挤压膨化后添加技术在饲料中的应用

挤压膨化后添加技术在饲料中的应用
1 挤压膨化技术
挤压膨化技术应用于饲料工业始于20世纪50年代的美国，主要用于加工宠物食品，对其进行预处理以改进消化性和适口性，也用于生产反刍动物蛋白补充料的尿素饲料（L.Moscicki，1982）。

到了20世纪80年代，挤压技术已经成为国外发展速度最快的饲料加工新技术，它在加工特种动物饲料、水产饲料、早期断奶仔猪料及饲料资源开发等方面具有传统加工方法无可比拟的优点（Borello，C.1985）。

挤压技术在我国饲料工业中的应用尚属起步，有着广阔的发展前景。

本文结合饲料工业的发展，就挤压过程中饲料成分的变化，挤压技术在饲料资源开发、饲料产品开发及饲料加工中的应用等方面作一概述。

1.1
挤压过程中饲料营养成分的变化
1.1.1
挤压过程中碳水化合物的变化
碳水化合物是饲料中的主要组成成分，通常在饲料中占到60%～70%，因此是影响挤压饲料特性的主要因素。

1.1.1.1 淀粉
挤压作用能促使淀粉分子内1-4糖苷键断裂而生成葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖及麦芽糊精等低分子量产物，致使挤压后产物淀粉含量下降。

但挤压对淀粉的主要作用是促使其分子间氢键断裂而糊化。

淀粉的有效糊化使挤压处理不仅改善了饲料的营养，而且有利于饲料成粒，从而提高饲料加工品质。

淀粉在挤压过程中糊化度的大小受挤压温度、物料水分、剪切力、螺杆结构及在挤压机内的滞留时间、模头形状等因素影响。

一般规律是高水分、低温挤压使淀粉部分糊化，低水分、高温挤压有利于提高淀粉的糊化度，且使淀粉部分裂解为糊精。

淀粉有直链淀粉与支链淀粉之分，它们在挤压过程中表现出不同的特性。

就膨化度而言，总的趋势是淀粉中直链淀粉含量升高则膨化度降低，有报道说50%直链淀粉与50%支链淀粉混合挤压可得到最佳的膨化效果。

另外，来源不同的淀粉其挤压效果也存在差异，小麦、玉米和大米中的谷物淀粉具有较好的膨化效果，块茎淀粉不仅具有很好的膨化性能而且又具有十分好的黏结能力。

1.1.1.2 纤维
纤维在饲料中通常充当填充剂。

由于用于挤压的纤维原料及挤压采用的设备和工艺条件不同，对挤压过程中纤维数量的变化文献报道差异较大。

Fornal等对荞麦与大麦的挤压研究，Wang等对小麦和小麦麸皮的研究表明，挤压后的纤维数量降低，而Bjorck（1984）、Ostergard（1989）分别对全麦粉及全大麦粉挤压研究的结果正好同上述相反；至于Silijestron（1986）及Schweizer（1986）研究则认为全麦粉在挤压过程中其总纤维含量不发生变化。

但对挤压过程中纤维质量变化的研究结果较为一致，均表明纤维经挤压后其可溶性膳食纤维的量相对增加，一般增加量在3%左右，表1是Wang等在不同条件下分别对整粒小麦与小麦麸
皮挤压后纤维变化的研究结果。

这种结果是挤压过程中的高温、高压、高剪切作用促使纤维分子间价键断裂，分子裂解及分子极性变化所致。

由于可溶性膳食纤维对人体健康具有特殊的生理作用（Gordon，R.Huber，1991；Cummings，J.H，1978），因此采用挤压手段开发膳食纤维无疑是一个很好的方法，但对动物是否同样具有作用尚未见报道。

