擠壓膨化工藝參數對犬糧加工質量的影響研究

■李重陽 董穎超 李軍國，3 張嘉琦 李 俊 楊 潔 蔣萬春

（1.河北工程大學生命科學與食品工程學院，河北邯鄲056000；2.中國農業科學院飼料研究所，北京100081；3.農業部飼料生物技術重點開放實驗室，北京100081）

近些年來隨著寵物犬飼養量的上漲，犬糧產業得到快速發展。犬糧加工質量的好壞主要由淀粉糊化度和適口性來評定：淀粉的熟化程度低，膨化效果差，犬在采食后易發生腹瀉反應；適口性主要與顆粒的硬度和酥脆性有關，適宜的硬度和酥脆性可增大犬采食量和提高攝食樂趣，進而達到提高適口性的效果。在實際生產中可通過調整膨化工藝參數來提高犬糧的淀粉熟化度、膨化度，改變犬糧硬度和酥脆性。通過試驗研究膨化工藝參數與各加工質量指標的關系和規律，對高品質犬糧的加工具有重要意義。目前在研究膨化工藝參數對犬糧加工質量影響方面，大多將容重、膨化度和淀粉糊化度作為膨化加工質量的主要評價指標，對硬度和酥脆性等指標的研究較少，也很少有關于模板噸料開孔面積對加工質量的影響研究。本試驗研究不同的物料調質水分含量、模板噸料開孔面積、模頭溫度和螺桿轉速與犬糧的容重、膨化度、顆粒硬度、酥脆性和淀粉糊化度間的關系，探求各工藝參數對犬糧加工質量指標影響趨勢和顯著程度，以期為實際生產提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 試驗配方(見表1)

表1 飼料配方及營養水平（%）

1.2 試驗設計(見表2)

表2 單因素試驗工藝參數

本試驗采用單因素試驗方法，研究物料調質水分含量、模板噸料開孔面積、模頭溫度和螺桿轉速等4個膨化工藝參數對加工質量的影響，具體試驗工藝參數設計見表2，每行表示在其它3個參數不變的情況下，改變1個工藝參數。

1.3 試驗膨化加工條件及取樣方法

本試驗在中國農業科學院南口中試基地進行，試驗設備為牧羊SJPS56×2雙螺桿膨化機，模板開孔數為2，模孔直徑為3 mm，混合粉料過60 M篩。

每個試驗點參數調整后，待膨化機工作穩定后開始取樣，再每隔10 min取樣1次，每個試驗點取樣3次。取樣包括調質粉狀料和膨化顆粒料，在調質器出料口取調質粉狀料，用密封袋取300 g，密封保存，用于調質水分測定；在膨化機出料口取膨化顆粒料2 kg，采用自然風干的方法干燥，待水分低于12%，符合貯存條件，收取裝袋進行加工質量指標的檢測。

1.4 加工質量評價指標及檢測方法

1.4.1 容重

容重儀是測定顆粒飼料自然容重的儀器，通過排氣錘在容量桶中自然落下，使飼料在容器中呈現自然排列的狀態后稱重，所得重量為容重，單位為g/l。

1.4.2 膨化度

犬糧的膨化度一般用徑向膨化度表示，利用游標卡尺測定犬糧直徑，根據?？字睆接嬎闩蚧龋總€樣品測20個平行。膨化度=顆粒直徑/?？字睆?。

1.4.3 顆粒硬度、酥脆性

利用質構儀（型號TA-XY2i，產地英國Stable Micro）進行顆粒硬度和酥脆性的測定。每個試驗樣品隨機取20粒進行測量，探針下降速度為1.0 mm/s，顆粒受力形變40%后探針抬起，該階段圖譜峰值作為硬度的結果（g）；探針第一次下壓過程中第一個破裂的點即為酥脆性的結果（mm），數值越低效果越好。

