陳 浩 ，王 銪，劉世操，萬 蒙，陳懿琳，祝愛俠,2，王春維,2*

（1.武漢輕工大學(xué)動物科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，武漢市畜禽飼料工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430023；2.生豬健康養(yǎng)殖湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢 430070）

玉米是畜禽日糧的主要能量原料，占日糧的50%～70%[1]。玉米也是全球種植面積最大的三大谷物作物之一，我國玉米總產(chǎn)量位居世界第二[2]，在食品和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域起著重要作用。隨著飼料工業(yè)的發(fā)展，在提高玉米產(chǎn)量的同時對其質(zhì)量的要求也越來越高，提高玉米的飼用價值，進(jìn)而提高其在動物體中的利用效率，減少營養(yǎng)素的浪費(fèi)，增大養(yǎng)殖效益，能夠使有限的資源最大程度地發(fā)揮作用，對解決我國飼料資源不足具有實(shí)際意義。崔乃元等[3]研究發(fā)現(xiàn)，采用一些特殊加工工藝能夠提高飼料玉米的利用效率和轉(zhuǎn)化率，從而節(jié)約玉米資源。淀粉是玉米中的主要營養(yǎng)物質(zhì)，其含量占玉米干物質(zhì)的60%～70%[4]，提高玉米淀粉的糊化度和利用率對于提高動物的消化率和生長性能有著重要意義。

目前，玉米的加工方式以粉碎、蒸汽壓片和膨化處理為主，蒸汽壓片玉米可把淀粉糊化度提高到40% 左右，但淀粉利用率仍然不高。曹玉偉等[5]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)蒸汽壓片處理的玉米雖然淀粉消化率有效提高，但對蒸汽玉米飼喂的奶牛的采食量并無顯著影響。膨化玉米糊化度較高，但加工條件不易控制。龍立成[6]在日糧中添加25% 膨化玉米，發(fā)現(xiàn)其對乳豬采食量有一定的改善效果，但經(jīng)濟(jì)效益欠佳。本試驗(yàn)旨在將擠壓熟化與烘焙熟化工藝相結(jié)合，探索出一種玉米的二次復(fù)合熟化加工的新工藝，為提高玉米的利用率和飼用價值提供工藝技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備 玉米購自嘉祥縣巨鑫飼料有限公司。試驗(yàn)設(shè)備包括ZK100B 型錘式旋風(fēng)磨粉碎機(jī)（北京中科浩宇科技發(fā)展有限公司）；MHE36－24 型雙螺桿擠壓機(jī)、FMFK－400 型壓片機(jī)、FMDR－200 型烤爐（湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司）。

1.2 一階段擠壓熟化工藝 玉米經(jīng)粉碎過40 目篩，選用FMHE36-24 型雙螺桿擠壓機(jī)進(jìn)行加工；在前期預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定物料的進(jìn)料速度為40 kg/h，擠壓機(jī)機(jī)筒的Ⅰ、Ⅲ區(qū)溫度分別為60℃和70℃，切刀轉(zhuǎn)速為500 r/min；選取水的添加量、機(jī)筒Ⅱ區(qū)溫度和螺桿轉(zhuǎn)速為考察因素，以淀粉糊化度作為目的參數(shù)，探索擠壓工藝的最佳條件。

1.2.1 單因素試驗(yàn) ①機(jī)筒溫度：稱取3 份過40 目篩玉米粉各1 kg，加18% 的水混合均勻，設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為180 r/min。由于本加工為熟化加工，不需要產(chǎn)品膨化，擠壓機(jī)機(jī)筒Ⅱ區(qū)溫度為主要影響參數(shù)，所以本試驗(yàn)擠壓機(jī)機(jī)筒Ⅰ、Ⅲ區(qū)溫度分別設(shè)置為60℃和70℃；以Ⅱ區(qū)溫度為單因素，設(shè)置80、90、100、110、120℃ 5 個水平，探究機(jī)筒Ⅱ區(qū)溫度對玉米粒糊化度的影響，確定Ⅱ區(qū)溫度的最佳水平。

