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膨化技術在蛋白質飼料原料開發中的應用

   日期:2017-09-28     作者:國家糧食局無錫糧油食品飼料檢測中心 薛科 何武順 江南大學 金征宇 謝正軍     瀏覽:686    評論:0    
核心提示: 蛋白質飼料原料膨化是在一定溫度、壓力、水分和時間作用下、使原料受到高溫、加壓、混合、剪切、糊化、熟化、滅菌等作用,高溫
      蛋白質飼料原料膨化是在一定溫度、壓力、水分和時間作用下、使原料受到高溫、加壓、混合、剪切、糊化、熟化、滅菌等作用,高溫高壓的蛋白質飼料在擠出模孔時瞬時減壓,物料體積膨大,大量空氣、水分子急劇膨脹并進入物料內,使物料內形成多孔膨松結構,體積增大幾倍到十幾倍。在這個過程中,蛋白質飼料原料中各組分結構和理化性質發生了變化,如蛋白質變性、淀粉糊化,纖維、抗營養因子等得到不同程度降解,部分酶及有毒物質受到破壞等。

1    蛋白質飼料的膨化與成分變化
1.1 蛋白質飼料的膨化
       就原料含水量而言,膨化分為干擠壓法及濕擠壓法。干擠壓法指原料膨化時不加水,單純依靠物料與擠壓機外筒壁及螺桿之間的摩擦生熱,操作簡單、設備成本低,但擠壓溫度不易控制,營養破壞較大,動力消耗大,設備易磨損,產品質量不穩定。濕擠壓法指在擠壓過程中外加水分或水蒸汽,并附以外加熱,以增加物料流動。濕法擠壓溫度較干法擠壓低,也較容易控制。
       膨化機按螺桿數量可分為單螺桿和和雙螺桿膨化機,蛋白質飼料原料處理一般采用單螺桿膨化機。
 
1.2 擠壓膨化過程對蛋白質飼料原料主要成分的影響
1.2.1 蛋白質
        蛋白質飼料原料中蛋白質含量20%~80%。蛋白質分子在高能場中,其原有三維結構被破壞,展開后的球狀蛋白質分子重新排列組合,在模孔剪切和減壓作用下,蛋白質分子成線狀噴出,大的團狀蛋白質分裂成較小的線狀蛋白質,使蛋白質肽鏈內外的氫鍵、二硫鍵和離子鍵重新排列分布,發生組織變性及二硫鏈斷裂,此過程中胱氨酸受到破壞。
        在較高機筒溫度和較低進料水分時,賴氨酸游離末端氨基與其他氨基酸反應,也可能與游離糖反應,會降低營養價值。因此在膨化過程中必須優選工藝參數和方法,使產品既有高消化率,又減少氨基酸破壞。
 
1.2.2 淀粉
       蛋白質飼料在膨化時,其中的淀粉會發生糊化 反應,糊化時淀粉受到降解,提高了淀粉消化率。 淀粉糊化主要特征是淀粉與過量的水混合,在剪切擠壓作用下溫度上升,水分滲透也隨之增加,大量水分被吸收,使淀粉顆粒破裂而糊化。糊化作用表現為淀粉分子中氫鍵發生變化,糊化淀粉持水性顯著提高。膨化使淀粉鏈裸露,可加快酶水解作用。
 
1.2.3 纖維素
      蛋白質飼料原料在擠壓膨化過程中可,溶性膳食纖維(SDF)含量增加,總纖維含量在擠壓之后 也降低了(圖1),增加了可溶性膳食纖維中木糖、阿拉伯糖、甘露糖和糖醛酸等組成。
 
