擠壓膨化寵物食品生產(chǎn)質(zhì)量控制關(guān)鍵要素研究進(jìn)展

趙 鵬 王金全

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，北京100081）

近年來，隨著新型飼料加工裝備的發(fā)展，寵物食品擠壓膨化工藝將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷擠壓和蒸汽制粒工藝。合理的生產(chǎn)管理工藝可以提高生產(chǎn)效率，降低能耗，有效減少病原微生物，保證飼料產(chǎn)品質(zhì)量和安全。擠壓膨化加工技術(shù)，是將多種配料混合物經(jīng)過蒸汽調(diào)節(jié)、壓縮并通過模具擠壓。擠壓機(jī)通過單螺桿或雙螺桿將多種配料輸送、混合、揉搓、剪切、使物料通過成型模具，膨化成一種均勻的食品，具有特定的形狀和長度[1]。在動物飼料的配方中，原料的質(zhì)量和生產(chǎn)過程都與成品的營養(yǎng)質(zhì)量有關(guān)[2-4]。

在寵物食品生產(chǎn)中之所以廣泛應(yīng)用擠壓膨化工藝，是因為這項技術(shù)的多功能性，在各種濕度、剪切力、壓力、時間和溫度條件下可以混合飼料、改善功能、解毒、殺菌和加工各種食品成分[5]。在擠壓過程中，維生素活性和可利用氨基酸可能降低，脂質(zhì)可能遭受氧化降解[6-7]，但不會對消化率產(chǎn)生影響[7]。擠壓過程還可以使一些酶變性，使一些抗?fàn)I養(yǎng)因子，如胰蛋白酶抑制劑、血凝素、單寧和植酸鹽等物質(zhì)失活[8]。

1 擠壓膨化寵物食品生產(chǎn)中水的控制

膨化寵物食品為多種原料經(jīng)過粉碎、混合后進(jìn)入擠壓膨化機(jī),最終加工成為含水量8%～10%的膨化產(chǎn)品[9]。貓和狗的膨化寵物食品的生產(chǎn)通常在含水量200～300 g/kg下進(jìn)行[10]，之后必須進(jìn)行干燥，將水分含量降低至60～90 g/kg 以下[4]，從而延長最終產(chǎn)品的保質(zhì)期。在擠壓過程中水分添加量，不會影響貓對食物的采食偏好[11]。對于干性膨化產(chǎn)品，最終水分含量必須低于10%才能防止發(fā)霉以及細(xì)菌的生長[3]。這與哥斯達(dá)黎加飼料工業(yè)要求產(chǎn)品水分含量保持在8～10 g/100 g[7]一致。

通過提高物料中水分添加量，可以減少擠壓機(jī)筒體中的摩擦，降低能耗[12]，降低擠壓機(jī)中機(jī)械能和剪切效應(yīng)和淀粉的糊化度[13]；物料水分過低則會導(dǎo)致犬糧硬度降低，脆性增加、適口性下降，同時也易引起生產(chǎn)過程中擠壓機(jī)進(jìn)料口堵塞[14]。有報道指出預(yù)處理過程中水化作用不當(dāng)會影響淀粉的整體糊化，并導(dǎo)致產(chǎn)品膨脹和結(jié)構(gòu)變化減少[15]。Ilo等[13]報道，擠壓過程中水分的增加會改變支鏈淀粉分子結(jié)構(gòu)，降低表觀黏度，導(dǎo)致徑向膨脹率降低。Manbeck 等[16]報道，在添加明膠的物料膨化率下降的原因，可能是大部分水分被明膠吸收。隨著物料含水量的升高膨化度逐漸降低[12]。Lin 等[11]報道，隨擠壓機(jī)筒內(nèi)水分的增加機(jī)械能利用率、擠壓溫度、壓力、淀粉糊化、有機(jī)物體外消化率均降低，賴氨酸的絡(luò)合作用減弱；擠壓機(jī)筒內(nèi)添加280～320 g/kg 的水分，以可改善擠壓顆粒成型。李重陽[14]報道，物料中比較適合的水分含量為28%。

寵物食品擠壓膨化生產(chǎn)過程中物料水分含量過低或過高都會對產(chǎn)品顆粒的膨化效果產(chǎn)生影響，在加工過程中，適宜的水分可以起到潤滑和增塑作用，同時有助于提高產(chǎn)品熟化度和膨化度。應(yīng)根據(jù)配方原料特性和產(chǎn)品膨化效果合理調(diào)整水分用量并控制膨化產(chǎn)品的含水率。

