擠壓膨化對(duì)玉米、大豆和亞麻籽營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

■秦 毅 王金榮* 喬漢楨 陳勇江 李林儒 張良玉 王小輝

（1.河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，河南鄭州450001；2.河南神農(nóng)膨化飼料科技有限公司，河南滎陽(yáng)450100）

飼料的擠壓膨化技術(shù)是一種集混合、殺菌、脫毒、加壓和成型的加工技術(shù)，多用于水產(chǎn)、寵物和早期斷奶仔豬飼料的加工。飼料原料通過高溫、高壓、擠壓和剪切等一系列處理，其理化性質(zhì)均會(huì)發(fā)生變化，如原料表面蓬松、蛋白質(zhì)變性、淀粉糊化、脂肪氧化等，同時(shí)可以鈍化物料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子。擠壓膨化技術(shù)可以改變飼料原料中營(yíng)養(yǎng)成分的結(jié)構(gòu)，對(duì)原料中有效成分具有改善作用。李次力等[1]研究發(fā)現(xiàn)亞麻籽經(jīng)擠壓膨化處理后，氨基酸和可溶性纖維含量增加，脂肪含量減少，改善了亞麻籽粕的飼用品質(zhì)。Sobota 等[2]對(duì)玉米-小麥型飼料膨化后發(fā)現(xiàn)，飼料蛋白質(zhì)的二硫鍵及蛋白空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，有利于動(dòng)物的消化吸收，進(jìn)而提高飼料利用率。郭樹國(guó)等[3]研究發(fā)現(xiàn)豆粕膨化過程中，蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生伸展、重組、分子表面的電荷重新分布，顯著提高蛋白消化率。飼料原料中含有多種抗?fàn)I養(yǎng)因子，導(dǎo)致動(dòng)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收率顯著降低，生長(zhǎng)發(fā)育受到阻礙。擠壓膨化工藝后可以有效降低抗?fàn)I養(yǎng)因子活性。例如擠壓膨化加工可降低大豆脲酶和胰蛋白酶抑制因子的活性，并且不同加工工藝參數(shù)對(duì)抗?fàn)I養(yǎng)因子的滅活效果有顯著的影響。Mustakas 等[4]研究表明，隨著膨化設(shè)定的溫度和原料水分含量升高，脲酶和胰蛋白酶抑制劑被有效地破壞，可以顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量和胰蛋白酶抑制因子的鈍化效果。白兆鵬等[5]研究了擠壓膨化處理后的全脂大豆，結(jié)果表明大豆的抗?fàn)I養(yǎng)因子顯著降低，適口性得到明顯改善。此外擠壓膨化還可以使飼料具有特殊的香味，有利于增加動(dòng)物食欲，促進(jìn)動(dòng)物采食。

本試驗(yàn)擬通過對(duì)擠壓膨化處理的玉米、大豆及亞麻籽常規(guī)養(yǎng)分、抗?fàn)I養(yǎng)因子和蛋白溶解度等指標(biāo)的分析，探究經(jīng)過膨化加工后飼料原料組分的變化規(guī)律，以期為膨化飼料在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米、大豆和亞麻籽，購(gòu)于河南某飼料原料廠。

1.2 方法

1.2.1 膨化設(shè)備

HR165型單螺桿擠壓膨化機(jī)，購(gòu)于湛江恒潤(rùn)公司。

1.2.2 膨化工藝參數(shù)

① 玉米：調(diào)質(zhì)溫度50 ℃，蒸汽壓力0.5 MPa，喂料區(qū)溫度70 ℃，混合區(qū)90 ℃，剪切區(qū)110 ℃，泄壓區(qū)140 ℃，喂料速度12 Hz，螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min。

② 大豆：調(diào)質(zhì)溫度70 ℃，蒸汽壓力0.5 MPa，喂料區(qū)溫度110 ℃，混合區(qū)120 ℃，剪切區(qū)140 ℃，泄壓區(qū)150 ℃，喂料速度40 Hz，螺桿轉(zhuǎn)速180 r/min。

③ 亞麻籽：調(diào)質(zhì)溫度60 ℃，蒸汽壓力0.5 MPa，喂料區(qū)溫度110 ℃，混合區(qū)130 ℃，泄壓區(qū)140 ℃，喂料速度18 Hz，螺桿轉(zhuǎn)速90 r/min。

