膨化工藝參數(shù)對犬糧加工質(zhì)量特性的影響研究

■李重陽 楊 潔 李軍國* 張嘉琦 蔣萬春

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，北京 100081；2.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；3.北京首朗生物科技有限公司，北京 100043）

擠壓膨化工藝是一個(gè)多輸入、多輸出的多功能系統(tǒng)，擠壓過程中原料會發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，如淀粉熟化、蛋白質(zhì)受熱分解變性、直鏈淀粉與脂類物質(zhì)絡(luò)合形成復(fù)合物等。相關(guān)研究表明，原料的這些變化主要受物料水分含量、模頭溫度、喂料速度和螺桿轉(zhuǎn)速的影響[1]。膨化犬糧的加工質(zhì)量指標(biāo)主要包括容重、單位密度、膨化度、硬度、酥脆性、淀粉糊化度等。目前，犬糧的膨化加工質(zhì)量主要由淀粉糊化度和適口性來評定，膨化效果越好，淀粉熟化度越高；適口性與顆粒硬度和酥脆性緊密相關(guān)，適宜的硬度和酥脆性具有提高犬?dāng)z食樂趣的效果，進(jìn)而達(dá)到提高適口性的作用。在前人研究中，對犬糧的淀粉糊化度、膨化度和容重的研究較多[1-2]，對硬度、酥脆性和單位機(jī)械能耗（SME）以及犬糧容重的預(yù)測模型研究較少。本試驗(yàn)采用響應(yīng)面法研究不同的膨化工藝參數(shù)對犬糧容重、膨化度、硬度、酥脆性和SME 的影響，此種方法結(jié)合了統(tǒng)計(jì)學(xué)和數(shù)學(xué)方法，運(yùn)用多元二次方程來擬合試驗(yàn)因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過對回歸方程的分析尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，具有精度高、預(yù)測性好的優(yōu)點(diǎn)[3]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用中心組合設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)選用物料水分含量、模頭溫度和螺桿轉(zhuǎn)速作為自變量，分別用A、B、C表示，每個(gè)變量5個(gè)水平，共20組試驗(yàn)，用以確定擠壓膨化工藝對犬糧加工質(zhì)量的最佳工藝組合條件，中心組合設(shè)計(jì)變量表見表1。

表1 中心組合設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)表

1.2 試驗(yàn)配方

犬糧的試驗(yàn)配方及營養(yǎng)水平見表2。

表2 基礎(chǔ)日糧組成和營養(yǎng)水平

1.3 試驗(yàn)料加工條件

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85%過60目篩。

1.4 取樣方法

每個(gè)膨化加工參數(shù)調(diào)整后，待膨化機(jī)工作穩(wěn)定開始取樣。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。

1.5 加工質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)及檢測方法

1.5.1 容重利用容重儀（型號GHCS-1000，中國杭州麥哲儀器有限公司）進(jìn)行測定。

1.5.2 單位密度利用海沙置換法進(jìn)行測定，每個(gè)樣品測3 個(gè)重復(fù)，取平均數(shù)記為單位密度。

1.5.3 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(gè)樣品測20個(gè)平行。

膨化度=顆粒直徑/?？字睆?/p>

1.5.4 顆粒硬度、酥脆性

利用質(zhì)構(gòu)儀（型號TA-XY2i，英國Stable Micro）進(jìn)行顆粒硬度和酥脆性的測定。每個(gè)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，顆粒受力壓縮40%后探針抬起，該階段圖譜峰值作為硬度的結(jié)果；探針第一次下壓過程中第一個(gè)破裂的點(diǎn)即為酥脆性的結(jié)果，此值越小代表酥脆性越好。

1.5.5 單位機(jī)械耗能（SME）

根據(jù)數(shù)據(jù)采集裝置上的扭矩以及實(shí)際喂料速率計(jì)算得出SME。

式中：τ——膨化機(jī)主機(jī)螺桿扭矩（Nm）；

Ns——主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速（r/s）；

Ftotal——質(zhì)量流量（kg/h）。

1.5.6 數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Design Export 8.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 中心組合設(shè)計(jì)代碼及試驗(yàn)結(jié)果

