蛋白質(zhì)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(zhì)飼料在擠出??讜r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(nèi),使物料內(nèi)形成多孔膨松結(jié)構(gòu),體積增大幾倍到十幾倍。在這個過程中,蛋白質(zhì)飼料原料中各組分結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)發(fā)生了變化,如蛋白質(zhì)變性、淀粉糊化,纖維、抗營養(yǎng)因子等得到不同程度降解,部分酶及有毒物質(zhì)受到破壞等。
1 蛋白質(zhì)飼料的膨化與成分變化
1.1 蛋白質(zhì)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(yǎng)破壞較大,動力消耗大,設備易磨損,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)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(shù)量可分為單螺桿和和雙螺桿膨化機,蛋白質(zhì)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(zhì)飼料原料主要成分的影響
1.2.1 蛋白質(zhì)
蛋白質(zhì)飼料原料中蛋白質(zhì)含量20%~80%。蛋白質(zhì)分子在高能場中,其原有三維結(jié)構(gòu)被破壞,展開后的球狀蛋白質(zhì)分子重新排列組合,在??准羟泻蜏p壓作用下,蛋白質(zhì)分子成線狀噴出,大的團狀蛋白質(zhì)分裂成較小的線狀蛋白質(zhì),使蛋白質(zhì)肽鏈內(nèi)外的氫鍵、二硫鍵和離子鍵重新排列分布,發(fā)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(yǎng)價值。因此在膨化過程中必須優(yōu)選工藝參數(shù)和方法,使產(chǎn)品既有高消化率,又減少氨基酸破壞。
1.2.2 淀粉
蛋白質(zhì)飼料在膨化時,其中的淀粉會發(fā)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(xiàn)為淀粉分子中氫鍵發(fā)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(zhì)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(zhì)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(wěn)定性有很大差異。
在脂溶性維生素中,VD和VK是相當穩(wěn)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(wěn)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(zhì)
雖然礦物質(zhì)對動物健康是必要的,但對它們在擠壓膨化過程中的穩(wěn)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(zhì)很穩(wěn)定的結(jié)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(zhì)對礦物質(zhì)的黏結(jié);二是螺桿和機筒磨損可引起產(chǎn)品礦物質(zhì)含量升高。另有報道,膨化可能會降低水產(chǎn)飼料中部分礦物質(zhì)吸收利用率。
1.2.6 其他
擠壓膨化會顯著降低蛋白質(zhì)飼料中內(nèi)源毒素和抗營養(yǎng)因子含量。大豆膨化時,會大大降低有毒成分和抗營養(yǎng)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(jīng)膨化后,也會顯著破壞其中的毒素和抗營養(yǎng)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(shù)在蛋白質(zhì)飼料原料中的應用
2.1 豆粕
大豆胚片經(jīng)擠壓膨化制油工藝提油后獲得的產(chǎn)品或豆粕經(jīng)膨化處理稱為膨化豆粕。根據(jù)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(jié)構(gòu)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(zhì)量。(2)浸出后膨化豆粕。是指經(jīng)過常規(guī)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(yǎng)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(chǎn)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(chǎn)能力。經(jīng)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(nèi)料層高度和浸出時間不變的情況下,浸出器生產(chǎn)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(chǎn)成本。
對豆粕進行濕法膨化,可以消除豆粕中抗營養(yǎng)因 子,提高營養(yǎng)價值,特別是在普通豆粕加工中不能消除或抑制的抗營養(yǎng)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(chǎn)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(chǎn)生的副產(chǎn)品,大多數(shù)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(zhì)和 20%脂肪,是一種優(yōu)良的反芻蛋白質(zhì)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(chǎn)品中含有游離棉酚,限制了其在畜禽飼料中應用。經(jīng)過擠壓膨化后可使游離棉酚與蛋白質(zhì)或添加劑結(jié)合形成毒性較小的結(jié)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(chǎn)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(yǎng)成分見表1。
棉籽和大豆混合后使得蛋白質(zhì)中營養(yǎng)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(zhì),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(chǎn)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(chǎn)品,蛋白質(zhì)含量一般在30%~35%,脫殼后可達45%左右。蓖麻蛋白質(zhì)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(zhì),且毒性很強,故未經(jīng)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(fā)利用的蛋白質(zhì)資源。
由于蓖麻粕在制油過程中經(jīng)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(jīng)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(jīng)豬雞高用量飼喂試驗,表明去毒后的蓖麻粕在規(guī)定范圍內(nèi)可安全用于畜禽飼料。
通過對蓖麻粕營養(yǎng)學評定和飼養(yǎng)試驗,發(fā)現(xiàn)蓖麻 粕有以下3方面特點:(1)蓖麻粕粗蛋白質(zhì)含量高達 45%以上,是目前所有餅粕類飼料中蛋白質(zhì)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(guī)定用量范圍內(nèi),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(chǎn)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(jīng)加工制成田菁膠,采用干法生產(chǎn)可得10%~20%田菁膠,經(jīng)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(zhì)含量40%左右,氨基酸水平優(yōu)于棉籽餅,是極具開發(fā)前景的飼料蛋白質(zhì)資源,但未經(jīng)處理的田菁籽粉由于含有少量毒性物質(zhì)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(zhì)等含量發(fā)生了很大變化,有毒物質(zhì)很可能就在這類物質(zhì)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(zhì)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(zhì)等多種營養(yǎng)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(yǎng)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??筕B6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(yǎng)價值遠沒有開發(fā)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(chǎn)量很低,且由于膨化壓力突然釋放,在水分蒸發(fā)同時,氫氰酸也隨之揮發(fā),經(jīng)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(xù)式反應器,物料作用時間短、營養(yǎng)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(zhì)含量高達80%,以上是很好的動物性蛋白質(zhì)飼料。但一般加工方法生產(chǎn)的血粉動物食后很難消化,適口性和營養(yǎng)平衡性差。這主要是由于血細胞屬于硬質(zhì)蛋白質(zhì),在加工過程中,血細胞膜未經(jīng)全部破壞或血粉中硬蛋白質(zhì)未經(jīng)充分變性,在動物體內(nèi)很難被消化吸收。因此,加工血粉的關(guān)鍵是在加工過程中借助外力破壞其原有的分子結(jié)構(gòu),使血細胞破裂,血細胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)完全釋放,擠壓膨化加工技術(shù)可實現(xiàn)這一要求。擠壓膨化后的血粉經(jīng)過顯微鏡檢驗,無完整血細胞存在,其產(chǎn)品質(zhì)量和消化率優(yōu)于發(fā)酵血粉和噴霧干燥血粉。膨化加工使蛋白質(zhì)變性,從而使蛋白酶更容易進入到內(nèi)部,擴大了蛋白質(zhì)消化酶與蛋白質(zhì)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(nèi)臟、糞便等)具有潛在的利用價值,其中含有大量營養(yǎng)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(zhì),且消化率和利用價值低,應用擠壓膨化技術(shù)可以部分解決這些問題,既消除畜禽廢料對環(huán)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(jīng)破碎后與豆粕混合,加入抗氧化劑,膨化制成動物蛋白質(zhì)粉飼用。
畜禽廢料(如家禽尸體、下腳料、內(nèi)臟、糞便等)具有潛在的利用價值,其中含有大量營養(yǎng)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(zhì),且消化率和利用價值低,應用擠壓膨化技術(shù)可以部分解決這些問題,既消除畜禽廢料對環(huán)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(jīng)破碎后與豆粕混合,加入抗氧化劑,膨化制成動物蛋白質(zhì)粉飼用。