擠壓膨化與后添加技術在飼料工業(yè)中的應用

love51 · 發(fā)表于 2010-3-20 15:58:28

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擠壓膨化與后添加技術在飼料工業(yè)中的應用（1）

金征宇

1 擠壓膨化技術
擠壓膨化技術應用于飼料工業(yè)始于20世紀50年代的美國，主要用于加工寵物食品，對其進行預處理以改進消化性和適口性，也用于生產(chǎn)反芻動物蛋白補充料的尿素飼料（L.Moscicki，1982）。到了20世紀80年代，擠壓技術已經(jīng)成為國外發(fā)展速度最快的飼料加工新技術，它在加工特種動物飼料、水產(chǎn)飼料、早期斷奶仔豬料及飼料資源開發(fā)等方面具有傳統(tǒng)加工方法無可比擬的優(yōu)點（Borello，C.1985）。
擠壓技術在我國飼料工業(yè)中的應用尚屬起步，有著廣闊的發(fā)展前景。本文結合飼料工業(yè)的發(fā)展，就擠壓過程中飼料成分的變化，擠壓技術在飼料資源開發(fā)、飼料產(chǎn)品開發(fā)及飼料加工中的應用等方面作一概述。
1.1 擠壓過程中飼料營養(yǎng)成分的變化
1.1.1 擠壓過程中碳水化合物的變化
碳水化合物是飼料中的主要組成成分，通常在飼料中占到60%～70%，因此是影響擠壓飼料特性的主要因素。
1.1.1.1 淀粉
擠壓作用能促使淀粉分子內(nèi)1-4糖苷鍵斷裂而生成葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖及麥芽糊精等低分子量產(chǎn)物，致使擠壓后產(chǎn)物淀粉含量下降。但擠壓對淀粉的主要作用是促使其分子間氫鍵斷裂而糊化。淀粉的有效糊化使擠壓處理不僅改善了飼料的營養(yǎng)，而且有利于飼料成粒，從而提高飼料加工品質(zhì)。
淀粉在擠壓過程中糊化度的大小受擠壓溫度、物料水分、剪切力、螺桿結構及在擠壓機內(nèi)的滯留時間、模頭形狀等因素影響。一般規(guī)律是高水分、低溫擠壓使淀粉部分糊化，低水分、高溫擠壓有利于提高淀粉的糊化度，且使淀粉部分裂解為糊精。
淀粉有直鏈淀粉與支鏈淀粉之分，它們在擠壓過程中表現(xiàn)出不同的特性。就膨化度而言，總的趨勢是淀粉中直鏈淀粉含量升高則膨化度降低，有報道說50%直鏈淀粉與50%支鏈淀粉混合擠壓可得到最佳的膨化效果。另外，來源不同的淀粉其擠壓效果也存在差異，小麥、玉米和大米中的谷物淀粉具有較好的膨化效果，塊莖淀粉不僅具有很好的膨化性能而且又具有十分好的黏結能力。
1.1.1.2 纖維
纖維在飼料中通常充當填充劑。由于用于擠壓的纖維原料及擠壓采用的設備和工藝條件不同，對擠壓過程中纖維數(shù)量的變化文獻報道差異較大。Fornal等對蕎麥與大麥的擠壓研究，Wang等對小麥和小麥麩皮的研究表明，擠壓后的纖維數(shù)量降低，而Bjorck（1984）、Ostergard（1989）分別對全麥粉及全大麥粉擠壓研究的結果正好同上述相反；至于Silijestron（1986）及Schweizer（1986）研究則認為全麥粉在擠壓過程中其總纖維含量不發(fā)生變化。但對擠壓過程中纖維質(zhì)量變化的研究結果較為一致，均表明纖維經(jīng)擠壓后其可溶性膳食纖維的量相對增加，一般增加量在3%左右，表1是Wang等在不同條件下分別對整粒小麥與小麥麩皮擠壓后纖維變化的研究結果。這種結果是擠壓過程中的高溫、高壓、高剪切作用促使纖維分子間價鍵斷裂，分子裂解及分子極性變化所致。由于可溶性膳食纖維對人體健康具有特殊的生理作用（Gordon，R.Huber，1991；Cummings，J.H，1978），因此采用擠壓手段開發(fā)膳食纖維無疑是一個很好的方法，但對動物是否同樣具有作用尚未見報道。
飼料工業(yè)中的纖維原料主要來源于玉米、餅粕和糠麩。在擠壓過程中，其規(guī)律一般是膨化度隨纖維添加量增加而降低，但不同來源的纖維或纖維純度不同對膨化度的影響有明顯差異，其中以豌豆和大豆纖維的膨化能力為好，它們在以淀粉為主原料的飼料中添加量達到30%對最終產(chǎn)品的膨化度也無顯著影響，而象燕麥麩及米糠，由于它們含有較高的蛋白質(zhì)及脂肪，其膨化能力就很差。表1 擠壓對纖維品質(zhì)的影響

