調質溫度及模孔長徑比對顆粒飼料加工質量的影響

段海濤，李軍國，秦玉昌，李 俊，楊 潔，董穎超

（1. 中國農業科學院飼料研究所，北京 100081；2. 農業部食物與營養發展研究所，北京 100081；3. 農業部飼料生物技術重點實驗室，北京 100081；4. 中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京 100081）

0 引 言

飼料加工過程中，影響顆粒飼料加工質量的主要因素包括配方原料組成、調質制粒設備和參數及粉碎粒度等[1]，其中調質和制粒是影響顆粒飼料加工質量的重要因素占40%以上[2-3]。隨著無抗/減抗時代的來臨，益生菌等熱敏性抗生素替代品較多的應用到飼料配方中，飼料加工過程中，較高的調質溫度則引起益生菌等熱敏性飼料原料失活，溫度較低則殺菌不徹底[4]，為克服工藝缺點，飼料生產中存在大宗原料熟化后低溫制粒工藝，如斷奶仔豬料加工工藝中大料膨脹（膨化）低溫制粒工藝，熟化的大宗原料冷卻后與配方中熱敏性成分混合低溫制粒，目前，此類工藝研究主要集中于大宗原料的熟化工藝調節方面[5]，較少考慮到低溫制粒環節對飼料加工質量的影響，低溫制粒過程中，溫度較高則引起熱敏性飼料原料損失較大，溫度較低則制粒能耗高、環模磨損嚴重等[6-8]。

顆粒飼料加工過程中，針對調質溫度對顆粒飼料加工質量的影響研究較多，張現玲等[9]研究發現玉米豆粕型日糧適宜調質溫度為75～80 ℃，植酸酶保留率及淀粉糊化度較高。Lewis等[10]研究制粒過程中調質溫度與調質時間對淀粉糊化度及維生素保留率的影響，結果表明調質溫度、調質時間及其交互作用均對核黃素、煙酸及維生素D3的濃度有所降低，但不同調質溫度或調質時間組間差異不顯著。Spring等[11]在60，70，80，90和100 ℃下將小麥-豆粕制成顆粒飼料，發現提高調質溫度可以提高顆粒硬度。提高調質溫度可顯著改善顆粒飼料加工質量PDI和硬度。除調質溫度外，有研究環模厚度（60與50 mm），在相同的模孔直徑（3.5 mm）下，環模厚度為60 mm 表現出更高的 PDI[12]，還有顆粒直徑對顆粒飼料加工質量的影響，有研究報道了玉米-大豆和大麥-豆粕日糧模孔直徑的減小（從5到3 mm）對PDI產生強烈正效應[13]。目前，國內外學者并未針對低溫調質溫度與模孔長徑比及其雙因素對顆粒飼料加工質量進行過系統性研究，及大宗原料熟化后低溫制粒常面臨顆粒硬度高或成形率低等問題未進行探究。

因此，本試驗針對熟化后大宗原料進行低溫制粒，研究調質溫度與模孔長徑比對顆粒飼料加工質量與加工能耗的影響，評價大宗原料熟化后低溫制粒顆粒能否滿足顆粒飼料加工指標要求，旨在為畜禽飼料低溫調質、制粒等加工過程的優化提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗日糧與配方

試驗所需基礎飼糧配方見表1[14]，玉米與豆粕等大宗原料均采用2.0 mm粉碎機篩片粉碎，參照配方配料混合后采用調質保持器（STZW60x40Ⅱ）熟化處理，冷卻熟化料添加乳酸菌等熱敏性飼料原料進行調質制粒，調質溫度為50、55、60及65 ℃，模孔長徑比為6∶1、8∶1及 10∶1，試驗飼糧在基礎飼糧配方基礎上添加200 mg/kg乳酸菌（大北農生物科技有限公司，5.0×1010CFU/kg），以研究調質溫度與模孔長徑比對益生菌保留率的影響，日糧配方中預混料為每千克飼糧提供: 維生素A 6 312 IU，維生素D32 600 IU，維生素E 35 IU，維生素K34 mg，維生素B12.8 mg，維生素B25 mg，維生素 B64 mg，葉酸 1.1 mg，維生素 B1228.1 μg，泛酸 14 mg，煙酸 40 mg，生物素 44 μg，氯化膽堿 400 mg，銅 100 mg，鐵80 mg，錳40 mg，鋅75 mg，L-賴氨酸3.3%，鈣10%，磷2%。碘0.3 mg，硒0.3 mg。