1.2.4 維生素
       蛋白質飼料原料在擠壓膨化時,維生素會受到破壞,不同種類的維生素在膨化時穩定性有很大差異。
       在脂溶性維生素中,VD和VK是相當穩定的,VA和VE及其化合物、類胡蘿卜素和生育酚單體在氧和熱作用下不穩定,較高的機筒溫度(200℃)可使 β-胡蘿卜素減少50%以上。氧化促進了色素損失, 添加抗氧化劑可減少色素損失。在水溶性維生素中,VB1對熱處理非常敏感。Killeit(1994)試驗證明,膨化時VB1損失5%~100%。Andersson和Hedlund
(1990)也注意到,在干法擠壓過程中VB1損失較高,而核黃素(VB2)和煙酸不受影響。VC也是對熱和氧化敏感的原料。

 
 
1.2.5 礦物質
       雖然礦物質對動物健康是必要的,但對它們在擠壓膨化過程中的穩定性研究得很少,這是因為人們在長期非擠壓加工中得到了礦物質很穩定的結論,因此目前研究僅集中在兩個主題上:一是纖維及其他高分子物質對礦物質的黏結;二是螺桿和機筒磨損可引起產品礦物質含量升高。另有報道,膨化可能會降低水產飼料中部分礦物質吸收利用率。
 
1.2.6 其他
       擠壓膨化會顯著降低蛋白質飼料中內源毒素和抗營養因子含量。大豆膨化時,會大大降低有毒成分和抗營養因子,如胰蛋白酶抑制因子、血球凝集素、致敏球蛋白等。菜籽粕、棉粕、蓖麻籽粕、亞麻籽粕等經膨化后,也會顯著破壞其中的毒素和抗營養因子。另外,由于高溫和高壓的共同作用,使得絕大部分有害微生物在擠壓膨化過程中被殺滅。
 
2     膨化技術在蛋白質飼料原料中的應用
2.1 豆粕
       大豆胚片經擠壓膨化制油工藝提油后獲得的產品或豆粕經膨化處理稱為膨化豆粕。根據膨化加工在溶劑浸出前后的順序和目的不同可分為:(1)浸出前膨化豆粕。是指大豆進行膨化等必要的預處理后再用浸出法制油而得到的豆粕,其膨化主要目的是改善大豆生胚結構性能從而提高出油速度和效率,同時可以提高大豆油和豆粕質量。(2)浸出后膨化豆粕。是指經過常規浸出法取油后的豆粕再進行膨化加工,其膨化主要目的是進一步消除豆粕中抗營養因子,使豆粕在 畜禽飼料中的應用更加安全,擴大使用范圍和用量。
       豆粕膨化特點:(1)提高預處理生產能力。大豆膨化預處理只需將其粉碎軋成厚片,先行提取部分油脂,然后進行擠壓膨化即可浸出。(2)提高浸出器生產能力。經過擠壓膨化后的物料為多孔圓柱顆粒,較軋制胚容重增加了40%~43%,在浸出器內料層高度和浸出時間不變的情況下,浸出器生產能力可提高40%以上。(3)加快浸出速率。膨化后物料具有多微孔,且油脂細胞破裂、聚集性好,使得溶劑滲透和滲濾速度加快,相對減少浸出時間,提高浸出器效率,減少能源和蒸汽消耗,降低生產成本。
       對豆粕進行濕法膨化,可以消除豆粕中抗營養因 子,提高營養價值,特別是在普通豆粕加工中不能消除或抑制的抗營養因子,如3種伴大豆球蛋白(α-conglycinin、β-conglycinin 和γ-conglycinin),其中大豆球蛋白和(glycinin)和β-conglycinin是大豆中免疫原性最強的兩種抗原蛋白,在生產高檔乳豬料時必須通過擠壓膨化使之變性。擠壓膨化處理可以降低大豆異黃酮總量,同時改變不同種類異黃酮分布狀況。Rinaldi(2000)采用雙螺桿膨化機對豆渣進行不同溫度及剪切強度處理,可使豆渣中異黃酮總量降低20%左右,但顯著增加黃豆苷和染料木苷含量。
 
