程宗佳 王勇生 陳軼群 郝 波 趙庚福 羅從彥

(1.中糧營養(yǎng)健康研究院動物營養(yǎng)與飼料中心，北京 102209;2.江蘇正昌集團有限公司，溧陽 213300)

隨著現(xiàn)代飼料加工技術(shù)和生物技術(shù)在飼料工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，飼料行業(yè)已進(jìn)入以原料應(yīng)用技術(shù)為主要特點的技術(shù)創(chuàng)新階段。在資源開發(fā)逐步成為中國經(jīng)濟熱點的今天，飼料將由最低成本配方逐漸向飼料配方優(yōu)化和飼料原料應(yīng)用技術(shù)方面轉(zhuǎn)化。實踐證明，飼料企業(yè)如果充分把握了飼料原料的營養(yǎng)價值，尤其是大宗飼料原料的處理技術(shù)和應(yīng)用效果，就有可能在激烈的市場競爭中占取先機。目前，作為傳統(tǒng)飼糧配方中主要原料的豆粕和玉米價格不斷高漲，給飼料行業(yè)帶來巨大的壓力。如何選擇適當(dāng)?shù)娘暳霞庸ぜ夹g(shù)，受到諸多飼料生產(chǎn)者的重點關(guān)注。本文在目前蛋白質(zhì)及能量原料價格持續(xù)飛漲的現(xiàn)狀下，針對膨化(extrusion)和膨脹技術(shù)巨大的應(yīng)用潛力及良好的實際效果作一簡述。

1 膨化和膨脹的工藝特點

膨化技術(shù)用于食品工業(yè)已有近百年歷史。按韋氏字典的定義，膨化是“迫使原料通過一個特定設(shè)計的開口而成形，事先多將原料預(yù)熱”。膨化是綜合了水、壓力、溫度和機械剪切的作用完成的。膨化過程中，機鏜內(nèi)溫度可達(dá)90～200℃，膨化時間在2～30 s。膨化產(chǎn)物會發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化，諸如淀粉糊化、蛋白質(zhì)變性，以及酶類、有毒成分和微生物的失活等。其結(jié)果通常會提高膨化飼料產(chǎn)品的營養(yǎng)物質(zhì)消化率，降低一些抗?fàn)I養(yǎng)因子含量(如大豆中的胰蛋白酶抑制因子、棉籽中的棉酚)，還會減少飼料攜帶細(xì)菌、霉菌和粉塵的數(shù)量，改善飼料的適口性，增進(jìn)顆粒飼料的穩(wěn)定性和耐藏性。從而使得所飼養(yǎng)的動物，尤其是幼年動物的生產(chǎn)性能和飼料效率都得以改進(jìn)。

膨脹機(expander)是另一類型的膨化機，與膨化機的基本功能是相似的。膨脹機利用熱、水和摩擦使飼料原料熟化。膨脹過的材料可以直接使用，也可輸送到制粒廠進(jìn)一步制粒。膨脹工藝的主要特點有:1)快速提高加工溫度，殺滅病原菌;2)在制粒機前面加上膨脹機后，由于加熱、水分及總體的軟化作用，淀粉糊化度提高，飼料的制料性能和制粒質(zhì)量大為改善，同時制粒機生產(chǎn)能力得到提高;3)降低抗?fàn)I養(yǎng)因子水平，提高飼料轉(zhuǎn)化率;4)增加飼料配方的靈活性，擴大配方的選擇范圍;5)從膨脹機中出來的飼料可直接被切碎作為成品飼料;6)增加油脂和糖蜜的使用量;7)比膨化加工成本低。

2 膨化和膨脹對飼料營養(yǎng)價值的影響

2.1 淀粉

加工工藝參數(shù)(溫度和壓力等)對產(chǎn)品中淀粉的化學(xué)形態(tài)有重要影響。膨脹加工能提高淀粉的水解，提高利用率(表1)。淀粉在有水存在的條件下加熱，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)遭到破壞而成為α-淀粉，更易被淀粉酶作用，使動物體內(nèi)的酶促分解反應(yīng)得到改善。在飼料中加入2%～3%的蒸汽并加以混合，其中的淀粉就開始膨脹。在調(diào)質(zhì)和膨脹處理階段，淀粉顆粒吸收水分的速率和程度是飼料的含水率、密度、溫度和調(diào)質(zhì)時間的函數(shù)。吸水過程中顆粒的晶體結(jié)構(gòu)受到破壞，物料通過膨化機時，顆粒繼續(xù)膨脹，由于螺桿和膨脹腔對顆粒產(chǎn)生的剪切作用，顆粒破碎了。在高溫(大于135℃)和高含水率(添加的水分大于5%)的條件下，飼料變成一種塑性的熔融團塊，淀粉發(fā)生“改性”或“糊化”。同時，膨化機的搓揉過程所作的功對淀粉的糊化也有影響。因此，動力的輸入程度可由改變膨化機環(huán)形或錐形出口的大小來控制，這樣就可以在膨化機限度內(nèi)調(diào)節(jié)淀粉的變性或糊化程度。糊化的最后階段發(fā)生在膨化機的出口區(qū)域，在這里，壓力的突然下降引起淀粉顆粒的破裂，膨化產(chǎn)品冷卻前處于一種粗粒的狀態(tài)，冷卻后容重比膨化前降低大約15%，膨化產(chǎn)品的實際容重還取決于飼料淀粉的數(shù)量和種類。

