擠壓膨化參數(shù)對(duì)膨化大豆質(zhì)量及營(yíng)養(yǎng)成分的影響

■劉海軍 穆玉云 李 亮

（上海新農(nóng)飼料有限公司，上海 201613）

大豆是一種營(yíng)養(yǎng)成分較均衡的優(yōu)良植物蛋白質(zhì)資源，含粗蛋白36%以上、脂肪17%以上、淀粉10%左右[1]、氨基酸、維生素 卵磷脂和礦物質(zhì)。但是大豆中含有大量的抗?fàn)I養(yǎng)因子及有害物質(zhì)，造成幼齡動(dòng)物對(duì)其營(yíng)養(yǎng)成分消化吸收障礙，引起營(yíng)養(yǎng)性腹瀉，使其腸道受損，這就限制了大豆在幼齡動(dòng)物飼糧中的應(yīng)用。而大豆經(jīng)過一系列加工，能通過破壞抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，消除或降低抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)抗原活性等方式，來(lái)降低大豆中抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的危害，同時(shí)也能使大豆的蛋白質(zhì)變性、淀粉糊化及大豆油細(xì)胞破裂，從而提高大豆的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

1 加工工藝參數(shù)對(duì)膨化大豆物性指標(biāo)的影響

擠壓膨化是一種集混合、揉合、剪切、加熱、冷卻和成型等多種作業(yè)于一體的加工技術(shù)。該加工工藝是將調(diào)質(zhì)后的物料送入螺桿擠壓腔內(nèi)，經(jīng)變徑和變螺距的幾何形狀螺桿對(duì)物料進(jìn)行擠壓，隨著物料前進(jìn)方向擠壓腔空間逐漸變小，在穩(wěn)定的螺桿轉(zhuǎn)速下，物料所受到的擠壓力逐步增大，其壓縮比可達(dá)到4～10；并且物料在膨化腔內(nèi)移動(dòng)時(shí)還伴隨著強(qiáng)烈的剪切、揉合和摩擦等作用，產(chǎn)生熱量，同時(shí)也通過蒸汽獲得熱量，這樣使物料溫度急劇升高，物料中的淀粉隨即產(chǎn)生糊化，整個(gè)物料變成熔化的塑性膠狀體；在擠壓腔內(nèi)，物料中所含水分的溫度雖然很高，但由于腔內(nèi)壓強(qiáng)較高，水分并未轉(zhuǎn)變成水蒸汽，直到物料從擠出?？着懦龅乃查g，壓強(qiáng)驟然降低，水分迅速變成過熱蒸汽而增大體積，使物料體積迅速膨脹，水蒸汽蒸發(fā)逸散在冷卻的膠狀物料中留下許多的微孔[2-3]，就形成了膨化飼料。

擠壓溫度是影響膨化飼料產(chǎn)品質(zhì)量的決定性因素，對(duì)膨化產(chǎn)品的抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)（如脲酶、胰蛋白酶因子、抗原蛋白）、蛋白質(zhì)、維生素、香味劑等均有較大影響。周克勇（2001）[4]研究表明隨著溫度和水分升高，脲酶活性降低；在壓力條件相近的條件下，溫度越高，對(duì)飼料原料的破壞越大。趙克振等（2011）[5]報(bào)道大豆蛋白質(zhì)溶解度和脲酶活性隨溫度的升高而降低，當(dāng)溫度升高至130℃時(shí)，蛋白質(zhì)溶解度為74.88%，脲酶活性值低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（P＜0.3），當(dāng)溫度升高至150℃時(shí)，蛋白質(zhì)溶解度均低于60%，脲酶活性最大值為0.08 U/g；在同一篩孔直徑下，大豆粉的粒度隨水分的增大而增大（P＞0.05），進(jìn)而水分和粒度對(duì)蛋白質(zhì)溶解度影響顯著（P＜0.05）。周兵等（2006）[6]指出膨化大豆的蛋白質(zhì)溶解度與加工溫度在一定范圍（80～120℃）內(nèi)呈負(fù)相關(guān)，而且脲酶活性也隨溫度升高而降低，這與趙克振的結(jié)論一致。劉福柱等（2001）[7]指出膨化大豆適宜采用先微粉碎化處理的方法,使膨化溫度降到125℃左右，可減少大豆?fàn)I養(yǎng)成分尤其是氨基酸的損失。

