擠壓膨化與后添加技術(shù)在飼料工業(yè)中的應(yīng)用

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擠壓膨化與后添加技術(shù)在飼料工業(yè)中的應(yīng)用（1）

金征宇

1 擠壓膨化技術(shù)
擠壓膨化技術(shù)應(yīng)用于飼料工業(yè)始于20世紀(jì)50年代的美國(guó)，主要用于加工寵物食品，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理以改進(jìn)消化性和適口性，也用于生產(chǎn)反芻動(dòng)物蛋白補(bǔ)充料的尿素飼料（L.Moscicki，1982）。到了20世紀(jì)80年代，擠壓技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)外發(fā)展速度最快的飼料加工新技術(shù)，它在加工特種動(dòng)物飼料、水產(chǎn)飼料、早期斷奶仔豬料及飼料資源開(kāi)發(fā)等方面具有傳統(tǒng)加工方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)（Borello，C.1985）。
擠壓技術(shù)在我國(guó)飼料工業(yè)中的應(yīng)用尚屬起步，有著廣闊的發(fā)展前景。本文結(jié)合飼料工業(yè)的發(fā)展，就擠壓過(guò)程中飼料成分的變化，擠壓技術(shù)在飼料資源開(kāi)發(fā)、飼料產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及飼料加工中的應(yīng)用等方面作一概述。
1.1 擠壓過(guò)程中飼料營(yíng)養(yǎng)成分的變化
1.1.1 擠壓過(guò)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(duì)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(yíng)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(guò)程中糊化度的大小受擠壓溫度、物料水分、剪切力、螺桿結(jié)構(gòu)及在擠壓機(jī)內(nèi)的滯留時(shí)間、模頭形狀等因素影響。一般規(guī)律是高水分、低溫?cái)D壓使淀粉部分糊化，低水分、高溫?cái)D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?cè)跀D壓過(guò)程中表現(xiàn)出不同的特性。就膨化度而言，總的趨勢(shì)是淀粉中直鏈淀粉含量升高則膨化度降低，有報(bào)道說(shuō)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(lái)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(jié)能力。
1.1.1.2 纖維
纖維在飼料中通常充當(dāng)填充劑。由于用于擠壓的纖維原料及擠壓采用的設(shè)備和工藝條件不同，對(duì)擠壓過(guò)程中纖維數(shù)量的變化文獻(xiàn)報(bào)道差異較大。Fornal等對(duì)蕎麥與大麥的擠壓研究，Wang等對(duì)小麥和小麥麩皮的研究表明，擠壓后的纖維數(shù)量降低，而B(niǎo)jorck（1984）、Ostergard（1989）分別對(duì)全麥粉及全大麥粉擠壓研究的結(jié)果正好同上述相反；至于Silijestron（1986）及Schweizer（1986）研究則認(rèn)為全麥粉在擠壓過(guò)程中其總纖維含量不發(fā)生變化。但對(duì)擠壓過(guò)程中纖維質(zhì)量變化的研究結(jié)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(duì)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(duì)整粒小麥與小麥麩皮擠壓后纖維變化的研究結(jié)果。這種結(jié)果是擠壓過(guò)程中的高溫、高壓、高剪切作用促使纖維分子間價(jià)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(duì)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(kāi)發(fā)膳食纖維無(wú)疑是一個(gè)很好的方法，但對(duì)動(dòng)物是否同樣具有作用尚未見(jiàn)報(bào)道。
飼料工業(yè)中的纖維原料主要來(lái)源于玉米、餅粕和糠麩。在擠壓過(guò)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(lái)源的纖維或纖維純度不同對(duì)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?cè)谝缘矸蹫橹髟系娘暳现刑砑恿窟_(dá)到30%對(duì)最終產(chǎn)品的膨化度也無(wú)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(duì)纖維品質(zhì)的影響