2 擠壓膨化寵物食品生產(chǎn)中水活度的控制

水活度（aw）對研發(fā)和生產(chǎn)營養(yǎng)、安全、穩(wěn)定的寵物食品非常有用，因為水活度對微生物生長、質(zhì)地、風(fēng)味、化學(xué)反應(yīng)（如褐變或脂質(zhì)氧化）或酶活性至關(guān)重要[17]。水活度的降低，表現(xiàn)出抑菌特性，是食品中用來表明抑制微生物生長的參數(shù)[2]。水活度增加會對寵物食品的保質(zhì)期產(chǎn)生嚴(yán)重影響[18]。因為水活度與脂質(zhì)質(zhì)量有關(guān)，可影響脂質(zhì)氧化[19]、脂質(zhì)修飾[20]、致病菌和伏馬菌素B1 積累[21]。Leiva Astrid 等[7]報道，成年犬、幼犬和貓干糧的水活度為0.535 6、0.583 7 和0.547 7。Ba?er 等[17]報道，貓和狗擠壓膨化食品在24.59 ℃和24.47 ℃下的平均水分活度分別為0.41和0.44。

水活度值是膨化食品生產(chǎn)、包裝和保質(zhì)期的重要參數(shù)。細(xì)菌、霉菌和酵母菌生長都需要水，而每一種微生物都有一個最低限度的水活度，低于這個限度就不會生長。食品中水活度在0.85以下認(rèn)為沒有危害，因為沒有足夠的水維持病原體的生長[17]。

3 擠壓膨化寵物食品生產(chǎn)中溫度的控制

在干膨化寵物食品生產(chǎn)過程中，控制溫度在80～150 ℃之間，有利于減少廢物，增加產(chǎn)品的保質(zhì)期，提高碳水化合物的消化率[14]。擠壓生產(chǎn)過程中所達(dá)到的溫度可消除食品中沙門氏菌等致病菌[22]。Singh 等[12]發(fā)現(xiàn)套筒溫度顯著影響豌豆徑向膨化度，在溫度150 ℃時膨化度最高。李重陽[14]報道，隨著模頭溫度的升高、容重先降低后升高、膨化度先升高后降低、淀粉糊化度顯著升高，當(dāng)溫度超過139.6 ℃后，淀粉糊化度顯著降低。溫度高于180 ℃后機(jī)筒中原料容易發(fā)生焦糖化反應(yīng)，不利于擠壓膨化的進(jìn)行和產(chǎn)品品質(zhì)的改善，綜合考慮套筒溫度對淀粉糊化度和營養(yǎng)元素的影響，最適溫度范圍為120～170 ℃[14]。有研究評估了在過度熱處理條件下獲得的大豆飼料產(chǎn)品中的糠氨酸生成量，每100 g蛋白質(zhì)為66.55 mg和108.01 mg[23-25]。而有研究報道細(xì)胞系對糠氨酸敏感，糠氨酸可以阻礙體重增長，并影響動物的肝和腎功能[26]。。

膨化寵物食品的干燥溫度會影響營養(yǎng)成分，特別是在高溫下。過度加熱會破壞脂肪的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致黏性物質(zhì)的產(chǎn)生，并導(dǎo)致香味揮發(fā)物的揮發(fā)[27]。Tran 等[28]報道，膨化顆粒在120 ℃的干燥溫度下總賴氨酸和活性賴氨酸的含量高于200 ℃的干燥條件，在160～200 ℃的干燥溫度下，與總賴氨酸相比，活性賴氨酸減少得更多，從而發(fā)生賴氨酸損耗，在200 ℃的干燥溫度下顯著降低了膨化顆粒中脯氨酸、總賴氨酸和活性賴氨酸的含量，160 ℃以下干燥寵物食品可將干燥過程對營養(yǎng)素的不良影響降至最低。

4 擠壓膨化寵物食品中喂料速率的控制

喂料量的大小決定了物料進(jìn)入膨化腔后，在膨化腔內(nèi)的停留時間和填充程度[29]，它表示單位時間內(nèi)投放到膨化機(jī)內(nèi)的原料的多少，從而也決定了膨化機(jī)的生產(chǎn)效率[30]。張文珍等[30]報道，喂料速率18 Hz 的飼糧糊化度極顯著高于喂料速率20 Hz，喂料速率18 Hz的飼糧容重極顯著低于喂料速率20 Hz。Ilo 等[13]報道，提高喂料速率，增加了原料淀粉源的停留時間，從而增加其糊化度。Athar 等[5]研究發(fā)現(xiàn)物料在機(jī)筒中的停留時間越長越不利于維生素的保存。Ding 等[31]發(fā)現(xiàn)增加喂料速率可以影響擠壓機(jī)填充度和物料停留時間，引起支鏈淀粉降解，改變表觀黏度，增加彈性效應(yīng)，影響膨化度。Ilo 等[13]報道，在使用玉米粉擠壓膨化中喂料速率（47～60 kg/h、擠壓20 min 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)）會影響擠壓機(jī)填充程度和物料停留時間，破壞熔融體中支鏈淀粉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但對容重沒有影響。單達(dá)聰?shù)萚32]報道，隨喂料速度（8、10、12、14、16 Hz）的提高容重明顯提高，不同喂料速度之間的容重差異極顯著。呂寶龍等[33-34]研究發(fā)現(xiàn)，隨喂料速度的增加，物料在膨化腔內(nèi)填充度增大、受剪切程度增強(qiáng)，淀粉糊化度和膨化度升高，但淀粉糊化度達(dá)80%后，再繼續(xù)增大喂料量，淀粉糊化度和膨化呈下降趨勢，比較適合的進(jìn)料速率為15～25 Hz。李重陽[14，35]報道，喂料速率與膨化度和淀粉糊化度呈正比，10～35 Hz 之間隨喂料速度增加，膨化度顯著增加，喂料速度過大會發(fā)生堵料現(xiàn)象，合適的進(jìn)料速率應(yīng)在10～30 Hz。