表3（續(xù)） 中心組合設(shè)計(jì)代碼及試驗(yàn)結(jié)果

2.2 膨化工藝參數(shù)對犬糧加工質(zhì)量特性的影響

利用膨化工藝參數(shù)和犬糧加工質(zhì)量特性構(gòu)建的響應(yīng)面回歸模型的回歸方程系數(shù)如表4所示。

2.2.1 膨化工藝參數(shù)對犬糧容重的影響（見表4、圖1）

表4 各因素及二次回歸模型方差分析

單位密度和容重具有強(qiáng)相關(guān)性，本部分僅對容重進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)Design Export 8.0 軟件得到以下模擬方程：容重=407.7-84.83A-8.37B-0.66C-0.12AB+4.63AC+9.13BC-4.13A2+17.09B2+20.62C2（R2=0.920 5，P=0.000 2，失擬檢驗(yàn)不顯著），說明可通過該方程表達(dá)3 個(gè)加工參數(shù)與犬糧容重的關(guān)系。由表4 可知，物料水分含量對犬糧的容重有極顯著影響（P＜0.01），螺桿轉(zhuǎn)速的二次項(xiàng)對犬糧的容重有顯著影響（P＜0.05）。在膨化加工過程中，物料的膨化效果越好，容重越低。膨化主要是由于混合物料內(nèi)氣泡的產(chǎn)生和大氣壓力差所致，而水分含量是影響氣泡產(chǎn)生的主要因素之一[1]。相關(guān)研究表明，水分含量是影響膨化物料容重的最主要因素[2-4]，但水分含量也應(yīng)控制在適宜的范圍之內(nèi)，過高的水分會增強(qiáng)熔融物的塑化程度，使其彈性降低，導(dǎo)致物料受到的機(jī)械能降低，淀粉糊化效果變差，容重升高[5]。由圖1可知，在較低的模頭溫度下升高螺桿轉(zhuǎn)速會使犬糧的容重降低，雖然升高螺桿轉(zhuǎn)速會縮短物料在膨化腔內(nèi)的停留時(shí)間，但物料卻受到更強(qiáng)的剪切力和摩擦力，同時(shí)強(qiáng)大的剪切力會使物料內(nèi)部產(chǎn)生氣泡[6]，淀粉顆粒內(nèi)部受破壞程度增高，淀粉糊化度增強(qiáng)，容重降低；在較高的模頭溫度下，淀粉已達(dá)到較高的熟化程度，再繼續(xù)增高螺桿轉(zhuǎn)速會使物料受熱作用進(jìn)一步增強(qiáng)，高溫加劇了水分的蒸發(fā)和淀粉受破壞的程度，導(dǎo)致氣泡未被擠出?？拙鸵呀?jīng)破裂[7-9]，最終導(dǎo)致物料的容重升高。

2.2.2 膨化工藝參數(shù)對犬糧膨化度的響應(yīng)面分析（見圖2）

根據(jù)Design Export 8.0 軟件分析得到以下模擬方程：膨化度=1.83+0.19A+0.019B+0.011C+（7.5E-003）AB-0.012AC-0.2BC+0.022A2-0.031B2-0.042C2（R2=0.907 1，P=0.000 4，失擬檢驗(yàn)不顯著），說明可通過此模擬方程來表達(dá)3 個(gè)加工參數(shù)與膨化度間的關(guān)系。由圖2 可知，隨水分含量的升高，犬糧的膨化度極顯著升高（P＜0.01），相關(guān)研究表明，水分對膨化的驅(qū)動力有積極的作用，隨水分含量的升高，淀粉顆粒吸水溶脹，吸收的摩擦熱和剪切力增強(qiáng)，淀粉熟化度和膨化度升高[10]。隨螺桿轉(zhuǎn)速和模頭溫度的升高，膨化度有升高的趨勢（P＞0.05）；因?yàn)槟ｎ^溫度和螺桿轉(zhuǎn)速越高，物料內(nèi)水分溫度和蒸汽壓力越高，在被擠壓出?？椎乃查g，由于壓力瞬間釋放和物料內(nèi)水分的閃蒸，使顆粒內(nèi)部出現(xiàn)大量氣泡，從而增大犬糧的膨化度[10-11]。

