不同淀粉源對(duì)顆粒飼料加工及品質(zhì)特性影響研究進(jìn)展

■ 彭 飛 向 蕊 張麗梅* 李志強(qiáng) 陳建明 王紅英

(1.北京工商大學(xué)，北京 100048；2.浙江省淡水水產(chǎn)研究所，浙江湖州 313001；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

我國的飼料行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模龐大、發(fā)展迅猛，在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要地位。2021 年，我國飼料產(chǎn)量達(dá)到2.93 億噸，同比增長(zhǎng)16.1%[1]，其中，顆粒飼料是我國主要的飼料形態(tài)，具有適口性好、營養(yǎng)全面均衡、易于消化吸收、避免動(dòng)物挑食、便于運(yùn)輸與儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[2-3]。顆粒飼料品質(zhì)影響動(dòng)物的生長(zhǎng)、生產(chǎn)性能，進(jìn)而直接影響經(jīng)濟(jì)效益，顆粒飼料品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括硬度、密度、淀粉糊化度、含粉率、顆粒耐久性指數(shù)（pellet durable index，PDI）等；相關(guān)研究表明，影響顆粒品質(zhì)的因素有飼料配方、粉碎粒度、調(diào)質(zhì)、環(huán)模規(guī)格及冷卻干燥，這些影響因素占比分別為40%、20%、20%、15%、5%[4]。飼料配方作為影響顆粒飼料品質(zhì)的主要因素，飼料原料種類及配比都會(huì)在飼料加工品質(zhì)中表現(xiàn)出顯著性差異。

目前，國內(nèi)外對(duì)于飼料顆粒品質(zhì)的研究主要集中在加工工藝方面[5-6]，而對(duì)于飼料原料成分特別是基于淀粉源角度的研究相對(duì)較少，淀粉作為飼料最主要的能量來源，可提供40%以上的能量來保證動(dòng)物機(jī)體正常生理及生產(chǎn)的需要[7]；同時(shí)淀粉糊化產(chǎn)生黏性，在顆粒飼料成型中還起到黏結(jié)作用。由于不同來源淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)不同，對(duì)顆粒飼料品質(zhì)的影響也不相同[8]，因此，研究淀粉源的理化性質(zhì)對(duì)飼料加工過程具有重要的指導(dǎo)意義。文章綜述了淀粉組成、淀粉結(jié)構(gòu)、糊化特性、淀粉來源對(duì)顆粒飼料加工及品質(zhì)的影響，并進(jìn)行了歸納總結(jié)，以期為不同淀粉源的研究及對(duì)其在顆粒飼料加工利用提供參考。

1 淀粉組成對(duì)顆粒飼料加工及品質(zhì)的影響

淀粉主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，二者的分子結(jié)構(gòu)和聚集形態(tài)不同。其中，直鏈淀粉由α-D-葡萄糖分子以α-1,4-糖苷鍵和少量α-1,6-糖苷鍵脫水縮合形成，呈現(xiàn)少量分支的線性結(jié)構(gòu)。支鏈淀粉由α-D-葡萄糖分子以α-1,4-糖苷鍵脫水縮合形成糖鏈，以α-1,6-糖苷鍵脫水縮合形成分支點(diǎn)，每個(gè)支鏈中有24～30 個(gè)葡萄糖殘基，呈現(xiàn)多分支狀結(jié)構(gòu)[9-10]。不同來源淀粉含有的直鏈淀粉和支鏈淀粉比例不同，通常支鏈淀粉占比更高：馬鈴薯淀粉含有約80%的支鏈淀粉，蠟質(zhì)玉米淀粉含有95%以上的支鏈淀粉，糯米淀粉含有約98%的支鏈淀粉。相關(guān)研究表明，淀粉的含量和直鏈淀粉與支鏈淀粉比例會(huì)對(duì)顆粒飼料加工產(chǎn)生重要的影響。高菲等[11]對(duì)比研究了4 種不同種類高粱淀粉，結(jié)果顯示直鏈淀粉含量高的高粱淀粉加工時(shí)糊化所需熱量高，更不易發(fā)生糊化。宋巍偉等[12]對(duì)比研究了具有不同直鏈含量的玉米淀粉，結(jié)果表明隨著直鏈淀粉含量的增加，糊化峰值溫度增高，淀粉分子結(jié)構(gòu)越不易被破壞，越難發(fā)生糊化行為。沈維軍等[13]研究發(fā)現(xiàn)，由于小麥中直鏈淀粉含量高于玉米中直鏈淀粉含量，飼料配方中隨著小麥添加比例增加，顆粒飼料的硬度增加、粉化率降低，顆粒飼料品質(zhì)發(fā)生改變。直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例影響淀粉的黏度：支鏈淀粉含量越高，淀粉糊化后松散程度越高，此時(shí)淀粉黏度越大，制得的顆粒飼料的完整性越好、顆粒耐久度越高；直鏈淀粉含量越高，糊化過程中更難吸水膨脹、增稠效果差，加上直鏈淀粉的回生現(xiàn)象，制得的顆粒飼料的硬度越高[14-15]。此外，直鏈淀粉對(duì)支鏈淀粉起到束縛作用，使得支鏈淀粉不能充分舒展，阻礙淀粉的糊化。以上研究表明，淀粉的含量和直鏈淀粉及支鏈淀粉的比例在飼料生產(chǎn)中起著重要作用，因此在顆粒飼料的加工過程中，應(yīng)該根據(jù)對(duì)最終產(chǎn)品的要求，考慮選擇合適的淀粉源并設(shè)置其在配方中的比例。

