秸稈添加量對(duì)雙螺桿膨化畜牧飼料質(zhì)量的影響

繆 宏， 葛迅一， 嚴(yán) 宇， 夏云帆， 張劍峰， 楊 錚

（1.農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210014；2.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225000）

農(nóng)作物秸稈一直以來(lái)是牛、羊等反芻動(dòng)物的粗飼料（張杰等，2018；Schlegel等，2016），但因其含有大量粗纖維和木質(zhì)素，質(zhì)地粗糙、堅(jiān)硬且適口性差，導(dǎo)致家畜對(duì)秸稈采食率和消化率較低（Amruta Morone等，2018；黃秋婷等，2009）。研究表明可以通過(guò)擠壓膨化作用改變農(nóng)作物秸稈性能，破壞粗纖維和木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，提高秸稈的消化率（Dyna Theng等，2017）。

目前，國(guó)內(nèi)外秸稈擠壓膨化研究主要集中在單螺桿，且對(duì)飼料中秸稈添加量的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道（Gao等，2018；馮坤等，2011；Yan等，2007），而單螺桿擠壓膨化機(jī)存在物料易倒流、螺桿易磨損等問(wèn)題，雙螺桿擠壓膨化機(jī)主要借助兩個(gè)嚙合螺桿的強(qiáng)制推動(dòng)力保證物料向前輸送，克服了單螺桿膨化機(jī)的缺點(diǎn)，更適合用于農(nóng)作物秸稈擠壓膨化。

為確定雙螺桿擠壓膨化秸稈飼料的秸稈添加量，本試驗(yàn)以稻秸稈作為原料，以常見(jiàn)畜牧飼料中易于膨化的玉米粉作為基料，通過(guò)對(duì)制備飼料的膨化度、各項(xiàng)質(zhì)構(gòu)指標(biāo)、成型質(zhì)量進(jìn)行分析，找出秸稈添加量對(duì)飼料各質(zhì)量因素的影響規(guī)律，確定膨化飼料的稻秸稈添加量。以期為農(nóng)作物秸稈飼料化加工中秸稈添加量選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)稻秸稈采集自揚(yáng)州市樸席鎮(zhèn)農(nóng)戶，初始含水率8.73%，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)44.94%，半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)18.25%，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)14.79%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.32%，粉碎過(guò)18目篩備用。試驗(yàn)玉米粉取自紹興科盛飼料有限公司，初始含水率14.23%，淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)63.59%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.05%，脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.04%，粒徑＜0.25 mm。

為充分利用稻秸稈，試驗(yàn)設(shè)置稻秸稈添加量為10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，每組試驗(yàn)飼料配制1kg，調(diào)節(jié)物料的含水率為24%，采用DS32-Ⅱ試驗(yàn)型雙螺桿擠壓膨化機(jī)（濟(jì)南賽信機(jī)械有限公司），根據(jù)林江嬌等（2012）和莊海寧等（2011）的研究并結(jié)合試驗(yàn)原料及機(jī)器實(shí)際情況設(shè)置主要參數(shù)：熔體輸送區(qū)溫度為140℃，螺桿轉(zhuǎn)速為100 r/min，喂料速度為20 r/min，螺桿長(zhǎng)徑比為18.19，?？字睆綖? mm。膨化好的飼料采用101-00B型數(shù)顯電熱恒溫干燥箱（紹興市銀河機(jī)械儀器有限公司）烘干，設(shè)置溫度為70℃，干燥時(shí)間為4 h，干燥后待其冷卻至室溫，裝袋貼標(biāo)簽保存于4℃冰箱中備用。

1.2 試驗(yàn)方法 膨化度：常用表示方法有3種：軸向膨化度、徑向膨化度和體積膨化度（畢金峰等，2008），其中徑向膨化度最直觀且容易測(cè)量，所以本試驗(yàn)采用徑向膨化度P表示：

式中：D0為擠壓膨化產(chǎn)品平均直徑，mm；D1為擠壓膨化機(jī)?？字睆?，mm。

本試驗(yàn)采用數(shù)顯千分尺（禾木五金機(jī)械設(shè)備公司）測(cè)量擠壓膨化飼料樣品，每組樣品隨機(jī)測(cè)量20粒，去掉其中的最大和最小值，采用算術(shù)平均值作為擠壓膨化產(chǎn)品平均直徑D0結(jié)果，代入上式得到產(chǎn)品膨化度。

