饲料膨化技术研究进展

饲料膨化技术研究进展
摘要：饲料膨化技术是目前国内饲料工业中发展最快的一项工业科学技术，已得到广泛认可和应用。

本文就饲料膨化技术研究进展做一概述。

关键词：饲料；膨化；进展
利用膨化技术使物料物性发生质的变化，极大改善了饲料产品品质，拓展了饲料资源，提高了饲喂饲料的消化吸收率，膨化技术在有效预防动物消化道疾病及饲料安全方面有着独特的优势。

2膨化技术对饲料营养价值的影响
挤压作用能促使淀粉分子内1，4糖苷键断裂，致使挤压后产物淀粉含量下降。

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，对产品具有赋形作用，从而提高饲料加工品质。

可溶性膳食纤维的量相对增加，亲水胶体经挤压后其成胶能力将普遍下降。

使糖分解影响挤压饲料的颜色。

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，破坏抗营养因子，提高消化率，大多数酶制剂的活性都将损失殆尽。

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，如仅从处理来看，膨化挤压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。

挤压过程中，热敏性维生素如VB1、叶酸、VC、V A等是最容易受到破坏的几种，而其它维生素如烟酸、VH、VB12比较稳定，但很大程度上取决于加工条件。

矿物质一般不会被破坏，但可能会降低某些矿物质的生物效价。

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气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，另外也造成微生物制剂的损失。

3膨化技术研究进展
3.1国内外挤压膨化设备
用于饲料工业的挤压膨化机主要是螺杆式挤压机，根据螺杆数量可分为单螺杆和双螺杆两种类型，单螺杆挤压膨化机具有投资小、加工成本低等优点，但不能加工高脂肪、高水分的物料，而双螺杆挤压膨化机克服了这些缺点，但是投资较大，加工费用较高；根据有无蒸汽调质可以分为干法和湿法2种类型，目前的挤压膨化机多为干湿两用型。

另外随着膨化工艺如利于密度控制，自动控制和水分控制等需要，对膨化机的结构和参数进行了相应的调整改进和设计，包括加压切割技术，膨化腔开泄压孔，双螺杆挤压机控制系统，膨化机出料口压力分配调节机构，挤压螺杆/套筒的快速装配系统，采用液压或其它装置实现了套筒的机械开合，方便了螺杆的更换；通用可改变速箱装置；新型螺旋角的设计等。

近年来挤压机设备制造商为了适应饲料工业尤其是宠物饲料加工的发展，对挤压机进
行了一系列研究与创新。

包括多色宠物饲料的挤压膨化设备，夹心宠物饲料的挤压膨化设备，通过电机、传动设计改善设备性能以及膨化机自动控制系统的改进。

3.2挤压膨化加工工艺技术
3.2.1密度控制技术
目前，控制挤压膨化产品的密度主要是通过控制压力和温度来实现。

主要措施：（1）在膨化腔体上开泄压孔；（2）机内增设调压装置（模前加压）；（3）加压切割技术（模后加压）；（4）控制模板的开孔率。

3.2.2水分控制
原料水分、调质膨化和干燥冷却过程是膨化加工水分控制的重点，这些环节水分控制的范围为:原料水分≤13%，膨化调质后物料入模水分为25%~30%，成品水份≤12%。

3.2.2.1关键设备的研制
膨化机是进行饲料膨化加工水分控制的关键设备之一。

我国的膨化机研制水平已经达到了世界先进水平。

如江苏牧羊的“世纪神”系列双螺杆挤压膨化机，既保证挤出产品的质量又保证了挤压作业的稳定性。

“世纪龙”系列单螺杆挤压膨化机，主要用于生产水产饲料。

它能实现电脑对膨化全过程的自动控制，能对物料喂料量、蒸汽和水的添加量进行精确测量和迅速自动控制，还可以对不同配方进行最佳控制参数设定，操作简单、工作可靠。

干燥机是进行饲料膨化加工水分控制的另一个关键设备。

环流箱式干燥机，循环利用热风并采用箱体保温，极大地降低了能耗和生产成本；采用双层履带输送消除了物料表面的损坏现象；采用双向十字穿流方式、可调摊布器、增加均料装置等措施，确保产品水分均匀一致；同时烘干温度、物料在机内停留时间和料层厚度均可由电脑控制。

