擠壓膨化工藝參數(shù)對犬糧加工質(zhì)量的影響研究

■李重陽 董穎超 李軍國，3 張嘉琦 李 俊 楊 潔 蔣萬春

（1.河北工程大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，河北邯鄲056000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，北京100081；3.農(nóng)業(yè)部飼料生物技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

近些年來隨著寵物犬飼養(yǎng)量的上漲，犬糧產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。犬糧加工質(zhì)量的好壞主要由淀粉糊化度和適口性來評定：淀粉的熟化程度低，膨化效果差，犬在采食后易發(fā)生腹瀉反應(yīng)；適口性主要與顆粒的硬度和酥脆性有關(guān)，適宜的硬度和酥脆性可增大犬采食量和提高攝食樂趣，進(jìn)而達(dá)到提高適口性的效果。在實(shí)際生產(chǎn)中可通過調(diào)整膨化工藝參數(shù)來提高犬糧的淀粉熟化度、膨化度，改變?nèi)Z硬度和酥脆性。通過試驗(yàn)研究膨化工藝參數(shù)與各加工質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系和規(guī)律，對高品質(zhì)犬糧的加工具有重要意義。目前在研究膨化工藝參數(shù)對犬糧加工質(zhì)量影響方面，大多將容重、膨化度和淀粉糊化度作為膨化加工質(zhì)量的主要評價指標(biāo)，對硬度和酥脆性等指標(biāo)的研究較少，也很少有關(guān)于模板噸料開孔面積對加工質(zhì)量的影響研究。本試驗(yàn)研究不同的物料調(diào)質(zhì)水分含量、模板噸料開孔面積、模頭溫度和螺桿轉(zhuǎn)速與犬糧的容重、膨化度、顆粒硬度、酥脆性和淀粉糊化度間的關(guān)系，探求各工藝參數(shù)對犬糧加工質(zhì)量指標(biāo)影響趨勢和顯著程度，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)配方(見表1)

表1 飼料配方及營養(yǎng)水平（%）

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)(見表2)

表2 單因素試驗(yàn)工藝參數(shù)

本試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)方法，研究物料調(diào)質(zhì)水分含量、模板噸料開孔面積、模頭溫度和螺桿轉(zhuǎn)速等4個膨化工藝參數(shù)對加工質(zhì)量的影響，具體試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)見表2，每行表示在其它3個參數(shù)不變的情況下，改變1個工藝參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)膨化加工條件及取樣方法

本試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院南口中試基地進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備為牧羊SJPS56×2雙螺桿膨化機(jī)，模板開孔數(shù)為2，?？字睆綖? mm，混合粉料過60 M篩。

每個試驗(yàn)點(diǎn)參數(shù)調(diào)整后，待膨化機(jī)工作穩(wěn)定后開始取樣，再每隔10 min取樣1次，每個試驗(yàn)點(diǎn)取樣3次。取樣包括調(diào)質(zhì)粉狀料和膨化顆粒料，在調(diào)質(zhì)器出料口取調(diào)質(zhì)粉狀料，用密封袋取300 g，密封保存，用于調(diào)質(zhì)水分測定；在膨化機(jī)出料口取膨化顆粒料2 kg，采用自然風(fēng)干的方法干燥，待水分低于12%，符合貯存條件，收取裝袋進(jìn)行加工質(zhì)量指標(biāo)的檢測。

1.4 加工質(zhì)量評價指標(biāo)及檢測方法

1.4.1 容重

容重儀是測定顆粒飼料自然容重的儀器，通過排氣錘在容量桶中自然落下，使飼料在容器中呈現(xiàn)自然排列的狀態(tài)后稱重，所得重量為容重，單位為g/l。

1.4.2 膨化度

犬糧的膨化度一般用徑向膨化度表示，利用游標(biāo)卡尺測定犬糧直徑，根據(jù)?？字睆接?jì)算膨化度，每個樣品測20個平行。膨化度=顆粒直徑/?？字睆健?/p>

1.4.3 顆粒硬度、酥脆性

利用質(zhì)構(gòu)儀（型號TA-XY2i，產(chǎn)地英國Stable Micro）進(jìn)行顆粒硬度和酥脆性的測定。每個試驗(yàn)樣品隨機(jī)取20粒進(jìn)行測量，探針下降速度為1.0 mm/s，顆粒受力形變40%后探針抬起，該階段圖譜峰值作為硬度的結(jié)果（g）；探針第一次下壓過程中第一個破裂的點(diǎn)即為酥脆性的結(jié)果（mm），數(shù)值越低效果越好。

