擠壓工藝參數(shù)對犬糧產(chǎn)品質(zhì)量影響的研究

張明秀，鐘 芳，李 玥，李 超，劉小楠

(江南大學食品學院，食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇無錫214122)

隨著國民對精神生活更高層次的追求，寵物概念在中國悄然興起，這也使寵物食品初具雛形。在寵物食品市場中，琳瑯滿目的產(chǎn)品滿足了各種寵物的飼養(yǎng)需求。但隨著動物福利的觀念越來越深入人心，人們對寵物食品的營養(yǎng)與產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高?，F(xiàn)今的商品犬糧基本上都是通過擠壓膨化的方式加工而成，工序簡單、方便、高效，物料在擠壓膨化機內(nèi)經(jīng)過一個瞬間高溫的加工過程，形成膨松多孔的顆粒結(jié)構(gòu)［1-3］。由于擠壓膨化是犬糧加工的核心步驟，因此膨化產(chǎn)品的質(zhì)量影響到最終產(chǎn)品的質(zhì)量水平。影響擠壓膨化質(zhì)量的擠壓參數(shù)一般有機筒溫度、物料水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速等，目前已有研究指出擠壓參數(shù)的變化可以控制產(chǎn)品質(zhì)量指標的變化，從而達到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。目前國內(nèi)商品犬糧加工出的產(chǎn)品質(zhì)量較低，與國外的同類產(chǎn)品競爭處于劣勢。國內(nèi)的寵物食品研究者集中于寵物原料開發(fā)，特種寵物食品的研制，而對目前主流商品犬糧工藝研究上較少涉及。本研究選用目前市場上主流的雞肉米飯配方犬糧為基礎(chǔ)，采用雙螺桿擠壓膨化加工方式探討加工中的參數(shù)對犬糧營養(yǎng)參數(shù)的影響狀況。犬糧的營養(yǎng)價值以其淀粉糊化度和其消化性來衡量，一般用于干物質(zhì)、蛋白質(zhì)、氨基酸的消化率來衡量犬對飼料的消化率［4］。本研究選用蛋白體外消化率和淀粉糊化度為產(chǎn)品質(zhì)量指標來研究擠壓參數(shù)(機筒溫度、物料水分含量、螺桿轉(zhuǎn)速)在以雞肉、大米為主要原料的犬糧加工中的最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

配方原料 無錫三里橋糧油市場;胰蛋白酶、胃蛋白酶 國藥集團化學試劑有限公司;淀粉酶 肇東市日成酶制劑有限公司。

電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;分樣篩 浙江上虞市五四紗篩廠;高速萬能粉碎機 天津泰特儀器有限公司;數(shù)顯恒溫水浴鍋江蘇省金市榮華儀器制造有限公司;多用恒溫水浴振蕩器 江蘇太倉市實驗設(shè)備廠;數(shù)鼓風干燥箱 上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)廠;高速錘式粉碎機 北京燕京牧公司二廠;螺帶混合機 無錫中亞機廠;凱氏定氮蒸餾裝置 蘇省宜興市科教儀器研究所;雙螺桿擠壓膨化機 美國熱電公司。

1.2 犬糧配方原料與營養(yǎng)參數(shù)

犬糧的配方與營養(yǎng)參數(shù)值見表1。

表1 犬糧的配方與營養(yǎng)參數(shù)Table 1 The formulation of the dog food and nutrition parameters

1.3 實驗方法

1.3.1 擠壓工藝方法 工藝流程主要包括:原料處理→混合、調(diào)質(zhì)→擠壓膨化→干燥→油脂噴涂→包裝→成品

原料處理:超微粉碎機粉碎至要求粒度;原料混合:螺帶混合機將物料混合均勻;調(diào)質(zhì):將混合好原料加水調(diào)質(zhì)成所需水分含量;擠壓膨化:雙螺桿擠壓機對對物料進行擠壓膨化;干燥:擠壓后的物料在60～70℃條件下干燥4～5h;噴涂:干燥后的加工顆粒在其未完全冷卻前噴涂3%～8%的動植物脂肪;包裝制得所述犬糧顆粒。