3.2.2.2混合加水技术
混合阶段加水，对提高膨化颗粒质量有重要的意义。

目前，国内普遍采用水自动添加系统向混合机中加水，它可以实现电脑的全自动控制，具有自动化程度高、添加比例准确、控制可靠、操作方便等优点，但是水自动添加系统添加的水量相对固定，不能根据物料水分的变化来适时调整，容易造成成品颗粒饲料水分含量偏高。

水分在线检测手段的发展将会使问题得到改善。

微波法是一种理想的水分在线检测方法，相信未来它在混合机上的成功使用，将会使混合加水工艺更加普及。

另外，国内目前已经成功开发出改善饲料成品水分、饲料水活度及防酶效果的技术。

北京九州互联农牧科技有限公司开发的这项技术，通过往混合机中添加由有机酸、表面活性剂、水结合剂组合而成的水溶液喷雾，来提高成品饲料水分、控制饲料水活度，抑制饲料发霉，提高饲料储存期限。

对于饲料膨化加工来说，这项技术还可以避免因直接加水带来的堵机等问题。

3.2.2.3神经网络建模仿真
神经网络建模仿真，膨化饲料水分控制研究的新方法。

神经网络具有自学习、自记忆、
自适应等能力，是多输入多输出非线性系统建模控制的良好方法。

它自己能从实验数据中提取有关的参数信息，依据实验数据本身内在的联系建模，克服了传统定量预测方法的许多局限性和困难，同时也避免了许多人为因素的影响。

用神经网络方法对生产加工系统进行建模仿真，可以为分析生产过程、设计新工艺、试验新参数、研究新的控制方案提供实验对象和手段。

3.2.3调质技术
调质技术是膨化前不可缺少的环节，目前国内对调质器研究还比较深入，单轴、双轴类型的均有产品。

利用废蒸汽进行预调质，就是将膨化“闪蒸”释放出来的蒸汽和冷却器前端的热空气重新送到调质器中，从而减少燃油消耗以及减少CO2和SO2的排放量，同时，尾气中的异味物质被吸收。

冷却空气的部分循环，还降低了粉尘排放。

3.2.4后添加工艺
由于维生素，酶制剂和微生物制剂在在膨化或制粒过程都会有不同程度的损失，近年来国外越来越多的学者开展了膨化制粒后再添加的工艺研究。

采用直接添加悬浮液或胶体以及喷雾添加液体不同的后添加方法。

对于后添加点的选择，一般选择在颗粒冷却后，可供选择的主要有三处分别为喷油设备，螺旋输送机以及特殊设计的传送设备。

3.2.5挤压膨化过程中的节能降耗
节能降耗问题是膨化过程中的研究重点。

目前主要是通过对低能耗加工工艺的研究和研究主要的工艺参数对能耗的影响，并建立相应的数学模型，以达到节能降耗的目的。

3.2.6挤压膨化过程的自动控制
国外对模糊逻辑在挤压熟化的模型建立和控制方面的应用已有所研究，并应用带输出反馈和时间推延的神经网络，对一台双螺杆挤压机生产小面包干过程进行控制，取得了很好的效果。

另外通信网络在国外已应用到膨化过程控制，实现系统信息资源共享。

我国膨化加工过程的自动化控制技术已有很大的进展，已研发出膨化过程可视化控制系统，基于FIX工业组态软件的膨化系统实现了膨化工艺的可视化控制，利用传感器可对膨化机操作参数进行现场检测和反馈，自动调整膨化机的相关工作参数，实现了操作员预先设定的各种工作参数，具有配方储存、报表打印、报警、工作参数动态显示和记录功能。