材料與處理?xiàng)l件*	膳食纖維/%**
材料與處理?xiàng)l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(jī)螺桿轉(zhuǎn)速、出模料溫及出模物料水分。
**同一列上標(biāo)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(guò)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(gòu)性能。對(duì)于一個(gè)特定的產(chǎn)品，在選擇親水膠體時(shí)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(lái)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(guò)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(yīng)，影響擠壓飼料的顏色。另外，在擠壓過(guò)程中添加一定量的糖能有效地降低物料的粘度，從而提高物料在模口出口時(shí)的膨化效果，這一點(diǎn)對(duì)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(fēng)味劑、甜味劑、質(zhì)構(gòu)調(diào)節(jié)劑、水分活度與產(chǎn)品顏色調(diào)控劑而被應(yīng)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(guò)程中蛋白質(zhì)的變化
蛋白質(zhì)受擠壓機(jī)腔內(nèi)高溫、高壓及強(qiáng)機(jī)械剪切力作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)最終變性。這種變性使蛋白酶更易進(jìn)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(duì)其影響不一，這主要取決于擠壓過(guò)程中有效賴(lài)氨酸的損失?？偟内厔?shì)是在原料水分低于15%，擠壓溫度高于180℃的條件下，擠壓時(shí)水分愈低，溫度愈高，賴(lài)氨酸損失越大，蛋白質(zhì)的生物學(xué)效價(jià)就愈低（Maclean，W.C.，1983；Noguchi，A.，1982；Bjorck，I.1983）。適當(dāng)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(yīng)的發(fā)生。K.Dahlin（1993）等通過(guò)不同條件下對(duì)玉米、小麥、黑麥和高粱等8種谷物的處理結(jié)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(xué)效價(jià)與未處理原料相比得到顯著提高（Dahlin，K.，1993）。
1.1.3 擠壓過(guò)程中脂肪的變化
擠壓作用會(huì)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(lái)看，擠壓過(guò)程將降低油脂的穩(wěn)定性，但就整個(gè)產(chǎn)品而言，擠壓產(chǎn)品在貯藏過(guò)程中游離脂肪酸含量的升高顯著低于未擠壓樣品，這主要?dú)w結(jié)于擠壓使飼料中的脂肪水解酶、脂肪氧化酶等促進(jìn)脂肪水解的因子失活。
脂肪及其水解產(chǎn)物在擠壓過(guò)程中能同糊化的淀粉形成絡(luò)合物，從而使脂肪不能被石油醚萃取。這種絡(luò)合物的形成使脂肪不易從產(chǎn)品中滲出而給產(chǎn)品一個(gè)很好的外觀。這種絡(luò)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(duì)飼料的質(zhì)構(gòu)、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(gè)擠壓過(guò)程的順利進(jìn)行。例如對(duì)脫脂大豆粉的擠壓，其脂肪的含量不應(yīng)超過(guò)1%；在飼料工業(yè)的膨化料生產(chǎn)中，單螺桿擠壓機(jī)油脂添加量在0%～12%時(shí)，對(duì)擠壓效果無(wú)影響，當(dāng)添加量在12%～17%范圍時(shí)，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(dāng)超過(guò)22%時(shí)則產(chǎn)品就失去了一般擠壓的特性。因此擠壓應(yīng)以含油量低的原料為好。
1.1.4 擠壓過(guò)程中維生素、礦物質(zhì)及風(fēng)味物質(zhì)的變化
維生素在加工過(guò)程中能否保留下來(lái)，很大程度上取決于加工條件。擠壓過(guò)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(guò)程維生素部分損失對(duì)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)的影響。有資料報(bào)道，在擠壓之前添加維生素，不僅擠壓過(guò)程中會(huì)對(duì)維生素產(chǎn)生破壞，而且擠壓之后，產(chǎn)品在儲(chǔ)藏過(guò)程中維生素的損失會(huì)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(jì)。
擠壓過(guò)程中，礦物質(zhì)一般不會(huì)被破壞，但是具有凝固特性的新聚合物的形成可能會(huì)降低某些礦物質(zhì)的生物效價(jià)，例如植酸可能同Zn、Mn等絡(luò)合，形成不為動(dòng)物消化的化合物。
由于擠壓時(shí)的高溫、高水分將分解風(fēng)味物質(zhì)，且具有揮發(fā)性的風(fēng)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(guò)程中風(fēng)味劑的添加都采用擠壓后添加。

2 擠壓技術(shù)與飼料加工
2.1 擠壓技術(shù)與飼料產(chǎn)品
隨著飼料工業(yè)的發(fā)展及對(duì)擠壓技術(shù)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，目前，擠壓技術(shù)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(bǔ)料及用于斷奶仔豬的幼畜飼料。
對(duì)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(qiáng)的吸收油脂能力。這些優(yōu)點(diǎn)有助于提高飼料的消化率、延長(zhǎng)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(dòng)物飼用這些飼料腹瀉的發(fā)生率相對(duì)較少。
擠壓技術(shù)在飼料產(chǎn)品生產(chǎn)中的另一個(gè)應(yīng)用就是制備反芻動(dòng)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(jié)晶狀的尿素緊密結(jié)合。反芻動(dòng)物食用這種產(chǎn)品后不僅能降低尿素在動(dòng)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(shù)與飼料資源開(kāi)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?fàn)I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(shí)作用有利于蛋白質(zhì)變性、淀粉糊化和大豆油細(xì)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(jià)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(duì)生產(chǎn)設(shè)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(guò)擠壓能有效消除其中一些使動(dòng)物、特別是早期斷奶仔豬過(guò)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(dǎo)致仔豬下痢的癥狀。這使擠壓全脂大豆應(yīng)用于仔豬飼料具有豆粕加油脂型飼料無(wú)可比擬的優(yōu)越性，從而越來(lái)越受到飼料加工者的歡迎。
2.2.2 羽毛類(lèi)角蛋白擠壓
羽毛類(lèi)角蛋白資源豐富，價(jià)格低廉。它不僅粗蛋白質(zhì)含量高達(dá)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(jià)格昂貴的蛋氨酸添加，因此，開(kāi)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(jī)作為反應(yīng)處理器，利用擠壓機(jī)腔高溫、高壓和高剪切的環(huán)境及擠壓過(guò)程中外加添加劑的方法進(jìn)行羽毛擠壓，使羽毛在消化率達(dá)到飼用要求（胃蛋白酶的消化率>75%）的同時(shí)，各種氨基酸生物學(xué)效價(jià)與高壓水解羽毛粉無(wú)差異，從而不僅克服了傳統(tǒng)高壓水解或酸堿水解所需設(shè)備投資大、能耗高、勞動(dòng)強(qiáng)度大和環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，而且初步實(shí)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(kāi)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?fàn)I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(jī)的高溫高壓環(huán)境或以擠壓機(jī)作為反應(yīng)器，在擠壓過(guò)程中添加適當(dāng)?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(guò)程中添加石灰，能顯著減少蓖麻籽餅粕的蓖麻毒和CB-IA過(guò)敏素的含量；添加5%強(qiáng)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(lái)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(lái)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。