1.3.2 檢測方法 物料水分含量的測定方法采用烘干恒重法(GB 6435-86)［5］;犬糧淀粉糊化度的測定采用酶水解法［6-7］;蛋白質(zhì)體外消化率的測定參照王衛(wèi)國等［8］的方法，并根據(jù)需要作適當調(diào)整。

1.3.3 單因素實驗方法 分別以機筒溫度、物料水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速為因素，研究其對犬糧蛋白質(zhì)體外消化率和淀粉糊化度的影響。

1.3.4 正交實驗方法 根據(jù)單因素實驗結(jié)果設(shè)計L9(34)正交實驗，以犬糧蛋白質(zhì)體外消化率和淀粉糊化度為考察指標，選擇機筒溫度、物料水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速3因素進行正交實驗。物料水分含量變化范圍為:22%～30%;螺桿轉(zhuǎn)速:120～180r/min;機筒溫度:70-90-120-130℃、80-100-130-140℃、90-110-140-150℃。正交實驗的因素與水平見表2。

表2 犬糧擠壓膨化正交實驗因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 物料水分含量的影響

物料混合時，調(diào)節(jié)物料水分含量形成14%、18%、22%、26%、30%的梯度。固定機筒4個溫度區(qū)間分別為 80-100-130-140℃，螺桿轉(zhuǎn)速為120r/min。

物料水分含量對犬糧淀粉糊化度的影響如圖1a所示。在低水分含量范圍內(nèi)，水分含量的變化對犬糧淀粉糊化度的影響非常顯著，當物料水分含量達到22%左右時，淀粉糊化度達到95%左右的水平，但之后當水分含量增加時，淀粉糊化度的變化有下降趨勢，但不是很明顯且糊化度維持在較高水平。Linko［9］等人研究得出物料水分含量在20%時，淀粉糊化度最高，他們研究中的機筒溫度高于本研究中的機筒溫度。在擠壓膨化過程中，物料淀粉的糊化是在溫度和水分共同作用下進行的，高溫低水分含量條件時，淀粉熔融不充分，因此淀粉糊化度處于較低水平;當物料水分含量增加時，淀粉較充分的熔融，因而糊化度提高明顯;而當水分含量較高時，物料中的水分充當了潤滑劑的作用，使得物料在機筒內(nèi)停留時間較短，且減弱了物料與機筒內(nèi)螺桿的剪切作用，從而導致淀粉糊化不充分，另一方面，由于水分在?？谔幤沾罅康钠瘽摕幔沟脵C筒及?？谔帨囟冉档?，難以在?？谔幗⑵鸶邷馗邏籂顟B(tài)［10］，從而使膨化度和糊化度降低。但是高溫下水分的蒸發(fā)作用使得這種影響不明顯，最終使淀粉糊化度的下降趨勢不大。

物料水分含量對犬糧蛋白質(zhì)體外消化率的影響如圖1b所示。在低水分含量范圍內(nèi)，蛋白質(zhì)的體外消化率呈增長趨勢;當水分含量達到18%左右后，水分含量的增加會導致消化率的下降。Thomas［11］等人研究指出水分和熱量對于蛋白質(zhì)的變性是必要條件。低水分條件下，蛋白質(zhì)體外消化率的增加一方面可能由于水分的增加導致蛋白質(zhì)與淀粉降解產(chǎn)生的糖發(fā)生的美拉德反應程度降低所導致［12］，另一方面可能由于在一樣的溫度條件下，水分的增加導致蛋白質(zhì)的熱變性更加充分［13］。而當水分含量過高時，物料在機筒內(nèi)停留時間較短且減弱了物料與機筒內(nèi)螺桿的剪切作用從而導致蛋白質(zhì)變性不充分。

2.2 螺桿轉(zhuǎn)速的影響

螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)為 90、120、150、180、210r/min;固定機筒溫度的4個區(qū)間分別為80-100-130-140℃，物料水分含量為22%。