表1 試驗基礎飼糧組成及營養水平（干基）Table 1 Composition and nutrient levels of experimental diets (air-dry basis)

1.2 樣品采集

在大料混合料調質后，低溫制粒調質前和制粒機出料口各取樣3次，濕熱粉料、顆粒料攤開變涼后采用“四分法”逐漸縮減至2 kg，裝入自封袋中于4 ℃冰箱保存待測。

1.3 檢測指標與方法

1.3.1 淀粉糊化度

樣品的糊化度檢測采用簡易酶法[15]。

1.3.2 顆粒硬度

硬度的測定參照常碧影《飼料質量與安全監測技術》中顆粒飼料硬度的測定方法檢測[16]。

1.3.3 顆粒耐久性指數

顆粒耐久性指數（pellet durability index, PDI）測定參照Thomas等[17]的方法，取500 g篩分后的顆粒飼料裝入回轉箱內，以50 r/min回轉10 min，停止后取出樣品，稱取顆粒飼料質量m1，見式（1）。

1.3.4 顆粒成形率的測定。

顆粒成形率的測定是在制粒機出料口，接取約 5 kg成形后飼料，冷卻后稱質量，然后選用孔徑為顆粒直徑0.8倍的篩子進行篩分，篩取篩上物，顆粒成形率計算見式（2）。

顆粒成形率=篩上物質量×100%/冷卻后飼料質量 （2）

1.3.5 乳酸菌菌落的測定

乳酸菌的測定參照國標GB/T4789.35-2016食品微生物學檢驗，乳酸菌檢驗。

1.4 數據處理

試驗數據以（平均值±標準差）形式表示。所有數據用軟件SAS 9.2 進行單因素方差分析(ANOVA)復因子試驗統計分析，用Duncan 氏法多重比較檢驗差異的顯著性，顯著性水平P＜0.05，極顯著水平P＜0.01。

2 結果與分析

2.1 調質溫度與模孔長徑比對顆粒飼料顆粒硬度及顆粒耐久性指數的影響

目前，為提高顆粒飼料產品加工質量，同時，降低配方中熱敏性飼料原料損失率，飼料生產中常采用大料熟化后低溫制粒工藝，如斷奶仔豬料加工工藝及本研究中所使用的生長育肥豬飼料加工工藝[18]。本試驗即采用大料熟化后低溫制粒，研究低溫制粒過程中顆粒飼料加工質量的變化規律。本試驗配方中大宗原料（玉米、豆粕、棉粕及麩皮）參照配方混合后熟化器濕熱調質處理，淀粉糊化度為69.13%，熟化粉狀大宗原料參照日糧配方與熱敏性飼料原料混合進行調質制粒，調質溫度及模孔長徑比對顆粒飼料硬度及顆粒耐久性指數的影響如表 2所示。當模孔長徑比為 6∶1時，顆粒耐久性指數 65 ℃組顯著高于50 ℃處理組（P＜0.05）；顆粒成形率50 ℃組顯著低于其余3組（P＜0.05），但差異較小且均高于95%。當模孔長徑比為8:1時，65 ℃組顆粒硬度顯著高于其余3組（P＜0.05）；顆粒耐久性指數60 ℃組顯著高于50及55 ℃組（P＜0.05），但與 65 ℃組差異不顯著（P＞0.05）；顆粒成形率50 ℃顯著低于65 ℃組（P＜0.05），由3×5雙因素方差分析可知，調質溫度與模孔長徑比對顆粒硬度及顆粒耐久性指數具有極顯著性影響（P＜0.01），然而其交互作用對顆粒硬度及顆粒耐久性指數影響不顯著（P＞0.05）。可見，顆粒飼料加工質量受到調質溫度及模孔長徑比的雙因素共同作用，低溫制粒調質溫度或模孔長徑比的提高，顆粒硬度及顆粒耐久性指數隨之升高，然而乳酸菌保留率呈下降趨勢，制粒噸料電耗呈上升趨勢，從顆粒硬度及顆粒耐久性指數可得，顆粒成形率均96%以上，顆粒耐久性指數均大于95%，滿足顆粒飼料加工質量要求。