質(zhì)構(gòu)特性：可以表達(dá)為飼料的硬度、黏附性、內(nèi)聚性、彈性、膠黏性和咀嚼性（黃奕穎，2013；張彥軍等，2012）。每組選取顆粒完整的試驗(yàn)飼料，采用TMS-PRO食品物性分析儀（美國(guó)FTC公司）對(duì)飼料進(jìn)行測(cè)試，選取直徑為75 mm的圓盤型探頭，設(shè)置測(cè)試條件：觸發(fā)力為0.8 N，測(cè)試速率為120 mm/s，壓縮程度為50%，壓力為0.1 N，每種樣品測(cè)試3粒，結(jié)果取平均值。

成型質(zhì)量：參照Miao等（2017）、覃莉莉等（2013）和?；赖龋?011）的研究方法，將試驗(yàn)樣品縱切，取1 mm左右顆粒均勻撒在雙面膠上，在真空中噴涂鈀金，采用Zeiss_Supra55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（ZEISS公司）以20 kV電子束觀察樣品粒徑大小和表面的微觀形態(tài)并保存飼料的形貌照片。

2 結(jié)果與討論

2.1 稻秸稈添加量對(duì)飼料膨化度的影響 每組飼料樣品的平均直徑和膨化度計(jì)算結(jié)果如表1所示，隨著稻秸稈添加量的逐漸增大，擠壓膨化產(chǎn)品的膨化度也隨之逐漸降低，當(dāng)?shù)窘諚U添加量逐漸增大到35%時(shí)，飼料膨化度從1.54逐漸下降到1.08，而當(dāng)?shù)窘諚U添加量超過(guò)35%時(shí)，飼料基本不膨化。研究表明，稻秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素成分占到70%以上（Oxana Tyapkova等，2016；劉洪風(fēng)等，2002），木質(zhì)素與半纖維素、纖維素之間以酯鍵和醚鍵連接為主，這類化合物結(jié)構(gòu)很牢固，屬于不易膨化的物質(zhì)，因此隨著稻秸稈含量的增加，飼料膨化度呈線性遞減的變化趨勢(shì)，當(dāng)?shù)窘諚U添加量高于35%時(shí)，飼料基本不膨化，已失去研究意義。

表1 不同稻秸稈添加量下飼料膨化度

2.2 稻秸稈添加量對(duì)飼料質(zhì)構(gòu)特性的影響 結(jié)合上述膨化度分析結(jié)果，去除秸稈添加量35%和40%的試驗(yàn)組，對(duì)剩余5組飼料樣品的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)平均計(jì)算結(jié)果如表2所示，當(dāng)?shù)窘斩捥砑恿繛?0%～15%時(shí)，飼料的硬度由125 N增加到144.7 N，之后便隨著稻秸稈添加量的增加而不斷降低，考慮到畜牧動(dòng)物采食率，飼料硬度不宜過(guò)高，因此從飼料硬度考慮最好選擇30%左右的稻秸稈添加量；飼料的黏附性即飼料表面黏性，數(shù)值小可保證飼料咀嚼不黏牙，試驗(yàn)飼料黏附性隨稻秸稈添加量的增大而不斷增大，但稻秸稈添加量在10%時(shí)，飼料黏附性只有0.12 m，數(shù)值過(guò)小導(dǎo)致口感沙化影響采食率，因此從飼料黏附性考慮最好選擇15%左右的稻秸稈添加量；當(dāng)秸稈添加量為10%～20%時(shí)，飼料內(nèi)聚性穩(wěn)定在0.07 Ratio，當(dāng)秸稈添加量為20%～30%時(shí)，飼料內(nèi)聚性升至0.12 Ratio，數(shù)值越大說(shuō)明飼料內(nèi)部結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，因此從飼料內(nèi)聚性考慮最好選擇30%左右的稻秸稈添加量；當(dāng)?shù)窘斩捥砑恿繛?0%～15%時(shí)，飼料彈性由0.99 mm降到0.94 mm，當(dāng)?shù)窘斩捥砑恿繛?5%～20%時(shí)，飼料彈性基本保持不變，當(dāng)?shù)窘斩捥砑恿砍^(guò)20%時(shí)，飼料彈性緩慢下降，畜牧飼料彈性只要不是太大對(duì)采食率基本無(wú)影響，因此從飼料彈性考慮可選擇15%～30%的稻秸稈添加量；當(dāng)?shù)窘斩捥砑恿繛?0%～20%時(shí)，飼料膠黏性基本保持不變，當(dāng)?shù)窘斩捥砑恿砍^(guò)20%時(shí)，飼料膠黏性逐漸上升，飼料膠黏性表示將半固體飼料破裂成吞咽時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)的力，因此從飼料膠黏性考慮可選擇10%～20%的稻秸稈添加量；飼料咀嚼性表示將半固體樣品咀嚼成吞咽時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)所需的能量，在試驗(yàn)飼料組中其波動(dòng)情況與膠黏性相似，因此從飼料咀嚼性考慮可選擇10%～20%的稻秸稈添加量。

