3]。颗粒饲料品质影响动物的生长、生产性能，进而直接影响经济效益，颗粒饲料品质评价指标主要包括硬度、密度、淀粉糊化度、含粉率、颗粒耐久性指数（pellet durable index，PDI）等；相关研究表明，影响颗粒品质的因素有饲料配方、粉碎粒度、调质、环模规格及冷却干燥，这些影响因素占比分别为40%、20%、20%、15%、5%[4]。饲料配方作为影响颗粒饲料品质的主要因素，饲料原料种类及配比都会在饲料加工品质中表现出显著性差异。

目前，国内外对于饲料颗粒品质的研究主要集中在加工工艺方面[5-6]，而对于饲料原料成分特别是基于淀粉源角度的研究相对较少，淀粉作为饲料最主要的能量来源，可提供40%以上的能量来保证动物机体正常生理及生产的需要[7]；同时淀粉糊化产生黏性，在颗粒饲料成型中还起到黏结作用。由于不同来源淀粉的颗粒结构、理化性质不同，对颗粒饲料品质的影响也不相同[8]，因此，研究淀粉源的理化性质对饲料加工过程具有重要的指导意义。文章综述了淀粉组成、淀粉结构、糊化特性、淀粉来源对颗粒饲料加工及品质的影响，并进行了归纳总结，以期为不同淀粉源的研究及对其在颗粒饲料加工利用提供参考。

1 淀粉组成对颗粒饲料加工及品质的影响

淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉组成，二者的分子结构和聚集形态不同。其中，直链淀粉由α-D-葡萄糖分子以α-1,4-糖苷键和少量α-1,6-糖苷键脱水缩合形成，呈现少量分支的线性结构。支链淀粉由α-D-葡萄糖分子以α-1,4-糖苷键脱水缩合形成糖链，以α-1,6-糖苷键脱水缩合形成分支点，每个支链中有24～30 个葡萄糖残基，呈现多分支状结构[9-10]。不同来源淀粉含有的直链淀粉和支链淀粉比例不同，通常支链淀粉占比更高：马铃薯淀粉含有约80%的支链淀粉，蜡质玉米淀粉含有95%以上的支链淀粉，糯米淀粉含有约98%的支链淀粉。相关研究表明，淀粉的含量和直链淀粉与支链淀粉比例会对颗粒饲料加工产生重要的影响。高菲等[11]对比研究了4 种不同种类高粱淀粉，结果显示直链淀粉含量高的高粱淀粉加工时糊化所需热量高，更不易发生糊化。宋巍伟等[12]对比研究了具有不同直链含量的玉米淀粉，结果表明随着直链淀粉含量的增加，糊化峰值温度增高，淀粉分子结构越不易被破坏，越难发生糊化行为。沈维军等[13]研究发现，由于小麦中直链淀粉含量高于玉米中直链淀粉含量，饲料配方中随着小麦添加比例增加，颗粒饲料的硬度增加、粉化率降低，颗粒饲料品质发生改变。直链淀粉和支链淀粉的比例影响淀粉的黏度：支链淀粉含量越高，淀粉糊化后松散程度越高，此时淀粉黏度越大，制得的颗粒饲料的完整性越好、颗粒耐久度越高；直链淀粉含量越高，糊化过程中更难吸水膨胀、增稠效果差，加上直链淀粉的回生现象，制得的颗粒饲料的硬度越高[14-15]。此外，直链淀粉对支链淀粉起到束缚作用，使得支链淀粉不能充分舒展，阻碍淀粉的糊化。以上研究表明，淀粉的含量和直链淀粉及支链淀粉的比例在饲料生产中起着重要作用，因此在颗粒饲料的加工过程中，应该根据对最终产品的要求，考虑选择合适的淀粉源并设置其在配方中的比例。