隨行業的發展，市場對顆粒飼料加工質量要求的提高，更多的報道研究如何提高顆粒飼料加工質量。Duan等[19]研究表明調質器類型的改進可以提高顆粒飼料加工質量及生長育肥豬生長性能，即改變飼料調質時間改善顆粒飼料加工質量。張現玲等[9]研究發現提高調質溫度可提高玉米-豆粕型日糧顆粒飼料加工質量，推薦調質溫度為75～85℃。Svihus等[1]研究發現較高模孔長徑比顆粒飼料表現較高的顆粒耐久性指數。這與本文中研究結果一致。

表2 調質溫度與模孔長徑比對顆粒飼料加工質量的影響Table 2 Influence of conditioning temperature and length- diameter ratio of ring die on feed quality and power consumption

本試驗中研究發現隨著調質溫度及模孔長徑比的提高，顆粒硬度呈升高趨勢。這是由于大宗原料熟化過程即淀粉糊化及蛋白質變性過程，淀粉顆粒分子被破壞，包括不可逆吸水膨脹、雙折射消失及結晶區消失等，蛋白質的四級結構打開，分子結構松散，不能形成結晶等[20]。大宗原料熟化后冷卻，此過程中伴隨熱的淀粉糊轉變成具有粘彈性和硬的凝膠，已經溶解膨脹的淀粉分子重新排列組合，形成一種類似天然淀粉結構的物質，即淀粉的老化[21-22]，值得注意的是：淀粉老化的過程是不可逆的，不可能通過糊化再恢復到老化前的狀態，但是，老化淀粉由于其分子鏈已全部破碎，再次受熱時，其黏度呈一直上升趨勢，且糊化溫度較于熟化前較低[20]。冷卻后大宗原料添加熱敏性飼料原料低溫調質制粒，由于老化淀粉較好的粘結性及較低的糊化溫度，因此顆粒飼料硬度較高。

2.2 調質溫度與模孔長徑比對淀粉糊化度的影響

調質溫度及模孔長徑比對顆粒飼料淀粉糊化度的影響如表2所示。當模孔長徑比為61∶時，65 ℃組淀粉糊化度顯著高于其余3組（P＜0.05）。當模孔長徑比為81∶時，低溫制粒調質溫度50、55、60及65 ℃處理組間淀粉糊化度差異不顯著（P＞0.05）。當模孔長徑比為101∶時，處理組間淀粉糊化度差異不顯著（P＞0.05）。由3×5雙因素方差分析，調質溫度與模孔長徑比交互作用對淀粉糊化度具有顯著性影響（P＜0.05）。可以看出當模孔長徑比較低時，淀粉糊化度隨著調質溫度的升高呈升高趨勢，低溫制粒模孔長徑比推薦選用6：1。

淀粉糊化是在水和濕熱的存在下，β-淀粉受熱分解成α-淀粉，直鏈淀粉打開形成無序的支鏈淀粉的過程[23-27].高溫高壓是淀粉糊化的基礎條件[28]。馬成林等[29]在700 MPa壓力下，保壓2 min即可使玉米淀粉86.8%糊化，保壓5 min，可使玉米淀粉 100%糊化。不僅調質過程中的高溫高濕蒸汽能夠提高淀粉糊化度，而且制粒過程中模孔長徑比的大小同樣可以提高物料淀粉糊化度。同時，制粒過程可以提高蛋白質和淀粉消化率約 3%[30]，Hilton等[31]曾研究膨脹加工及制粒機制粒對顆粒耐久性指數、顆粒吸水性及虹鱒的生理指標的影響，研究表明，蒸汽調節可以改善顆粒飼料耐久性、水中穩定性及提高虹鱒對飼料原料的消化吸收利用率。淀粉糊化度是飼料加工質量的重要指標。本試驗研究發現，低溫調質溫度各處理組間淀粉糊化度增幅約 10%，雙因素結果分析顯示，調質溫度及模孔長徑比對淀粉糊化度均無顯著性影響，然而二者交互作用對淀粉糊化度具有顯著性影響，因為較低溫度尚未達到淀粉團打開或變性溫度。調質作為制粒前準備工序，起到“軟化”物料的作用，物料調質效果的好壞直接影響制粒效果及制粒能耗，同時，制粒過程中高擠壓過程可提高物料淀粉糊化度，即低調質溫度下二者協同作用對淀粉糊化度具有顯著性影響。

