飼料限水糊化動力學及其顆粒結(jié)構(gòu)特性的表征

金 楠，李騰飛，王紅英※，方 鵬，段恩澤，陳計遠

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083；2. 北京城市學院北京3D 打印研究院，北京 100083）

0 引 言

飼料是畜牧養(yǎng)殖業(yè)的重要物質(zhì)基礎，隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，飼料成本占到養(yǎng)殖成本的 70%左右。在家畜日糧配方中尋求利用一些價格較低的副產(chǎn)物是一種降低飼料成本的重要途徑，另一方面，改善飼料加工工藝也能有效提高目標動物的飼料價值，從而降低飼料成本[1]。調(diào)質(zhì)作為飼料加工中最重要的工序之一，是一種典型的水熱處理工藝，在調(diào)質(zhì)器槳葉的攪拌混合作用下，飼料在與飽和蒸汽充分進行質(zhì)熱傳遞的過程中發(fā)生糊化[2]，改善了飼料利用率、畜禽胃腸道健康、制粒流變特性[3-5]和適口性。然而在實際生產(chǎn)中，調(diào)質(zhì)的工藝參數(shù)往往依靠操作人員的經(jīng)驗設定，加工參數(shù)對產(chǎn)品內(nèi)在特性的影響尚不明確，極大限制了配合飼料顆粒的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。

現(xiàn)有飼料調(diào)質(zhì)工藝的研究，包括對飼料原料[6]及不同原料組分配合飼料比熱、導熱率等熱特性的分析[7-8]，飼料糊化度的測定方法[9]，飼料糊化過程和糊化階段的劃分等方面[10]。飼料的糊化主要是指飼料中淀粉源物料在水熱作用下，伴隨顆粒吸水溶脹、微晶結(jié)構(gòu)熔融、雙折射現(xiàn)象消失等不可逆變化，淀粉分子結(jié)構(gòu)崩潰的過程[11]，主要受淀粉的植物來源、加工水分、加熱溫度和改性時間等因素共同影響[12-13]，淀粉在過量的水環(huán)境中易于糊化，而在水分不足的環(huán)境中即使在高溫下也很難糊化[14]，只有水與淀粉的比例大于3∶1 時，淀粉在達到糊化溫度后才能完全糊化[15]。事實上，在飼料加工的實際應用中，飼料膨化機和調(diào)質(zhì)器中物料的水分是通過飽和蒸汽傳熱傳質(zhì)方式添加的，膨化腔中的飼料水分可增加至 20%～30%，而調(diào)質(zhì)后的飼料水分僅能達到16%～18%，且水分分布不均勻，飼料整體水分含量通常是有限的甚至是稀缺不足的。但對有限水分條件下飼料糊化特性以及由糊化導致的顆粒結(jié)構(gòu)變化的研究并不充分。

糊化動力學參數(shù)是工藝師設計和優(yōu)化加工工藝的必要基礎，用以獲取“最適糊化度”產(chǎn)品[16]。左春檉等[17]提出了玉米淀粉在高壓處理中保壓時間與淀粉糊化度的動力學關(guān)系式，指出高壓玉米淀粉糊化與熱加工淀粉糊化同屬一級反應；Sablani 等[18]對糯玉米淀粉的等壓和等溫動力學進行了量化，描述了時間-溫度-壓力組合對淀粉糊化的影響；Pielichowski 等[19]采用n級反應模型和Jander 型三維擴散模型擬合了馬鈴薯淀粉的雙步糊化過程；Spigno 等[20]通過比較不同的數(shù)學模型研究了大米淀粉在不同濃度范圍內(nèi)的糊化動力學，以優(yōu)化淀粉提取的最佳工藝。相關(guān)學者已對不同植物來源分離淀粉的糊化動力學進行了研究[21]，但尚未有報道對含有復合組分混合物的配合飼料糊化動力學進行評估。