水是形成膨化產(chǎn)品微孔結(jié)構(gòu)的前提。當(dāng)物料在擠壓膨化過程中缺乏水分，蛋白質(zhì)的膠溶效果不好，物料黏性差，膨化產(chǎn)品微孔少，影響膨化度；當(dāng)水分過大時(shí)，物料的塑黏過大，致使擠壓壓力不穩(wěn)定，可造成膨化機(jī)的噴料現(xiàn)象，產(chǎn)品成型較差[2]，故膨化物料水分在膨化過程中也起重要作用。

張祥等(2005)[8]稱大豆經(jīng)過3.0 mm篩網(wǎng)的粉碎機(jī)粉碎，含水量11.2%，在不改變其他工藝參數(shù)的情況下，即通入的蒸汽量為7%～8%，夾套溫度為120℃左右，在一定的范圍內(nèi)，壓力環(huán)的直徑越大，脲酶活性越低，當(dāng)熟化區(qū)壓力環(huán)的直徑為195 cm時(shí)，脲酶的活性較低，為0.16 U。同時(shí)得出溫度越高，尿酶活性越低，越有利于動(dòng)物對(duì)飼料的消化吸收，當(dāng)夾套溫度達(dá)到128.9℃時(shí)，尿酶活性低于0.28 U。

程譯峰等(2009)[9]稱物料水分含量、喂料速度、螺桿轉(zhuǎn)速和機(jī)筒溫度的適度增加都使淀粉糊化度、蛋白質(zhì)體外消化率增大；機(jī)筒溫度過高反而使蛋白質(zhì)體外消化率減小。并在適宜的膨化條件(調(diào)質(zhì)后水分26%～30%，喂料速度30～60 r/min，螺桿轉(zhuǎn)速150～250 r/min，機(jī)筒溫度120～135 ℃)下,飼料的淀粉糊化度和蛋白質(zhì)體外消化率均可達(dá)到90%～92%。

2 擠壓膨化參數(shù)對(duì)膨化大豆?fàn)I養(yǎng)成分的影響

2.1 淀粉

淀粉在高溫、高壓和高剪切作用下，吸水受熱膨脹，直鏈間脆弱的氫鏈斷裂，原來(lái)有序結(jié)構(gòu)遭到破壞，呈松散無(wú)序結(jié)構(gòu)，即發(fā)生糊化。大量文獻(xiàn)研究表明，淀粉糊化度受加工溫度、喂料速度、螺桿轉(zhuǎn)速和物料含水量，及其交互作用的影響。提高物料含水量和加工溫度均有利于提高產(chǎn)品的糊化度以及淀粉的消化吸收率。即使在很低的物料含水量的條件下也可以使淀粉發(fā)生徹底的糊化，因此擠壓膨化加工技術(shù)能夠在賦予淀粉高消化吸收率的同時(shí)，最大限度地避免其它成分的損失。周克勇(2001)[6]報(bào)道淀粉糊化度有隨壓力增大而增加的趨勢(shì)，溫度、水分、?？卓讖揭财鹬匾饔?，并得出淀粉較好糊化效果條件：膨化溫度在165℃左右，壓力0.44～0.05 MPa，?？字睆? mm，水分（16±1）%。