2.3 調質溫度與模孔長徑比對乳酸菌保留率的影響

調質溫度及模孔長徑比對顆粒飼料中乳酸菌保留率的影響如表2所示。當模孔長徑比為61∶時，4種調質溫度下乳酸菌保留率差異均不顯著（P＞0.05）。當模孔長徑比為81∶時，50 ℃組乳酸菌保留率顯著高于其余3組（P＜0.05）。當模孔長徑比為101∶時，55 ℃組乳酸菌保留率顯著高于60、65 ℃組（P＜0.05），但顯著低于50 ℃組（P＜0.05）。由3×5雙因素方差分析，模孔長徑比對乳酸菌保留率具有極顯著性影響（P＜0.01），且模孔長徑比對乳酸菌保留率的影響程度高于調質溫度對其保留率的影響，由乳酸菌保留率及噸料電耗可得，推薦低溫制粒調質溫度為55～60 ℃，同時，結合適宜長徑比選擇，低溫制粒加工參數調質溫度為55～60 ℃，模孔長徑比推薦為6∶1。

在畜禽養殖和飼料工業中，濫用抗生素和獸藥導致耐藥性細菌及獸藥殘留等問題日益嚴重，直接影響動物食品質量和安全性[32]。目前，隨著無抗/減抗時代的來臨，以及人們對環境污染的關注，抗生素替代品（無抗藥性的新型益生菌）得到推廣應用[33-34]。然而，在飼料加工過程中，高溫高濕調質（85～90 ℃）對熱敏性飼料原料有效性將產生十分嚴重的影響[9]。Lewis曾[25]研究飼料加工過程中熱敏性飼料原料的損失規律，結果發現維生素A、維生素C及葉酸損失率最高，但煙酸、生物素和泛酸在飼料加工過程中相對穩定。不僅維生素在加工過程中會損失，而且植酸酶同樣會降低保留率，張現玲等[9]曾發現 75 ℃植酸酶的保留率顯著高于 80 ℃處理組植酸酶保留率。本試驗采用低溫調質不同模孔長徑比制粒，研究二者對乳酸菌保留率的影響。結果發現調質溫度越低保留率越高，模孔長徑比越小保留率越高，這是因為溫度越高，活菌總數死亡率越高，即保留率越低，模孔長徑比越大，制粒過程擠壓程度越大，活菌保留率越低。

2.4 顆粒飼料加工質量相關性分析

由表 3顆粒飼料加工質量指標相關性可得，顆粒硬度與顆粒耐久性指數呈極顯著性正相關，顆粒耐久性指數與顆粒成形率呈顯著性正相關（表3）。

表3 顆粒飼料加工質量間相關性Table 3 Correlation of feed quality indicators

張現玲等研究發現顆粒硬度與顆粒耐久性指數呈正相關，本試驗與其取得一致性研究成果。對調質溫度（X）、模孔長徑比（Y）與顆粒耐久性指數 Z1和顆粒硬度 Z2，作回歸模型（n=4）如式（3）～（4）。即該模型具有良好的預測精度。乳酸菌保留率與顆粒硬度、顆粒耐久性指數呈極顯著性負相關，與顆粒成形率呈顯著性負相關，試驗中顆粒硬度、顆粒成形率及顆粒耐久性指數受到調質溫度與模孔長徑比的顯著性影響，調質溫度及模孔長徑比越高，顆粒硬度、顆粒成形率及顆粒耐久性指數越高，高調質溫度及模孔長徑比對乳酸菌保留率呈負面影響，對調質溫度（X）、模孔長徑比（Y）與乳酸菌保留率（Z3），作回歸模型（n=4），如式（5）。

