畜禽饲料常用植物蛋白源理化性质比较研究

余忠奎 ，李军国 ，杨 洁 ，梁晓芳 ，王 杰吴秀峰 ，郑银桦 ，薛 敏 ，王 昊

中国农业科学院饲料研究所，北京 100081

在全面推进实现国家粮食安全及“双碳”战略目标背景下，玉米豆粕减量替代及绿色低碳生产已成为饲料行业发展的必然趋势。我国优质饲用蛋白资源缺乏，饲料原料种类繁多，不同类型、批次及产地原料的理化加工特性差异都会对饲料加工过程及产品质量产生影响（吴雨珊等，2021），而国内饲料加工控制系统基础构架落后，在生产技术方面以经验模式为主，导致原料加工特性不明且关键工艺参数缺乏，生产过程产品质量波动大，能耗高，非计划停机多且原料浪费严重。因此，开发多元化配方模式下的精准营养参数和饲料精细加工减损关键技术尤为重要。

目前畜禽饲料生产主要以蒸汽调质制粒工艺为主，多元化配方模式下，颗粒饲料质量受多因素影响，其中原料组成占比 40%、粉碎性能占比 20%、调质因素占比 20%、环模压辊设备占比15%、冷却条件占比 5%（孔丹丹等， 2019；张亮等， 2013 ；万志生等， 2011）。蛋白质是饲料配方中的主要组成成分，在饲料制粒过程中，不同蛋白质还会在温度、水分和压力的共同作用下发生变性、聚集、交联等变化，进而发挥其独特的加工特性。植物性蛋白源的吸水性、黏合性普遍高于动物蛋白，多数未经过热加工的植物蛋白原料具有较高的溶解度，易于加工形成颗粒饲料，而大部分动物蛋白原料属于非功能性蛋白，黏度较低，难以形成良好的组织化结构和膨化效果（刘荣达等， 2023）。菜籽粕、豆粕、花生粕和棉籽粕等配方中常用的植物性蛋白源在畜禽动物和水产动物饲料中应用的营养学研究已较为完善，但各类原料理化加工特性数据仍然缺乏，对颗粒饲料物理质量和制粒成型特性影响的研究也鲜有报道。

本研究旨在比较分析菜籽粕、豆粕、花生粕和棉籽粕等四类畜禽饲料中常用植物性蛋白原料理化加工特性差异，为多元化配方模式下畜禽饲料原料的高效合理选用及加工工艺优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

豆粕来自青岛渤海科技有限公司，棉籽粕来自新疆泰昆蛋白物产有限公司，花生粕来自山东嘉禾圆粮油有限公司，菜籽粕来自北京三元种业科技股份有限公司。所有原料经粉碎通过2 mm粒径筛孔作为试验材料（图1）。

图1 植物蛋白原料外观图片

1.2 试验仪器及设备

分析天平（BS 224 S，sartorious）、锤片式粉碎机（9FQ-50B， 北京通燕机械制造有限公司）、脂肪仪（XT15I，ANKOM Technology）、全自动凯氏定氮仪（K1100F，Hanon）、Perten 快速黏度分析仪（ZM100，波通瑞华科学仪器有限公司）、粉体综合特性测试仪（BT-1000，丹东百特仪器有限公司）、鼓风干燥机（DHG-9140A，上海一恒科学仪器有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 营养成分含量测定参照GB/T 6435–2014测定水分含量；参照GB/T 6432–2018 测定粗蛋白质含量；参照GB/T 6433–2006 测定粗脂肪含量；参照GB/T 6434–2022 测定粗纤维含量；参照GB/T 6438–2007 测定粗灰分含量；每个样品所有指标测量3 次平行并取均值进行数据分析。

1.3.2 松装密度和振实密度参考GB/T 31057.2–2018 进行测定，测量松装密度时将粉体装满仪器，无需振动，测得粉体质量和体积，则松装密度= 松装质量（g）/ 体积（L）；测量振实密度时将粉体装满仪器，在规定条件下进行振动，体积不变后再装满，继续振动，重复以上操作直至仪器装满且在振动时体积没有变化，则振实密度= 振实质量（g）/体积（L）。

1.3.3 休止角休止角采用 Kansas State University 推荐方法，测定装置见图2（专利号：201320101172.9）。将粉碎后的原料放置于漏斗中，使样品自然下落至长方体容器内形成截面接近三角形的堆积体，待堆积体形状稳定后停止添加，然后以截面的轮廓线为参照作直线与轮廓线重合，此直线与水平线的夹角即为物料的休止角。

图2 休止角测定装置

1.3.4 滑动摩擦角滑动摩擦角测量基于斜面仪法，测定装置见图3（专利号：20120413462.7）。将待测粉体样品均匀平铺在斜面仪装置的被测板件上，缓慢转动手动摇杆，逐渐增加平板的倾斜度，待粉粒开始滑动时，通过圆弧尺直接读取平板的倾斜度，得到其滑动摩擦角。

