■王 昊 李軍國 楊 潔 秦玉昌 馬世峰 李 俊 薛 敏 程宏遠(yuǎn)

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，北京 100081；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼料生物技術(shù)重點實驗室，北京 100081）

近年來，擠壓膨化技術(shù)逐漸成為了我國水產(chǎn)飼料 行業(yè)最主要的加工方式。相比于傳統(tǒng)的制粒工藝，膨化加工過程會顯著提高飼料的外觀質(zhì)量、消化率、耐久性以及耐水性，減少浪費(fèi)以及水體污染[1-3]。但是由于擠壓膨化工藝涉及的影響因素眾多且缺乏相關(guān)的基礎(chǔ)性研究，目前膨化水產(chǎn)飼料尚未形成系統(tǒng)且完善的工藝控制體系。因此，在實際生產(chǎn)中，當(dāng)出現(xiàn)由于配方與生產(chǎn)參數(shù)不匹配而導(dǎo)致的產(chǎn)能降低和產(chǎn)品質(zhì)量波動等問題時難以做出及時準(zhǔn)確的工藝調(diào)整。

魚粉作為水產(chǎn)飼料主要蛋白源，具備優(yōu)良的營養(yǎng)特性以及適宜的加工性能[4]。但是近年來，隨著海洋資源的限制以及魚粉價格的不斷上漲，包括昆蟲蛋白、藻類蛋白及植物蛋白在內(nèi)的多類原料已被應(yīng)用于水產(chǎn)飼料的生產(chǎn)并獲得了較為理想的養(yǎng)殖效果[5-8]，其中以豆粕及大豆?jié)饪s蛋白的使用較為廣泛。雖然大部分中高檔魚類由于特定的營養(yǎng)需求，配方中采用植物性蛋白替代魚粉的比例較為有限。但對于另外一些養(yǎng)殖成本較低的品種來說，在不影響動物產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低魚粉使用量可以大大節(jié)約原料成本，從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，而營養(yǎng)學(xué)方面的問題則可通過補(bǔ)充必需氨基酸、酶制劑以及采用發(fā)酵工藝等加以解決[4]。目前關(guān)于植物蛋白源替代魚粉的研究主要集中在對動物腸道健康、生長性能等方面的評價[9-12]，而對飼料物理質(zhì)量影響的報道較為缺乏。由于擠壓膨化工藝的復(fù)雜性，原料的種類及功能特性、設(shè)備構(gòu)型及工藝參數(shù)都會對最終的產(chǎn)品物理質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[5，13]，并且這些影響會直接決定最終的養(yǎng)殖飼喂效果和水體環(huán)境。這就要求飼料中植物性蛋白源替代魚粉后不僅需要提供正確的營養(yǎng)成分，而且要具有在當(dāng)前工藝條件下形成優(yōu)良飼料品質(zhì)的加工性能[14-15]。雖然植物蛋白具有安全廉價的優(yōu)點，但與魚粉相比其蛋白質(zhì)含量較少，這就意味著配方中淀粉原料的空間可能被壓縮，這將會使一些成品性質(zhì)的可調(diào)整性降低[16]，比如合適的膨化度及孔隙率。所以針對不同品種的飼料，植物性蛋白替代魚粉會對顆粒飼料質(zhì)量產(chǎn)生積極或者負(fù)面的影響，如果想在此條件下穩(wěn)定或改善飼料質(zhì)量，就需要從設(shè)備及工藝的角度考慮，而設(shè)備構(gòu)型的調(diào)整可操作性差且成本代價很大，因此研究植物性蛋白源替代魚粉后的工藝參數(shù)調(diào)整具有重要的實際意義。

本試驗旨在研究擠壓膨化工藝中的關(guān)鍵參數(shù)（調(diào)質(zhì)水分含量、模頭溫度、主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速以及噸料開孔面積）對水產(chǎn)顆粒飼料產(chǎn)品質(zhì)量的影響，評價全植物蛋白配方的加工適應(yīng)性并且為生產(chǎn)具有理想質(zhì)量的膨化飼料提供合理參考。

1 材料及方法

1.1 試驗原料及配方

本次試驗用大豆粕由北京糧油集團(tuán)提供，面粉來自北京市昌平區(qū)南口面粉廠，大豆?jié)饪s蛋白及豆油由秦皇島市益海嘉里集團(tuán)提供。具體試驗配方見表1。