饲料工业中的纤维原料主要来源于玉米、饼粕和糠麸。

在挤压过程中，其规律一般是膨化度随纤维添加量增加而降低，但不同来源的纤维或纤维纯度不同对膨化度的影响有明显差异，其中以豌豆和大豆纤维的膨化能力为好，它们在以淀粉为主原料的饲料中添加量达到30%对最终产品的膨化度也无显著影响，而象燕麦麸及米糠，由于它们含有较高的蛋白质及脂肪，其膨化能力就很差。

1.1.1.3 亲水胶体
胶体主要用于水产饲料的生产，通常有阿拉伯胶、果胶、琼脂、卡拉胶和海藻酸钠等亲水胶体，它们经挤压后其成胶能力将普遍下降。

在挤压过程中其亲水特性还将影响常规的挤压条件，降低挤压产品的水分蒸发速率及冷冻速率，提高产品的质构性能。

对于一个特定的产品，在选择亲水胶体时胶体的粘稠性、成胶性、乳化性、水化速率、分散性、口感、操作条件、粒径大小及原料来源等因素均得慎重考虑。

1.1.1.4 糖
糖具有亲水性，在挤压过程中将调控物料的水分活度，从而影响淀粉糊化。

挤压的高温、高剪切作用使糖分解产生羰基化合物，从而同物料中的蛋白质、游离氨基酸或肽发生美拉德反应，影响挤压饲料的颜色。

另外，在挤压过程中添加一定量的糖能有效地降低物料的粘度，从而提高物料在模口出口时的膨化效果，这一点对控制水产饲料的沉浮性有一定的帮助。

因此，在挤压饲料中糖除了起提供能量作用外，主要是作为一种风味剂、甜味剂、质构调节剂、水分活度与产品颜色调控剂而被应用，通常使用的糖有蔗糖、糊精、果糖、玉米糖浆、糖蜜、木糖和糖醇。

1.1.2 挤压过程中蛋白质的变化
蛋白质受挤压机腔内高温、高压及强机械剪切力作用，导致蛋白质最终变性。

这种变性使蛋白酶更易进入蛋白质内部，从而提高消化率。

但就蛋白质品质而言，不同的挤压条件对其影响不一，这主要取决于挤压过程中有效赖氨酸的损失。

总的趋势是在原料水分低于15%，挤压温度高于180℃的条件下，挤压时水分愈低，温度愈高，赖氨酸损失越大，蛋白质的生物学效价就愈低（Maclean，W.C.，1983；Noguchi，A.，1982；Bjorck，I.1983）。

适当改变挤压工艺条件，如降低饲料中葡萄糖、乳糖等还原糖含量，提高原料水分含量（Tossavainen，O.S.，1986）等可有效减少美拉德反应的发生。

K.Dahlin（1993）等通过不同条件下对玉米、小麦、黑麦和高粱等8种谷物的处理结果表明：在原料水分为15%，挤压温度为150℃，转速为100rpm的条件下挤压，产品蛋白质的生物学效价与未处理原料相比得到显著提高（Dahlin，K.，1993）。

1.1.3 挤压过程中脂肪的变化
挤压作用会使甘油三脂部分水解，产生单甘油脂和游离脂肪酸，因此从单纯处理来看，挤压过程将降低油脂的稳定性，但就整个产品而言，挤压产品在贮藏过程中游离脂肪酸含量的升高显著低于未挤压样品，这主要归结于挤压使饲料中的脂肪水解酶、脂肪氧化酶等促进脂肪水解的因子失活。

脂肪及其水解产物在挤压过程中能同糊化的淀粉形成络合物，从而使脂肪不能被石油醚萃取。

这种络合物的形成使脂肪不易从产品中渗出而给产品一个很好的外观。

这种络合物在酸性的消化道中能解离，因此也不影响脂肪的消化率。

脂肪对饲料的质构、成型和适口性等作用较大，但从总体看脂肪的存在不仅影响最终挤压产品的质量(主要是膨化度)，甚至可能影响整个挤压过程的顺利进行。

例如对脱脂大豆粉的挤压，其脂肪的含量不应超过1%；在饲料工业的膨化料生产中，单螺杆挤压机油脂添加量在0%～12%时，对挤压效果无影响，当添加量在12%～17%范围时，添加量每增加1%产品的容重就增加16g/L，添加量继续增大则效果更差，当超过22%时则产品就失去了一般挤压的特性。