图3 斜面仪装置

1.3.5 吸水性指数及水溶性指数吸水性及水溶性指数参考Wang 等（2021）的方法，物料粉碎后取2.5 g（1/10000 天平称量）样品加入50 mL 离心管中，加入30 mL 蒸馏水在振荡器上以1500 r/min 振荡20 min，混合均匀后以3000g离心10 min，离心管中剩余物质称重后用于计算吸水性指数，吸水性指数/(g/g)=（沉淀物质量–样品干物质）/样品干物质。离心后的上清液用移液器吸出到烘干皿中，在烘箱中以135 ℃烘干2 h至恒重，取出后称重用于计算水溶性指数，水溶性指数/%=上清液残余干物质/样品干物质×100。

1.3.6 蛋白质分散指数蛋白质分散指数（PDI）的测定参考Ma 等（2022）方法进行。取蛋白原料样品20.0 g 在500 mL 三角瓶中，加入300 mL蒸馏水，以10000 r/min 搅拌10 min 后，将40 mL上清液转移到50 mL 离心管中，以2700 r/min 离心10 min。收集上清液，用标准凯氏定氮法分析氮含量。蛋白质分散指数为上清液蛋白质含量除以原料蛋白质含量，并以百分比表示。

1.3.7 黏度特性黏度及淀粉糊化特性测量参考Samuelsen 等（2018）的方法并进行适当修改，由于不同种类蛋白质表观黏度特性差异显著，黏度曲线无法进行统一比较，因此试验将3.5 g 蛋白原料与1.5 g 面粉混合后使用快速黏度分析仪测量黏度特性。检测程序如下：在50 ℃下保持1 min；2～4 min 升至95 ℃；在95 ℃下保持2.5 min，然后从7～11 min 冷却至50 ℃；在50 ℃保持2 min。桨叶以960 r/min 的速度运行10 s以分散样品，然后在其余测试期间以160 r/min的速度保持恒定。最终用于分析的数据基于3次重复测量的平均值，并通过标准程序分析糊化温度、峰值黏度、保持黏度、最终黏度、衰减值、回生值等指标。

1.4 数据分析

采用SPSS 26.0 对数据进行单因素方差分析，以“平均值±标准误”的形式表示，其均值用Duncan 氏多重比较法进行差异显著性检验，确定蛋白原料理化特性之间是否存在显著性差异。

2 结果与分析

2.1 原料营养物质组成

由表1 可知，四类原料水分含量均低于9.00%，其中豆粕最高为8.98%，花生粕最低为5.88%；粗蛋白质含量为37.82%～50.89%，棉籽粕粗蛋白质含量显著高于其他原料（P＜0.05），菜籽粕粗蛋白质含量最低；各原料粗脂肪含量均低于1.50%，菜籽粕粗脂肪含量最高，为1.45%，花生粕最低，为0.28%；不同原料间粗纤维含量差异显著，菜籽粕粗纤维含量最高，为18.86%，其次是棉籽粕（10.17%），豆粕最低（4.19 %）且与花生粕没有显著性差异（P＞0.05）；菜籽粕的灰分含量最高，为8.40%，显著高于其他蛋白原料（P＜0.05）。

表1 不同植物蛋白原料营养成分检测结果%

2.2 密度及流动性

由表2 可知，豆粕的松装密度最高为742.07 g/L，显著高于其他蛋白原料（P＜0.05），菜籽粕的松装密度最低仅为544.83 g/L ；花生粕的振实密度最高（846.87 g/L）且与豆粕相近，二者显著高于棉籽粕和菜籽粕（P＜0.05）；豆粕的休止角及摩擦角均较小，流动性好，棉籽粕的休止角显著大于其他蛋白原料（P＜0.05），粉体内部摩擦力大；菜籽粕的摩擦角最大，显著高于其他蛋白原料（P＜0.05），流动性最差。

表2 不同植物蛋白原料密度及流动性检测结果

2.3 吸水性及水溶性

由表3 可知，花生粕的吸水性指数（2.53）显著高于其他蛋白原料（P＜0.05)，豆粕和棉籽粕次之，菜籽粕的吸水性指数最低。豆粕的水溶性指数最高，为18.82%，其次为花生粕，棉籽粕和菜籽粕水溶性指数较低。豆粕的蛋白质分散指数最高（20.81%）且显著高于其他蛋白原料（P＜0.05），菜籽粕蛋白质分散指数最低，仅为9.33 %。