材料與處理條件*	膳食纖維/%**
材料與處理條件*	總纖維	不溶性纖維	可溶性纖維
整粒小麥：
未處理小麥	14.0	12.8d	1.25d
200rpm，103℃，21%	13.3c	11.3c	1.97cd
300rpm，117℃，20%	13.1c	11.2c	1.94cd
400rpm，119℃，21%	13.4c	11.2c	2.19bc
麩皮：
未處理麩皮	55.4a	53.7a	1.72cd
200rpm，109℃，20.5%	54.0b	51.0bc	2.96b
300rpm，137℃，18.2%	54.7ab	51.8b	2.89b
400rpm，140℃，21.8%	54.4ab	50.2c	4.25a

*表列擠壓條件分別為擠壓機螺桿轉(zhuǎn)速、出模料溫及出模物料水分。
**同一列上標有不同字母的表示其差異顯著（P<0.05)。

1.1.1.3 親水膠體
膠體主要用于水產(chǎn)飼料的生產(chǎn)，通常有阿拉伯膠、果膠、瓊脂、卡拉膠和海藻酸鈉等親水膠體，它們經(jīng)擠壓后其成膠能力將普遍下降。在擠壓過程中其親水特性還將影響常規(guī)的擠壓條件，降低擠壓產(chǎn)品的水分蒸發(fā)速率及冷凍速率，提高產(chǎn)品的質(zhì)構性能。對于一個特定的產(chǎn)品，在選擇親水膠體時膠體的粘稠性、成膠性、乳化性、水化速率、分散性、口感、操作條件、粒徑大小及原料來源等因素均得慎重考慮。
1.1.1.4 糖
糖具有親水性，在擠壓過程中將調(diào)控物料的水分活度，從而影響淀粉糊化。擠壓的高溫、高剪切作用使糖分解產(chǎn)生羰基化合物，從而同物料中的蛋白質(zhì)、游離氨基酸或肽發(fā)生美拉德反應，影響擠壓飼料的顏色。另外，在擠壓過程中添加一定量的糖能有效地降低物料的粘度，從而提高物料在?？诔隹跁r的膨化效果，這一點對控制水產(chǎn)飼料的沉浮性有一定的幫助。因此，在擠壓飼料中糖除了起提供能量作用外，主要是作為一種風味劑、甜味劑、質(zhì)構調(diào)節(jié)劑、水分活度與產(chǎn)品顏色調(diào)控劑而被應用，通常使用的糖有蔗糖、糊精、果糖、玉米糖漿、糖蜜、木糖和糖醇。
1.1.2 擠壓過程中蛋白質(zhì)的變化
蛋白質(zhì)受擠壓機腔內(nèi)高溫、高壓及強機械剪切力作用，導致蛋白質(zhì)最終變性。這種變性使蛋白酶更易進入蛋白質(zhì)內(nèi)部，從而提高消化率。但就蛋白質(zhì)品質(zhì)而言，不同的擠壓條件對其影響不一，這主要取決于擠壓過程中有效賴氨酸的損失。總的趨勢是在原料水分低于15%，擠壓溫度高于180℃的條件下，擠壓時水分愈低，溫度愈高，賴氨酸損失越大，蛋白質(zhì)的生物學效價就愈低（Maclean，W.C.，1983；Noguchi，A.，1982；Bjorck，I.1983）。適當改變擠壓工藝條件，如降低飼料中葡萄糖、乳糖等還原糖含量，提高原料水分含量（Tossavainen，O.S.，1986）等可有效減少美拉德反應的發(fā)生。K.Dahlin（1993）等通過不同條件下對玉米、小麥、黑麥和高粱等8種谷物的處理結果表明：在原料水分為15%，擠壓溫度為150℃，轉(zhuǎn)速為100rpm的條件下擠壓，產(chǎn)品蛋白質(zhì)的生物學效價與未處理原料相比得到顯著提高（Dahlin，K.，1993）。