2.2.3 膨化工藝參數(shù)對犬糧硬度的響應(yīng)面分析（見圖3）

根據(jù)Design Export 8.0 軟件分析得到以下模擬方程：硬度=4 679.26-404.53A-135.81B+110.22C+138.39AB-120.57AC-101.77BC+100.28A2+242.61B2+296.80C2（R2=0.899 1，P=0.000 7，失擬檢驗(yàn)不顯著），說明可通過此模擬方程來預(yù)測和分析硬度的變化趨勢。由圖3可觀察到犬糧硬度的變化規(guī)律，隨水分含量的升高，犬糧的硬度呈降低趨勢，在膨化加工過程中，水分為淀粉顆粒的破壞提供了媒介，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，導(dǎo)致顆粒組織結(jié)構(gòu)變松散，膨化顆粒的硬度降低[12-15]。隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高，犬糧硬度呈先降低后升高的趨勢，在較低的螺桿轉(zhuǎn)速下，淀粉顆粒未受到充分的破壞，硬度高；在較高的螺桿轉(zhuǎn)速下，物料在膨化腔內(nèi)受到的壓力和機(jī)械能加大，顆粒組織結(jié)構(gòu)變得緊實(shí)，硬度升高。在低螺桿轉(zhuǎn)速的條件下，升高模頭溫度會使熔融物在膨化腔內(nèi)的黏度降低，水分蒸發(fā)量增加，在這種高溫高壓的環(huán)境下，犬糧顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定，造成硬度升高[6-7，16-17]。

2.2.4 膨化工藝參數(shù)對犬糧酥脆性的響應(yīng)面分析（見圖4）

根據(jù)Design Export 8.0軟件分析得到以下模擬方程：酥脆性=0.61-（1.659E-003）A-（5.212E-006）B+0.021C+0.032AB-0.010AC-（1.665E-003）BC+0.022A2+0.017B2+0.015C2（R2=0.740 8，P=0.043 1，失擬檢驗(yàn)不顯著），說明此方程可以通過3 個(gè)加工參數(shù)對犬糧的酥脆性做出預(yù)測和分析。由圖4 可知，當(dāng)物料水分含量處于較低水平時(shí)，隨模頭溫度的升高犬糧的酥脆性變好，較低的物料水分含量能使淀粉顆粒保持天然的晶體結(jié)構(gòu)，在此條件下升高模頭溫度會提高淀粉熟化度，物料內(nèi)部出現(xiàn)孔隙，提高酥脆性[6，18]；當(dāng)物料水分含量處于較高水平時(shí)，酥脆性隨模頭溫度的升高而變差，高水分和高溫使淀粉顆粒原本的晶體結(jié)構(gòu)破碎、卷曲、膨脹并產(chǎn)生大量氣泡，酥脆性降低[6-7，16]。

2.2.5 膨化工藝參數(shù)對SME的響應(yīng)面分析（見圖5）

根據(jù)Design Export 8.0軟件分析得到以下模擬方程：SME=24.7-3.16A-0.76B+3.45C-0.099AB-0.89AC+0.57BC+0.30A2+1.91B2+1.84C2（R2=0.913 0，P=0.000 3，失擬檢驗(yàn)不顯著），說明此方程可良好地預(yù)測和分析3 個(gè)加工參數(shù)與SME 間的關(guān)系。SME 可作為系統(tǒng)參數(shù)來模擬出膨化物的性質(zhì)，此參數(shù)與物料水分含量、模頭溫度和螺桿轉(zhuǎn)速相關(guān)，物料水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速是影響此參數(shù)的最重要因素[19]。由圖5 可知，隨水分含量的升高，SME 降低，說明水分含量的增加為物料在膨化腔內(nèi)提供了潤滑作用；螺桿轉(zhuǎn)速與SME呈正比關(guān)系，隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高，對物料的剪切力和螺桿扭矩上升，直接導(dǎo)致SME的升高[4]。

3 結(jié)論

膨化成犬糧的容重基本處在340～370 g/L，硬度在7 000 g，優(yōu)異的酥脆性可提高犬的攝食樂趣，增加采食量的效果，一般酥脆性在0.7 mm；在得到上述3個(gè)條件的基礎(chǔ)上，單位機(jī)械能耗越低越好。

本試驗(yàn)利用回歸分析研究了膨化加工過程中物料水分含量、模頭溫度及螺桿轉(zhuǎn)速對膨化犬糧加工質(zhì)量的影響，并通過Design expert 8.0 軟件對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

①物料水分含量的增加，犬糧容重、硬度和SME顯著降低，膨化度顯著升高。隨螺桿轉(zhuǎn)速的升高，犬糧的酥脆性顯著變差，SME顯著升高。

②響應(yīng)面模型優(yōu)化結(jié)果表明犬糧的最適膨化加工參數(shù)組合為：物料水分含量27.8%、模頭溫度132 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速234 r/min，在該組合條件下，犬糧容重340 g/L、膨化度1.985、硬度4 444.9 g、酥脆性0.627 mm、SME 21.932 kJ/kg。