2.2 蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)分子受到高溫、高壓、高剪切力的作用，原有的空間結(jié)構(gòu)被打亂而熔融，離開?？跁r(shí)，隨著壓力迅速下降，過熱水急劇蒸發(fā)，在纖維狀結(jié)構(gòu)中留下了多孔氣泡狀空間結(jié)構(gòu)。徐紅華等（2007）[10]發(fā)現(xiàn)低物料水分、低膨化溫度、短模孔可以減少擠壓膨化預(yù)處理工藝過程中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞程度。相反，高物料水分、高溫?cái)D壓膨化時(shí)，會(huì)加劇蛋白質(zhì)分子內(nèi)部疏水基的暴露和蛋白質(zhì)的交聯(lián)。在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的擠壓膨化預(yù)處理工藝更有利于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改善。

在研究的早期階段，據(jù)報(bào)道大豆組織化產(chǎn)品中蛋白結(jié)構(gòu)以凝膠的形式存在，凝膠化的蛋白質(zhì)分子間的作用以二硫鍵、氫鍵，靜電引力三種方式存在。Burgess等(1976)[11]研究指出組織化蛋白的最終結(jié)構(gòu)是由180℃擠壓條件下新生成的肽鍵決定的，而與二硫鍵是否形成無(wú)關(guān)。然而Baid等(1982)[12]指出大豆蛋白凝膠化過程并不涉及共價(jià)鍵的形成。Smith等（1982）[13]采用在大豆粉中添加1%的鹽的方式證實(shí)了該結(jié)論，靜電作用在組織化蛋白質(zhì)相互締合中發(fā)揮重要作用，能極大影響產(chǎn)品的特性。

蛋白質(zhì)還與其它化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。擠壓膨化的優(yōu)點(diǎn)是可使大部分抗?fàn)I養(yǎng)因子失活，蛋白質(zhì)的部分降解使游離氨基酸含量升高，并形成易受酶作用的蓬松結(jié)構(gòu)，因而蛋白質(zhì)消化吸收率增加；缺點(diǎn)是賴氨酸因與還原糖發(fā)生美拉德反應(yīng)而減少，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低[14]。王紅云等（2002）[15]研究大豆經(jīng)膨化后可降低其脲酶活性和蛋白溶解度，破壞抗原物質(zhì)；生大豆組皮褶厚度極顯著高于膨化大豆組；但造成部分營(yíng)養(yǎng)損失，其中賴氨酸損失最大，達(dá)12.14%。李揚(yáng)等（2009）[16]研究水酶法結(jié)合擠壓膨化法對(duì)大豆處理后蛋白質(zhì)提取率的影響，在優(yōu)化的最佳擠壓膨化工藝參數(shù)（?？卓讖綖?2 mm，物料含水率為17%，螺桿轉(zhuǎn)速為94 r/min，套筒溫度為92℃）條件下，總蛋白得率可達(dá)到94.17%左右，比傳統(tǒng)的濕熱預(yù)處理后酶解的總蛋白得率提高了近15%。

2.3 脂肪

大豆經(jīng)擠壓膨化加工，其脂肪穩(wěn)定性將降低，發(fā)生部分水解生成單甘油和游離脂肪酸，這兩種產(chǎn)物與直鏈淀粉、蛋白質(zhì)形成了復(fù)合物，從而降低擠出物中游離脂肪酸的含量，從而防止脂肪含量過多，產(chǎn)生油膩感，而且防止脂肪氧化，延長(zhǎng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏期，改善產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)。大量文獻(xiàn)表明擠壓膨化后，大豆脂肪不穩(wěn)定性主要與擠壓后物料表面積的增大和擠壓溫度的高低有關(guān)。Rao等(1989)[17]指出當(dāng)擠壓溫度超過135℃時(shí)，脂肪的不穩(wěn)定性將顯著增強(qiáng)。何其儻等研究在加工溫度為100℃時(shí)，加工溫度和物料含水量是影響復(fù)合體生成量的主要因素；當(dāng)溫度小于100℃時(shí)，復(fù)合體生成量隨著加工溫度升高而略有增加，但超過100℃時(shí)，復(fù)合物生成量呈明顯下降的趨勢(shì)；隨著水分含量提高，擠出樣品中復(fù)合物生成量減少，游離脂肪酸含量增加。脂肪復(fù)合物還與淀粉糊化度呈正相關(guān)，二者相關(guān)系數(shù)為0.9，當(dāng)糊化度大于90%時(shí)，結(jié)合脂肪達(dá)95%以上。