②水的添加量：稱取3 份過40 目篩玉米粉各1 kg（玉米粉水分含量為12.5%）；在此基礎(chǔ)上，分別添加10%、12%、14%、16%、18%的水混合均勻，設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為180 r/min，機(jī)筒Ⅰ、Ⅲ區(qū)溫度分別60℃和70℃，機(jī)筒Ⅱ區(qū)溫度按照優(yōu)化結(jié)果選取，確定水分的最適添加量。

③螺桿轉(zhuǎn)速：稱取3 份過40 目篩玉米粉各1 kg，設(shè)定Ⅰ、Ⅲ區(qū)溫度分別60℃和70℃，選取以上單因素試驗(yàn)得出的最優(yōu)溫度和最適水的添加量，分別在螺桿轉(zhuǎn)速為140、160、180、200、220 r/min 的條件下進(jìn)行擠壓加工，確定螺桿轉(zhuǎn)速的最佳水平。

1.2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，最終確定以機(jī)筒溫度、水的添加量和螺桿轉(zhuǎn)速為影響因素，以淀粉糊化度為評價指標(biāo)，具體正交試驗(yàn)設(shè)計見表1。

表1 玉米一階段擠壓熟化工藝正交試驗(yàn)因素水平

1.3 二階段烘焙熟化工藝 將經(jīng)過一階段擠壓制粒預(yù)熟化后的半熟化玉米粒冷卻干燥后，經(jīng)氣力輸送至壓片機(jī)，通過調(diào)整壓片機(jī)兩對輥間的間距來改變壓片厚度。壓成片狀的玉米輸送進(jìn)入連續(xù)烘焙爐，調(diào)整烘焙爐的溫度和烘烤時間，以玉米片的顏色、香味及糊化度為參考指標(biāo)，篩選最佳加工工藝參數(shù)。

1.3.1 單因素試驗(yàn) ①烘焙溫度：設(shè)定壓片厚度為2 mm，分別在180、190、200、210、220℃條件下烘焙60 s，考察烤爐烘焙溫度對玉米粒糊化度的影響。

②烘焙時間：設(shè)定壓片厚度為2 mm，烘焙溫度按照優(yōu)化結(jié)果選取最適結(jié)果，分別烘焙15、30、45、60、75 s，考察烘焙時間對玉米糊化度的影響。

③壓片厚度：選取以單因素試驗(yàn)得出的最優(yōu)烘焙溫度和時間，設(shè)定壓片機(jī)對輥間距分別為1、1.5、2、2.5、3 mm，考察壓片厚度在玉米烘焙過程中對淀粉糊化度的影響。

1.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計 以淀粉糊化度為因變量，進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計，優(yōu)化加工工藝，具體設(shè)計見表2。

表2 玉米二階段烘焙工藝正交試驗(yàn)因素水平

1.4 糊化度測定 淀粉糊化度測定參照熊易強(qiáng)[7]的方法。

1.5 統(tǒng)計分析 采用Excel 2010 進(jìn)行繪圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 一階段擠壓熟化工藝單因素優(yōu)化分析

2.1.1 機(jī)筒Ⅱ區(qū)溫度對淀粉糊化度的影響 如圖1 所示，玉米的淀粉糊化度在80～120℃溫度下逐漸提高，這是由于當(dāng)溫度升高到一定水平后，水分子進(jìn)入淀粉顆粒的無定形區(qū)，淀粉顆粒急劇膨脹，破壞了淀粉分子間的締合狀態(tài)，然而這種無定形的溶脹能夠促進(jìn)淀粉結(jié)晶區(qū)不穩(wěn)定，使得淀粉的糊化度不斷增加[8]。當(dāng)溫度達(dá)到100℃以上時，糊化度增加趨勢趨于平緩，并在120℃時達(dá)到最大，為91.75%，故機(jī)筒溫度在100～120℃較好。

2.1.2 水的添加量對淀粉糊化度的影響 如圖2 所示，隨著水添加量的增加，糊化度隨之增加，水添加量為16%時糊化度最高，之后糊化度下降。這是因?yàn)殡S著水分的增加，淀粉顆粒遇水吸收熱量后膨脹，導(dǎo)致淀粉顆粒外圍的支鏈淀粉破裂，呈松散無序的狀態(tài)，淀粉原有的有序結(jié)構(gòu)也被破壞，糊化度會上升[9]；而當(dāng)水分超過一定范圍達(dá)到高水分環(huán)境時，水的潤滑作用變大，使得擠出阻力、?？趬毫ψ冃?，擠壓過程中物料與螺桿以及機(jī)筒間的剪切力和摩擦力減小，同時，過多的水也要吸收大量熱量，導(dǎo)致淀粉的糊化溫度不足，模具達(dá)不到高溫狀態(tài)[10]，玉米粉可吸收的能量減少，致使玉米淀粉的糊化度降低。因此，水的添加量在12%～16%為宜。