表1 膨脹加工溫度對豬飼料淀粉水解程度的影響Table 1 Effects of expanding process temperature on starch gelatinization of pig feeds［1］

2.2 蛋白質(zhì)

經(jīng)過膨化的蛋白質(zhì)，分散指數(shù)(PDI值)有所降低，但對蛋白質(zhì)的含量沒有影響。膨化處理會使蛋白質(zhì)分子三級結(jié)構(gòu)遭到破壞，疏水基團暴露而產(chǎn)生不可逆變性，從而導(dǎo)致溶解度降低。不過這種變性有利于消化酶作用，提高了對蛋白質(zhì)的消化率。當(dāng)無大量淀粉存在時，膨化會降低蛋白質(zhì)在水中的溶解度;當(dāng)有大量淀粉存在時，糊化淀粉會與蛋白質(zhì)進(jìn)行物理性結(jié)合，簡單的水抽濾法無法溶解這些蛋白質(zhì)，故較難檢出，從而影響PDI值的測定。這說明淀粉對蛋白質(zhì)的“保護”程度相當(dāng)強，但動物消化道中的酶可以很容易地溶解這種淀粉基質(zhì)而保證蛋白質(zhì)的消化［2-4］。一般認(rèn)為，膨化工藝不會影響膨化飼料中蛋白質(zhì)含量，而氨基酸的破壞程度與加工條件有關(guān)。在較為溫和的膨化條件下(溫度125～165℃、水分12% ～18%)加工并沒有造成營養(yǎng)損失，賴氨酸的損失較?。?］。在加工溫度不是很高時，膨化對賴氨酸和蛋氨酸等的影響不大(表2)。但膨化溫度升高(170～210℃)時會降低氨基酸的含量和利用率，限制性氨基酸的損失加劇。Bjorck等［6］報道，膨化溫度上升，賴氨酸損失加劇，其次是含硫氨基酸，如精氨酸和色氨酸，其他氨基酸損失較小。當(dāng)然，由于膨化加工過程中受溫度、濕度等的影響，會出現(xiàn)一些不利的化學(xué)反應(yīng)，從而降低蛋白質(zhì)、氨基酸的利用率，主要表現(xiàn)為對賴氨酸的含量及利用率的降低。賴氨酸的ε-氨基與葡萄糖、乳糖、麥芽糖等含醛基的還原糖分子發(fā)生美拉德反應(yīng)生成蛋白酶不能水解的產(chǎn)物，是造成其生物利用率下降的主要原因。

表2 膨脹加工對麥麩氨基酸的含量和利用率的影響Table 2 Effects of expanding process on content and utilization of amino acids in wheat bran［7］ %

2.3 脂肪

飽和脂肪酸對熱處理、化學(xué)處理較穩(wěn)定，但不飽和脂肪酸則易出現(xiàn)氧化，尤其在氧、光線、金屬等存在的條件下更易氧化，致使?fàn)I養(yǎng)價值降低，并產(chǎn)生過氧化物等毒害物質(zhì)。制粒、膨化技術(shù)對脂肪的影響較大。膨脹加工使自然條件下的微生物產(chǎn)生的脂肪分解酶失活，防止脂肪分解為游離脂肪酸(表3)，膨脹加工使脂肪氧化酶失活，防止脂肪氧化酸敗。Peisker［1］研究發(fā)現(xiàn)膨脹處理影響到飼料中脂肪酸的品質(zhì)。微生物脂酶如青霉菌、假單胞菌所產(chǎn)生的脂酶是導(dǎo)致飼料原料當(dāng)中脂肪分解的主要原因。另外，原料或成品中脂肪還會發(fā)生氧化反應(yīng)，使脂肪發(fā)生酸敗，產(chǎn)生的一些氧化物具有特別的氣味。自然條件下所產(chǎn)生的脂肪酶在加熱到50～70℃后失去活性，防止了脂肪的氧化酸敗。膨化加工中由于脂肪細(xì)胞破裂，脂肪溢出被結(jié)合在淀粉基質(zhì)中，形成淀粉-脂肪復(fù)合物，從而減少脂肪變質(zhì)，有利于脂肪貯存［8-9］。