1.3 指標(biāo)檢測(cè)

①常規(guī)養(yǎng)分指標(biāo)含量及測(cè)定方法：蛋白質(zhì)、粗脂肪和總磷分別采用GB/T 6432—2018、GB/T 6433—2006、GB/T 6437—2006 測(cè)定。②蛋白溶解度采用GB/T 19541—2004 測(cè)定。③脲酶活性采用GB/T 8622—1988 測(cè)定。④植酸磷（沉淀消解法）[6]：粉碎樣品經(jīng)1.2%稀鹽酸提取，過濾。取濾液加1.0%三氯化鐵生成植酸磷沉淀，將沉淀用硝酸、硫酸消解，取消解液與10%鉬酸銨發(fā)生反應(yīng)生成磷鉬酸，用2.0%抗壞血酸進(jìn)行鉬蘭顯色，在波長(zhǎng)660 nm下進(jìn)行顯色測(cè)定。以磷標(biāo)準(zhǔn)溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并定量分析植酸磷含量。⑤熱敏蛋白：熱敏蛋白的測(cè)定采用Promatest-玉米熱敏蛋白變性的評(píng)估方法。粉碎后的樣品用萃取液（13.6 g KH2PO4、4.2 g K2HPO4、20 g NaCl 定容至 2 000 ml）震蕩提取3 min 后過濾，備用。取濾液與考馬斯亮藍(lán)染色液混合反應(yīng)15 min，并以萃取液作為空白，測(cè)定595 nm 處的吸光值。以牛血清白蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)蛋白繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并定量分析熱敏蛋白含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SAS 9.1.3 進(jìn)行方差分析，以變異系數(shù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示，P＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓膨化對(duì)原料玉米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

本試驗(yàn)采集了26 份玉米樣品，測(cè)定玉米經(jīng)擠壓膨化后常規(guī)養(yǎng)分及抗?fàn)I養(yǎng)因子含量的變化（見表1）。由表1可知，擠壓膨化加工使玉米的蛋白質(zhì)與總磷含量有所提高，經(jīng)膨化處理后玉米的脂肪、植酸磷、蛋白溶解度及熱敏蛋白含量均有下降。其中膨化后玉米的脂肪含量相比膨化前降低38.87%，蛋白質(zhì)含量提高2.24%，蛋白溶解度降低33.17%，熱敏蛋白含量降低40.74%，植酸磷含量降低37.5%，總磷含量增加了15.0%。玉米經(jīng)擠壓膨化處理后，脂肪、蛋白溶解度和植酸磷與膨化前相比發(fā)生顯著變化（P＜0.05），各項(xiàng)指標(biāo)變異程度依次為：CV植酸磷＞CV蛋白溶解度＞CV熱敏蛋白＞CV脂肪＞CV總磷＞CV蛋白質(zhì)。

2.2 擠壓膨化對(duì)原料大豆?fàn)I養(yǎng)品質(zhì)的影響

本試驗(yàn)測(cè)定了25批次的大豆經(jīng)擠壓膨化前后常規(guī)成分及抗?fàn)I養(yǎng)因子含量的變化（見表2）。由表2可知，擠壓膨化加工使大豆的蛋白質(zhì)與總磷含量有所提高，脂肪、蛋白溶解度、熱敏蛋白和脲酶活性均有下降，植酸磷的含量基本上無變化。與大豆膨化前相比，膨化大豆的脂肪含量降低1.26%，蛋白質(zhì)含量提高1.23%，蛋白溶解度降低12.12%，熱敏蛋白含量降低94.65%，脲酶活性降低97.46%，植酸磷含量降低6.25%，總磷含量提高3.39%。

表1 玉米擠壓膨化后營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的變化（干物質(zhì)基礎(chǔ)，%）

表2 大豆擠壓膨化后營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的變化（干物質(zhì)基礎(chǔ)）

大豆經(jīng)擠壓膨化處理后，蛋白溶解度、熱敏蛋白和脲酶活性與膨化前相比發(fā)生顯著變化（P＜0.05），各項(xiàng)指標(biāo)變異程度依次為：CV脲酶活性＞CV植酸磷＞CV熱敏蛋白＞CV蛋白溶解度＞CV總磷＞CV脂肪＞CV蛋白質(zhì)。