因此挤压应以含油量低的原料为好。

1.1.4 挤压过程中维生素、矿物质及风味物质的变化
维生素在加工过程中能否保留下来，很大程度上取决于加工条件。

挤压过程中，热敏性维生素如VB1、叶酸、VC、VA等是最容易受到破坏的几种，而其他维生素如烟酸、VH、VB12比较稳定。

从生产方便性看，挤压之前添加维生素优于挤压后添加，但必须超量添加以克服挤压过程维生素部分损失对动物营养的影响。

有资料报道，在挤压之前添加维生素，不仅挤压过程中会对维生素产生破坏，而且挤压之后，产品在储藏过程中维生素的损失会加快。

所以挤压物料的维生素可能在挤压之后添加更为经济。

挤压过程中，矿物质一般不会被破坏，但是具有凝固特性的新聚合物的形成可能会降低某些矿物质的生物效价，例如植酸可能同Zn、Mn等络合，形成不为动物消化的化合物。

由于挤压时的高温、高水分将分解风味物质，且具有挥发性的风味物质在模头口将随水蒸汽一起蒸发而大部分散失。

因此，加工过程中风味剂的添加都采用挤压后添加。

2 挤压技术与饲料加工
2.1 挤压技术与饲料产品随着饲料工业的发展及对挤压技术的进一步认识，目前，挤压技术被广泛用于生产浮性、半浮性及沉性的水产饲料，甚至用于生产
断奶仔猪的补料及用于断奶仔猪的幼畜饲料。

对于水产饲料的生产，同传统的蒸汽调质与环模制粒相比，挤压不仅能精密有效地控制饲料的漂浮性及沉降速率，而且还能使饲料具有更好的水稳定性、颗粒完整性及更强的吸收油脂能力。

这些优点有助于提高饲料的消化率、延长饲料的保质期、提高饲料的转换率和降低水质污染。

至于仔猪饲料的生产，则挤压不仅能使饲料具有良好的适口性和易消化性，而且与传统颗粒饲料相比，动物饲用这些饲料腹泻的发生率相对较少。

挤压技术在饲料产品生产中的另一个应用就是制备反刍动物尿素淀粉饲料。

将高淀粉谷物和尿素等混合经挤压使淀粉接近于凝胶化程度，并与非结晶状的尿素紧密结合。

反刍动物食用这种产品后不仅能降低尿素在动物瘤胃中的释氨速度，而且还能提高淀粉的发酵速度，从而保持同氨的同步释放，提高菌体蛋白的合成速率，使得尿素的使用更为安全有效。

2.2 挤压技术与饲料资源开发
2.2.1 全脂大豆挤压一定操作条件下的挤压不仅能有效地使大豆中的抗营养因子如抗胰蛋白酶、脲酶等失活，而且其高温、高压和高剪切的瞬时作用有利于蛋白质变性、淀粉糊化和大豆油细胞破裂，从而使3者的消化率提高。

许多研究表明挤压可显著提高大豆的饲养价值。

挤压全脂大豆与传统的豆饼(粕)加油脂的饲料相比，不仅在饲养效果上具有优越性，在饲料加工中也克服了添加油脂对生产设备的要求及产品质量的影响，更为可取的是全脂大豆通过挤压能有效消除其中一些使动物、特别是早期断奶仔猪过敏的因子，从而克服了饲喂豆粕加油脂型饲料引起的仔猪消化紊乱、肠粘膜出现炎症、导致仔猪下痢的症状。