基于以上分析，本文研究在限制水分條件下，溫度和時間對配合飼料糊化動力學和顆粒結(jié)構(gòu)特性的影響，基于均勻板加熱法對飼料樣品進行熱處理，分析其糊化程度、動力學參數(shù)、結(jié)晶特性、雙折射特性和微觀形貌等理化性質(zhì)，擬為飼料的熱加工提供基礎研究數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為取自北京首農(nóng)畜牧發(fā)展有限公司飼料分公司的育肥豬配合飼料（混合后調(diào)質(zhì)前），其配方組成為：玉米66.52%、豆粕15.15%、麥麩8.00%、玉米干全酒糟7.00%、石粉0.85%、磷酸氫鈣0.48%、復合預混料2.00%，是一個淀粉含量超過50%（干基）的高能飼料配方，經(jīng)高速萬能粉碎機粉碎后過212μm 篩，測得飼料初始水分為(10.57±0.06)%。根據(jù)飼料膨化和調(diào)質(zhì)熱加工后物料的水分含量及飼料糊化所需的水分要求，計算飼料水分達到25%和30%所需的蒸餾水用量，向飼料中噴灑蒸餾水并充分混合15 min 后裝入聚乙烯密封袋中，置于4 ℃的冰箱平衡48 h，期間每隔8 h 晃動一次，每次持續(xù)1 min[13]，獲得水分分別為(25.08±0.06)%、(30.11±0.03)%且均勻的飼料作為熱處理樣品。

1.2 飼料均勻板加熱處理

基于均勻板加熱方法[13]，飼料樣品的熱處理采用圖1所示的加熱裝置進行，樣品達到溫度均勻分布所需的時間尺度遠小于樣品糊化的時間尺度，可實現(xiàn)對樣品熱處理時間的準確控制。將(2.0±0.1) g 預調(diào)水分的飼料樣品密封于聚乙烯-聚酰胺真空袋中，夾持于一組平行溫度可控的鑄鋁加熱板內(nèi)加熱。根據(jù)目前飼料調(diào)質(zhì)器的工作參數(shù)，設定樣品熱處理的溫度梯度為75、80、85、90 和95 ℃，在目標溫度下，對樣品進行 0.5、1、3、5、7 和 10 min不同時長的加熱處理，并將熱處理完成后的樣品真空袋立即取出置于冰袋上，以迅速停止飼料的糊化進程。冷卻至室溫后將飼料樣品在40 ℃恒溫干燥箱中干燥12 h至恒重，以用于后續(xù)糊化度和顆粒結(jié)構(gòu)特性的表征分析。

1.3 飼料糊化度的測定

飼料糊化度的測定參照簡易酶法[22]并做適當修改。選用糖化酶（Amyloglucosidase，上海源葉生物科技有限公司）配制酶溶液，孵育最適溫度為50 ℃。在紫外可見分光光度計（TU-1901，北京普析通用儀器有限責任公司）420 nm 波長下讀取吸光值，糊化度為

式中α為飼料的糊化度；As為待測樣品的吸光值；Ab為空白吸光值；Af為全糊化樣品的吸光值。

圖1 飼料樣品熱處理裝置Fig.1 Heat treatment device for feed samples

1.4 非線性一級動力學模型

糊化動力學參數(shù)包括活化能、指前因子和模型函數(shù)[23]?；诜蔷€性動力學模型[11]，建立配合飼料的糊化動力學方程，該模型引入了一個量化給定溫度和水分條件下糊化終端程度的經(jīng)驗參數(shù)α∞，

式中t為加熱時間，min；n為反應級數(shù)；k為速率常數(shù)；α∞為無窮因子，量化糊化終端程度。

大量研究認為淀粉與水體系的糊化遵循一級動力學模型[18]，因此，取n=1 時，在給定溫度下式（2）的解為

其中，速率常數(shù)k與熱處理溫度T的關(guān)系可由Arrhenius 公式[11]表示

式中Z為指前因子；Ea為活化能，J/mol；T為熱處理溫度，K；G 為理想氣體常數(shù)，取8.314 5 J/(mol·K)。

對式（4）方程兩邊取自然對數(shù)化簡為線性形式

由式（3）可以獲得不同熱處理溫度下的速率常數(shù)k，以1/GT為橫坐標，lnk為縱坐標，繪制飼料糊化的Arrhenius圖，即可通過線性回歸方程得到飼料糊化的活化能Ea。