1.4.4 淀粉糊化度

含淀粉的飼料原料經(jīng)膨化后淀粉的熟化程度，飼料中已熟化（糊化）淀粉與所含全部淀粉量之比的百分?jǐn)?shù)表示，采用熊易強(qiáng)（2000）的方法。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)通過SPSS 20.0進(jìn)行方差分析，并用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料調(diào)質(zhì)水分含量對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響

本試驗(yàn)中，保持模板噸料開孔面積為200 mm2/(t·h)，4段膨化腔溫度分別為100、130、130、130 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min，調(diào)質(zhì)溫度95℃不變，調(diào)整物料調(diào)質(zhì)水分含量分別為24%、26%、27%、28%、30%，每種條件下膨化犬糧加工質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 物料水分含量對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知，隨調(diào)質(zhì)水分含量的上升，容重顯著降低（P＜0.05），膨化度顯著升高（P＜0.05），顆粒硬度呈現(xiàn)升高后降低的趨勢，酥脆性變差，但差異不顯著（P＞0.05），淀粉糊化度在水分為26%后顯著升高（P＜0.05）。當(dāng)水分含量為30%時，容重最低，膨化度最大，但在此水分含量條件下，物料經(jīng)擠壓膨化出模孔后，會黏結(jié)成團(tuán)，所以此水分含量對實(shí)際生產(chǎn)的參考意義不大。雖然水分含量為28%時膨化度和淀粉糊化度最高，但硬度也是最高。而水分含量為27%時，膨化度、容重和硬度在5個試驗(yàn)組中處于中等水平，因此建議水分含量為27%。

2.2 模板噸料開孔面積對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響

在本試驗(yàn)中，保持物料調(diào)質(zhì)水分含量為28%，調(diào)質(zhì)溫度95℃，4段膨化腔溫度分別為100、130、130、130℃，螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min不變，模板噸料開孔面積分別為240、220、200、180、160 mm2/(t·h)(隨喂料速度的增高模板噸料開孔面積縮小)，每種條件下膨化犬糧加工質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 模板噸料開孔面積對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響

由表4試驗(yàn)結(jié)果可得出，隨模板噸料開孔面積的降低，容重顯著降低，膨化度顯著升高（P＜0.05），當(dāng)模板噸料開孔面積為 160 mm2/(t·h)和 180 mm2/(t·h)時，容重顯著低于另外3個試驗(yàn)組(P＜0.05)；從犬糧質(zhì)構(gòu)特性來看，模板噸料開孔面積為240 mm2/(t·h)時，硬度最低，酥脆性最好，但淀粉糊化度卻最低，此參數(shù)不建議使用；與模板噸料開孔面積是220、180、160 mm2/(t·h)相比，模板噸料開孔面積是200 mm2/(t·h)時，硬度最低，酥脆性最好，淀粉糊化度達(dá)94.78%，因此建議模板噸料開孔面積為200 mm2/(t·h)。

2.3 模頭溫度對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響

本試驗(yàn)中保持調(diào)質(zhì)水分含量為28%，調(diào)質(zhì)溫度95℃，模板噸料開孔面積為200 mm2/(t·h)，螺桿轉(zhuǎn)速300 r/min，膨化加工過程中主要通過調(diào)整膨化腔第4段溫度使模頭溫度發(fā)生改變，因此，固定膨化腔前3段溫度為100、130、130℃不變，分別調(diào)整模頭溫度為110、120、130、140 ℃和150 ℃（實(shí)際加工過程中模頭溫度存在波動，因此，表4中實(shí)際溫度值與試驗(yàn)設(shè)計(jì)間存在誤差），每種條件下膨化犬糧加工質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 模頭溫度對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響

從表5試驗(yàn)結(jié)果可見，隨模頭溫度的升高，容重呈先降低后升高的趨勢，膨化度的趨勢與容重相反，淀粉糊化度隨模頭溫度的升高顯著升高，但當(dāng)溫度超過139.6℃后，淀粉糊化度顯著降低。模頭溫度的升高，會增加犬糧的硬度，降低酥脆性。當(dāng)模頭溫度為127.6℃時，膨化度顯著高于另外4組（P＜0.05）。從質(zhì)構(gòu)特性結(jié)果分析得出，模頭溫度為111.5℃和118.7℃的硬度和酥脆性無顯著差異(P＞0.05)，當(dāng)模頭溫度升高至127.6℃后酥脆性顯著高于溫度為111.5℃和118.7℃（P＜0.05），在5個處理組中處于中間水平。綜合膨化加工質(zhì)量和質(zhì)構(gòu)特性的結(jié)果分析，建議模頭溫度為127.6℃。