表1 基礎(chǔ)飼料組成及營養(yǎng)水平(干物質(zhì)基礎(chǔ)，%）

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用單因素試驗設(shè)計，綜合考慮各項對產(chǎn)品質(zhì)量具有影響的參數(shù)，選取物料的調(diào)質(zhì)水分含量（24%～32%）、模頭溫度（75～135 ℃）、主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速（180～300 r/min）以及噸料開孔面積[400～600 mm2/(t·h)]作為獨立變量進(jìn)行試驗，單因素試驗設(shè)計見表2。

表2 單因素試驗設(shè)計

1.3 試驗加工條件及過程

本試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院南口中試基地飼料加工車間進(jìn)行，選用牧羊SJPS56×2雙螺桿膨化機(jī)，膨化機(jī)螺桿直徑56 mm，長徑比（L/D）為20∶1，螺桿轉(zhuǎn)速在0～300 r/min范圍內(nèi)可調(diào)，膨化機(jī)與一臺雙軸差速調(diào)質(zhì)器相連，最大處理量為200 kg/h。試驗選用3 mm沉性顆粒料模板進(jìn)行生產(chǎn)加工，開孔面積21.21 mm2。膨化加工過程中固定調(diào)質(zhì)溫度為（95±3）℃，調(diào)質(zhì)水分含量及模頭溫度通過冷水/蒸汽注入量調(diào)整。每組試

驗條件調(diào)整后，待膨化機(jī)各項參數(shù)穩(wěn)定10 min，分別在調(diào)質(zhì)器出料口以及膨化機(jī)出料口進(jìn)行樣品采集，樣品采集3 份，采樣間隔30 s。取樣后立即用國標(biāo)法進(jìn)行調(diào)質(zhì)樣品水分含量的檢測。試驗樣品采用自然風(fēng)干的方法，待水分低于10%，符合貯存條件，收取裝袋進(jìn)行試驗指標(biāo)的檢測。試驗中膨化機(jī)系統(tǒng)各項參數(shù)由自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集（每4 s采集1次）并儲存在計算機(jī)中以備后續(xù)處理分析。

1.4 檢測方法

1.4.1 容重

采用容重測量儀測量。將單位體積（1 L）容器裝滿飼料，用鐵板刮平容器口，量取重量。每份樣品測量3次取平均值用于數(shù)據(jù)分析。

1.4.2 膨化率

每份樣品隨機(jī)取20粒，用游標(biāo)卡尺測量其直徑，取其平均值作為樣品直徑，計算膨化率。

樣品的膨化率=顆粒直徑/模孔直徑

1.4.3 下沉率

取100 粒飼料樣品置于裝有400 mL 純化水的500 mL燒杯中，于25 ℃下浸泡，計時。10 min后記錄下沉顆粒數(shù)，取三次試驗結(jié)果均值記為下沉率。

1.4.4 耐水時間

取100 粒飼料樣品置于裝有400 mL 純化水的500 mL 燒杯中，于25 ℃下浸泡，計時。每5 min 模擬水中環(huán)境以同樣力度和方式用玻璃棒攪拌1 次。檢測期間觀察水中顆粒變化情況，以50%飼料出現(xiàn)開裂，潰散的時間記為耐水時間，每個樣品測量3 次取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.4.5 軟化時間

取200 粒飼料樣品置于裝有400 mL 純化水的500 mL 燒杯中，于25 ℃下浸泡，計時。每5 min 用玻璃棒以同樣的力度和方式攪拌1次，模擬飼料在水中的受力情況。試驗期間不間斷地用鑷子隨機(jī)取出顆粒進(jìn)行觀察，直至取出的顆粒橫截面全部被水浸潤，可以用手指捏碎且無“硬芯”，此時記錄時間，每份樣品取三次測量平均值作為軟化時間。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Excel做初步統(tǒng)計，用SAS 9.2數(shù)據(jù)分析軟件中ANOVA進(jìn)行單因素方差分析并進(jìn)行協(xié)方差分析，采用Duncan’s 檢驗進(jìn)行多重比較和顯著性分析，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)質(zhì)水分含量對產(chǎn)品質(zhì)量的影響（見圖1、表3）