1.5 偏光顯微觀察

用配備數(shù)碼相機（CKC2000，上海蔡康光學儀器有限公司）的三目顯微鏡（XPF-550C，上海蔡康光學儀器有限公司）在偏振光下觀察經(jīng)過干燥處理的飼料樣品雙折射特性。以體積比為 1∶1 的甘油-水溶液作為分散介質(zhì)，將10 mg 樣品分散到1 mL 分散介質(zhì)中制成懸浮液，在600 倍放大倍數(shù)下觀察并拍攝圖像。

1.6 X-射線衍射分析

通過X-射線衍射儀（D8 Advance，德國布魯克公司）測定飼料樣品的衍射圖譜和相對結(jié)晶度。測定條件為：鎳過濾Cu-Kα 靶（波長λ=0.154 06 nm），管壓40 kV，管流40 mA，衍射角（2θ）掃描范圍4°～40°，掃描速率2.5°/min，取值步長0.02°。相對結(jié)晶度使用MDI Jade 6.5軟件按照面積法計算[24]。

1.7 掃描電鏡形貌觀察

使用掃描電鏡（SU8020，日本日立公司）觀察飼料原樣品和經(jīng)過90 ℃熱處理3 min 后樣品的顆粒形貌。干燥后的樣品用雙面碳導電膠帶固定于樣品臺后噴金處理，在10 kV 加速電壓下拍攝放大2 000 倍顆粒微觀圖像。

2 結(jié)果與分析

2.1 飼料糊化動力學及活化能分析

速率常數(shù)和活化能等飼料糊化動力學參數(shù)可用于設計和優(yōu)化調(diào)質(zhì)和膨化等工業(yè)化飼料熱加工工藝。圖 2 為不同水分飼料在 75、80、85、90 和 95 ℃熱處理溫度下的飼料糊化動力學曲線，飼料原樣品的糊化度為0.023 6±0.017 3；25%水分飼料在不同熱處理溫度下的糊化度均較低，即使在95 ℃的高溫下，最大糊化度也僅為 0.320 6±0.016 2，而在75 和80 ℃熱處理溫度下糊化度尚且不足0.2；30%水分飼料，分別在75、95 ℃下熱處理10 min 后，最大糊化度從0.308 0±0.007 5 增加到0.668 8±0.015 0，由此可見，飼料的加工水分是限制飼料糊化的第一因素。值得注意的是，飼料的糊化在加熱1～2 min 內(nèi)發(fā)展迅速，并在加熱3 min 左右時，糊化度趨向漸進值，達到糊化終端程度，且在不同水分、不同熱處理溫度下表現(xiàn)出相同的變化趨勢，這一現(xiàn)象與Fukuoka 等[14]對小麥淀粉的研究結(jié)果一致。

圖2 不同水分飼料在不同熱處理溫度下的糊化動力學曲線Fig.2 Gelatinization kinetics curves of feed with different moisture at different heat treatment temperatures

采用一級糊化動力學模型對糊化度數(shù)據(jù)進行擬合，模型參數(shù)擬合結(jié)果見表1。速率常數(shù)k和無窮因子α∞表現(xiàn)出明顯的溫度依賴性，均隨熱處理溫度的升高而增大，這是因為較高的溫度可以提供更多的熱能，從而激發(fā)飼料中更多的分子活化加快糊化速率。25%和30%兩個有限水體系下，方程擬合結(jié)果的決定系數(shù)R2分別在0.984 1～0.996 3 和0.983 4～0.998 6 之間，表明式（3）對飼料糊化動力學具有良好的擬合度，印證了以淀粉成分為主的飼料糊化過程遵循一級動力學模型。

表1 一級糊化動力學模型參數(shù)擬合Table1 Fitting values of parameters with the first order gelatinization kinetic model