2.4 粗纖維

粗纖維主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。大量文獻(xiàn)報(bào)道由于原料、設(shè)備和條件不同，對(duì)擠壓過程中纖維數(shù)量的變化差異較大。周克勇（2001）[4]指出壓力越大，溫度越高對(duì)纖維的破壞性越大，這可能與擠壓膨化過程中的高溫、高壓、高剪切力作用相關(guān)，它們能促使纖維分子間鍵斷裂，分子裂解及分子極性變化。蘇曉琳（2009）[19]研究也得出相似結(jié)論：小?？字睆健⑤^高的物料含水率、低螺桿轉(zhuǎn)速和較高的擠壓溫度可以使豆粕中粗纖維含量減少，有利于不溶性纖維向可溶性纖維的轉(zhuǎn)化。金茂國(guó)等(1996)[20]通過分析豆渣在膨化前后纖維的變化認(rèn)為，擠壓膨化可增加產(chǎn)品的可溶性膳食纖維量，所增加的可溶性膳食纖維主要是由半纖維素和纖維素降解而產(chǎn)生的；但分析豆渣的x-射線衍射圖譜，發(fā)現(xiàn)擠壓膨化對(duì)纖維結(jié)晶度的影響不太明顯。

2.5 抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)

大豆是具有較高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的蛋白質(zhì)重要來(lái)源之一，被廣泛應(yīng)用到食品飼料等諸多行業(yè)。然而由于大豆自身帶有一定抗?fàn)I養(yǎng)成分，限制其在嬰幼兒及幼齡動(dòng)物方面的應(yīng)用。隨著擠壓膨化技術(shù)的發(fā)展，這一問題逐漸得到解決。經(jīng)過短時(shí)高溫?cái)D壓處理后，大豆不但能夠最大程度地保留大豆中的營(yíng)養(yǎng)成分，而且還能消除大部分抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)。Li等（1991）[21]發(fā)現(xiàn)膨化加工的大豆粕能降低仔豬血清中抗大豆球蛋白（Glycinin）和β-伴大豆球蛋白（β-conglycinin）抗體的效價(jià)，并能減輕仔豬對(duì)大豆蛋白的過敏反應(yīng)程度。

金征宇等(2006)[22]指出干法膨化生產(chǎn)的膨化大豆水分越低，對(duì)抗?fàn)I養(yǎng)因子的破壞越少，而濕法膨化生產(chǎn)的10%～12%水分的膨化大豆抗?fàn)I養(yǎng)因子相對(duì)較低。蘇曉琳（2009）[19]指出大?？字睆?、適當(dāng)?shù)乃趾?、高螺桿轉(zhuǎn)速和較高的擠壓溫度有利于植酸分子的鈍化，并且各擠壓膨化參數(shù)之間的交互作用對(duì)脲酶活性的影響顯著。

3 小結(jié)

膨化產(chǎn)品質(zhì)量受膨化加工體系的諸多工藝參數(shù)，及其交互作用的影響，且衡量產(chǎn)品質(zhì)量的指標(biāo)之間也存在很強(qiáng)的相關(guān)性，再加上膨化機(jī)器設(shè)備和物料的復(fù)雜性，這些就加大了優(yōu)化膨化加工工藝參數(shù)工作的難度。雖然國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行加工工藝參數(shù)和原料性質(zhì)對(duì)膨化產(chǎn)品質(zhì)量的影響做了大量的研究，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)具有一定的意義，但仍然無(wú)法滿足市場(chǎng)對(duì)膨化產(chǎn)品質(zhì)量和種類的需求，應(yīng)加大科研投入，系統(tǒng)化研究如何提高膨化產(chǎn)品質(zhì)量。