1.4.4 淀粉糊化度

含淀粉的飼料原料經膨化后淀粉的熟化程度，飼料中已熟化（糊化）淀粉與所含全部淀粉量之比的百分數表示，采用熊易強（2000）的方法。

1.5 數據分析

數據通過SPSS 20.0進行方差分析，并用“平均值±標準差”表示試驗結果。

2 結果與分析

2.1 物料調質水分含量對膨化犬糧加工質量的影響

本試驗中，保持模板噸料開孔面積為200 mm2/(t·h)，4段膨化腔溫度分別為100、130、130、130 ℃，螺桿轉速為300 r/min，調質溫度95℃不變，調整物料調質水分含量分別為24%、26%、27%、28%、30%，每種條件下膨化犬糧加工質量試驗結果見表3。

表3 物料水分含量對膨化犬糧加工質量的影響

由表3試驗結果可知，隨調質水分含量的上升，容重顯著降低（P＜0.05），膨化度顯著升高（P＜0.05），顆粒硬度呈現升高后降低的趨勢，酥脆性變差，但差異不顯著（P＞0.05），淀粉糊化度在水分為26%后顯著升高（P＜0.05）。當水分含量為30%時，容重最低，膨化度最大，但在此水分含量條件下，物料經擠壓膨化出模孔后，會黏結成團，所以此水分含量對實際生產的參考意義不大。雖然水分含量為28%時膨化度和淀粉糊化度最高，但硬度也是最高。而水分含量為27%時，膨化度、容重和硬度在5個試驗組中處于中等水平，因此建議水分含量為27%。

2.2 模板噸料開孔面積對膨化犬糧加工質量的影響

在本試驗中，保持物料調質水分含量為28%，調質溫度95℃，4段膨化腔溫度分別為100、130、130、130℃，螺桿轉速為300 r/min不變，模板噸料開孔面積分別為240、220、200、180、160 mm2/(t·h)(隨喂料速度的增高模板噸料開孔面積縮小)，每種條件下膨化犬糧加工質量試驗結果見表4。

表4 模板噸料開孔面積對膨化犬糧加工質量的影響

由表4試驗結果可得出，隨模板噸料開孔面積的降低，容重顯著降低，膨化度顯著升高（P＜0.05），當模板噸料開孔面積為 160 mm2/(t·h)和 180 mm2/(t·h)時，容重顯著低于另外3個試驗組(P＜0.05)；從犬糧質構特性來看，模板噸料開孔面積為240 mm2/(t·h)時，硬度最低，酥脆性最好，但淀粉糊化度卻最低，此參數不建議使用；與模板噸料開孔面積是220、180、160 mm2/(t·h)相比，模板噸料開孔面積是200 mm2/(t·h)時，硬度最低，酥脆性最好，淀粉糊化度達94.78%，因此建議模板噸料開孔面積為200 mm2/(t·h)。

2.3 模頭溫度對膨化犬糧加工質量的影響

本試驗中保持調質水分含量為28%，調質溫度95℃，模板噸料開孔面積為200 mm2/(t·h)，螺桿轉速300 r/min，膨化加工過程中主要通過調整膨化腔第4段溫度使模頭溫度發生改變，因此，固定膨化腔前3段溫度為100、130、130℃不變，分別調整模頭溫度為110、120、130、140 ℃和150 ℃（實際加工過程中模頭溫度存在波動，因此，表4中實際溫度值與試驗設計間存在誤差），每種條件下膨化犬糧加工質量試驗結果見表5。

表5 模頭溫度對膨化犬糧加工質量的影響

從表5試驗結果可見，隨模頭溫度的升高，容重呈先降低后升高的趨勢，膨化度的趨勢與容重相反，淀粉糊化度隨模頭溫度的升高顯著升高，但當溫度超過139.6℃后，淀粉糊化度顯著降低。模頭溫度的升高，會增加犬糧的硬度，降低酥脆性。當模頭溫度為127.6℃時，膨化度顯著高于另外4組（P＜0.05）。從質構特性結果分析得出，模頭溫度為111.5℃和118.7℃的硬度和酥脆性無顯著差異(P＞0.05)，當模頭溫度升高至127.6℃后酥脆性顯著高于溫度為111.5℃和118.7℃（P＜0.05），在5個處理組中處于中間水平。綜合膨化加工質量和質構特性的結果分析，建議模頭溫度為127.6℃。