表3 調(diào)質(zhì)水分含量對飼料物理質(zhì)量的影響

調(diào)質(zhì)水分含量對飼料顆粒質(zhì)量的影響如表3 和圖1 所示。當(dāng)水分含量由24%增加到32%，飼料容重上升96.8 g/L，且各處理組間均差異顯著（P<0.05）。28%水分含量處理組的膨化率顯著高于其他處理組達(dá)到了1.19，且下沉率為100%。耐水時間隨水分含量的升高呈先增加后減少的趨勢，且各處理組之間差異顯著（P<0.05），28%水分含量處理組耐水時間最長，超過240 min。24%水分含量處理組的飼料軟化時間最短僅為16 min，可能是其表面粗糙，顆粒成型效果較差，因此水分較易于進(jìn)入，從外觀質(zhì)量上看為不合格產(chǎn)品。隨著水分含量繼續(xù)升高，軟化時間逐漸增加，但各處理組均低于30 min。

2.2 模頭溫度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響（見表4）

模頭溫度對飼料產(chǎn)品質(zhì)量的影響見表4?？梢钥闯?，隨著模頭溫度由90 ℃升高到120 ℃，容重顯著降低81.3 g/L（P<0.05），繼續(xù)升溫到135 ℃后無顯著變化（P>0.05）。膨化率總體上與容重變化趨勢相反，模頭溫度為120 ℃時最高為1.17。各處理組下沉率均為100%，當(dāng)模頭溫度≥105 ℃時，飼料耐水時間均超過240 min。模頭溫度從75 ℃升高到135 ℃，飼料軟化時間顯著減少26 min（P<0.05）。

表4 模頭溫度對飼料物理質(zhì)量的影響

2.3 螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品質(zhì)量的影響（見表5）

表5 螺桿轉(zhuǎn)速對飼料物理質(zhì)量的影響

螺桿轉(zhuǎn)速變化對飼料質(zhì)量的影響結(jié)果見表5。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，容重呈下降趨勢，膨化率呈上升趨勢，其中300 r/min 處理組的容重顯著低于其他各組（P<0.05），膨化率與270 r/min 處理組無顯著差異（P>0.05），但顯著高于其他3 組（P<0.05）。各處理組下沉率均為100%。隨著螺桿轉(zhuǎn)速從180 r/min提高到300 r/min，飼料耐水時間顯著增加15 min（P<0.05），軟化時間減少7 min（P<0.05）。

2.4 噸料開孔面積對產(chǎn)品質(zhì)量的影響（見表6）

噸料開孔面積對飼料質(zhì)量的影響如表6所示，在模板開孔面積固定的情況下，噸料開孔面積的調(diào)整主要通過改變喂料速度實現(xiàn)。隨著噸料開孔面積的增加，容重主要表現(xiàn)為升高的趨勢而膨化率逐漸下降，600 mm2/(t·h)處理組容重顯著高于其余4組達(dá)到590.8 g/L（P<0.05），膨化率顯著低于其余4組（P<0.05）。各處理組下沉率均為100%，400 mm2/(t·h)處理組耐水時間最長為55 min，顯著高于其他4組（P<0.05）。飼料軟化時間隨噸料開孔面積變大從29 min顯著增加到40 min（P<0.05）。

表6 噸料開孔面積對飼料物理質(zhì)量的影響

3 討論

3.1 調(diào)質(zhì)水分含量對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

從試驗結(jié)果可以看出，調(diào)質(zhì)水分含量對全植物蛋白配方飼料產(chǎn)品質(zhì)量的影響最為顯著。在水分含量從24%上升至32%的過程中，容重呈持續(xù)上升的趨勢。這與Singh等[17]在研究擠壓膨化豌豆蛋白時所獲得的研究結(jié)果相一致，說明在膨化過程中水分增加起到的增塑作用使物料黏度以及模頭壓力降低而減弱了膨化效果[18]，其程度大于模頭處水分閃蒸作用對膨化率的積極影響。此結(jié)果可能與豆粕相較于魚粉所具有的高吸水性有關(guān)[19]，當(dāng)水分被豆粕吸收而與其緊密結(jié)合后，所能起到的蒸發(fā)效果可能會大大減弱。水分對于維持飼料顆粒完整性以及產(chǎn)品物理質(zhì)量是至關(guān)重要的[20]。從圖1中可以看出，當(dāng)水分含量為24%、26%時，飼料外觀質(zhì)量較差，表面粗糙。Kaliyan 等[21]認(rèn)為原料間的自由水在顆粒之間潤濕并擴(kuò)散，由于液體橋接而產(chǎn)生內(nèi)聚力，通過毛細(xì)管作用和黏性力將顆粒結(jié)合在一起，對淀粉、面筋等物質(zhì)形成飼料骨架以及產(chǎn)生黏合效果起到重要作用。粗糙的外觀質(zhì)量說明顆粒內(nèi)部用于結(jié)合原料微粒的水分不足，因此黏結(jié)效果較差，浸入水中易潰散。水分含量為28%時飼料顆粒大小均勻且表面光滑，質(zhì)量最佳。同時，本試驗表明水分含量過高也會降低飼料的耐水時間，且當(dāng)水分含量升高到30%以上時，飼料表面顏色不均一，這可能與熔融物料黏度降低導(dǎo)致其受到的剪切及揉合作用減弱有關(guān)[18]。另外，出模時壓力較低會使顆粒趨向于擠壓成型而非膨化成型，較難形成致密且均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而使飼料的耐水性下降。所以在加工過程中應(yīng)合理控制調(diào)質(zhì)水分以保證飼料的外觀及物理質(zhì)量。