圖1 機(jī)筒溫度對玉米糊化度的影響

圖2 水的添加量對玉米糊化度的影響

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對淀粉糊化度的影響 如圖3 所示，糊化度隨螺桿轉(zhuǎn)速的增大而增加，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為200 r/min 時，糊化度達(dá)到最大，為87.78%，之后糊化度下降。這是由于當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速由相對低的水平緩慢升高時，原料受到的剪切力慢慢增加，導(dǎo)致物料與機(jī)筒、物料與螺桿及機(jī)筒與螺桿這三者之間的摩擦力變大，摩擦力變大對淀粉分子內(nèi)部氫鍵的破壞作用也變大，從而使淀粉分子結(jié)構(gòu)被破壞，糊化度升高；而當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速升高到一定水平，螺桿的給料速度加快，導(dǎo)致物料在機(jī)筒內(nèi)的停留時間不足，物料受到高溫、高壓、高剪切和強(qiáng)摩擦作用減少，物料升溫不足進(jìn)而導(dǎo)致糊化度降低[11]。因此，螺桿轉(zhuǎn)速為180～220 r/min 較好。

2.2 一階段擠壓熟化工藝正交試驗(yàn) 如表3 可知，根據(jù)極差R 值大小，影響糊化度的因素主次順序?yàn)锳＞B＞C，即水的添加量＞機(jī)筒溫度＞螺桿轉(zhuǎn)速。最佳工藝條件組合為A2B3C3，即水的添加量為14%，機(jī)筒溫度為120 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為220 r/min，在此加工條件下測得糊化度為88.31%。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對糊化度的影響

表3 一階段擠壓熟化工藝正交結(jié)果與分析

2.3 二階段烘焙熟化工藝單因素優(yōu)化分析

2.3.1 烘焙溫度對淀粉糊化度的影響 如圖4 所示，烘焙溫度越高，淀粉糊化度也隨之升高。當(dāng)溫度在200℃以上時，糊化度升高的趨勢趨于平緩。當(dāng)烘焙溫度為220℃時，糊化度達(dá)到最大，為98.97%，基本達(dá)到全糊化狀態(tài)，因此烘焙溫度在200～220℃較好。

2.3.2 烘焙時間對淀粉糊化度的影響 由于本試驗(yàn)選用的是連續(xù)隧道式烘焙爐，通過調(diào)節(jié)皮帶輪的轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)物料的烘焙時間。如圖5 所示，隨著烘焙時間的延長，淀粉糊化度逐步升高，且烘焙時間在60 s 時，糊化度達(dá)到最大值99.2%。而當(dāng)烘焙時間升高到75 s 時，糊化度下降，且大多數(shù)物料已烤焦發(fā)黑。考慮到玉米顏色、香味和糊化度，烘焙時間在30～60 s 為宜。

圖4 烘焙溫度對玉米片糊化度的影響

圖5 烘焙時間對玉米糊化度的影響

2.3.3 壓片厚度對淀粉糊化度的影響 如圖6 所示，壓片厚度為1 mm 時，糊化度最高達(dá)到97.33%，略高于壓片厚度為1.5 mm 時的糊化度。之后隨著壓片厚度增大，玉米片的淀粉糊化度逐漸降低。因而選取壓片厚度在1～2 mm 較好。

圖6 壓片厚度對玉米糊化度的影響

2.4 二階段烘焙熟化工藝正交試驗(yàn) 如表4 可知，根據(jù)極差R 值大小，影響糊化度的因素主次順序?yàn)锳＞B＞C，即烘焙溫度＞烘焙時間＞壓片厚度。最佳工藝條件組合為A3B2C2，即烘焙溫度220℃，烘焙時間45 s，壓片厚度1.5 mm。