4结语
参考文献:略
个人写的作业综述
2 膨化技术的分类，原理和工艺特点
广义上的膨化技术可分为两种，即挤压膨化和气体热压膨化，后者应用很少。

挤压膨化又分为干法挤压膨化和湿法挤压膨化。

前者是对物料进行加热、加压，但不加蒸汽的膨化操作；后者则是在加热加压的同时，另加水或蒸汽的膨化操作[5]。

膨化技术是将物料加湿、加压、加温调质处理，并挤出膜孔或突然喷出压力容器，使之因骤然降压而实现体积膨大的工艺。

其过程是在瞬间完成的，包括熟化、灭菌、膨胀、脱水、
成形等变化。

物料送入膨化机中,螺杆螺旋推动物料形成轴向流动，同时,由于螺旋与物料,物料与机筒,以及物料内部的机械摩擦,物料被强烈地挤压、搅拌、剪切,其结果物料被进一步细化、软化。

随着压力的逐渐加大,温度相应升高。

在高温、高压、高剪切条件下,物料的物性发生变化,由粉状变成糊状,淀粉糊化,蛋白变性,纤维质部分降解、细化,致病菌被杀死,卫生指标提高,有毒成分失活。

当糊状物料从模孔喷出的瞬间,在强大的压力差作用下,物料被膨化、失水、降温。

膨化产品结构疏松、多孔、酥脆、较好的适口性和风味[6]。

膨化工艺的特点：（1）提高物料淀粉糊化度，破坏和软化纤维结构的细胞壁，蛋白质变性、脂肪从颗粒内部渗透到表面利于消化吸收。

同时，物料具有特殊的香味，提高了适口性。

（2）原料经膨化的短时高温、高压处理，有害微生物被杀死，减少了饲料的有害微生物对机体的感染。

（3）可制成各种沉降速度的膨化饲料，如浮性、慢沉性和沉性等，以满足水产动物摄食习性的要求，减少损失和水质污染。

（4）可生产各种形状的产品，对饲料和食品的外观价值有很大提高。

（5）物料经膨化后，水分大幅度降低，便于贮藏和运输。

3 膨化技术对饲料成分的影响[7-10]
3.2膨化过程中的蛋白质、氨基酸、酶的变化[14]
3.2.1蛋白质
经过膨化后蛋白质变性，氨基酸和缩氨酸含量增加，提高了机体对蛋白质的消化和吸收能力。

另外,膨化过程中发生了分子重排,蛋白质发生了一些质构变化,可改善风味口感。

膨化法还可用于植物蛋白的组织化。

近来的研究证明，应用双螺杆挤压机对高含水率的肌源蛋白和植物蛋白混合物进行组织化（形成纤维），可以获得肉类、海鲜等多用途的代用品。

高温高压使蛋白质分子不可逆变性。

3.2.2氨基酸
一部分蛋白质裂解为多肽和氨基酸,如玉米膨化前氨基酸含量为40mg/g左右,而膨化后变为68mg/g。

氨基酸在挤压膨化中，氨基酸常与糖类发生美拉德反应。

玉米经挤压膨化后，蛋白质和脂肪的含量减少氨基酸和水溶性成分含量增加[16]。

这说明在挤压膨化过程中蛋白质发生了降解，大分子被切断成小分子肽及部分氨基酸。

此外,虽然由于蛋白质降解,氨基酸总量有所增加,但一些氨基酸的损失却不能忽视,如赖氨酸可损失13%～37%,蛋氨酸可损失26%～28% ,精氨酸可损失20%[17]。

3.2.3酶
膨化加工对酶的作用既有积极的方面,也有消极的方面。

积极的作用是使脂肪酶、过氧化物酶、脂肪氧化酶、芥子苷酶、脲酶等失活；而消极作用是使淀粉酶、植酸酶失活。

酶制剂的损失,由于酶是一种蛋白质,一般酶的最适温度在35~40℃之间,最高不超过50℃.但膨化制粒过程中的温度可达120~150℃以上,并伴有高湿、高压,在这样的条件下,大多数酶制剂的活性都将损失殆尽。