3.2 模頭溫度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

膨化溫度是影響擠壓膨化飼料產(chǎn)品質(zhì)量的最關(guān)鍵因素之一。物料從進(jìn)入膨化機(jī)到被擠壓成型一般會經(jīng)過喂料區(qū)、輸送區(qū)、剪切糅合區(qū)以及擠出區(qū)，各區(qū)均可通過蒸汽/冷水系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制[22]。其中擠出區(qū)即物料出模前處的溫度對飼料質(zhì)量的影響最為顯著。隨著模頭溫度的增加，模頭處壓力也隨之增加，導(dǎo)致?？滋幩珠W蒸作用加強(qiáng)，因而飼料的容重逐漸降低，膨化率提高[23]。本次試驗?zāi)ｎ^溫度增加到135 ℃，飼料仍全部下沉且膨化率不足1.2，這與許多以魚粉為基礎(chǔ)的飼料的膨化結(jié)果有較大差異，S?rensen等[24]在研究中也發(fā)現(xiàn)以豆粕替代部分魚粉會使容重顯著增加，膨化率明顯降低。這主要歸因于植物性蛋白自身理化性質(zhì)和加工特性，豆粕較高的吸水性（親水性）會使熔融物料具有更高的表觀黏度，增強(qiáng)了水與微顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度，從而降低了模頭處熔體過熱時的膨脹效果[10]。除此之外，研究[24]還認(rèn)為豆粕中植物性纖維的存在可能在很大程度上限制了飼料在出模時的膨化效果。因此，在膨化加工豆粕含量較高的配方時，可適當(dāng)采用較高（105～135 ℃）的模頭溫度以同時保證飼料的糊化度及耐水性。模頭溫度的增加同樣會促進(jìn)混合物料中淀粉及蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的降解及變性，在一定程度上改善飼料的熟化度[25]。在自由水相對充足的情況下，提高膨化溫度也會促進(jìn)原料微顆粒之間的均勻混合與相互交聯(lián)，使成型后顆粒在經(jīng)過長時間浸泡過后更具有黏彈性而不易潰散。升溫造成的大分子物質(zhì)降解也相應(yīng)地提高了飼料的水溶性[26]，有利于水分進(jìn)入顆粒內(nèi)部，加之膨化率增加所造成的飼料孔隙率提高，兩種因素共同作用使軟化透芯時間減少。