表3 膨脹加工對原料貯存過程中游離脂肪酸的影響Table 3 Effects of expanding process on free fatty acids in ingredients during storage［1］ %

2.4 維生素

維生素是一類具有生物活性的化合物，對其所處的物理及化學(xué)環(huán)境相當(dāng)敏感，膨化過程中水分、溫度、壓力、摩擦等加工條件對維生素的損失率是顯著的。研究資料表明，在溫度105～120℃時進(jìn)行膨化，除維生素K、維生素C、維生素E外，其他維生素的保留率均在90%以上［10］。當(dāng)膨化溫度增高(120～170℃)時，各種維生素保留率出現(xiàn)不同程度地降低。對于同一種維生素而言，不同的商品劑型間維生素的保留率也有明顯的差別。如膨化溫度在110～170℃之間時，隨溫度的升高，維生素E乙酸酯的保留率均在90%以上，但是維生素E醇的保留率從65%降至5%［11］。

2.5 粗纖維

粗纖維是植物細(xì)胞壁的主要成分，是一類不易溶解的物質(zhì)，飼料粗纖維含量與營養(yǎng)物質(zhì)消化率之間呈負(fù)相關(guān)。膨化工藝過程會導(dǎo)致細(xì)胞壁破裂，粗纖維含量降低［12-13］。金希億等［14］研究大豆中粗纖維在膨化前后的變化后指出，膨化后粗纖維平均含量為4.51%，減少率為65.4%。膨化使纖維結(jié)構(gòu)被破壞，水解程度增加，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的利用變得充分。

2.6 抗?fàn)I養(yǎng)因子

膨化加工最令人興奮的功能或許就是破壞抗?fàn)I養(yǎng)因子，諸如生大豆中的胰蛋白酶抑制因子(trypsin inhibitors，TI)、棉籽中的棉酚和菜籽中的芥籽甙。TI抑制蛋白質(zhì)分解，使消化道內(nèi)未消化的蛋白質(zhì)增加，從而減少氨基酸生成，抑制代謝能釋放和脂肪代謝，降低蛋白質(zhì)消化率。膨化加工后，大部分TI被破壞。膨化熟化的溫度、水分、設(shè)備配置、滯留時間、模孔大小等因素都會影響TI破壞的程度［7，15-16］。

2.7 飼料衛(wèi)生指標(biāo)

膨化和膨脹加工在高溫高壓的條件下，可以有效的殺滅有害微生物，改善飼料的衛(wèi)生指標(biāo)(表4)。

表4 膨脹加工改善飼料衛(wèi)生指標(biāo)Table 4 Expanding process improves sanitary index of feeds［7］ 個 /g

3 膨化飼料對豬生產(chǎn)性能的影響

膨化全脂大豆飼糧與豆粕+豆油或豆粕+動物脂肪飼糧養(yǎng)豬效果的比較見表5。多數(shù)研究表明，膨化大豆飼糧可以改善豬(特別是哺乳仔豬)的增重和飼料效率。這是因為哺乳仔豬對飼糧污染的細(xì)菌更為敏感，其腸道酶活性也較低，膨化熟化加工過程可減少豬飼糧的細(xì)菌數(shù)，打碎脂肪顆粒而提高脂肪酶的可利用性，從而改善大豆脂肪的利用，增加飼糧能量。

表5 膨化全脂大豆飼糧與豆粕+豆油或豆粕+動物脂肪飼糧養(yǎng)豬效果的比較Table 5 Effects of extruded full-fat soybeans，soybean meal+soybean oil or soybean meal+animal fat in diets on performance of pigs［17］

Mills等［28］用177頭母豬進(jìn)行試驗，觀察膨化加工的全脂大豆和高粱對母豬和仔豬生產(chǎn)性能的影響(表6)。試驗所用的4組飼糧是:1)以粉碎高粱-豆粕-豆油為主的對照;2)膨化高粱-豆粕-豆油;3)粉碎高粱-膨化大豆;4)高粱和膨化大豆混和，再一起膨化(膨化飼料)。飼料原料的膨化加工用的是一臺Insta-Pro 2000R型干膨化機。試驗從妊娠110 d開始，仔豬在21日齡斷奶。試驗結(jié)果表明，用膨化飼糧飼養(yǎng)的母豬耗料量極顯著少于對照組;用膨化料飼養(yǎng)的母豬體重下降幅度比單獨膨化的高粱或大豆顯著小。用膨化大豆飼養(yǎng)的母豬與膨化高粱飼養(yǎng)的相比，平均日采食量顯著高，體重下降幅度極顯著小。用膨化的飼料原料飼養(yǎng)的母豬斷奶仔豬成活率、最終窩重和增重較高，但差異并不顯著。與飼喂對照飼糧的母豬相比，飼喂膨化高粱、膨化大豆和膨化飼糧的母豬所得的窩增重分別高出2.0、2.1和2.0 kg。