表3 不同植物蛋白原料吸水性及水溶性检测结果

2.4 黏度及糊化特性

通过快速黏度分析仪（RVA）检测蛋白质–面粉混合物不仅可以分析蛋白原料的黏度特性，还能表征其对淀粉糊化过程的影响，是评价原料加工特性对饲料加工质量影响的重要指标。由表4 可知，豆粕的峰值黏度（1064.00 cP）显著高于棉籽粕和菜籽粕（P＜0.05），与花生粕没有显著差异（P＞0.05）；各组样品的保持黏度、最终黏度、回生值均存在显著性差异（P＜0.05），由高到低依次为豆粕＞花生粕＞棉籽粕＞菜籽粕；花生粕组的衰减值显著高于其他三组（P＜0.05），菜籽粕组最低为128.00 cP；豆粕组的糊化温度（83.4 ℃）显著低于其他三组（P＜0.05），菜籽粕组的糊化温度最高，为91.5 ℃。

表4 不同植物蛋白原料黏度特性及对淀粉糊化的影响

3 不同蛋白原料基本成分及理化特性差异分析

3.1 基本营养物质成分

饲料原料基本营养成分及其含量与养殖动物生长性能直接相关，也是决定其加工性能的重要因素（吴雨珊等， 2022）。不同种类蛋白质氨基酸组成及排列方式、二级、三级和四级结构差异显 著（Hernandez-Izquierdo 和Krochta, 2008），在湿热加工中会通过聚集、交联等发挥其结构功能特性（Wood 等，1987）。在饲料制粒过程中，蛋白质不仅具有粘结性，在温度和水分的共同作用下还会产生塑化效果，有助于提高挤压产品的结构强度（Briggs 等，1999），通常在一定范围内增加蛋白质含量，会得到具有较好组织化及质构性能的产品。一般天然未变性状态的蛋白质比加热或变性的蛋白质具有更好的结构功能性质，因此除了蛋白质本身的结构性质差异外，各类型植物蛋白原料（尤其是饼粕类原料）在热榨工艺中的变性程度也是决定其加工特性的重要因素。脂肪是饲料中重要的能量源，一般认为脂肪会由于其润滑作用降低制粒过程的摩擦生热以及扭矩、能耗等参数（Sørensen 等， 2012），但脂肪含量过高也会引起制粒机打滑堵机等现象。本研究中四种原料的脂肪含量均低于1.5%，对制粒过程影响程度有限。本试验中菜籽粕和棉籽粕的粗纤维含量显著高于豆粕和花生粕，粗纤维含量过高会导致湿热加工中原料流动性及黏合性的降低，严重时会由于纤维聚集产生能耗显著升高甚至堵机现象，但与此同时，粗纤维在一定范围内增加也可以改善颗粒产品的质构性能（Hill 等， 1988）。

3.2 密度和流动性

松装密度和振实密度用于表征蛋白原料经粉碎之后处于自然状态和压实状态的容重，影响原料密度的因素除了原料种类外，还与粉碎后颗粒的形状、粉碎粒度和粒度分布有关（Jacob 等，2018）。本试验中各类原料均在相同粉碎机和筛片孔径下进行粉碎处理，其中豆粕和花生粕松装密度和振实密度均较高，菜籽粕密度最低，这种差异也会对制粒加工后颗粒饲料成品容重产生直接影响。在实际生产中，通过喂料器频率调整加工产能时也应将原料密度因素考虑在内。摩擦特性影响原料在调质器、制粒机等饲料加工设备中的流动情况以及颗粒成型质量，是开展饲料加工工艺和设备研究的基础。摩擦分为外摩擦和内摩擦两大类：内摩擦是指粉料本身内在的摩擦性质，用休止角表示，休止角越大，摩擦系数越大，粉体的流动性越差；外摩擦是指粉料与接触的固体表面间的摩擦性质，用摩擦系数来表示，摩擦角越大则摩擦系数越大，流动性越差（彭飞等， 2019）。综合休止角及摩擦角数据来看，本研究中豆粕流动性最好，菜籽粕流动性较差，具有良好流动性的物料在加工过程中不易结拱，可以保证物料转运过程流畅。流动性除了受蛋白原料自身性质的影响外还与粒径、水分含量等因素显著相关，有研究显示颗粒粒径中值为20 μm及以下时，原料流动性显著变差。这是由于在此粒径之下细颗粒的粒子间力与引力增强，导致了团聚体的形成，阻碍了自由流动行为（Spurek 等，2021）。四种蛋白原料粉碎时虽然都过2 mm 粒径筛孔，但是由于原料类型及水分含量不同，粉碎后微粒形态和粒度分布也存在差异，进而也对物料流动性产生了不同程度的影响。