螺桿轉(zhuǎn)速對犬糧糊化度的影響如圖2a所示。當螺桿轉(zhuǎn)速較低時，犬糧的淀粉糊化度處于較高水平且隨著轉(zhuǎn)速的增加，淀粉糊化度有增加的趨勢。當螺桿轉(zhuǎn)速過高時，高于180r/min時，淀粉糊化度下降趨勢較明顯。螺桿轉(zhuǎn)速對犬糧淀粉糊化度的影響主要有物料與螺桿的剪切作用以及控制物料在機筒內(nèi)的停留時間。當螺桿轉(zhuǎn)速處于較低水平時，物料于機筒內(nèi)的停留時間較長，隨著螺桿轉(zhuǎn)速提高，物料與螺桿的剪切作用增加，導致淀粉的糊化度提高。而當螺桿轉(zhuǎn)速過高時，物料在機筒內(nèi)的反應時間過短，淀粉沒來得及糊化就被擠出機筒，從而使得淀粉糊化度下降。王文賢等報道［14］當螺桿轉(zhuǎn)速超過260r/min時，擠出物中含有生淀粉，而王寧等［15］在高壓縮比條件下的研究表明螺桿轉(zhuǎn)速較大時，強大的剪切作用不但會將已充分溶脹的淀粉顆粒糊化，還會使其降解，導致糊化度的下降。

圖1 物料水分含量對犬糧糊化度(a)和蛋白質(zhì)體外消化率(b)的影響Fig.1 Effect of moisture content on starch gelatinization(a)and in-vitro protein digestibility(b)of dog food

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對犬糧糊化度(a)和蛋白質(zhì)體外消化率(b)的影響Fig.2 Effect of screw speed on starch gelatinization(a)and in-vitro protein digestibility(b)of dog food

螺桿轉(zhuǎn)速對犬糧蛋白質(zhì)體外消化率的影響如圖2b所示。在低螺桿轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，螺桿轉(zhuǎn)速的增加對蛋白質(zhì)體外消化率的提高作用明顯，當螺桿轉(zhuǎn)速增加到一定程度時，蛋白質(zhì)體外消化率變化不大。螺桿轉(zhuǎn)速對蛋白質(zhì)的體外消化率的影響主要有物料與螺桿的剪切作用和控制物料在機筒內(nèi)的停留時間且螺桿的剪切作用占主要方面，當螺桿轉(zhuǎn)速在高水平時，雖然物料在機筒內(nèi)停留時間較短，但物料與螺桿的高剪切作用仍然使得蛋白質(zhì)的消化率處于較高水平。

2.3 機筒溫度的影響

擠壓機的4段溫度設(shè)為60-80-110-120、70-90-120-130、80-100-130-140、90-110-140-150、100-120-150-160℃，物料水分含量為22%，螺桿轉(zhuǎn)速為120r/min。

犬糧淀粉糊化度隨機筒溫度的變化情況如圖3a所示。淀粉糊化度在130℃之前增長較快，在130℃后變化不大并保持在較高水平(95%左右)，當溫度超過150℃時有輕微下降趨勢。這和Murray［16］等人的研究結(jié)果相似，該研究得出在大米、玉米、大麥等原料中機筒溫度在124～140℃區(qū)間的淀粉糊化度較低溫區(qū)間的79～80℃有了極大增加，但之后有緩慢下降。淀粉的糊化是在適當?shù)臏囟群鸵欢ǖ乃趾康臈l件下進行的，擠壓膨化過程中，物料受熱主要來自于機筒壁的傳導熱，其次來自于物料在機筒內(nèi)受剪切摩擦作用產(chǎn)生的熱量［17］，因此開始當溫度在低溫范圍內(nèi)提高時，糊化度提高明顯。當溫度提高到130℃以上時，犬糧蛋白質(zhì)體外消化率隨機筒溫度的變化如圖3b所示。機筒溫度對犬糧蛋白質(zhì)體外消化率的影響較大，在140℃之前消化率隨溫度的升高而增加，在140℃左右達到最大值(82%左右)，140℃之后，隨著溫度的增加，消化率有下降的趨勢。蛋白質(zhì)的可消化性主要取決于蛋白質(zhì)的熱變性，溫度較低時，水分蒸發(fā)較少，蛋白質(zhì)與淀粉降解的糖所發(fā)生的美拉德反應也較少，因此蛋白質(zhì)變性較充分，從而蛋白質(zhì)的消化率隨溫度的提高而增加。而當溫度超過140℃后，物料之后糊化度變化不大，謝正軍［18］等研究指出在膨化過程中，淀粉分子發(fā)生糊化的同時，也發(fā)生了降解。另外機筒溫度過高時可能會引起原料中的蛋白質(zhì)與淀粉降解的糖發(fā)生美拉德反應，而且當溫度過高時會導致部分淀粉焦糊化，物料中水分過早地蒸發(fā)掉，不利于淀粉的糊化，如圖3a所示，這些原因都會造成過高溫度下淀粉糊化度的下降。水分蒸發(fā)嚴重，沒有水分作用的蛋白對熱較穩(wěn)定，另外此時美拉德反應的比例也逐漸提高，這些都造成了圖3b中蛋白質(zhì)消化率的下降趨勢。