表6 膨化高粱和大豆對母豬和仔豬生產(chǎn)性能的影響Table 6 Effects of extruded sorghum and soybeans on performance of lactating sows and piglets［28］

4 膨化-低溫制粒對乳豬生長性能的影響

乳豬教槽料不同于普通仔豬飼料，從工藝上應(yīng)該適應(yīng)乳豬生理生長特點，乳豬膨化教槽料選用的玉米、豆粕等原料等經(jīng)膨化處理后再與熱敏性原料(血制品+乳糖+葡萄糖+維生素預(yù)混料+酶制劑+微生態(tài)制劑+微量元素+其他添加劑)混合，形成高消化率的乳豬膨脹教槽料。對于相同配方過40目的干粉狀飼料，乳豬不愛采食;對于相同配方，2.5 mm碎顆粒狀飼料，乳豬易于采食;對于相同配方，2.5 mm膨脹熟化，再低溫制粒，表面進(jìn)行液體添加，乳豬最喜歡采食。因此，乳豬教槽料應(yīng)采用膨脹熟化-低溫制粒工藝，具體工藝參數(shù)見表7。膨脹-低溫制粒乳豬教槽料實際飼喂結(jié)果見表8。

5 膨脹加工工藝對豬生產(chǎn)性能的影響

膨脹對豬的營養(yǎng)物質(zhì)消化率和生產(chǎn)性能的影響見表9。從這些試驗中可以看出，膨脹也可提高干物質(zhì)(DM)、氮(N)和總能(GE)的消化率，因此膨脹飼料通常比顆粒飼料和粉料有更高的消化能。用膨脹飼糧養(yǎng)豬，生產(chǎn)性能通常也較好。膨脹甜菜粕對哺乳母豬生產(chǎn)性能的影響見表10，膨脹飼糧有增加斷奶活仔數(shù)、斷奶重及窩增重的趨勢。

表7 膨脹熟化-低溫制粒乳豬教槽料加工工藝參數(shù)Table 7 Process parameters for piglets feeds pelleted under expanding-low temperature［29］

表8 膨脹熟化-低溫制粒乳豬教槽料實際飼喂結(jié)果Table 8 Some results of feeding piglets feeds pelleted under expanding-low temperature［29］

表9 膨脹玉米-豆粕飼糧對豬的營養(yǎng)物質(zhì)消化率和生產(chǎn)性能的影響Table 9 Effects of expanding corn-soybean meal diet on nutrient digestibility and performance of pigs［17］%

續(xù)表9

表10 膨脹甜菜粕對哺乳母豬生產(chǎn)性能的影響Table 10 Effects of expanding sugar-beet pup on performance of lactating sows［33］

6 小結(jié)

隨著飼料原料資源的短缺和價格的上漲，加工工藝對降低生產(chǎn)成本，改善豬生產(chǎn)性能的作用日趨明顯。傳統(tǒng)的膨化工藝具有降低抗?fàn)I養(yǎng)因子、毒素和有害菌數(shù)量，并提高營養(yǎng)物質(zhì)消化率的作用。新型的膨化和膨脹工藝除了上述優(yōu)點外，還能提高產(chǎn)能，降低能耗，并進(jìn)一步釋放營養(yǎng)物質(zhì)，提高營養(yǎng)物質(zhì)的消化率。膨化和膨脹工藝可破壞非常規(guī)原料的纖維成分，增加其應(yīng)用范圍和營養(yǎng)價值。大量的試驗結(jié)果表明，膨化和膨脹熟化工藝對仔豬、育肥豬和母豬的生產(chǎn)性能具有普遍的提升作用。然而膨化和膨脹加工過程中還有許多需要探索的問題需要去解決，國內(nèi)科研院所、飼料加工企業(yè)應(yīng)在國內(nèi)外研究報道的基礎(chǔ)上，加強在飼料加工膨化和膨脹工藝方面的科研工作，不僅要深入的研究膨化和膨脹工藝對不同類型飼料配方營養(yǎng)價值、動物消化利用率及動物生產(chǎn)性能的影響，還需要去探索出針對不同畜禽，不同飼料所需的理想加工工藝參數(shù)需求。此外，企業(yè)應(yīng)在膨化和膨脹加工方面建立自身的工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從而逐漸形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，為保證膨脹加工過程中的質(zhì)量要求，在加工過程中可以設(shè)計在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時對膨化和膨脹過程進(jìn)行監(jiān)測和跟蹤，以保證膨化和膨脹加工對飼料品質(zhì)的要求。相信，經(jīng)過科研院所、生產(chǎn)企業(yè)的共同努力，膨化和膨脹等工藝將會在飼料加工和動物飼養(yǎng)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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