以 1/GT為橫坐標，lnk為縱坐標，繪制飼料糊化的Arrhenius 圖如圖3 所示，由式（5）可知，Ea為圖中直線斜率的絕對值。25%和30%水分飼料樣品糊化的Ea值分別為11 356.58 和52 705.56 J/mol，遠低于天然淀粉糊化活化能 83 000～920 000 J/mol 的范圍[15]。Resio 等[15]指出只有水與淀粉的比例大于3∶1 時，淀粉在達到糊化溫度后才能完全糊化，而本文在限制水分條件下對飼料進行熱處理，由于水分不足，飼料中淀粉顆粒未完全糊化，也就是說，在有限水體系中得到的是飼料“不完全糊化活化能”，故其Ea值相對較低。30%水分下的糊化活化能高于25%水分，是由于30%水分下飼料的糊化程度更高，若繼續(xù)增加飼料水分，則糊化活化能會隨著水分的提高而增大，直至達到飼料完全糊化的活化能值。

圖3 飼料糊化的Arrhenius 圖Fig.3 Arrhenius plot of the feed gelatinization

活化能是淀粉源飼料在糊化轉(zhuǎn)化過程中必須克服的能量勢壘，從活化分子與活化能的關(guān)系上來看，增加單位體積內(nèi)活化分子總數(shù)可加快反應速率[17]，更高的熱處理溫度和更持久的加熱時間能有效激活更多淀粉分子加快反應，但在有限水體系下，飼料中的淀粉糊化機理很大程度上受水分擴散作用的控制。

2.2 熱處理對淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的影響

雙折射特性是由于淀粉顆粒內(nèi)部高度有序的分子結(jié)構(gòu)引起的，也是淀粉顆粒為晶體的重要標志[25]。原樣品和經(jīng)過熱處理的25%水分飼料樣品的偏光顯微圖像如圖 4 所示，飼料中的淀粉顆粒在中心呈現(xiàn)黑色的偏光十字，將顆粒分成四個白色區(qū)域，原樣品的偏光十字明顯，而經(jīng)過不同溫度熱處理的樣品，其雙折射強度不同程度減弱，但即使熱處理溫度達到 95 ℃，同一熱處理樣品中仍共存有不同雙折射消失程度的顆粒（如圖4 箭頭所示），這表明在有限水分條件下，經(jīng)過熱處理飼料中淀粉顆粒的晶體特性仍有保持，顆粒結(jié)構(gòu)未被完全破壞，且不同顆粒對熱處理的敏感性不同。Evans 等[26]也報道了在過量水或糖溶液中，馬鈴薯淀粉同時存在不穩(wěn)定和更穩(wěn)定顆粒的兩種熔融狀態(tài)。30%和25%水分條件下淀粉顆粒雙折射消失程度基本相同，而在較高熱處理溫度下，由于30%水分飼料的糊化度更高，其淀粉顆粒的破壞程度明顯高于25%水分飼料。

在熱處理飼料樣品中存在部分顆粒，其中心的雙折射消失，而邊緣仍保持著清晰的雙折射性（如圖 4 矩形框所示），這一觀察結(jié)果與Xing 等[27]對玉米淀粉濕熱處理和酸解過程中的雙折射變化一致。雙折射性的損失可能是由于熱處理向顆粒輸入的熱能增加了淀粉分子鏈的流動性，從而導致結(jié)構(gòu)上的破壞。淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性由低到高依次為無定形區(qū)、亞結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)[28]，顆粒中心無定形區(qū)淀粉分子鏈的排列較松弛，而顆粒外圍結(jié)晶區(qū)的排列更為緊密[29]，因此，顆粒外圍雙折射性的消失就需要更高的能量。這充分解釋了上述淀粉顆粒偏光十字從中心區(qū)域開始消失的現(xiàn)象，表明在有限水分條件下，飼料熱處理過程中淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)變化主要集中為顆粒中心無定形區(qū)的破壞，僅有少數(shù)顆粒結(jié)構(gòu)被完全破壞。

圖4 25%水分飼料樣品加熱3 min 時在不同熱處理溫度下的偏光顯微圖像Fig.4 Polarizing photomicrographs of feed samples with 25% moisture after heat treatment at different temperatures for 3 min