即該模型具有良好的預測精度。噸料電耗與顆粒耐久性指數呈及顯著性正相關，對調質溫度（X）、模孔長徑比（Y）與噸料電耗（Z4），作回歸模型（n=4），如式（6）。

3 結 論

1）熟化大宗原料添加熱敏性原料后混合低溫調質制粒，顆粒飼料加工質量均滿足要求，顆粒成形率均 96%以上，顆粒耐久性指數均大于95%。

2）顆粒飼料加工質量受到調質溫度與模孔長徑比雙因素共同作用，低溫調質制粒時，模孔長徑比對顆粒飼料加工質量及乳酸菌保留率的影響程度高于調質溫度的作用，同時，模孔長徑比越高，制粒能耗越高，低溫制粒加工參數調質溫度為55～60℃，模孔長徑比推薦為6∶1。

[1] Svihus B, Klovstad K H, Perez V, et al. Physical and nutritional effects of pelleting of broiler chicken diets made from wheat ground to different coarsenesses by the use of roller mill and hammer mill [J]. Animal Feed Science And Technology, 2004(117): 281－293.

[2] Van der P, Bosch M W. Effect of expander conditioning and or pelleting of a diet containing tapioca pea and soybean meal on the total tract digestibility in growing pigs[J]. Animal Feed Science and Technology, 1997: 289－295.

[3] Liermann W, Berk A, Boschen V, et al. Effects of particle size and hydro-thermal treatment of feed on performance and stomach health in fattening pigs[J]. Archives of Animal Nutrition, 2015(69): 455－472.

[4] Amornthewaphat N, Attamangkune S. Extrusion and animal performance effects of extruded maize quality on digestibility and growth performance in rats and nursery pigs [J]. Animal Feed Science and Technology, 2008(144): 292－305.

[5] 段海濤，李軍國，張建，等. 膨脹器不同環隙開度對飼料品質和斷奶仔豬生長性能的影響[J]. 動物營養學報，2015：1511－1518.

[6] Behnke K C. Feed manufacturing technology: Current issues and challenges [J]. Animal Feed Science And Technology,1996(62): 49－57.

[7] Medel P, Latorre M A, de Blas C, et al. Heat processing of cereals in mash or pellet diets for young pigs [J]. Animal Feed Science and Technology, 2004(113): 127－140.

[8] Lundblad K K, Hancock J D, Behnke K C, et al. The effect of adding water into the mixer on pelleting efficiency and pellet quality in diets for finishing pigs without and with use of an expander[J]. Animal Feed Science and Technology,2009(150): 295－302.

[9] 張現玲，秦玉昌，李俊，等. 調質溫度對肉雞顆粒飼料質量影響的實驗研究[J]. 飼料工業，2013(21)：24－28.

[10] Lewis L L, Stark C R, Fahrenholz A C, et al. Evaluation of conditioning time and temperature on gelatinized starch and vitamin retention in a pelleted swine diet[J]. Journal of Animal Science. 2015, 93(2): 615－619.

[11] Spring P, Newman K E, Wenk C, et al. Effect of pelleting temperature on the activity of different enzymes[J]. Poultry Science. 1996, 75(3): 357－361.

[12] Svihus B, Sacranie A, Denstadli V, et al. Nutrient utilization and functionality of the anterior digestive tract caused by intermittent feeding and inclusion of whole wheat in diets for broiler chickens[J]. Poultry Science. 2010, 89(12):2617－2625.

[13] Zimonja O, Svihus B. Effects of processing of wheat or oats starch on physical pellet quality and nutritional value for broilers[J]. Animal Feed Science and Technology. 2009,149(3): 287－297.

[14] Council N R. Nutrient Requirements of Swine: Eleventh Revised Edition [M]. Washington DC: The National Academies Press, 2012.

[15] 熊易強. 飼料淀粉糊化度(熟化度)的測定[J]. 飼料工業，2000，21(3)：30－31.

[16] 常碧影，張萍. 飼料質量與安全檢測技術[M]. 北京：化學工業出版社. 2008.

[17] Thomas M, van der P A F B. Physical quality of pelleted animal feed. Criteria for pellet quality [J]. Animal Feed Science and Technology, 1996(61): 89－112.