2.4 螺桿轉(zhuǎn)速對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響

本試驗(yàn)中固定物料調(diào)質(zhì)水分含量28%，調(diào)質(zhì)溫度95 ℃，模板噸料開孔面積為200 mm2/(t·h)，4段膨化腔溫度100、130、130、130 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為180、210、240、270、300 r/min，每種條件下膨化犬糧加工質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 螺桿轉(zhuǎn)速對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響

由表6試驗(yàn)結(jié)果可知,隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高，容重下降，膨化度升高,淀粉糊化度升高。膨化犬糧顆粒硬度隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加呈降低趨勢；螺桿轉(zhuǎn)速對膨化犬糧酥脆性的影響無顯著差異。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min時，容重顯著低于另外4個試驗(yàn)組，螺桿轉(zhuǎn)速的提高，可增強(qiáng)物料在膨化腔內(nèi)的受剪切強(qiáng)度，剪切力越大，硬度越小；因?yàn)榕蚧瘷C(jī)螺桿配置的差異，其轉(zhuǎn)速和扭矩都會有所不同，因此實(shí)際生產(chǎn)中可適當(dāng)提高螺桿轉(zhuǎn)速來達(dá)到提高膨化度、酥脆性和降低硬度的效果,因此建議螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min。

3 討論

3.1 調(diào)質(zhì)水分含量對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響

物料中水分含量的變化主要是通過改變調(diào)質(zhì)過程水和蒸汽的注入量。在膨化加工過程中，水分含量低，淀粉顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能完全被破壞，糊化度和膨化度低。水分超出物料能接受的范圍后，水會在膨化腔中充當(dāng)潤滑劑的作用，使物料吸收的剪切力和摩擦力減少，模頭壓力降低，導(dǎo)致物料在膨化腔中糊化程度降低，膨化度下降。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨水分含量的升高，淀粉顆粒吸水溶脹，吸收摩擦熱和螺桿剪切力增強(qiáng)，淀粉熟化（糊化）程度和膨化度隨之升高。在質(zhì)構(gòu)特性方面，水分為淀粉顆粒被破壞提供了媒介，吸水后的淀粉顆粒，發(fā)生膨脹，在膨化腔中經(jīng)過摩擦和剪切的作用后，淀粉顆粒被破壞，粉碎呈片狀，直鏈淀粉和支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)品的硬度和酥脆性發(fā)生改變。Ding等與Stojceska等的研究認(rèn)為水分含量的升高會增加膨化顆粒的硬度。但Adriana等、Draganovic等和本試驗(yàn)研究結(jié)果得出，隨水分含量的升高，膨化顆粒硬度降低。這可能是因?yàn)楦髟囼?yàn)中水分添加量的范圍不同，水分過低，物料的黏結(jié)強(qiáng)度差，此時提高水分含量會使膨化顆粒硬度增加，而本試驗(yàn)中最低的水分含量已經(jīng)達(dá)到22%，繼續(xù)增加水分物料出模孔后，水分閃蒸作用增強(qiáng)，導(dǎo)致顆粒組織結(jié)構(gòu)松散，顆粒的斷裂程度下降，硬度降低，酥脆性變差。

3.2 模板噸料開孔面積對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響

在模板噸料開孔面積（?？讛?shù)量和直徑）不變的情況下，喂料速度決定了模板噸料開孔面積，喂料速度越大噸料開孔面積越小，喂料速度越小噸料開孔面積越大。噸料開孔面積決定了物料在膨化腔內(nèi)的填充程度、停留時間和模頭壓力，這些作用最終都會引起產(chǎn)品品質(zhì)的變化。模板開孔面積不變，喂料速度低會造成物料在膨化腔內(nèi)的填充度下降，從而影響到物料吸收機(jī)筒壁的有效熱量、螺桿的剪切力和模頭壓力；快的喂料速度，可以提高物料在膨化腔內(nèi)的填充度，呂寶龍等、Lio等與Ding等研究發(fā)現(xiàn)，隨喂料速度的升高，膨化腔內(nèi)物料填充度增大、受剪切程度增強(qiáng)，支鏈淀粉的降解程度和物料黏彈性升高，淀粉的糊化度提高。但喂料速度過高，會發(fā)生淀粉糊化度降低的現(xiàn)象。本試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致，喂料速度的增加使膨化腔內(nèi)物料填充程度變高，膨化度提高；在質(zhì)構(gòu)特性方面，本試驗(yàn)中，犬糧的硬度和酥脆性隨模板噸料開孔面積的縮小而升高，這是因?yàn)槿廴隗w中淀粉致密的晶體結(jié)構(gòu)被破壞程度升高，膨化腔內(nèi)物料黏彈性增強(qiáng)，導(dǎo)致顆粒硬度增加和酥脆性變差。