2 淀粉結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒飼料加工及品質(zhì)的影響

不同來源淀粉的顆粒形狀、大小、結(jié)構(gòu)存在差異。在顆粒形狀上，玉米淀粉顆粒呈多角形，豌豆淀粉呈圓形或橢圓形，馬鈴薯淀粉多呈卵形或橢圓形；在顆粒粒徑尺寸上，馬鈴薯淀粉粒徑最大，玉米淀粉粒徑最小。此外，同種原料受到生長(zhǎng)環(huán)境、成熟度等多因素影響，其淀粉顆粒也會(huì)呈現(xiàn)不同形態(tài)，如大顆粒馬鈴薯淀粉形狀呈橢圓形，而小顆粒似球形，這也是淀粉質(zhì)量差異的又一原因[16-17]。淀粉以顆粒形式存在于胚乳細(xì)胞中，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)包含結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)：結(jié)晶區(qū)主要由支鏈淀粉分子以雙螺旋結(jié)構(gòu)形成，結(jié)構(gòu)較為致密、不易受外力和化學(xué)試劑作用；無定形區(qū)主要由直鏈淀粉分子以松散的結(jié)構(gòu)形成，易受外力和化學(xué)試劑作用[18]，因此不同區(qū)域的淀粉對(duì)飼料加工處理的表現(xiàn)也會(huì)存在差異。不同來源淀粉的顆粒形狀、大小、結(jié)構(gòu)的差異使得淀粉的理化性質(zhì)及加工特性也必然存在不同[19]。Zimonja 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)比小麥飼料，燕麥飼料的淀粉糊化程度更高，這與淀粉顆粒的大小有關(guān)，燕麥中的淀粉顆粒比小麥中的淀粉顆粒小，因此更易糊化。淀粉顆粒有3 種晶體類型，大多數(shù)谷物淀粉為A 型晶體，馬鈴薯等根莖類和富含直鏈淀粉的谷物淀粉為B 型晶體，豆類淀粉通常為C 型晶體[21-22]。敖志超等[23]研究發(fā)現(xiàn)，淀粉的溶脹力與粒度大小呈正相關(guān)關(guān)系，A 型淀粉以小顆粒形式存在，B 型淀粉多以大顆粒形式存在，C 型淀粉以中等顆粒形式存在；結(jié)果顯示A型淀粉溶脹力最小，B 型淀粉溶脹力最大，溶脹力越大表明淀粉糊化過程中其吸水能力越強(qiáng)。Huber等[24]研究表明，A 型淀粉的顆粒表面存在微孔，B 型淀粉的顆粒表面則無微孔結(jié)構(gòu)，A 型淀粉由于具有更多孔洞，內(nèi)部存在大量通道，相較于B 型淀粉更容易水解，Zhang 等[25]的研究也有相似結(jié)論。Chen 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同直鏈淀粉含量的淀粉，其內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)存在顯著差異，低直鏈淀粉比高直鏈淀粉中的通道更多且更明顯；低直鏈淀粉在糊化過程中更易發(fā)生膨脹、孔洞消失，而高直鏈淀粉顆粒狀結(jié)構(gòu)不易發(fā)生改變。

以上研究表明，在顆粒飼料加工過程中小粒徑、多孔洞的淀粉原料更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)前的研究多聚焦在淀粉單一原料方面，但是由于飼料原料種類多樣、成分復(fù)雜，在水熱調(diào)質(zhì)、制粒成型過程中淀粉如何與飼料原料其他組分發(fā)生協(xié)同反應(yīng)尚不明確。今后尚需深入研究原料微觀層面行為與顆粒飼料宏觀成型品質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，闡述飼料成型過程中多組分粉料體系的變化規(guī)律和演變機(jī)理。

