高粱替代面粉对水产膨化饲料加工质量的影响

杨 洁, 张嘉琦, 李 星, 李军国,2 , 薛 敏 , 李 俊, 牛力斌

1.中国农业科学院饲料研究所，北京 100081；

2.农业农村部动物产品质量安全饲料源性因子风险评估实验室，北京 100081

水产膨化饲料是一种低污染、高效率、高转化率的优质环保型饲料。目前，在许多国家和地区已经形成了以膨化饲料为主流的加工与养殖模式（徐倩，2017 ；刘凡等，2016 ；汪沐等，2011；袁洪岭，1998）。近几年来，随着我国水产养殖品种的不断增加，对水产膨化饲料的要求也越来越高。淀粉不仅可以作为能源物质给水产动物供能，而且可以在水产膨化饲料加工过程中起到膨胀和黏合的双重作用（杨洁等，2019）。针对水产膨化饲料，常用的淀粉源主要是面粉、玉米和木薯等，但相关研究发现不同来源淀粉的颗粒结构不同其加工特性也不同。比如小麦、玉米和大米中的淀粉具有很好的膨化效果，块茎淀粉不仅具有较好的膨化性能而且具有很好的黏结能力，并且淀粉的加工特性直接影响水产膨化饲料的成型特性和品质特性（吴千茂，2017；Cheng 等，2003 ；张 立 彦 扥，2000 ；Gomez 等，1988）。高粱是重要的旱粮谷物作物，其产量排在小麦、大米、玉米和大麦之后，位居第五（寇兴凯等，2015）。由于全球粮食价格趋涨，高粱作为饲用和食用作物，以其耐旱涝、耐盐碱、耐贫瘠、易于种植等特性，受到各国的重视（Hamad 等，2018；董玉琛等，2003）。高粱的淀粉含量为72%～78%，蛋白质含量为6%～18%，氨基酸种类较齐全，并且含有丰富的矿物质元素，特别是铁含量为玉米、小麦等的2～3 倍，是一种品质优良的饲料原料（李伟等，2017 ；寇兴凯等，2015）。目前，鲜有高粱对水产膨化饲料质量的影响报道。本文旨在研究高粱不同比例替代面粉对水产膨化饲料加工质量的影响，为高粱在水产膨化饲料中的实际应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

选取红高粱为淀粉源，测定高粱和面粉的加工特性，以面粉组饲料为对照组，其他各组分别以高粱替代50% 和100% 的面粉，分别命名为F1、F2、F3，并设置物料调质水分3 个水平，分别为25%、28% 和31%，采用湿法双螺杆挤压膨化生产工艺生产水产膨化饲料并对饲料的加工质量进行分析。具体饲料组成及营养水平见表1。

1.2 试验料加工

试验在中国农业科学院南口中试基地进行，饲料原料混合均匀后利用牧羊双螺杆挤压机（MY56×2A，模孔3.0 mm）制成水产膨化饲料。膨化条件：喂料速度保持在65～70 kg/h，调质温度控制在（100±2）℃，吨料开孔面积为200～220 mm2/(t·h)，螺 杆 转 速 为300 r/min。每组参数调整后，待膨化机稳定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。试验样品采用自然风干的方法，待水分低于12%，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采集一次）并储存在计算机中，水产膨化饲料的实际生产参数见表2。

1.3 指标分析测定方法

1.3.1 淀粉源水溶性指数和吸水性指数测定原料经粉碎后过80 目筛，称取2.0 g（M0）的筛下物于离心管（M1）中，加入20 mL 的蒸馏水后，剧烈振荡，使样品和水混合均匀呈悬浮液。使用涡旋仪对样品进行处理，以1500 r/min 的速度振荡20 min，然后使用离心机进行离心，以3000 r/min的速度处理20 min。将上清液缓慢倒入恒重的烧杯（M2）中，烧杯在135 ℃的烘箱中烘干至恒重（M3）。并称取离心管和剩余沉淀物的总重（M4），利用以下公式计算出水溶性指数（WSI）和吸水性指数（WAI）。每个样品测量三次，取三次的平均值。

式中：WSI 为水溶性指数；M0为样品质量，g；M2为恒重的烧杯质量，g；M3为上清液烘干后与烧杯的总重，g。WAI 为吸水性指数；M1为离心管质量，g；M4为离心管和沉淀物总重，g。

1.3.2 淀粉源糊化特性测定利用RVA 的方法，具体步骤参照Chang 等（2004）的方法。

1.3.3 淀粉源热力学特性测定利用DSC 的方法，具体步骤参照Sandhu 等（2007）的方法。

1.3.4 水产膨化饲料加工质量测定

1.3.4.1 容重 将体积为1 L 的容器去皮，将试样倒入漏斗中，然后使用漏斗将饲料装满容器，用铁板刮平容器口，量取重量，称重之前不能振动或敲打容器，称得的重量即为饲料的容重。每个样品重复三次，取平均值作为该样品的容重（单位g/L）。