2.3 X-射線衍射圖譜與結(jié)晶度分析

由飼料糊化動力學的分析可知，樣品在加熱3 min 左右糊化度趨于穩(wěn)定，因此，為了研究熱處理溫度對飼料樣品晶體結(jié)構(gòu)的影響，對加熱時間為 3 min 的樣品進行X-射線衍射分析。原樣品和熱處理飼料樣品的X-射線衍射圖譜如圖5 所示，圖6 為這些樣品對應的相對結(jié)晶度值。由于飼料中的淀粉成分除了玉米淀粉外，還含有少量的豆科淀粉，所以原樣品表現(xiàn)為C 型結(jié)晶圖譜，分別在衍射角 5.6°、15°、17°、18°和 23°處有較強峰值；而經(jīng)過熱處理的飼料樣品，衍射角5.6°處的峰值消失，轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷腁 型結(jié)晶圖譜，這表明飼料中的豆科淀粉優(yōu)先被破壞，相較于玉米淀粉，豆科淀粉的耐熱性更差；隨著熱處理溫度的升高，在衍射角20°處的相對強度有增加趨勢，當25%水分飼料在熱處理溫度為95 ℃時、30%水分飼料熱處理溫度高于 85 ℃時，在衍射角 20°處形成較尖銳的峰，轉(zhuǎn)變?yōu)閂 型結(jié)晶圖譜，這歸因于直鏈淀粉-脂質(zhì)復合物的形成。直鏈淀粉通常存在于淀粉顆粒的無定形區(qū)[30]，上文分析指出有限水分條件下，熱處理飼料淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)變化主要是無定形區(qū)的破壞，這促進了直鏈淀粉的浸出，易于與飼料配方中的脂質(zhì)成分形成直鏈淀粉-脂質(zhì)復合物。

圖5 不同水分飼料樣品加熱3 min 時在不同熱處理溫度下的X-射線衍射圖譜Fig.5 The X-ray diffraction patterns of feed samples with different moisture after heat treatment at different temperatures for 3 min

由圖6 可見，在加熱時間3 min 條件下，熱處理會降低飼料原樣品的相對結(jié)晶度，由于較高水分飼料糊化程度高、飼料晶體結(jié)構(gòu)破壞更大，30%水分飼料在75、80、95 ℃相對結(jié)晶度較25%水分飼料更低。隨著熱處理溫度的升高樣品的相對結(jié)晶度先降低，在 25%水分飼料熱處理溫度為90 ℃、30%水分飼料熱處理溫度為85 ℃時，樣品的結(jié)晶度出現(xiàn)一次明顯回升，但隨后再次降低，這一變化與淀粉晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和再生密切相關(guān)。Zavareze等[31]指出，淀粉晶體結(jié)構(gòu)的破壞和重排在濕熱處理過程中是同時發(fā)生的，淀粉分子鏈段在破壞的同時也為鏈段的重新排序提供了條件，允許其在有限條件下形成更多的晶體結(jié)構(gòu)[32]，熱處理過程中淀粉鏈之間的相互作用甚至可以減少或抵消淀粉微晶結(jié)構(gòu)的破壞[33]，這是飼料樣品相對結(jié)晶度回升的重要原因。結(jié)合不同水分飼料樣品在不同熱處理溫度的相對結(jié)晶度變化分析可知，在有限水分飼料樣品的熱處理中，淀粉晶體結(jié)構(gòu)的破壞隨著溫度升高逐漸增強，但淀粉晶體結(jié)構(gòu)的重排表現(xiàn)出較強的溫度依賴特性，且25%和30%水分飼料晶體結(jié)構(gòu)再生的最適溫度分別在 90 和 85 ℃左右，水分含量升高有利于飼料中淀粉晶體結(jié)構(gòu)的重排。

圖6 不同水分飼料樣品在不同熱處理溫度下的相對結(jié)晶度Fig.6 The relative crystallinity of feed samples with different moisture at different heat treatment temperatures