2 淀粉结构对颗粒饲料加工及品质的影响

不同来源淀粉的颗粒形状、大小、结构存在差异。在颗粒形状上，玉米淀粉颗粒呈多角形，豌豆淀粉呈圆形或椭圆形，马铃薯淀粉多呈卵形或椭圆形；在颗粒粒径尺寸上，马铃薯淀粉粒径最大，玉米淀粉粒径最小。此外，同种原料受到生长环境、成熟度等多因素影响，其淀粉颗粒也会呈现不同形态，如大颗粒马铃薯淀粉形状呈椭圆形，而小颗粒似球形，这也是淀粉质量差异的又一原因[16-17]。淀粉以颗粒形式存在于胚乳细胞中，淀粉颗粒结构包含结晶区和无定形区：结晶区主要由支链淀粉分子以双螺旋结构形成，结构较为致密、不易受外力和化学试剂作用；无定形区主要由直链淀粉分子以松散的结构形成，易受外力和化学试剂作用[18]，因此不同区域的淀粉对饲料加工处理的表现也会存在差异。不同来源淀粉的颗粒形状、大小、结构的差异使得淀粉的理化性质及加工特性也必然存在不同[19]。Zimonja 等[20]研究发现，对比小麦饲料，燕麦饲料的淀粉糊化程度更高，这与淀粉颗粒的大小有关，燕麦中的淀粉颗粒比小麦中的淀粉颗粒小，因此更易糊化。淀粉颗粒有3 种晶体类型，大多数谷物淀粉为A 型晶体，马铃薯等根茎类和富含直链淀粉的谷物淀粉为B 型晶体，豆类淀粉通常为C 型晶体[21-22]。敖志超等[23]研究发现，淀粉的溶胀力与粒度大小呈正相关关系，A 型淀粉以小颗粒形式存在，B 型淀粉多以大颗粒形式存在，C 型淀粉以中等颗粒形式存在；结果显示A型淀粉溶胀力最小，B 型淀粉溶胀力最大，溶胀力越大表明淀粉糊化过程中其吸水能力越强。Huber等[24]研究表明，A 型淀粉的颗粒表面存在微孔，B 型淀粉的颗粒表面则无微孔结构，A 型淀粉由于具有更多孔洞，内部存在大量通道，相较于B 型淀粉更容易水解，Zhang 等[25]的研究也有相似结论。Chen 等[26]研究发现，对于不同直链淀粉含量的淀粉，其内部通道结构存在显著差异，低直链淀粉比高直链淀粉中的通道更多且更明显；低直链淀粉在糊化过程中更易发生膨胀、孔洞消失，而高直链淀粉颗粒状结构不易发生改变。

以上研究表明，在颗粒饲料加工过程中小粒径、多孔洞的淀粉原料更容易发生化学反应。当前的研究多聚焦在淀粉单一原料方面，但是由于饲料原料种类多样、成分复杂，在水热调质、制粒成型过程中淀粉如何与饲料原料其他组分发生协同反应尚不明确。今后尚需深入研究原料微观层面行为与颗粒饲料宏观成型品质之间的内在联系，阐述饲料成型过程中多组分粉料体系的变化规律和演变机理。

3 淀粉糊化特性对颗粒饲料加工及品质的影响

淀粉糊化是指淀粉分子失去原有紧密排列结构，从有序状态变为无序状态，可分为3 个阶段：第一阶段为淀粉可逆吸水，淀粉颗粒吸收少量水分并产生有限膨胀；第二阶段为淀粉不可逆吸水，大量水分进入淀粉颗粒内部，淀粉颗粒体积明显膨胀，表面有部分直链淀粉溢出、黏度迅速增加；第三阶段为颗粒解体阶段，淀粉颗粒破裂失去原有形态、黏度开始下降，淀粉分子溢出并分散在溶液中[27]。不同来源淀粉的糊化温度存在差异：玉米淀粉的糊化温度为62～72 ℃，马铃薯糊化温度为50～68 ℃，木薯淀粉糊化温度为49～65 ℃，小麦淀粉糊化温度为58～64 ℃，高粱淀粉糊化温度为71～80 ℃[28]。郭佳欣等[29]对玉米淀粉和马铃薯淀粉的糊化热力学进行研究，结果显示玉米淀粉的终止糊化温度和峰值糊化温度略高于马铃薯淀粉，焓变值低于马铃薯淀粉，因此玉米淀粉相较于马铃薯淀粉更容易糊化。苏键等[30]测定了几种不同来源淀粉的糊化特性，发现玉米淀粉和小麦淀粉的峰值黏度和崩解值明显低于其他淀粉，表明其热糊稳定性更好；绿豆淀粉的峰值黏度、回生值和最终黏度最大，表明绿豆淀粉糊化后黏度大、淀粉糊冷却后形成的凝胶能力强。淀粉的凝胶化是饲料原料粉体黏合的关键[31-32]，这意味着凝胶能力更强的淀粉源在加工成颗粒饲料后会具有更好的耐久性和低破碎性，对于加工颗粒饲料以及颗粒饲料的长远距离输运有一定借鉴意义。