1.3.4.2 膨化度 随机取20 个膨化饲料颗粒样品测定其直径，按以下公式计算膨化颗粒饲料的膨化率。

式中：E 为膨化率；D1为膨化饲料颗粒直径，mm ；D2为模孔直径，mm。

1.3.4.3 下沉率 随机取不少于150 颗饲料样品，置于（26±2） ℃水中浸泡1 min（按照被测饲料的使用水域，选择淡水或海水，海水选择用0.5%的NaCl 溶液代替），轻微搅拌数下，待静止后计数漂浮颗粒数，用以下公式计算沉性颗粒饲料的沉水率。

式中：C 为沉水率，%；R1为漂浮颗粒数，个；R 为总颗粒数，个。

1.3.4.4 水中稳定性 根据水产行业标准《SC/T 1077–2004 1077–2004 渔用配合饲料通用技术要求》进行稳定性测定。

1.3.4.5 最大吸油率 将水产膨化饲料M1（500 g）放入实验室的真空喷涂机中，称取过量的油脂400 g 倒入真空喷涂机中，确保油脂完全淹没样品，启动真空喷涂机，缓慢抽空真空喷涂机中的空气，直至真空喷涂机中的压强降低到0.1 Mpa，保持1 min，当膨化成品空隙中的空气全部从油脂中逸出，使油完全进入到膨化成品中，然后逐渐地释放压力，使真空喷涂机恢复到常压，将膨化成品从真空喷涂机中取出，用吸油纸除去膨化成品外表多余的油脂，称取吸油后的膨化成品质量M2。按照以下公式计算膨化颗粒饲料的最大吸油率。

式中：M1为样品重量；M2为吸油后样品重量。

1.3.5 漏油率将检测完最大吸油率的成品放置在吸油纸上，在（25±3）℃的恒温情况下储存24 h，称取样品质量M3，用以下公式计算水产膨化饲料的漏油率。

式中：M3为漏油后样品重量。

1.4 数据统计及分析

试验数据采用SPSS 17.0 进行单因子方差分析，以“平均值± 标准差”的形式表示，各组间的平均值采用Duncan 氏法多重比较进行差异显著性检验，以P<0.05 作为差异显著性的标准。

2 结果

2.1 高粱和面粉加工特性分析

2.1.1 水溶性指数和吸水性指数由表3 可以看出，高粱的水溶性指数显著低于面粉（P＜0.05），而高粱的吸水性指数显著高于面粉（P＜0.05）。

表3 面粉和高粱的水溶性指数和吸水性指数%

2.1.2 糊化特性由表4 可以看出，高粱的糊化温度显著高于面粉（P＜0.05），峰值黏度、保持黏度和最终黏度显著低于面粉（P＜0.05）。

表4 面粉和高粱的糊化特性

2.1.3 热力学特性由表5 可以看出，高粱的起始温度、峰值温度和全糊化温度显著高于面粉（P＜0.05），糊化需要的焓值显著低于面粉（P＜0.05）。

表5 面粉和高粱的热力学特性

2.2 高粱对水产膨化饲料质量的影响

由表6 可以看出，在同一物料调质水分下，随着高粱替代面粉比例的增加，水产膨化饲料的容重显著升高（P＜0.05），膨化度显著降低（P＜0.05），下沉率显著上升（P＜0.05），溶失率显著上升（P＜0.05），最大吸油率显著降低（P＜0.05）；当物料调质水分为25% 和28% 时，随着高粱替代面粉比例的增加，水产膨化饲料的漏油率先降低再升高，差异显著（P＜0.05），当物料调质水分为31% 时，随着高粱替代面粉比例的增加，水产膨化饲料的漏油率显著升高（P＜0.05）。在同一配方下，随着调质水分的增加，水产膨化饲料的容重显著降低（P＜0.05），膨化率显著升高（P＜0.05），下沉率显著降低（P＜0.05），最大吸油率显著升高（P＜0.05）；F1和F3 组的漏油率显著降低（P＜0.05），F2 组的漏油率先降低再升高。