1.1.3 擠壓過程中脂肪的變化
擠壓作用會使甘油三脂部分水解，產(chǎn)生單甘油脂和游離脂肪酸，因此從單純處理來看，擠壓過程將降低油脂的穩(wěn)定性，但就整個產(chǎn)品而言，擠壓產(chǎn)品在貯藏過程中游離脂肪酸含量的升高顯著低于未擠壓樣品，這主要歸結于擠壓使飼料中的脂肪水解酶、脂肪氧化酶等促進脂肪水解的因子失活。
脂肪及其水解產(chǎn)物在擠壓過程中能同糊化的淀粉形成絡合物，從而使脂肪不能被石油醚萃取。這種絡合物的形成使脂肪不易從產(chǎn)品中滲出而給產(chǎn)品一個很好的外觀。這種絡合物在酸性的消化道中能解離，因此也不影響脂肪的消化率。
脂肪對飼料的質(zhì)構、成型和適口性等作用較大，但從總體看脂肪的存在不僅影響最終擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量(主要是膨化度)，甚至可能影響整個擠壓過程的順利進行。例如對脫脂大豆粉的擠壓，其脂肪的含量不應超過1%；在飼料工業(yè)的膨化料生產(chǎn)中，單螺桿擠壓機油脂添加量在0%～12%時，對擠壓效果無影響，當添加量在12%～17%范圍時，添加量每增加1%產(chǎn)品的容重就增加16g/L，添加量繼續(xù)增大則效果更差，當超過22%時則產(chǎn)品就失去了一般擠壓的特性。因此擠壓應以含油量低的原料為好。
1.1.4 擠壓過程中維生素、礦物質(zhì)及風味物質(zhì)的變化
維生素在加工過程中能否保留下來，很大程度上取決于加工條件。擠壓過程中，熱敏性維生素如VB1、葉酸、VC、VA等是最容易受到破壞的幾種，而其他維生素如煙酸、VH、VB12比較穩(wěn)定。從生產(chǎn)方便性看，擠壓之前添加維生素優(yōu)于擠壓后添加，但必須超量添加以克服擠壓過程維生素部分損失對動物營養(yǎng)的影響。有資料報道，在擠壓之前添加維生素，不僅擠壓過程中會對維生素產(chǎn)生破壞，而且擠壓之后，產(chǎn)品在儲藏過程中維生素的損失會加快。所以擠壓物料的維生素可能在擠壓之后添加更為經(jīng)濟。
擠壓過程中，礦物質(zhì)一般不會被破壞，但是具有凝固特性的新聚合物的形成可能會降低某些礦物質(zhì)的生物效價，例如植酸可能同Zn、Mn等絡合，形成不為動物消化的化合物。
由于擠壓時的高溫、高水分將分解風味物質(zhì)，且具有揮發(fā)性的風味物質(zhì)在模頭口將隨水蒸汽一起蒸發(fā)而大部分散失。因此，加工過程中風味劑的添加都采用擠壓后添加。