3 淀粉糊化特性對(duì)顆粒飼料加工及品質(zhì)的影響

淀粉糊化是指淀粉分子失去原有緊密排列結(jié)構(gòu)，從有序狀態(tài)變?yōu)闊o序狀態(tài)，可分為3 個(gè)階段：第一階段為淀粉可逆吸水，淀粉顆粒吸收少量水分并產(chǎn)生有限膨脹；第二階段為淀粉不可逆吸水，大量水分進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部，淀粉顆粒體積明顯膨脹，表面有部分直鏈淀粉溢出、黏度迅速增加；第三階段為顆粒解體階段，淀粉顆粒破裂失去原有形態(tài)、黏度開始下降，淀粉分子溢出并分散在溶液中[27]。不同來源淀粉的糊化溫度存在差異：玉米淀粉的糊化溫度為62～72 ℃，馬鈴薯糊化溫度為50～68 ℃，木薯淀粉糊化溫度為49～65 ℃，小麥淀粉糊化溫度為58～64 ℃，高粱淀粉糊化溫度為71～80 ℃[28]。郭佳欣等[29]對(duì)玉米淀粉和馬鈴薯淀粉的糊化熱力學(xué)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示玉米淀粉的終止糊化溫度和峰值糊化溫度略高于馬鈴薯淀粉，焓變值低于馬鈴薯淀粉，因此玉米淀粉相較于馬鈴薯淀粉更容易糊化。蘇鍵等[30]測(cè)定了幾種不同來源淀粉的糊化特性，發(fā)現(xiàn)玉米淀粉和小麥淀粉的峰值黏度和崩解值明顯低于其他淀粉，表明其熱糊穩(wěn)定性更好；綠豆淀粉的峰值黏度、回生值和最終黏度最大，表明綠豆淀粉糊化后黏度大、淀粉糊冷卻后形成的凝膠能力強(qiáng)。淀粉的凝膠化是飼料原料粉體黏合的關(guān)鍵[31-32]，這意味著凝膠能力更強(qiáng)的淀粉源在加工成顆粒飼料后會(huì)具有更好的耐久性和低破碎性，對(duì)于加工顆粒飼料以及顆粒飼料的長(zhǎng)遠(yuǎn)距離輸運(yùn)有一定借鑒意義。

淀粉糊化度影響顆粒飼料的加工品質(zhì)、動(dòng)物的采食量以及轉(zhuǎn)化率。彭君建等[33]研究發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒飼料淀粉糊化度的升高，其能量消化率隨之升高，淀粉糊化度與能量消化率間呈正相關(guān)性。淀粉糊化后具有一定黏性，在制粒過程中發(fā)揮黏合劑的功能，能夠提高顆粒飼料的成型率和顆粒耐久性[34-35]。孫杰[36]研究發(fā)現(xiàn)，配方中添加50%膨化玉米制得的斷奶仔豬顆粒料，其硬度、酥脆性、耐久性指數(shù)（PDI）和淀粉糊化度均顯著提高，顆粒飼料品質(zhì)得到改善；這與葛春雨等[37]研究結(jié)果相似，即：玉米膨化后淀粉發(fā)生糊化，糊化玉米淀粉具有一定黏性，能夠增加飼料硬度及PDI。葛春雨等[38]研究不同淀粉糊化度對(duì)顆粒飼料質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)淀粉糊化度92%組的顆粒飼料PDI、硬度顯著低于糊化度73%、80%、85%組，而脆性好于其他各組，這是因?yàn)榈矸圻^度糊化形成抗性淀粉或受損淀粉，使得物料間黏結(jié)性下降，降低了顆粒飼料加工質(zhì)量[39]。于紀(jì)賓等[40]研究發(fā)現(xiàn)，膨化玉米替代40%普通玉米可以顯著提高顆粒飼料淀粉糊化度，但是此時(shí)顆粒飼料的硬度大、黏性大、酥脆性差，影響了飼料適口性，反而降低了小豬飼料采食量。因此，要考慮不用淀粉源的糊化特性以及動(dòng)物不同生長(zhǎng)階段對(duì)顆粒飼料的采食量和適口性需求，選擇合適的淀粉源。