3.3 水合特性及蛋白质分散指数

合理的水分含量是保证饲料加工稳定性及产品成型率、耐久性等物理质量的关键因素，因此蛋白原料的水合性质对于评价其加工特性以及指导工艺参数调整具有重要意义。一般来说，蛋白质的吸水性与水溶性呈负相关，主要是因为吸水指数（WAI）代表蛋白原料的亲水性，与蛋白质大分子的聚集有关，而水溶性指数（WSI）则被用于度量疏水作用（Ravindran 等， 2011）。原料较高的吸水性可能更容易产生良好的粘弹性，进而牢固地绑定原料微粒并使颗粒整体在运输、储存、饲喂过程中不易破碎，同时增强耐水性（Chen 等， 2010）。这在本试验中得到了验证，四种蛋白原料中花生粕和豆粕的吸水性显著高于菜籽粕和棉籽粕，与黏度检测结果具有一致性。蛋白质分散指数反映原料的水溶性蛋白含量，与热加工过程中蛋白质的变性程度直接相关（Ma等， 2022），天然蛋白分子肽链上亲水性侧链基团绝大多数处于分子表面，形成亲水区，而相当多肽链上疏水性侧链基团则埋藏于分子内部，形成疏水区，当蛋白分子遭受物理、化学因素的破坏而变性后，原来紧密的空间发生转变，处于分子内侧的疏水性侧链基团暴露，导致蛋白质的水溶性降低（沈蓓英等， 1997）。研究表明水溶性蛋白的塑化作用有助于提高挤压产品的结构强度（Samuelsen 等， 2016）。本试验中豆粕和花生粕的水溶性指数及水溶性蛋白含量也显著高于菜籽粕和棉籽粕，因此可能在饲料加工过程中更有利于形成高耐久性颗粒。同时，豆粕和花生粕的高水溶性也将使其更容易在动物体内被消化吸收，进而提高饲料利用率。

3.4 黏度及对淀粉糊化特性的影响

由于不同类型蛋白原料黏度特性差异较大，相同检测程序下黏度曲线可能难以进行统一比较，因此试验选择蛋白原料与面粉7:3 的比例混合后测定表观黏度。不同类型蛋白质与淀粉之间的相互作用也是较为复杂的，因此对淀粉糊化过程和熔体黏度的影响也不尽相同（刘思迪等， 2021）。黏度代表物质在外力作用下的内部摩擦力或称为粘滞阻力，因此吸水能力越强、分子体积越大的蛋白质聚集物，其内部粘滞阻力越大（周建中， 2016）。相反，可溶性聚集体越多，剪切黏度越低。本研究中豆粕和花生粕的峰值黏度、保持黏度、衰减值、最终黏度、回生值等指标均显著高于棉籽粕和菜籽粕，与原料吸水性指数结果规律一致。饲料加工过程需要原料具备足够的黏结性能以保证成品颗粒具有良好的耐久性、耐水性，但与此同时，黏度过高的物质可能也会导致生产过程物料与制粒机、膨化机等设备内部摩擦阻力过高，进而导致能耗增加。淀粉糊化是饲料原料产生黏结性并稳定颗粒内部结构的重要因素，蛋白质、脂肪、直链淀粉含量及分布等均会对糊化过程产生不同程度的影响（林亲录等，2009），有研究表明蛋白质在混合物中相互竞争淀粉糊化所需的水分，从而阻碍了糊化过程，提高了糊化温度（Mohamed 和Rayas-Duarte, 2003）。本试验中豆粕组的淀粉糊化温度显著低于其他各处理组，说明其对淀粉糊化的影响程度最低，因而更有利于淀粉发挥黏结性能。而菜籽粕的表观黏度最低，且混合物的淀粉糊化温度最高，内部粗纤维含量显著高于其他原料，因此在加工中可能会对成品颗粒的耐久性产生负面影响，在使用过程应注意工艺参数和配方调整以保证颗粒产品质量。

4 结论

本试验检测并比较了豆粕、棉籽粕、花生粕和菜籽粕等四种常规植物性蛋白原料营养成分和理化特性指标。其中豆粕粗纤维及灰分含量最低，密度大且流动性强，水溶性指数和水溶性蛋白含量高，与面粉混合后黏度大、淀粉糊化温度低。棉籽粕粗蛋白质和粗纤维含量较高，水溶性差，与面粉混合后黏度低、淀粉糊化温度较高。花生粕粗脂肪、粗纤维及水分含量低，吸水性最强且与面粉混合后黏度较高。菜籽粕粗蛋白质含量最低，粗纤维及灰分含量最高，密度最低且流动性差，吸水性最差且水溶性蛋白含量低，与面粉混合后黏度低、淀粉糊化温度最高。综上所述，不同植物性蛋白原料物质组成及理化加工特性存在显著差异，在饲料加工中应综合考虑其对加工过程及饲料物理质量的影响，合理调整工艺参数以保证生产效率及产品质量稳定。