表2 稻秸稈添加量對(duì)飼料質(zhì)構(gòu)指標(biāo)的影響

2.3 稻秸稈添加量對(duì)飼料成型質(zhì)量的影響 去除秸稈添加量35%和40%的試驗(yàn)組，對(duì)剩余5組稻秸稈添加量飼料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)。圖1a、1b為稻秸稈粉和玉米粉SEM參照組，圖1c、1d中，因?yàn)榈窘斩捥砑恿勘容^少，糊狀玉米粉將稈顆粒完全包裹，說(shuō)明稻秸稈和玉米粉混合均勻，從圖1d中飼料斷層內(nèi)部秸稈顆粒情況可以看出稻秸稈纖維已降解、細(xì)化；圖1e中，隨著秸稈添加量的增大，糊化玉米粉雖也將稈顆粒完全包裹，但與圖1c、1d相比飼料顆粒表面已經(jīng)不光滑；圖1f、1g中，稻秸稈纖維也已撕裂、破碎，糊化玉米粉分布不均勻?qū)е碌窘斩捓w維表面凹凸不平，圖1g中顆粒狀結(jié)構(gòu)是還沒(méi)有糊化的玉米粉，表明當(dāng)?shù)窘斩捥砑恿吭?0%左右時(shí)，飼料在雙螺桿擠壓腔均化輸送段淀粉糊化、蛋白質(zhì)變性、纖維撕裂降解等物化反應(yīng)不充分。成型質(zhì)量變化反映到宏觀飼料表面質(zhì)量如圖2所示，當(dāng)?shù)窘斩捥砑恿繛?0%～20%時(shí)，飼料外表較為均勻且直徑較大，當(dāng)?shù)窘斩捥砑恿坷^續(xù)增大時(shí)，飼料外表變粗糙且直徑減小，說(shuō)明飼料膨化效果變差。

圖1 不同稻秸稈添加量飼料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖（10μm）

圖2 不同稻秸稈添加量對(duì)應(yīng)飼料表面質(zhì)量

3 結(jié)論

在稻秸稈飼料雙螺桿擠壓加工中，單從膨化度考慮，稻秸稈添加量越小，試驗(yàn)飼料膨化效果越好。綜合考慮試驗(yàn)飼料各項(xiàng)質(zhì)構(gòu)指標(biāo)情況，最好選擇20%左右的稻秸稈添加量，此時(shí)試驗(yàn)飼料各項(xiàng)質(zhì)構(gòu)指標(biāo)都能保證在較優(yōu)區(qū)間內(nèi)。若只是保證試驗(yàn)飼料有較好的成型質(zhì)量，可選擇10%～20%的稻秸稈添加量。為保證畜牧飼料產(chǎn)品質(zhì)量較優(yōu)，綜合考慮膨化度、質(zhì)構(gòu)指標(biāo)、成型質(zhì)量，最終選取稻秸稈添加量為20%，此時(shí)稻秸稈添加飼料成型質(zhì)量最好，飼料膨化度和各項(xiàng)質(zhì)構(gòu)指標(biāo)也能有較優(yōu)表現(xiàn)。