4 淀粉含量和淀粉來源對(duì)顆粒飼料品質(zhì)的影響

飼料配方中淀粉含量和淀粉來源會(huì)影響顆粒飼料的加工品質(zhì)。淀粉含量比例越高，制得的飼料顆粒耐久度越好，高耐久度的顆粒飼料在裝袋、運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中能夠減少粉末的產(chǎn)生[41]。依據(jù)淀粉來源，可分為谷物淀粉、豆類淀粉、根莖類淀粉：谷物中淀粉含量在65%以上，主要來源于玉米、小麥、大麥、高粱等；豆類中淀粉含量約占35%，主要來源于豌豆、綠豆、蠶豆等；根莖中淀粉含量約占70%，主要來源于馬鈴薯、木薯、甘薯等。Cong 等[42]研究了分別以玉米、小麥、馬鈴薯及豌豆淀粉為淀粉源制得的顆粒飼料，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉的飼料顆粒具有最大硬度及最低粉化率，加工品質(zhì)最好；玉米淀粉飼料的堆積密度比豌豆淀粉高5.91%。劉梅等[43]研究發(fā)現(xiàn)飼料中添加12%小麥次粉替代玉米，顆粒飼料的硬度提高了59.93%，含粉率及粉化率分別降低了76.47%、18.87%。分析可知，小麥次粉中非淀粉多糖含量高于玉米，可以增加淀粉黏度、提高顆粒飼料黏結(jié)性，進(jìn)而降低含粉率、增加顆粒飼料的耐久度和硬度，這與Saleh 等[44]研究結(jié)論一致。Abdollahi 等[45]研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)質(zhì)溫度對(duì)顆粒飼料質(zhì)量的影響結(jié)果在不同的淀粉源中存在差異，提高調(diào)質(zhì)溫度增加了以小麥為基礎(chǔ)的顆粒飼料PDI，但是對(duì)于以玉米為基礎(chǔ)的顆粒飼料無顯著影響；這種差異可以用小麥和玉米淀粉的糊化特性來解釋，由于小麥淀粉的糊化溫度低于玉米淀粉糊化溫度，在90 ℃試驗(yàn)條件下，小麥淀粉能獲得更多的高于糊化溫度的熱量，從而以小麥為基礎(chǔ)的顆粒飼料其PDI 得到提高。不同淀粉源會(huì)影響淀粉糊化程度，導(dǎo)致顆粒飼料質(zhì)量產(chǎn)生差異[46]。Jiang 等[47]在相同的加工條件下比較了小麥淀粉、馬鈴薯淀粉和玉米淀粉的顆粒飼料質(zhì)量，研究發(fā)現(xiàn)小麥淀粉顆粒飼料具有最高的密度、硬度及淀粉糊化度。這種現(xiàn)象與淀粉的顆粒大小及其糊化溫度有關(guān)，小麥淀粉粒度為2～36 μm，玉米淀粉粒度為5～20 μm，馬鈴薯淀粉粒度為15～75 μm[48]，小麥淀粉較小的顆粒尺寸和較低的糊化溫度是飼料高硬度和高糊化度的原因。因此，應(yīng)該根據(jù)顆粒飼料的具體要求，選擇合適的淀粉源進(jìn)行顆粒飼料的生產(chǎn)加工。

5 總結(jié)

當(dāng)前，顆粒飼料在飼料生產(chǎn)中的比重不斷加大，對(duì)其加工質(zhì)量也提出更高要求。淀粉作為顆粒飼料的主要能量來源，其分子結(jié)構(gòu)、形態(tài)特征、理化特性存在較大差異，進(jìn)而對(duì)顆粒飼料品質(zhì)產(chǎn)生很大影響。直鏈淀粉與支鏈淀粉含量影響著顆粒飼料黏結(jié)性與硬度，直鏈淀粉含量越高，飼料的硬度越高；支鏈淀粉含量越高，粉料黏性越好，飼料顆粒越易成型。淀粉顆粒大小及孔洞結(jié)構(gòu)影響其加工性質(zhì)，淀粉顆粒越小、孔洞越多，越容易發(fā)生糊化與膨脹反應(yīng)。淀粉糊化溫度與糊化程度差異對(duì)飼料顆粒的成型率、硬度及PDI 具有直接影響，糊化溫度越低、糊化度越高，飼料顆粒品質(zhì)相對(duì)越好。因此，深入研究不同淀粉源理化特性、結(jié)構(gòu)特性，對(duì)于調(diào)整飼料配方、優(yōu)化加工工藝參數(shù)、應(yīng)對(duì)原料價(jià)格變化，降低飼料成本具有重要意義。同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)顆粒飼料加工質(zhì)量的檢測(cè)與控制，制定統(tǒng)一的相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)顆粒飼料品質(zhì)提升。