淀粉糊化度影响颗粒饲料的加工品质、动物的采食量以及转化率。彭君建等[33]研究发现，随着颗粒饲料淀粉糊化度的升高，其能量消化率随之升高，淀粉糊化度与能量消化率间呈正相关性。淀粉糊化后具有一定黏性，在制粒过程中发挥黏合剂的功能，能够提高颗粒饲料的成型率和颗粒耐久性[34-35]。孙杰[36]研究发现，配方中添加50%膨化玉米制得的断奶仔猪颗粒料，其硬度、酥脆性、耐久性指数（PDI）和淀粉糊化度均显著提高，颗粒饲料品质得到改善；这与葛春雨等[37]研究结果相似，即：玉米膨化后淀粉发生糊化，糊化玉米淀粉具有一定黏性，能够增加饲料硬度及PDI。葛春雨等[38]研究不同淀粉糊化度对颗粒饲料质量的影响，发现淀粉糊化度92%组的颗粒饲料PDI、硬度显著低于糊化度73%、80%、85%组，而脆性好于其他各组，这是因为淀粉过度糊化形成抗性淀粉或受损淀粉，使得物料间黏结性下降，降低了颗粒饲料加工质量[39]。于纪宾等[40]研究发现，膨化玉米替代40%普通玉米可以显著提高颗粒饲料淀粉糊化度，但是此时颗粒饲料的硬度大、黏性大、酥脆性差，影响了饲料适口性，反而降低了小猪饲料采食量。因此，要考虑不用淀粉源的糊化特性以及动物不同生长阶段对颗粒饲料的采食量和适口性需求，选择合适的淀粉源。

4 淀粉含量和淀粉来源对颗粒饲料品质的影响

饲料配方中淀粉含量和淀粉来源会影响颗粒饲料的加工品质。淀粉含量比例越高，制得的饲料颗粒耐久度越好，高耐久度的颗粒饲料在装袋、运输、储存过程中能够减少粉末的产生[41]。依据淀粉来源，可分为谷物淀粉、豆类淀粉、根茎类淀粉：谷物中淀粉含量在65%以上，主要来源于玉米、小麦、大麦、高粱等；豆类中淀粉含量约占35%，主要来源于豌豆、绿豆、蚕豆等；根茎中淀粉含量约占70%，主要来源于马铃薯、木薯、甘薯等。Cong 等[42]研究了分别以玉米、小麦、马铃薯及豌豆淀粉为淀粉源制得的颗粒饲料，发现马铃薯淀粉的饲料颗粒具有最大硬度及最低粉化率，加工品质最好；玉米淀粉饲料的堆积密度比豌豆淀粉高5.91%。刘梅等[43]研究发现饲料中添加12%小麦次粉替代玉米，颗粒饲料的硬度提高了59.93%，含粉率及粉化率分别降低了76.47%、18.87%。分析可知，小麦次粉中非淀粉多糖含量高于玉米，可以增加淀粉黏度、提高颗粒饲料黏结性，进而降低含粉率、增加颗粒饲料的耐久度和硬度，这与Saleh 等[44]研究结论一致。Abdollahi 等[45]研究发现，调质温度对颗粒饲料质量的影响结果在不同的淀粉源中存在差异，提高调质温度增加了以小麦为基础的颗粒饲料PDI，但是对于以玉米为基础的颗粒饲料无显著影响；这种差异可以用小麦和玉米淀粉的糊化特性来解释，由于小麦淀粉的糊化温度低于玉米淀粉糊化温度，在90 ℃试验条件下，小麦淀粉能获得更多的高于糊化温度的热量，从而以小麦为基础的颗粒饲料其PDI 得到提高。不同淀粉源会影响淀粉糊化程度，导致颗粒饲料质量产生差异[46]。Jiang 等[47]在相同的加工条件下比较了小麦淀粉、马铃薯淀粉和玉米淀粉的颗粒饲料质量，研究发现小麦淀粉颗粒饲料具有最高的密度、硬度及淀粉糊化度。这种现象与淀粉的颗粒大小及其糊化温度有关，小麦淀粉粒度为2～36 μm，玉米淀粉粒度为5～20 μm，马铃薯淀粉粒度为15～75 μm[48]，小麦淀粉较小的颗粒尺寸和较低的糊化温度是饲料高硬度和高糊化度的原因。因此，应该根据颗粒饲料的具体要求，选择合适的淀粉源进行颗粒饲料的生产加工。

5 总结

当前，颗粒饲料在饲料生产中的比重不断加大，对其加工质量也提出更高要求。淀粉作为颗粒饲料的主要能量来源，其分子结构、形态特征、理化特性存在较大差异，进而对颗粒饲料品质产生很大影响。直链淀粉与支链淀粉含量影响着颗粒饲料黏结性与硬度，直链淀粉含量越高，饲料的硬度越高；支链淀粉含量越高，粉料黏性越好，饲料颗粒越易成型。淀粉颗粒大小及孔洞结构影响其加工性质，淀粉颗粒越小、孔洞越多，越容易发生糊化与膨胀反应。淀粉糊化温度与糊化程度差异对饲料颗粒的成型率、硬度及PDI 具有直接影响，糊化温度越低、糊化度越高，饲料颗粒品质相对越好。因此，深入研究不同淀粉源理化特性、结构特性，对于调整饲料配方、优化加工工艺参数、应对原料价格变化，降低饲料成本具有重要意义。同时，还应加强颗粒饲料加工质量的检测与控制，制定统一的相关评价标准，促进颗粒饲料品质提升。