3.3 模頭溫度對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響

膨化腔分為喂料段、揉合段和熟化段，物料在調(diào)質(zhì)器中經(jīng)過水和蒸汽的雙重作用后，通過膨化腔喂料段進(jìn)入揉合段，在揉合段被注入強(qiáng)大的機(jī)械能和機(jī)筒壁傳導(dǎo)的熱能后進(jìn)入熟化段，在此階段大部分的淀粉顆粒發(fā)生破裂，最終在模頭處短暫的停留后，被瞬間擠壓出?？?，由于壓力和蒸汽瞬間的釋放，形成了內(nèi)部多孔的膨化顆粒。呂寶龍等在研究寵物食品擠壓膨化加工工藝時發(fā)現(xiàn)，隨模頭溫度的升高，膨化度顯著升高，但當(dāng)溫度升高到140℃后再繼續(xù)升溫，膨化度的升高幅度變緩。還有研究結(jié)果顯示，隨溫度上升至淀粉糊化所需的最高溫度后，繼續(xù)加溫會出現(xiàn)膨化度降低的現(xiàn)象，因?yàn)楦邷丶觿×怂值恼舭l(fā)和淀粉受破壞的程度，導(dǎo)致氣泡在未被擠出?？讜r就已經(jīng)破裂，并可能出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，膨化度下降。本試驗(yàn)中，隨模頭溫度升高至127.6℃時，膨化度達(dá)最高，再繼續(xù)升溫膨化度有輕微降低的趨勢；當(dāng)模頭溫度達(dá)127.6℃時，淀粉就已經(jīng)取得了很好的熟化效果，再繼續(xù)升溫雖然淀粉的熟化程度有提高的趨勢，但效果不顯著，還會額外增加能量的耗費(fèi)。在質(zhì)構(gòu)特性方面，本試驗(yàn)結(jié)果得出，模頭溫度的升高，顆粒硬度顯著升高，酥脆性顯著降低，這可能是因?yàn)殡S模頭溫度的升高，熔融物在膨化腔內(nèi)的黏度降低，水分蒸發(fā)量增加，顆粒組織結(jié)構(gòu)緊密，硬度升高；同時，淀粉顆粒破碎、卷曲、膨脹、內(nèi)部出現(xiàn)大量氣泡，淀粉糊化、糊精化程度升高，原本的晶體結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，酥脆性降低。

3.4 螺桿轉(zhuǎn)速對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響

螺桿轉(zhuǎn)速決定了物料在膨化腔內(nèi)停留時間長短、填充度和受剪切程度的高低，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的容重、膨化度和質(zhì)構(gòu)特性發(fā)生改變。王亮等在研究擠壓條件對谷物早餐質(zhì)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)，較低的螺桿轉(zhuǎn)速會使物料在膨化腔內(nèi)停留時間變長，受熱的作用變強(qiáng)，淀粉顆粒容易遭到破壞，晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o序結(jié)構(gòu)，螺桿轉(zhuǎn)速提高，物料在膨化腔內(nèi)停留的時間變短，受熱作用減少，但螺桿強(qiáng)大的剪切能力使淀粉顆粒內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，從而提高膨化度。呂寶龍等在研究寵物食品擠壓膨化加工工藝和機(jī)理時發(fā)現(xiàn)，隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高，產(chǎn)品膨化度顯著升高。但螺桿轉(zhuǎn)速過高，糊化度和膨化度下降較明顯：王文賢等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速高于260 r/min時，會有生淀粉從模孔處擠出，這說明由于螺桿轉(zhuǎn)速較高，淀粉在膨化腔內(nèi)還尚未完全糊化就被擠出?？?，從而造成膨化度的下降。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，犬糧的膨化度隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高而升高，硬度和酥脆性隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高而降低。在實(shí)際生產(chǎn)中，因膨化機(jī)類型的不同，其螺桿配置和構(gòu)型也不同，因此通過本試驗(yàn)結(jié)果可以得出，隨螺桿轉(zhuǎn)速的變化犬糧膨化度的變化趨勢，在實(shí)際生產(chǎn)中可通過本試驗(yàn)得出的趨勢，來調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

當(dāng)物料調(diào)質(zhì)水分含量為27%；模板噸料開孔面積為200 mm2/（t·h）時，犬糧容重、膨化度較其他各組相比處于中等水平，硬度與酥脆性無顯著性差異。當(dāng)模頭溫度為127.6℃時，犬糧的膨化度顯著高于其他各組。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min時，犬糧的膨化度顯著高于其他各組，硬度顯著低于另外各試驗(yàn)組。

因此，針對不同犬糧加工質(zhì)量的要求應(yīng)選擇適宜的擠壓膨化工藝參數(shù)。