2.4 飼料掃描電鏡圖像分析

由上文分析可知，90 ℃加熱3 min 的熱處理條件足以滿足飼料的糊化要求，所以對飼料原樣品和該條件熱處理后的樣品進行掃描電鏡分析，以確定糊化對飼料顆粒形貌的影響，結(jié)果如圖 7 所示。配合飼料原料的多組分給圖像的分析帶來了一定難度，圖中球形或近球多角形顆粒是飼料中的淀粉顆粒。原樣品中淀粉顆粒由于粉碎作用導致表面粗糙，存在凸起和微孔，但顆粒整體結(jié)構(gòu)飽滿；經(jīng)過90 ℃熱處理3 min 后的樣品中，淀粉顆粒表面出現(xiàn)明顯的塌陷，30%水分樣品顆粒塌陷程度高于25%水分樣品（如圖7 箭頭所示）。

在有限水分條件下，飼料的糊化未導致其顆粒結(jié)構(gòu)的徹底破壞而發(fā)生明顯皺縮，僅有部分顆粒形貌發(fā)生變化，可見水分在飼料糊化中的重要作用。低水分下的熱處理，由于淀粉顆粒以中心無定形區(qū)的破壞為主，顆粒中心結(jié)構(gòu)的破壞導致了顆粒表面塌陷形成凹坑，并且受熱后顆粒表面的熔融改變了其原有的形貌。從營養(yǎng)的角度來看，飼料顆粒的形貌關(guān)系著飼料的消化利用率，表面不規(guī)則的顆粒有利于增加消化酶的附著點，促進酶的攻擊，從而提高消化率[34]。但飼料在限制水分條件下的熱處理對飼料利用率的影響有待進一步研究。

圖7 不同水分飼料樣品在90 ℃熱處理3 min 的掃描電鏡圖像Fig.7 Scanning electron microscope of feed samples with different moisture after heat treatment at 90 ℃ for 3 min

3 結(jié) 論

1）在有限水分條件下，25%和30%水分飼料的最大糊化度分別為 0.320 6±0.016 2 和 0.668 8±0.015 0，飼料的糊化過程遵循非線性一級動力學模型，該模型中引入了一個量化糊化終端程度的無窮因子，且在熱處理時間達到3 min 左右時，糊化度趨向糊化終端的漸進值，不同水分和不同熱處理溫度表現(xiàn)出相同的變化趨勢。由Arrhenius 公式獲得的25%和30%水分飼料糊化活化能相較于天然淀粉更低，分別為11 356.58 和52 705.59 J/mol。

2）有限水分條件下的飼料糊化導致其顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。經(jīng)過熱處理的飼料樣品顆粒形貌未被完全破壞，僅有部分顆粒表面塌陷形成凹坑；具有不同雙折射消失程度的淀粉顆粒共存于同一熱處理樣品體系中，淀粉顆粒雙折射性的消失從顆粒中心開始，表明顆粒中無定形區(qū)的結(jié)構(gòu)優(yōu)先破壞，并促進了直鏈淀粉的浸出；由于直鏈淀粉-脂質(zhì)復合物的形成，經(jīng)過熱處理樣品的結(jié)晶圖譜由A 型轉(zhuǎn)變?yōu)閂 型；飼料樣品的相對結(jié)晶度隨著熱處理溫度的升高先降低，在25%水分飼料熱處理溫度為90 ℃、30%水分飼料熱處理溫度為85 ℃時，樣品的結(jié)晶度出現(xiàn)一次明顯回升，但隨后再次降低，表明在熱處理過程中飼料樣品晶體結(jié)構(gòu)的破壞和重排同時發(fā)生。

3）水分是飼料糊化的第一限制性因素，在飼料調(diào)質(zhì)和膨化參數(shù)的設定中適當增加水分有利于提高飼料糊化度和改善顆粒成型特性；飼料的糊化在加熱1～2 min 內(nèi)發(fā)展迅速，并在加熱3 min 左右時達到糊化終端程度，因此應避免過分追求多級調(diào)質(zhì)延長調(diào)質(zhì)時間，而導致飼料中熱敏性組分的損失。