3.3 螺桿轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

膨化過程中機(jī)械能及部分熱能的注入需要由主機(jī)螺桿完成，因此螺桿轉(zhuǎn)速的改變直接影響加工過程的能量注入水平。螺桿轉(zhuǎn)速增加會使螺桿與物料間的摩擦作用增強(qiáng)，產(chǎn)熱增加，最終加強(qiáng)物料在出模時的膨化效果，使產(chǎn)品容重降低[22]，但同樣會使膨化機(jī)扭矩及加工能耗上升。除此之外，螺桿轉(zhuǎn)速的增加將也會使物料在膨化機(jī)內(nèi)停留時間減短，更多地堆積在模頭處使此部分壓力上升，進(jìn)而提高飼料的膨化效果。王亮等[27]在研究擠壓條件對谷物早餐質(zhì)構(gòu)的影響時發(fā)現(xiàn)，雖然較低的螺桿轉(zhuǎn)速使物料在膨化腔內(nèi)停留的時間延長，受到的熱效應(yīng)較大，但當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速增加時，機(jī)械能注入量的增加依舊提高了顆粒的脆性和膨化率。?；赖萚28]在研究擠壓蒸煮工藝參數(shù)對沉性水產(chǎn)飼料顆粒質(zhì)量的影響時也得出了相似的結(jié)論。在膨化腔內(nèi)的濕熱環(huán)境下，螺桿轉(zhuǎn)速的增加會加強(qiáng)其對熔融態(tài)物料的剪切作用，從而促進(jìn)淀粉、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的熱降解及熟化[29]，使飼料的黏結(jié)性和可塑性增加，提高了飼料的水中穩(wěn)定性，延長了耐水時間。與提高模頭溫度產(chǎn)生的影響相似，高剪切作用下生成的低分子量物質(zhì)也會提高飼料的水溶性指數(shù)[30]，加之對膨化效果的促進(jìn)作用使飼料在水中的軟化時間減少。但與模頭溫度和水分含量相比，螺桿轉(zhuǎn)速變化對產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度較為有限。

3.4 噸料開孔面積對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

膨化機(jī)的喂料速度/產(chǎn)能也是影響飼料物理質(zhì)量的重要因素。由于不同類型和規(guī)格的膨化機(jī)開孔面積不盡相同，因此將模板開孔面積與喂料速度的比值作為一個通用性的工藝參數(shù)進(jìn)行研究比較和指導(dǎo)生產(chǎn)是較為合適的。噸料開孔面積定義為膨化系統(tǒng)濕基喂料速度為1 000 kg/h時模板的總開孔面積[30]。在連續(xù)生產(chǎn)過程中，更換模板較難實現(xiàn)，因此會通過調(diào)整喂料速度控制噸料開孔面積。在模板開孔面積固定的情況下，喂料速度會通過影響膨化腔填充度、物料熱傳遞效率、物料停留時間以及模頭壓力等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)而對產(chǎn)品質(zhì)量起到調(diào)控作用[22]。張嘉琦等[30]研究發(fā)現(xiàn)噸料開孔面積由300 mm2/(t·h)增加到500 mm2/(t·h)會使水產(chǎn)飼料的膨化率顯著降低，容重升高123 g/L且由浮性飼料變?yōu)槌列燥暳稀＠钪仃柕萚22]在研究工藝參數(shù)對寵物飼料物理質(zhì)量影響的研究中也認(rèn)為增加噸料開孔面積對飼料的膨化效果具有負(fù)面影響。本試驗中噸料開孔面積在400～600 mm2/(t·h)之間變化，膨化率均小于1.2且樣品全部下沉，這與前人的研究結(jié)果基本一致。主要是由于隨著噸料開孔面積的增加，膨化腔填充度下降，物料在膨化腔內(nèi)受到的壓力減小，相應(yīng)地降低了膨化率，使飼料容重增加[30]。根據(jù)研究結(jié)果及生產(chǎn)經(jīng)驗，一般在生產(chǎn)浮性料的過程中噸料開孔面積控制在200～250 mm2/(t·h)，而沉性飼料則為550～600 mm2/(t·h)。膨化腔內(nèi)填充度降低同樣會導(dǎo)致物料所受到的剪切作用減弱，使混合程度、高分子降解作用和黏結(jié)效果下降[31]，從而使飼料耐水時間減少、軟化透芯時間增加。

4 結(jié)論

本試驗研究了擠壓膨化過程中調(diào)質(zhì)水分含量、模頭溫度、螺桿轉(zhuǎn)速及噸料開孔面積對全植物蛋白配方膨化飼料產(chǎn)品質(zhì)量的影響。試驗結(jié)果表明，4 項工藝參數(shù)在其設(shè)定范圍內(nèi)對產(chǎn)品質(zhì)量均有顯著影響，影響程度大小為：調(diào)質(zhì)水分含量>模頭溫度>螺桿轉(zhuǎn)速>噸料開孔面積。

在所有試驗設(shè)計參數(shù)條件下，由此配方加工所獲得的顆粒下沉率均為100%，適宜生產(chǎn)沉性膨化飼料。合適的工藝參數(shù)為調(diào)質(zhì)水分含量28%、模頭溫度105 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速300 r/min 以及噸料開孔面積400 mm2/(t·h)。