2.4 螺桿轉速對膨化犬糧加工質量的影響

本試驗中固定物料調質水分含量28%，調質溫度95 ℃，模板噸料開孔面積為200 mm2/(t·h)，4段膨化腔溫度100、130、130、130 ℃，螺桿轉速為180、210、240、270、300 r/min，每種條件下膨化犬糧加工質量試驗結果見表6。

表6 螺桿轉速對膨化犬糧加工質量的影響

由表6試驗結果可知,隨螺桿轉速的升高，容重下降，膨化度升高,淀粉糊化度升高。膨化犬糧顆粒硬度隨螺桿轉速的增加呈降低趨勢；螺桿轉速對膨化犬糧酥脆性的影響無顯著差異。當螺桿轉速為300 r/min時，容重顯著低于另外4個試驗組，螺桿轉速的提高，可增強物料在膨化腔內的受剪切強度，剪切力越大，硬度越?。灰驗榕蚧瘷C螺桿配置的差異，其轉速和扭矩都會有所不同，因此實際生產中可適當提高螺桿轉速來達到提高膨化度、酥脆性和降低硬度的效果,因此建議螺桿轉速為300 r/min。

3 討論

3.1 調質水分含量對膨化犬糧加工質量的影響

物料中水分含量的變化主要是通過改變調質過程水和蒸汽的注入量。在膨化加工過程中，水分含量低，淀粉顆粒的內部結構不能完全被破壞，糊化度和膨化度低。水分超出物料能接受的范圍后，水會在膨化腔中充當潤滑劑的作用，使物料吸收的剪切力和摩擦力減少，模頭壓力降低，導致物料在膨化腔中糊化程度降低，膨化度下降。本試驗研究發現，隨水分含量的升高，淀粉顆粒吸水溶脹，吸收摩擦熱和螺桿剪切力增強，淀粉熟化（糊化）程度和膨化度隨之升高。在質構特性方面，水分為淀粉顆粒被破壞提供了媒介，吸水后的淀粉顆粒，發生膨脹，在膨化腔中經過摩擦和剪切的作用后，淀粉顆粒被破壞，粉碎呈片狀，直鏈淀粉和支鏈淀粉的結構被破壞，產品的硬度和酥脆性發生改變。Ding等與Stojceska等的研究認為水分含量的升高會增加膨化顆粒的硬度。但Adriana等、Draganovic等和本試驗研究結果得出，隨水分含量的升高，膨化顆粒硬度降低。這可能是因為各試驗中水分添加量的范圍不同，水分過低，物料的黏結強度差，此時提高水分含量會使膨化顆粒硬度增加，而本試驗中最低的水分含量已經達到22%，繼續增加水分物料出模孔后，水分閃蒸作用增強，導致顆粒組織結構松散，顆粒的斷裂程度下降，硬度降低，酥脆性變差。