[18] 段海濤，李軍國，葛春雨，等. 高效調質低溫制粒工藝對顆粒飼料加工質量及維生素E保留率的影響[J]. 動物營養學報，2017：4101－4107.

[19] Duan H, Li J, Xue M, et al. Effects of conditioners(single-layer, double-layer and retention-conditioner) on the growth performance, meat quality and intestinal morphology of growing and finishing pigs [J]. Journal of Integrative Agriculture, 2018, 17(4): 919—927.

[20] De Cruz C R, Kamarudin M S, Saad C R, et al. Effects of extruder die temperature on the physical properties of extruded fish pellets containing taro and broken rice starch [J].Animal Feed Science and Technology, 2015(199):137－145.

[21] Kanmani N, Romano N, Ebrahimi M, et al. Improvement of feed pellet characteristics by dietary pre-gelatinized starch and their subsequent effects on growth and physiology in tilapia [J]. Food Chem, 2018(239): 1037－1046.

[22] Romano N, Kanmani N, Ebrahimi M, et al. Combination of dietary pre-gelatinized starch and isomaltooligosaccharides improved pellet characteristics, subsequent feeding efficiencies and physiological status in African catfish, Clarias gariepinus,juveniles [J]. Aquaculture, 2018(484): 293－302.

[23] Abdollahi M R, Ravindran V, Wester T J, et al. Influence of conditioning temperature on performance, apparent metabolisable energy, ileal digestibility of starch and nitrogen and the quality of pellets, in broiler starters fed maize- and sorghum-based diets[J]. Animal Feed Science and Technology,2010(162): 106－115.

[24] Svihus B, Zimonja O. Chemical alterations with nutritional consequences due to pelleting animal feeds: A review [J].Animal Production Science, 2011(51): 590－596.

[25] Lewis L L, Stark C R, Fahrenholz A C, et al. Evaluation of conditioning time and temperature on gelatinized starch and vitamin retention in a pelleted swine diet [J]. Journal Of Animal Science, 2015(93): 615－619.

[26] Thomas M, van Zuilichem D J, van der Poel A F B. Physical quality of pelleted animal feed. Contribution of processes and its conditions [J]. Animal Feed Science and Technology,1997(64): 173－192.

[27] Svihus B, Kl?vstad K H, Perez V, et al. Physical and nutritional effects of pelleting of broiler chicken diets made from wheat ground to different coarsenesses by the use of roller mill and hammer mill [J]. Animal Feed Science and Technology, 2004(117): 281－293.

[28] Thomas M, van Vliet T, van der P A F B. Physical quality of pelleted animal feed 3. Contribution of feedstuff components[J]. Animal Feed Science and Technology,1998(70): 59－78.

[29] 馬成林，左春檉，張守勤，等. 高壓對玉米淀粉糊化度影響的研究[J]. 農業工程學報，1997，13(1)：178－182.Ma Chenglin, Zuo Chuncheng, Zhang Shouqin, et al. Effect of high pressure on gelatiization degree of maize starch [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE). 1997, 13(1): 178－182. (in Chinese with English abstract)

[30] Sakiyan O, Sumnu G, Sahin S, et al. A study on degree of starch gelatinization in cakes baked in three different ovens[J]. Food and Bioprocess Technology, 2009(4): 1237－1244.

[31] Hilton J, Cho C, Slinger S. Effect of extrusion processing and steam pelleting diets on pellet durability, pellet water absorption, and the physiological response of rainbow trout(Salmo gairdneri R.)[J]. Aquaculture, 1981(25): 185－194.

[32] Hassan Y I, Zhou T, Bullerman L B. Sourdough lactic acid bacteria as antifungal and mycotoxin-controlling agents [J].Food Science And Technology International, 2016(22):79－90.

[33] Willamil J, Creus E, Perez J F, et al. Effect of a microencapsulated feed additive of lactic and formic acid on the prevalence of Salmonella in pigs arriving at the abattoir[J]. Archives of animal nutrition, 2011(65): 431－444.

[34] Dowarah R, Verma A K, Agarwal N, et al. Effect of swine based probiotic on performance, diarrhoea scores, intestinal microbiota and gut health of grower-finisher crossbred pigs[J]. Livestock Science, 2017(195): 74－79.