Israelsen报道,110℃植酸酶，B-葡萄糖酶和纤维素酶的活性存留率为零[18]。

3.3脂肪
膨化加工破坏脂肪的脂肪酶和一种能使游离脂肪酸氧化酸败的脂肪氧化酶。

这两种酶在膨化时可以完全失活，使脂肪不易被氧化分解，延长原料的保质期，改善产品质构和口感。

这种作用对肉鸡饲料和水产饲料中添加脂肪十分有利。

同时膨化时的温度一般都是调在121-145℃之间，在膨化过程脂肪细胞被破坏，释放出的油脂与淀粉结合形成复合物,降低了挤出物中游离脂肪的含量，既不会造成损失，又可提高消化率，所以对脂肪的影响极微[16]。

如米糠含脂肪15%以上,存放一个星期就会酸败,而经高温、高压、膨化处理后可以存放三个月。

膨化处理的另一个好处是使饲料的结构疏松,有
利于油脂后喷涂,包容更多的脂肪,特别适用于水产养殖,这是硬颗粒饲料不可比拟的。

3.4维生素
膨化加工对维生素有一定损失,加工条件不同,维生素残留量不同,提高温度、螺杆速度及降低水分含量和膜口直径等均会降低维生素的含量[19]。

谷物是B族维生素重要来源,挤压对其损失是较大的,VB1残留量约为60%～90%,当温度升为232℃时,其残留量为0,VB6为71%～83%,VB12为65%～99% ,VC为32%～97% ,β2胡萝卜素损失不大。

尽管如此,由于膨化是高温短时,同时物料在挤压腔内与氧接触少,因此与其它加工方法比较,挤压膨化中维生素的损失量较少。

值得注意的是,在适宜加工条件下,某些维生素如VB2、VC ,其残留量可达110%～125% ,其可能原因是挤压前这些维生素分子与淀粉或蛋白质大分子缔合或被它们包围,因不能显示维生素特性而不能被检测出来,当受到挤压后,由于剧烈条件使维生素被释放出来,导致残留量上升。