2.3 擠壓膨化對(duì)原料亞麻籽營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

試驗(yàn)測(cè)定了10批次的亞麻籽經(jīng)擠壓膨化前后常規(guī)成分及抗?fàn)I養(yǎng)因子含量的變化（見表3）。由表3可知，擠壓膨化加工使亞麻籽的蛋白質(zhì)含量有所提高，脂肪、蛋白溶解度和總磷均有下降趨勢(shì)，對(duì)熱敏蛋白具有顯著的降低。其中膨化亞麻籽的脂肪含量相比膨化前降低1.35%，蛋白質(zhì)含量提高0.73%，蛋白溶解度降低8.05%，熱敏蛋白含量降低40.0%，總磷含量下降1.92%。

表3 亞麻籽擠壓膨化后營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的變化（干物質(zhì)基礎(chǔ)，%）

亞麻籽經(jīng)擠壓膨化處理后，熱敏蛋白與膨化前相比發(fā)生顯著變化（P＜0.05），各項(xiàng)指標(biāo)變異程度依次為：CV熱敏蛋白＞CV總磷＞CV蛋白溶解度＞CV脂肪＞CV蛋白質(zhì)。

3 討論

3.1 擠壓膨化對(duì)原料中營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及蛋白溶解度的影響

在本試驗(yàn)中，飼料原料經(jīng)擠壓膨化處理后，玉米的蛋白質(zhì)及總磷含量分別提高了2.24%和15.0%，大豆的蛋白質(zhì)及總磷含量分別提高了1.23%、3.39%，亞麻籽的蛋白質(zhì)含量提高0.73%，但總磷含量降低了1.92%。飼料原料經(jīng)膨化加工后，其中的蛋白質(zhì)與總磷的含量并沒有顯著變化，但可能改變對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征影響了蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。徐紅華等[7]研究發(fā)現(xiàn)，擠壓膨化可以破壞蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大豆球蛋白內(nèi)部疏水基暴露，蛋白分子變性，減少二硫鍵的形成；隨著擠壓溫度升高，會(huì)破壞蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以增加蛋白質(zhì)的交聯(lián)作用，降低游離巰基含量。

此外，在本研究中，玉米、大豆和亞麻籽的熱敏蛋白含量分別降低了40.74%、94.65%和40.0%，蛋白溶解度降低了33.17%、12.12%和8.05%，這可能與原料蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)。熱敏蛋白是衡量鹽可溶性蛋白受溫度影響的重要指標(biāo)，蛋白溶解度指標(biāo)反映了蛋白質(zhì)變性的程度，這兩個(gè)指標(biāo)的改變可能與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。有研究表明膨化加工過程中的作用力破壞原料中蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)性質(zhì)發(fā)生改變，可溶性蛋白含量降低，導(dǎo)致原料中蛋白質(zhì)溶解度降低[8]。Sun 等[9]在研究熱處理（40～120 ℃）甘薯蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，熱處理可以顯著提高無規(guī)則卷曲和β-轉(zhuǎn)角的含量，而β-折疊含量顯著降低。趙成彬等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著擠壓溫度的升高，膨化豆粕的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，氮溶解指數(shù)和蛋白質(zhì)分散指數(shù)先增大后減小，有利于提高豆粕品質(zhì)。原料中的蛋白質(zhì)在膨化機(jī)內(nèi)經(jīng)過高溫、高壓、高剪切力的作用，原有的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在離開模口時(shí)，由于壓力迅速下降，原料中的水分急劇蒸發(fā)，因此物料會(huì)形成多孔氣泡狀的蓬松結(jié)構(gòu)，破壞了蛋白質(zhì)原有的空間結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)亞基之間發(fā)生重新聚集，二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。此外，杜雙奎[11]發(fā)現(xiàn)原料在高溫高壓的剪切作用下，蛋白質(zhì)的三、四級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力變?nèi)?，蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生伸展和重組，分子間氫鍵、二硫鍵等部分?jǐn)嗔选Ｖx藍(lán)華等[12]對(duì)茶渣蛋白進(jìn)行擠壓膨化改性后提高了茶渣蛋白的持水力、吸水性及乳化性，說明擠壓膨化可以改善茶渣蛋白的功能特性。