5 模板噸料開孔面積

模板噸料開孔面積（?？讛?shù)量和直徑）的大小與模板開孔面積和喂料速度密切相關(guān)，隨著模板開孔面積的增加，膨化腔內(nèi)充盈程度降低、壓力減小，導(dǎo)致膨化效果降低；一定范圍內(nèi)提高喂料速率，充盈度增加，膨化腔內(nèi)壓力增加，膨化效果增強(qiáng)[36]。在模板噸料開孔面積（?？讛?shù)量和直徑）不變的情況下，喂料速度越大噸料開孔面積越小，喂料速度越小噸料開孔面積越大[14]。Manbeck[16]報道，在4種不同明膠添加量的寵物食品生產(chǎn)中兩種模具（圓形模開孔面積15.90 mm2、三角形模開孔面積12.99 mm2）的重復(fù)試驗中出現(xiàn)差異，是由于開孔面積的差異，而不是試驗處理的影響。李重陽[14]報道，當(dāng)模板噸料開孔面積分別為240、220、200、180、160 mm2/(t·h)時，隨模板噸料開孔面積降低，容重顯著降低、膨化度顯著升高，犬糧的硬度和酥脆性隨模板噸料開孔面積的縮小而提高，當(dāng)噸料開孔面積為200 mm2/(t·h)時，犬糧質(zhì)構(gòu)特性最佳。李嘉琦[36]報道，在水產(chǎn)膨化飼料的研究中隨噸料開孔面積[300～500 mm2/(t·h)]的提高，容重逐漸升高，膨化率逐漸降低。

6 擠壓膨化寵物食品中螺桿轉(zhuǎn)速的控制

在膨化寵物食品擠壓膨化過程中可通過調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速，來控制擠壓作用強(qiáng)度。螺桿轉(zhuǎn)速的增加和降低，均會對物料的糊化度和膨脹率等指標(biāo)產(chǎn)生影響。增加轉(zhuǎn)速，由摩擦產(chǎn)生的熱量將增加，同時物料的停留時間也將變短，隨著物料流通速度的增加，從管壁上傳導(dǎo)到物料的熱量將減少；降低轉(zhuǎn)速，物料的流通速度減慢，在擠壓機(jī)內(nèi)停留時間將延長，同時摩擦產(chǎn)生的熱量將減少。Dogan 等[37]報道，提高擠壓機(jī)螺桿速度會產(chǎn)生更多的機(jī)械能和擠壓力，增加蒸汽閃蒸而導(dǎo)致更高的膨化率。Manbeck 等[16]報道，螺桿轉(zhuǎn)速高（500 r/min）、低（300 r/min）的顆粒膨脹效果優(yōu)于中等螺桿轉(zhuǎn)速（400 r/min）；螺桿轉(zhuǎn)速低增加了物料停留時間，使物料和水分有更充分的接觸，起到了額外的調(diào)節(jié)作用，但不會產(chǎn)生增加膨脹所需的額外壓力。Lin等[11]報道，螺桿轉(zhuǎn)速高（400 r/min），會降低物料在擠壓機(jī)中的停留時間，降低熟化程度和致糊化度降低，還會導(dǎo)致膨化度降低。李重陽報道，隨螺桿轉(zhuǎn)速升高、容重下降，膨化度和淀粉糊化度升高，顆粒硬度呈降低趨勢，最佳螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min。

7 結(jié)語與展望

對于寵物食品來講，犬貓的每一份食物都必須確保滿足基于其生理階段和體力活動的基本營養(yǎng)需求[38，2]。擠壓膨化工藝是一個多輸入、多輸出的多功能系統(tǒng)，擠壓過程中原料發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)[14]，最終的加工質(zhì)量取決于多方面因素的綜合作用。為了保證產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量，確保適當(dāng)殺滅致病菌，以及足夠的淀粉糊化以確保良好的養(yǎng)分消化率[39]。研究寵物膨化食品生產(chǎn)工藝的控制要素，找出不同原料配方和生產(chǎn)設(shè)備條件下適宜的加工條件，是寵物食品行業(yè)需要解決的問題。