这使挤压全脂大豆应用于仔猪饲料具有豆粕加油脂型饲料无可比拟的优越性，从而越来越受到饲料加工者的欢迎。

2.2.2 羽毛类角蛋白挤压
羽毛类角蛋白资源丰富，价格低廉。

它不仅粗蛋白质含量高达80%以上，是一种潜在的蛋白质饲料，而且其胱氨酸含量也较高(6%～7%)，用于饲料可降低价格昂贵的蛋氨酸添加，因此，开发羽毛角蛋白资源，使之成为饲料原料意义重大。

金征宇等（1996e，f）以挤压机作为反应处理器，利用挤压机腔高温、高压和高剪切的环境及挤压过程中外加添加剂的方法进行羽毛挤压，使羽毛在消化率达到饲用要求（胃蛋白酶的消化率>75%）的同时，各种氨基酸生物学效价与高压水解羽毛粉无差异，从而不仅克服了传统高压水解或酸碱水解所需设备投资大、能耗高、劳动强度大和环境污染严重等缺点，而且初步实现了羽毛加工连续化的生产工艺，为资源的合理利用提供了新的开发途径。

2.2.3 油料饼粕的挤压脱毒
油料饼粕是饲料工业最主要的蛋白质原料，但由于它们大多含有干扰蛋白质消化或影响畜禽健康的抗营养因子或有毒物质，因此在使用中受到一定的限制。

资料表明，挤压机的高温高压环境或以挤压机作为反应器，在挤压过程中添加适当的添加剂，能有效消除或降低饼粕中的有害因子。

例如，挤压过程中添加石灰，能显著减少蓖麻籽饼粕的蓖麻毒和CB-IA过敏素的含量；添加5%强碱和1%硫酸亚铁，在150℃条件下挤压，可使油菜籽与大豆混合物的芥子甙总量减少80%（但腈可能升高），花生粕中添加0%～2.5%NH4OH，在175～180℃条件下挤压，则黄曲霉素或残留量可减少到原来的20%以下。

田菁籽粉经挤压，其有毒成分生物碱含量由原来的1.917%降至0.260%，这种有效的降毒方法，大大提高了油料饼粕的利用率。

3 大豆的挤压膨化
3.1 膨化对大豆营养价值的影响
合理的膨化不仅能有效地使大豆中的抗营养因子，如抗胰蛋白酶、脲酶等失活，而且其高温、高压、高剪切的瞬时作用有利于蛋白质变性、淀粉糊化和大豆油细胞破裂，从而使三者的消化率提高。

许多研究表明膨化可显著提高大豆的饲养价值。

Dalibard等（1994）报道，全脂大豆经膨化后蛋白质及氨基酸的消化率明显高于生大豆；荷兰养鸡研究会（1980）的研究表明，膨化使大豆代谢能含量显著提高，每千克饲粮干物质的代谢能含量从15.3MJ提高到16.7MJ，无氮浸出物、粗脂肪和蛋白质的消化率分别提高了11%、6%和5%；美国大豆协会（1994）对不同生长期的长白猪进行试验，结果表明全脂大豆的膨化处理比爆化、微波或烘炒处理所得的大豆产品具有更高的可消化能值、粗蛋白质可消化率及中性洗涤纤维可消化率，表2是对断奶仔猪（17.1±0.2kg）的试验结果。

3.1.1 膨化大豆对猪营养的影响
膨化大豆应用于仔猪，其饲养效果同豆粕加油脂型饲料无显著差异。

表3是Hancock等（1990）给开料仔猪饲喂等赖氨酸和能量的两种饲粮，一种饲粮的主要成分是玉米、豆粕（SBM）、乳清、大豆油（SBO），另一种是膨化大豆。

试验开始时仔猪体重为7.48kg，试验持续35d，结果试验组与对照组比较无显著差异（P>0.05）。

这种结果对我国许多因设备和经济原因以前不可能在饲料中添加脂肪生产高档仔猪料的饲料加工厂带来了方便。

另外，最新研究表明，大豆中有一种名为B-伴球蛋白的抗营养因子，它是引起仔猪过敏反应而下痢的主要成分。

其活性很难被一般加工工艺破坏，因此豆粕加油脂型的饲料常使仔猪消化紊乱、肠粘膜出现炎症等，从而使仔猪下痢。

而动物试验表明，膨化能有效地使该抗营养因子失活。

饲喂膨化大豆或膨化豆粕（饼）能有效改善仔猪消化系统微环境，从而有效防止仔猪下痢，这些结果使膨化大豆应用于仔猪饲料具有豆粕加油脂型饲料无可比拟的优越性（金征宇等，1995b）。