膨化加工工藝對(duì)飼料中脂肪含量有一定的影響，在本試驗(yàn)中玉米、大豆和亞麻籽經(jīng)過膨化后其中的脂肪含量分別降低38.87%、1.26%和1.35%，這可能是由于在高溫條件下，原料中不飽和脂肪酸容易被氧化形成復(fù)合物有關(guān)，同時(shí)高溫也會(huì)導(dǎo)致脂肪自身發(fā)生降解，這與前人的研究結(jié)果一致。飼料原料在高溫下進(jìn)行擠壓膨化處理，飼料中的脂肪會(huì)有一定程度的氧化，并與淀粉形成淀粉脂質(zhì)復(fù)合物，其中的飽和脂肪酸較穩(wěn)定，而不飽和脂肪酸極易被氧化，尤其在高溫、氧氣、金屬等條件下更易氧化而生成過氧化物和金屬過氧化物復(fù)合物，導(dǎo)致原料中的粗脂肪水平降低[13]。甘振威等[14]發(fā)現(xiàn)飼料中的脂肪在擠壓膨化過程中分解為甘油和游離脂肪酸，并與淀粉、蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，導(dǎo)致飼料中粗脂肪含量降低。Nierle 等[15]研究表明部分脂肪可以在擠壓過程中隨蒸汽揮發(fā)掉，并且少量脂肪可以與糊化的淀粉形成較難被溶劑萃取的絡(luò)合物，降低了脂肪的測(cè)定值。

3.2 擠壓膨化對(duì)飼料原料中抗?fàn)I養(yǎng)因子的影響

飼料原料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子如胰蛋白酶抑制劑、植酸磷等容易造成幼齡動(dòng)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分消化吸收障礙，飼料轉(zhuǎn)化率降低，導(dǎo)致動(dòng)物生產(chǎn)性能下降，造成經(jīng)濟(jì)損失。膨化加工可降低大豆的脲酶活性，破壞大豆中胰蛋白酶抑制因子，并且隨著膨化溫度的升高及加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，原料中抗?fàn)I養(yǎng)因子活性下降，并呈正相關(guān)的趨勢(shì)。從本試驗(yàn)研究結(jié)果可以看出，經(jīng)過膨化加工，大豆的脲酶活性損失率達(dá)到97.46%。一般認(rèn)為大豆的脲酶活性與胰蛋白酶抑制因子的含量呈正相關(guān)，脲酶活性越低說明對(duì)大豆中的抗胰蛋白酶抑制因子的破壞越大。劉海軍等[16]研究發(fā)現(xiàn)，膨化過程中的高溫高水分條件下，對(duì)大豆脲酶活性及胰蛋白酶含量有顯著的失活現(xiàn)象。膨化溫度達(dá)到100～140 ℃時(shí)可使大豆胰蛋白酶抑制因子活性降低74.8%～88.6%[17]，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。

植物性飼料原料中的植酸可以與蛋白質(zhì)、金屬離子、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)結(jié)合，降低了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率。飼料中的植酸磷不能直接被動(dòng)物消化，經(jīng)過添加植酸酶或者采用適宜的加工方式，提高植酸磷的利用率。在本試驗(yàn)中，經(jīng)過擠壓膨化加工后不同原料中植酸磷含量的變化不盡一致，玉米中的植酸磷顯著降低，但是對(duì)于大豆中的植酸磷并沒有顯著的影響。在本試驗(yàn)所采集的樣品中植酸磷的含量較低，導(dǎo)致不同原料中植酸磷含量的變異系數(shù)較大，但總體飼料中的植酸磷含量經(jīng)擠壓膨化處理后均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

4 結(jié)論

擠壓膨化加工技術(shù)對(duì)飼料原料中的營(yíng)養(yǎng)成分及抗?fàn)I養(yǎng)因子有一定的影響，在本試驗(yàn)條件下，經(jīng)擠壓膨化加工后，可以提高玉米、大豆和亞麻籽中的蛋白質(zhì)的含量，降低脂肪、蛋白溶解度和熱敏蛋白含量。其中膨化加工可以顯著降低玉米中植酸磷含量，但對(duì)于大豆中的植酸磷含量的降低沒有顯著變化，但有下降的趨勢(shì)。