Vanderpoel报道,猪饲料在120℃膨化后,贮存1个月,损失最多的几种维生素是:VK380%,VC75%,VD325%,VA和VE20%。

3.5挤压膨化对其他成分的影响
3.5.1抗营养因子
膨化加工还能破坏饲料中的抗营养因子,诸如生大豆中的抗胰蛋白酶和脲酶,棉籽中的棉酚、菜籽中的芥子甙等。

Hayakawa 等报道,用双螺杆挤压机处理全脂大豆后,可以使抗胰蛋白酶活性完全丧失。

抗胰蛋白酶是抑制动物消化系统中蛋白酶的多种物质之一,它可以抑制蛋白质分解,减少氨基酸生成,并且抑制代谢能释放和脂肪代谢,从而降低蛋白质消化率[15]。

因此,挤压膨化可使大豆及其他豆类产品中养分消化率提高。

据Cheng等(2003)报道,挤压大豆与生大豆相比,虹鳟粗蛋白质的表观消化率显著增加[20]。

3.5.2微生物制剂
微生物制剂的损失。

微生物制剂目前应用比较多的有乳酸杆菌、链球菌、芽孢杆菌和酵母,这些微生物对高温尤为敏感,当制粒温度超过85℃时活性全部丧失。

5配合饲料的膨化加工
配合饲料产品,由早期的粉料,到环模制粒后的颗粒料,是饲料生产工艺的进步。

近年来将膨化技术应用到饲料生产后，使饲料生产工艺具有划时代意义。

膨化制粒的主要优点:(1)加工温度高,水分大,物料可充分熟化、降解，颗粒品质优良,饲料效价高;(2)颗粒密度可调范围大,可适应多种饲养对象和不同饲喂环境的要求。

5.1膨化乳猪料
乳猪料的重要指标是卫生和熟化,杜绝乳猪拉稀。

原料经高温、高压处理,一方面杀死致病菌,一方面使淀粉料充分熟化,大豆蛋白变性、脱毒,使物料易于消化吸收。

糊化淀粉,可以刺激动物体内产生乳酸,增强动物体的抗菌能力[25]。

5.2膨化水产料[26]
水产料采用膨化制粒,从各方面提高了产品的品质：
(1)提高了饲料效价。

挤压膨化使淀粉熟化,这对鱼类十分重要,因为鱼类对生淀粉难消化。

淀粉熟化,物料的粘结性提高,成形效果好。

在保证颗粒质量的前提下,可调整配方,降低成本。

(2)粒料在水中的沉浮时间是由颗粒料密度的大小控制的,而密度大小是膨化度决定的。

因此,可通过调整配方、调整淀粉以及粘结剂的品种和含量,调整工艺参数,即调整水分、压力、温度等,生产密度不同的膨化粒料。

(3)采用不同模具,调整切割速度,可得大小不同、形状不同的粒料,以适应不同饲喂对象的采食习性。

膨化水产料,首先进行预熟化。

物料在调质过程中膨胀、吸热升温,组分软化、均化,初步变性,为进入挤压膨化过程做准备。

挤压膨化机配用双轴差速调质器,一对不同直径相对转动的转子,使物料得以充分混合。

物料的滞留时间可大幅度调整,以满足充分调质的时间要求,是较先进的调质设备。

5.3膨化鸡料
鸡料配方中含淀粉料较高,同时含15%~20%的蛋白料,对于这个比例,无论干法膨化机,还是湿法膨化机,工艺性能都比较好。

试验证明,膨化可以提高鸡对饲料的消化吸收率。

膨化鸡料,因为容重小,可减少鸡的采食量,避免肥胖,提高产蛋率[27]。

5.4膨化牛料—尿素膨化玉米
牛、羊等反刍动物,能利用非蛋白氮(如尿素)转化成动物蛋白质。

饲料中添加尿素的关键是如何控制添加量、均匀采食和尿素分解速度。

尿素膨化玉米最有效地解决了这些问题。

将尿素、玉米粉、添加剂以一定比例混合后进入膨化机,玉
米粉膨化,糊化淀粉与尿素形成包被结构。

脲酶抑制剂抑制了脲酶的活性。

从两个方面抑制了尿素分解后释放氨的速度,避免由于氨过剩引起氨中毒。

膨化加工改变原料成分
膨化技术的应用已有近百年历史。

膨化是综合了水、压力、温度和机械剪切的作用完成的。

膨化熟化中，机镗内温度可达90℃～200℃，膨化延续时间在2s ～30s 范围。

膨化产物会发生一系列物理、化学变化，诸如淀粉糊化、蛋白质变性以及酶类、有毒成分和微生物的失活等。

其结果通常会提高膨化饲料产品的养分消化率，降低一些抗营养因子含量，还会减少饲料携带细菌和粉尘的数量，改善饲料的适口性，增进颗粒饲料的稳定性和耐藏性。

从而使得饲养的动物，特别是幼年动物的生产性能和饲料效率得以改进。

一般地说，温和的膨化条件可以提高植物蛋白的消化率，这是由于蛋白变性或一些蛋白酶抑制因子失活的缘故。

但是，在激烈的膨化条件下，蛋白质和氨基酸的消化率也可能下降，因为赖氨酸可与糖发生美拉德反应，也可与其他化学键发生反应，降低氨基酸消化率。

膨化通常使脂肪含量下降，因为脂肪可生成直链淀粉- 脂肪复合物而使溶剂浸出效率下降。

膨化可以改变膳食纤维的含量、改善纤维消化率和增加消化能。

膨化对矿物质和维生素的影响颇受关注。

一般地说，植物性饲料中矿物质的利用率是受植酸含量影响的。

矿物质利用率因膨化而略有下降，这是因为膨化过程中的高温高压使植物性饲料中植酸酶失活的缘故。

膨化通常使维生素含量下降，动物营养学家建议，膨化加工的饲料，其维生素添加量应当为原配方中的120% ～150%，
或使用如稳定化维生素C 之类的耐热维生素。

( 美国大豆协会国际项目/ 程宗佳博士)
但如何科学合理、长期稳定地运用好挤压膨化技术和设备，使其发挥最大的效益和作用，仍然是一个困惑诸多饲料企业的技术难题。