饲喂膨化大豆能促进猪的生长及提高饲料利用率。

Hanke等（1972）的试验结果表明，无论是对育成还是育肥，无论是粉状料还是颗粒料，膨化大豆总的饲养效果均好于豆粕。

产生这种结果的主要原因是膨化大豆提高了日粮的能量浓度，膨化大豆的油脂易于消化。

Newcomb等（1988）报道猪育肥期饲喂膨化大豆与大豆粕比较，还有另一方面的好处，就是使胴体后腿和胴体腰部眼肌中ω-3脂肪酸的水平分别提高2.7倍和4倍。

这被认为对人类的健康很有裨益，因为增加食
物中ω-3脂肪酸的摄入，能使人们冠心病的发病率下降能使人们冠心病的发病率下降。

3.1.2 膨化大豆对鸡营养的影响肉用仔鸡是一种生长速度极快的食用禽类，对日粮中的养分，尤其是对蛋白质和能量的需求相当高，因此高能、高蛋白的膨化大豆是很好的饲料资源。

White（1967）等观察到给肉用仔鸡饲喂等能等氮粉料时，饲喂膨化大豆的生产性能次于饲喂豆粕加豆油；Hull（1968）等观察到给肉用仔鸡饲喂等能等氮的豆粕加豆油与膨化大豆的颗粒日粮时，两组的生长速度与饲料转换率差异不显著。

Kan（1988）等进行的肉用仔鸡代谢试验也支持上述结果。

他们认为以粉料饲喂时，膨化大豆组和豆粕加豆油组在代谢能和脂肪表观消化率方面有明显的差异；可是同样配方以颗粒料形式饲喂时，代谢能和脂肪的表观消化率都得到了提高，但膨化大豆组的提高更多些，因而使二者的代谢能值和脂肪消化率可以相比。

对于肉鸡，从表4可以看出膨化大豆及膨化生豆饼在等能和等蛋白的基础上各项指标与豆油组无显著差异，但饲料成本有所节省，且也可不用添加油脂的设备。

另外，Porten等（1974）、Sell（1984）、Leeson等（1987）试验证明，饲喂膨化大豆的肉鸡其胴体和脂肪组织中ω－3脂肪酸含量高于等能等氮的豆粕组，但胴体级别和产量差异不显著。

至于蛋鸡，Waldroup（1978）等发现饲喂膨化大豆母鸡的生产性能与饲喂等氮豆粕日粮母鸡的相当或更好，结果见表5。

3.2 膨化技术的改进
膨化机是生产膨化大豆的主要设备，由于大豆自身营养组分的限制和目前企业生产所使用膨化机结构的缺陷，大量的实际调查发现，目前的膨化机及膨化大豆工艺进行工作时普遍存在的问题是：
（1）操作不稳定，易产生喷爆及大豆油的渗析；
（2）产量普遍较低(一般在450～500kg/h·台)，单位膨化大豆成本偏高；
（3）膨化机套筒易磨损，更换和维护费用大。

传统膨化工艺套筒使用寿命在1 000h左右，每套筒的价格在4 000元左右，喂料端为8 000元左右。

长期以来这些缺陷限制了膨化大豆在我国饲料工业中的应用。

针对上述缺点，可以机械设计和工艺改造双轨并进，以科研和实践生产相结合为出发点。

通过对原PHG135型膨化机的结构改造，压力环、螺杆调整，原料处理，挤压主要工艺参数变化，使用添加剂以弱化工艺条件等一系列技术的研究，致使目前挤压产量
达到800～1 000kg/h，且产品质量达标，从而使膨化大豆用于饲料工业可行，加工工艺稳定，同时使加工产量得以提高，并对膨化大豆产品作了饲养试验（徐学明等，1998a）。