2.2 棉籽
       棉籽是棉花加工過程中產生的副產品,大多數棉籽被壓榨加工成油和餅粕,但整粒棉籽較適合作為奶牛和肉牛飼料,整粒棉籽中含有23%粗蛋白質和 20%脂肪,是一種優良的反芻蛋白質飼料。
       整粒棉籽的殼或棉絨殼是奶牛飼糧良好的纖維素源,但棉絨中的纖維素會降低棉籽對牛的適口性,且不易粉碎,易燃且阻塞設備。此外由于棉籽及其加工后產品中含有游離棉酚,限制了其在畜禽飼料中應用。經過擠壓膨化后可使游離棉酚與蛋白質或添加劑結合形成毒性較小的結合棉酚,使棉籽得到合理應用。
       將1:1整粒棉籽和大豆粕混合物進行擠壓膨化,膨化溫度135~145℃,在膨化加工過程中,棉籽和大豆中的油可以減小棉絨產生的摩擦,這一特性保 護了纖維,擠壓膨化后的棉籽、大豆混合物營養成分見表1。
 

 
       棉籽和大豆混合后使得蛋白質中營養性氨基酸更加完整,擠壓膨化的另一好處是增加了瘤胃中非降解蛋白質,使游離棉酚從生棉籽中0.91%降到0.021%。棉絨既沒被燒也沒被破壞,實際上它混合在膨化后的產品中,起到吸油的作用。
 
2.3 蓖麻粕
       蓖麻粕是蓖麻籽制油后的副產品,蛋白質含量一般在30%~35%,脫殼后可達45%左右。蓖麻蛋白質組成中球朊占60%、谷朊20%、白朊16%,不含或含少量難吸收的醇溶蛋白,可以被動物吸收利用。蓖麻粕賴氨酸含量比豆粕低40%左右,蛋氨酸又比豆粕高出40%以上,如兩者配合使用,可達到氨基酸互補作用。但蓖麻粕中含有蓖麻堿、變應原、毒蛋白和血球凝集素等有毒物質,且毒性很強,故未經處理的蓖麻粕長期以來被當作燃料或肥料使用,因此,蓖麻粕是一種有待開發利用的蛋白質資源。
       由于蓖麻粕在制油過程中經熱處理,毒蛋白、血球凝集素等熱敏性毒性成分已變性脫毒,故后期去毒主要針對蓖麻堿和變應原,擠壓膨化過程伴隨著高溫、高壓、高剪切力的綜合作用,有試驗證明,經擠壓膨化后,對蓖麻毒蛋白去除率為100%,變應原去除率在98%以上,蓖麻堿脫毒率可達90%以上。經豬雞高用量飼喂試驗,表明去毒后的蓖麻粕在規定范圍內可安全用于畜禽飼料。
       通過對蓖麻粕營養學評定和飼養試驗,發現蓖麻 粕有以下3方面特點:(1)蓖麻粕粗蛋白質含量高達 45%以上,是目前所有餅粕類飼料中蛋白質含量最高的一種。蓖麻粕中蛋氨酸和胱氨酸含量分別為0.8%和0.85%,高于豆粕30%,賴氨酸含量高達1.8%,蓖麻粕含有較多谷氨酸,對豬有良好的適口性。擠壓膨化蓖麻粕氨基酸消化率低于豆粕但高于棉籽粕和菜籽粕,具有較高的飼用價值。(2)蓖麻粕豬消化能和雞代謝能分別為2.9和2.2Mcal/kg,略低于豆粕,但大大高于棉籽粕和菜籽餅。(3)在規定用量范圍內,蓖麻粕可取代飼料中豆粕用量達30%~50%。與豆粕價格相比,蓖麻粕大概要低1000元/t左右,飼料中每代替1%豆粕,飼料成本可降低10元左右。
 