表6 高粱对水产膨化饲料质量的影响

3 讨论

3.1 高粱和面粉加工特性

淀粉在水产膨化饲料加工过程中起着非常重要的作用，不仅能增强物料的黏性，在膨化饲料中起到膨胀和黏合的双重作用。由于不同来源淀粉的颗粒结构不同，对水产膨化饲料加工和品质等产生的影响也存在差异。相关研究发现，淀粉源的功能特性、糊化特性和热力学特性等加工特性与水产膨化饲料加工及品质特性之间存在一定的关系。水溶性指数是指物料在水中的溶解性质，吸水性指数指物料对水的亲和力（Gomez 等，2010；Chevanan 等，2007 ；王亮等，2007）。研究发现高粱的水溶性指数显著低于面粉，而高粱的吸水性指数显著高于面粉。说明与面粉相比，高粱在水中的溶解性较差，但亲水性较强。Vargas–Solórzano 等（2003）对不同品种的高粱和面粉进行了比较，发现面粉呈现较高水溶性指数和较低吸水性指数。本研究结果与其研究结果一致。淀粉糊化特性包括糊化温度，峰值黏度，保持黏度和最终黏度等关键指标。其中，糊化温度是指黏度开始增加的温度，也是物料熟化所需的最低温度；峰值黏度显示淀粉结合水的能力，可以与最终产品的质量相关；保持黏度表征淀粉糊抗剪切的能力；最终黏度表明物料在熟化并冷却后形成黏糊的能力。高粱的糊化温度显著高于面粉，峰值黏度、保持黏度和最终黏度显著低于面粉。说明与面粉相比，高粱开始糊化的温度较高，结合水的能力较弱，淀粉糊抗剪切和形成黏糊的能力也较弱。Ratnayake等（2003）研究指出，糊化温度与淀粉源有关，面粉的糊化温度为58～64 ℃，高粱的糊化温度为71～80 ℃。同时，相关研究也发现不同品种高粱的糊化特性差异很大，本研究中高粱的糊化温度很高，可能和高粱的品质有关（段冰等，2023；周福平等，2014；袁蕊等，2011）。按热力学分析，淀粉糊化过程是淀粉微晶的熔融过程，淀粉颗粒发生了从有序到无序的相转变，包括淀粉颗粒的吸水吸热、溶胀水化、结晶态消失及糊黏度急剧增加等复杂现象。研究发现高粱的起始温度、峰值温度和全糊化温度显著高于面粉，糊化需要的焓值显著低于面粉。说明与面粉相比，高粱开始糊化的温度、峰值温度和全部糊化的温度均较高，但糊化所需要的焓值较低。Subzwari 等（2018）研究表明，高粱淀粉与其他谷物淀粉相比，有较高的糊化温度，较低的热焓值。

3.2 高粱对水产膨化饲料质量的影响

水产膨化饲料的质量评价是非常重要的，其中，容重和膨化率是反映水产膨化饲料膨化效果的指标，下沉率是评价膨化饲料沉浮性的重要指标，溶失率是评价膨化颗粒饲料水中稳定性的一项指标，最大吸油率能够反映膨化饲料所能吸收的最大油脂含量，为后喷涂提供参考，漏油率反映水产膨化饲料吸收油脂以后对油脂保留的稳定性，以防在运输和贮藏中油脂泄露造成浪费并污染环境。配方中不同淀粉源及淀粉含量会对水产饲料的膨化特性产生影响（张嘉琪，2019；袁 军 等，2014；Ah–Hen 等，2014；Podoskina等，1997）。高粱与小麦的淀粉含量相当，但面粉的糊化特性更好，这可以提高水产膨化饲料的质量。并且面粉中含有约10% 蛋白质，包含醇溶性蛋白、谷蛋白、清蛋白和球蛋白等，其中醇溶性蛋白具有黏性、伸展性和膨胀性，谷蛋白决定着弹性，这也会改善水产膨化饲料的质量（廖兰等，2018 ；车永和等，2001；马传喜等，1993；Matsudomi 等，1982）。Jafari 等（2017）研究发现，小麦和高粱混合面团的吸水性指数增加，这可能会降低水与谷蛋白之间的相互作用，而谷蛋白是面团具有黏弹性的核心物质，混合面团黏度的降低最终会导致膨化效果变差。高粱是无麸质谷物，蛋白中缺乏谷蛋白，而谷蛋白是物料熔融状态提供黏度最重要的物质，因此高粱替代面粉会降低膨化水产饲料品质。物料调质水分是影响水产膨化饲料质量的重要因素，而水产膨化饲料质量对调质水分的高度依赖性取决于水分对淀粉源黏性的影响。Draganovic 等（2011）研究发现，提高物料调质水分能够显著改善水产膨化饲料产品的膨化效果和吸油能力。Kannadhason等（2010）和Cruzsuárez 等（2008）研究表明，当配方中含有木薯粉时，调质水分含量从15%增加到25%导致物料膨化率提高，单位密度下降。本研究结果与以上研究结果相一致。

4 结论

在加工特性方面，与面粉相比，高粱在水中的溶解性较差，但亲水性较强；高粱开始糊化的温度较高，淀粉糊抗剪切和形成黏糊的能力也较弱；高粱开始糊化的温度、峰值温度和全部糊化的温度均较高，但糊化所需要的焓值较低。在产品质量方面，高粱不同比例替代面粉会降低水产膨化饲料的加工质量，但提高物料调质水分会改善水产膨化饲料的品质。