2.4 正交實驗對淀粉糊化度和蛋白質(zhì)體外消化率的影響

2.4.1 糊化度正交實驗結(jié)果 由表3可得出，對于產(chǎn)品質(zhì)量指標的影響程度，螺桿轉(zhuǎn)速對犬糧淀粉糊化度影響較大，其次是機筒溫度，而物料含水量在實驗范圍內(nèi)對犬糧淀粉糊化度的影響較小，綜合實驗結(jié)果膨化溫度以水平2較好，物料含水量以水平2較好，螺桿轉(zhuǎn)速以水平2較好。

圖3 機筒溫度對犬糧淀粉糊化度(a)和蛋白質(zhì)體外消化率(b)的影響Fig.3 Effect of barrel temperature on starch gelatinization(a)and in-vitro protein digestibility(b)of dog food

表3 糊化度正交實驗結(jié)果Table 3 Starch gelatinization orthogonal experimental results

2.4.2 消化率正交實驗結(jié)果 由表4可得出，物料含水量對犬糧蛋白質(zhì)體外消化率影響較大，其次是膨化溫度，而螺桿轉(zhuǎn)速在實驗范圍內(nèi)對消化率指標的影響較小，綜合實驗結(jié)果膨化溫度以水平2較好，物料含水量以水平2較好，螺桿轉(zhuǎn)速以水平1較好。

綜合犬糧淀粉糊化度和蛋白質(zhì)體外消化率的實驗結(jié)果，機筒溫度和物料水分含量均為水平2較好;而螺桿轉(zhuǎn)速對與糊化度為主要影響因素，而對于蛋白質(zhì)體外消化率影響較小，故選擇水平2較好;綜合來看，擠壓參數(shù)設(shè)為:膨化溫度為80-100-130-140℃;水分含量26%;螺桿轉(zhuǎn)速為150r/min，在此工藝條件下加工制備的犬糧經(jīng)測定糊化度為95.1%，蛋白質(zhì)體外消化率為84.2%。

表4 消化率正交實驗結(jié)果Table 4 In-vitro results protein digestibility of orthogonal experimental results

3 結(jié)論

本研究結(jié)果顯示，影響犬糧加工過程中淀粉糊化度的主要因素為擠壓機的螺桿轉(zhuǎn)速，其次是擠壓機的機筒溫度，而物料水分含量對糊化度影響較小。在犬糧蛋白質(zhì)體外消化率方面，物料水分含量對消化率影響較大，其次為機筒溫度，而螺桿轉(zhuǎn)速的影響較小。本研究得出的以雞肉、大米、豆粕等原料加工的犬糧的最佳工藝條件為膨化溫度為80-100-130-140℃;水分含量26%;螺桿轉(zhuǎn)速為150r/min。

目前市場上的顆粒犬糧加工基本上都采用雙螺桿擠壓技術(shù)，本研究結(jié)果對于應用雙螺桿技術(shù)控制犬糧生產(chǎn)加工的產(chǎn)品質(zhì)量方面具有一定的理論指導作用。

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