表4 二階段烘焙熟化工藝正交結(jié)果與分析

3 討 論

在實(shí)際生產(chǎn)中，動物品種、玉米加工技術(shù)是影響動物對玉米淀粉消化率的主要因素，而動物本身綜合條件不易改變，因此改進(jìn)玉米的加工工藝方式成為提高玉米淀粉消化率的關(guān)鍵途徑[12]。在現(xiàn)有的玉米加工處理中，雖然蒸汽壓片工藝已比較成熟，且廣泛用于反芻動物養(yǎng)殖中，尤其對改善奶牛的牛奶品質(zhì)有良好的效果[5]，但蒸汽壓片玉米在單胃動物的應(yīng)用上效果還不盡理想，需進(jìn)一步研究。本試驗(yàn)后期還研究了不同加工處理方式對玉米淀粉糊化特性的影響，發(fā)現(xiàn)蒸汽壓片玉米和膨化玉米相較于烘焙玉米淀粉回升值更高，老化更快，這可能也是蒸汽壓片玉米在單胃動物上應(yīng)用效果不理想和膨化玉米經(jīng)濟(jì)效益欠佳的原因之一。淀粉有糊化和老化2 個特性，糊化是淀粉顆粒分子間氫鍵斷裂，由有序到無序的變化過程，這一變化有利于提高動物體對淀粉的消化率[13]；老化又名回生，它是糊化的淀粉分子氫鍵重新結(jié)合，再次回歸到有序狀態(tài)的過程[14]，且淀粉老化后難以再次糊化，會降低飼料的營養(yǎng)價值，更不易被動物消化吸收。

本研究將擠壓熟化與烘焙熟化組合進(jìn)行二次復(fù)合熟化加工技術(shù)，其效果明顯優(yōu)于單一熟化工藝。本研究在對玉米2 種不同熟化工藝進(jìn)行單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼而通過正交試驗(yàn)對工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，使得玉米淀粉的糊化度在復(fù)合熟化后最高達(dá)99%左右，玉米在經(jīng)擠壓熟化后，其水分仍可維持在19%～23%，使得其經(jīng)壓片后在二次烘焙過程中，不僅水分充足，且薄片狀受熱均勻，玉米在加工后可接近完全糊化，相對于一階段擠壓熟化，淀粉糊化度有了很大提升，玉米的消化率和利用率也有效提高。玉米在經(jīng)一階段擠壓熟化后，雖然淀粉的糊化度得到有效提高，并保留了玉米的色澤和香氣[15]；但本研究發(fā)現(xiàn)，擠壓熟化后的玉米在儲存過程中容易發(fā)生回生現(xiàn)象，降低了玉米的營養(yǎng)價值。基于此，本試驗(yàn)通過對適度糊化的玉米再進(jìn)行烘焙熟化，在保留了玉米色澤并提升香味的基礎(chǔ)上，既降低了玉米含水量和更大程度地提升了玉米的淀粉糊化度，還減緩了玉米淀粉的老化回生現(xiàn)象，提高了玉米的飼用價值。本試驗(yàn)正交優(yōu)化后的工藝，使玉米淀粉在經(jīng)烘焙45 s 后就能接近全熟化狀態(tài)，具有省時高效的優(yōu)勢，但烘焙玉米在動物體上的應(yīng)用效果還需通過動物試驗(yàn)進(jìn)一步研究。目前，烘焙技術(shù)主要應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域，尤其是谷物類的烘制[16]，烘焙后淀粉產(chǎn)生糊化、蛋白質(zhì)變性等一系列化學(xué)變化，能使烘焙食品達(dá)到熟化的目的[17]，但烘焙技術(shù)在飼料生產(chǎn)行業(yè)的應(yīng)用還鮮有報道。隨著烘焙技術(shù)不斷發(fā)展，以及飼料行業(yè)對飼料原料預(yù)處理要求的提高，烘焙技術(shù)將在飼料行業(yè)有一定的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

本研究探索了玉米經(jīng)一階段擠壓和二階段烘焙的復(fù)合熟化加工工藝，優(yōu)化了各項(xiàng)工藝的技術(shù)參數(shù)。優(yōu)化后的一階段擠壓熟化最佳工藝條件為水的添加量14%，機(jī)筒溫度120℃，螺桿轉(zhuǎn)速220 r/min；二階段烘焙熟化工藝最佳工藝條件為溫度220℃，烘焙時間45 s，壓片厚度1.5 mm。