4 米糠的挤压膨化
4.1 挤压温度对膨化米糠品质的影响挤压能明显降低米糠中游离脂肪酸的含量，挤压温度愈高则贮藏过程中米糠游离脂肪酸（FFA）的含量越低。

结果表明，挤压温度愈高，热敏性较强的脂肪酶被钝化程度愈大；另外从图1可以看出，在快速贮藏的前几天内挤压米糠的FFA值有一个缓慢降低趋势，这可能是由于挤压过程中产生部分挥发性脂肪酸（徐学明，1995），它们在贮藏过程中逐渐挥发的结果，具体原因有待进一步研究。

油脂在贮藏过程中氧化存在一个诱导期，诱导期前后过氧化值（POV）发生突变（图2）。

挤压能使这种POV值突变明显滞后，从而提高米糠的贮藏性能。

就挤压温度而言，在贮藏期内POV值同挤压温度之间存在着这样一种关系：在温度135℃以上POV值随挤压温度升高而升高；在125℃以下随温度升高，POV 值下降。

这种结果同国外报道的较为一致（Daniel Martion,et al.,1993），进一步证明了高温挤压米糠在消除引起米糠氧化酸败因子的同时，更大程度地破坏了米糠内天然的抗氧化物质，如VE。

由此，就挤压温度而言，可以认为采用120～130℃挤压米糠，既可以使解脂酶、过氧化酶有效失活，又能使米糠内天然抗氧化物质受损减少，从而使米糠保鲜期延长。

4.2 原料水分对膨化米糠品质的影响
图3表明，在相同挤压温度下，膨化过程中原料米糠水分的提高有利于贮藏过程中脂肪酸值的升高，且从曲线斜率看相对高水分的膨化米糠在贮藏过程的后期FFA上升速率加快，这说明在水分为12%的膨化米糠中钝化了的脂肪酶复活能力比低水分条件下膨化的米糠来得强（顾尧臣，1987）（膨化过程水分一般散失2%～3%）。

图4表明，水分对过氧化值的影响不是太大。

综合FFA与POV的变化，结合加工工艺的方便性，本试验认为米糠膨化过程中直接用低水分的原料米糠为好，不必另加水。

4.3 螺杆转速对膨化米糠品质的影响
转速越低，物料在膨化腔中逗留时间就越长，理论上对酶的钝化效果应越好。

模头孔面积的大小及开孔数直接影响挤压的压力及产量，实验表明在其他条件相同的前提下采用孔面积较小的模头挤压对抑制FFA、POV的升高均有益，但在贮藏时期内相差不大，且即使采用φ8×2模头，最终POV值也没有超过国家标准（10gI2/100g样品）。

因此从提高生产率出发，认为在实际生产中应用φ8×2较好。

4.4 添加抗氧化剂对膨化米糠品质的影响笔者进行了添加乙氧喹抗氧化剂
的试验，发现抗氧化剂的添加对降低FFA及POV的升高有益。

结合成本考虑以添加抗氧化剂100mg/kg较为适合，而增效剂柠檬酸的添加作用不大。

膨化对米糠保鲜具有显著的效果，采用挤压温度120～130℃、螺杆转速90rpm、模头φ8×2、乙氧喹添加量为100mg/kg的工艺条件膨化米糠，可使米糠在常温下贮藏3个月，FFA、POV值由原来的1082.3mg KOH/100g米糠、12.40g I2/100g米糠降至235.8mg KOH/100g米糠、6.57gI2/100g米糠。

米糠粗纤维、植酸磷含量高，且含有抗胰蛋白酶及血凝集素等抗营养因子。

通过膨化能否增加可溶性纤维的含量，降解植酸磷，使抗营养因子失活有待进一步研究。