2 擠壓技術與飼料加工
2.1 擠壓技術與飼料產(chǎn)品
隨著飼料工業(yè)的發(fā)展及對擠壓技術的進一步認識，目前，擠壓技術被廣泛用于生產(chǎn)浮性、半浮性及沉性的水產(chǎn)飼料，甚至用于生產(chǎn)斷奶仔豬的補料及用于斷奶仔豬的幼畜飼料。
對于水產(chǎn)飼料的生產(chǎn)，同傳統(tǒng)的蒸汽調(diào)質(zhì)與環(huán)模制粒相比，擠壓不僅能精密有效地控制飼料的漂浮性及沉降速率，而且還能使飼料具有更好的水穩(wěn)定性、顆粒完整性及更強的吸收油脂能力。這些優(yōu)點有助于提高飼料的消化率、延長飼料的保質(zhì)期、提高飼料的轉(zhuǎn)換率和降低水質(zhì)污染。至于仔豬飼料的生產(chǎn)，則擠壓不僅能使飼料具有良好的適口性和易消化性，而且與傳統(tǒng)顆粒飼料相比，動物飼用這些飼料腹瀉的發(fā)生率相對較少。
擠壓技術在飼料產(chǎn)品生產(chǎn)中的另一個應用就是制備反芻動物尿素淀粉飼料。將高淀粉谷物和尿素等混合經(jīng)擠壓使淀粉接近于凝膠化程度，并與非結晶狀的尿素緊密結合。反芻動物食用這種產(chǎn)品后不僅能降低尿素在動物瘤胃中的釋氨速度，而且還能提高淀粉的發(fā)酵速度，從而保持同氨的同步釋放，提高菌體蛋白的合成速率，使得尿素的使用更為安全有效。
2.2 擠壓技術與飼料資源開發(fā)
2.2.1 全脂大豆擠壓
一定操作條件下的擠壓不僅能有效地使大豆中的抗營養(yǎng)因子如抗胰蛋白酶、脲酶等失活，而且其高溫、高壓和高剪切的瞬時作用有利于蛋白質(zhì)變性、淀粉糊化和大豆油細胞破裂，從而使3者的消化率提高。許多研究表明擠壓可顯著提高大豆的飼養(yǎng)價值。擠壓全脂大豆與傳統(tǒng)的豆餅(粕)加油脂的飼料相比，不僅在飼養(yǎng)效果上具有優(yōu)越性，在飼料加工中也克服了添加油脂對生產(chǎn)設備的要求及產(chǎn)品質(zhì)量的影響，更為可取的是全脂大豆通過擠壓能有效消除其中一些使動物、特別是早期斷奶仔豬過敏的因子，從而克服了飼喂豆粕加油脂型飼料引起的仔豬消化紊亂、腸粘膜出現(xiàn)炎癥、導致仔豬下痢的癥狀。這使擠壓全脂大豆應用于仔豬飼料具有豆粕加油脂型飼料無可比擬的優(yōu)越性，從而越來越受到飼料加工者的歡迎。
2.2.2 羽毛類角蛋白擠壓
羽毛類角蛋白資源豐富，價格低廉。它不僅粗蛋白質(zhì)含量高達80%以上，是一種潛在的蛋白質(zhì)飼料，而且其胱氨酸含量也較高(6%～7%)，用于飼料可降低價格昂貴的蛋氨酸添加，因此，開發(fā)羽毛角蛋白資源，使之成為飼料原料意義重大。
金征宇等（1996e，f）以擠壓機作為反應處理器，利用擠壓機腔高溫、高壓和高剪切的環(huán)境及擠壓過程中外加添加劑的方法進行羽毛擠壓，使羽毛在消化率達到飼用要求（胃蛋白酶的消化率>75%）的同時，各種氨基酸生物學效價與高壓水解羽毛粉無差異，從而不僅克服了傳統(tǒng)高壓水解或酸堿水解所需設備投資大、能耗高、勞動強度大和環(huán)境污染嚴重等缺點，而且初步實現(xiàn)了羽毛加工連續(xù)化的生產(chǎn)工藝，為資源的合理利用提供了新的開發(fā)途徑。
2.2.3 油料餅粕的擠壓脫毒
油料餅粕是飼料工業(yè)最主要的蛋白質(zhì)原料，但由于它們大多含有干擾蛋白質(zhì)消化或影響畜禽健康的抗營養(yǎng)因子或有毒物質(zhì)，因此在使用中受到一定的限制。資料表明，擠壓機的高溫高壓環(huán)境或以擠壓機作為反應器，在擠壓過程中添加適當?shù)奶砑觿?，能有效消除或降低餅粕中的有害因子?br /> 例如，擠壓過程中添加石灰，能顯著減少蓖麻籽餅粕的蓖麻毒和CB-IA過敏素的含量；添加5%強堿和1%硫酸亞鐵，在150℃條件下擠壓，可使油菜籽與大豆混合物的芥子甙總量減少80%（但腈可能升高），花生粕中添加0%～2.5%NH4OH，在175～180℃條件下擠壓，則黃曲霉素或殘留量可減少到原來的20%以下。田菁籽粉經(jīng)擠壓，其有毒成分生物堿含量由原來的1.917%降至0.260%，這種有效的降毒方法，大大提高了油料餅粕的利用率。