2.4 田菁籽粉
       田菁系一年生豆科植物,主要產于福建、浙江、江蘇、廣東、河南、河北等地,資源豐富。田菁種子提取胚乳經加工制成田菁膠,采用干法生產可得10%~20%田菁膠,經改進工藝可得20%~30%田菁膠,余下的都是田菁籽粉。田菁籽粉蛋白質含量40%左右,氨基酸水平優于棉籽餅,是極具開發前景的飼料蛋白質資源,但未經處理的田菁籽粉由于含有少量毒性物質而不能直接用作畜禽飼料。有分析認為,處理后田菁籽粉中生物堿、鞣質等含量發生了很大變化,有毒物質很可能就在這類物質中。
       金征宇(1995)等試驗表明,在原料水分23%,模頭溫度160℃,添加劑濃度0.5%的條件下,擠壓反應使田菁籽粉中生物堿含量從原料中1.917%降至0.260%,鞣質含量從0.301%降至0.174%;毒性成分減少使蛋白酶消化率提高,由原來的62.9%提高到86.5%。該試驗以生物堿含量為指標,通過極差分析可知擠壓溫度是影響田菁籽粉去毒效果的主要因素,其次是原料水分含量及添加劑濃度。
 
2.5 亞麻籽
       亞麻,又稱胡麻,含有亞麻酸、亞麻膠、木脂素、亞麻蛋白質等多種營養與保健成分,具有降血脂和抗癌保健等功效,許多國家將亞麻籽作為保健食品直接少量添加到食品中。亞麻籽中含有一些抗營養因子,如植酸、生氰糖苷、抗吡哆醇(VB6)因子等,生氰糖苷和抗VB6因子的存在限制了亞麻籽在食品和飼料中的應用。抗VB6因子的負面作用可以通過補充VB6得以抑制或緩解。亞麻籽制油后,大部分生氰糖苷殘留在亞麻籽餅粕中,且大部分已水解為氫氰酸,這是限制亞麻籽餅粕利用的主要因素。因此,目前亞麻籽餅粕只限量用于畜禽飼料外,大多做肥料使用,其營養價值遠沒有開發出來。
       宋春芳等(2006)試驗證明,擠壓膨化溫度在147~153℃,亞麻籽含水率13.8~17.6%,亞麻籽中生氰糖苷和絕大部分酶已遭破壞,氫氰酸產量很低,且由于膨化壓力突然釋放,在水分蒸發同時,氫氰酸也隨之揮發,經分析,亞麻籽中氫氰酸去除率高于 90%的概率為95%。另外,擠壓膨化機是一種集輸送、混合、加熱和加壓等多種單元操作于一體的連續式反應器,物料作用時間短、營養損失小,對于亞麻籽去毒處理是較適宜的。
 
2.6 動物血粉
       動物血粉粗蛋白質含量高達80%,以上是很好的動物性蛋白質飼料。但一般加工方法生產的血粉動物食后很難消化,適口性和營養平衡性差。這主要是由于血細胞屬于硬質蛋白質,在加工過程中,血細胞膜未經全部破壞或血粉中硬蛋白質未經充分變性,在動物體內很難被消化吸收。因此,加工血粉的關鍵是在加工過程中借助外力破壞其原有的分子結構,使血細胞破裂,血細胞內營養物質完全釋放,擠壓膨化加工技術可實現這一要求。擠壓膨化后的血粉經過顯微鏡檢驗,無完整血細胞存在,其產品質量和消化率優于發酵血粉和噴霧干燥血粉。膨化加工使蛋白質變性,從而使蛋白酶更容易進入到內部,擴大了蛋白質消化酶與蛋白質接觸面積,從而更易被動物消化吸收。
 
2.7 畜禽廢料
       畜禽廢料(如家禽尸體、下腳料、內臟、糞便等)具有潛在的利用價值,其中含有大量營養成分。但是,直接利用這些畜禽廢料具有一定危險性和局限性,它們都含有霉菌和有害物質,且消化率和利用價值低,應用擠壓膨化技術可以部分解決這些問題,既消除畜禽廢料對環境的污染,又可擴大飼料資源,變廢為寶。歐盟部分國家將淘汰家禽等經破碎后與豆粕混合,加入抗氧化劑,膨化制成動物蛋白質粉飼用。
                           
 
 
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