3.2 模板噸料開孔面積對膨化犬糧加工質量的影響

在模板噸料開孔面積（?？讛盗亢椭睆剑┎蛔兊那闆r下，喂料速度決定了模板噸料開孔面積，喂料速度越大噸料開孔面積越小，喂料速度越小噸料開孔面積越大。噸料開孔面積決定了物料在膨化腔內的填充程度、停留時間和模頭壓力，這些作用最終都會引起產品品質的變化。模板開孔面積不變，喂料速度低會造成物料在膨化腔內的填充度下降，從而影響到物料吸收機筒壁的有效熱量、螺桿的剪切力和模頭壓力；快的喂料速度，可以提高物料在膨化腔內的填充度，呂寶龍等、Lio等與Ding等研究發現，隨喂料速度的升高，膨化腔內物料填充度增大、受剪切程度增強，支鏈淀粉的降解程度和物料黏彈性升高，淀粉的糊化度提高。但喂料速度過高，會發生淀粉糊化度降低的現象。本試驗中，試驗結果與前人研究結果基本一致，喂料速度的增加使膨化腔內物料填充程度變高，膨化度提高；在質構特性方面，本試驗中，犬糧的硬度和酥脆性隨模板噸料開孔面積的縮小而升高，這是因為熔融體中淀粉致密的晶體結構被破壞程度升高，膨化腔內物料黏彈性增強，導致顆粒硬度增加和酥脆性變差。

3.3 模頭溫度對膨化犬糧加工質量的影響

膨化腔分為喂料段、揉合段和熟化段，物料在調質器中經過水和蒸汽的雙重作用后，通過膨化腔喂料段進入揉合段，在揉合段被注入強大的機械能和機筒壁傳導的熱能后進入熟化段，在此階段大部分的淀粉顆粒發生破裂，最終在模頭處短暫的停留后，被瞬間擠壓出模孔，由于壓力和蒸汽瞬間的釋放，形成了內部多孔的膨化顆粒。呂寶龍等在研究寵物食品擠壓膨化加工工藝時發現，隨模頭溫度的升高，膨化度顯著升高，但當溫度升高到140℃后再繼續升溫，膨化度的升高幅度變緩。還有研究結果顯示，隨溫度上升至淀粉糊化所需的最高溫度后，繼續加溫會出現膨化度降低的現象，因為高溫加劇了水分的蒸發和淀粉受破壞的程度，導致氣泡在未被擠出模孔時就已經破裂，并可能出現焦糊現象，膨化度下降。本試驗中，隨模頭溫度升高至127.6℃時，膨化度達最高，再繼續升溫膨化度有輕微降低的趨勢；當模頭溫度達127.6℃時，淀粉就已經取得了很好的熟化效果，再繼續升溫雖然淀粉的熟化程度有提高的趨勢，但效果不顯著，還會額外增加能量的耗費。在質構特性方面，本試驗結果得出，模頭溫度的升高，顆粒硬度顯著升高，酥脆性顯著降低，這可能是因為隨模頭溫度的升高，熔融物在膨化腔內的黏度降低，水分蒸發量增加，顆粒組織結構緊密，硬度升高；同時，淀粉顆粒破碎、卷曲、膨脹、內部出現大量氣泡，淀粉糊化、糊精化程度升高，原本的晶體結構被嚴重破壞，酥脆性降低。

3.4 螺桿轉速對膨化犬糧加工質量的影響

螺桿轉速決定了物料在膨化腔內停留時間長短、填充度和受剪切程度的高低，最終導致產品的容重、膨化度和質構特性發生改變。王亮等在研究擠壓條件對谷物早餐質構的影響發現，較低的螺桿轉速會使物料在膨化腔內停留時間變長，受熱的作用變強，淀粉顆粒容易遭到破壞，晶體結構變為無序結構，螺桿轉速提高，物料在膨化腔內停留的時間變短，受熱作用減少，但螺桿強大的剪切能力使淀粉顆粒內部產生氣泡，從而提高膨化度。呂寶龍等在研究寵物食品擠壓膨化加工工藝和機理時發現，隨螺桿轉速的升高，產品膨化度顯著升高。但螺桿轉速過高，糊化度和膨化度下降較明顯：王文賢等發現，當螺桿轉速高于260 r/min時，會有生淀粉從?？滋帞D出，這說明由于螺桿轉速較高，淀粉在膨化腔內還尚未完全糊化就被擠出?？?，從而造成膨化度的下降。本試驗研究發現，犬糧的膨化度隨螺桿轉速的升高而升高，硬度和酥脆性隨螺桿轉速的升高而降低。在實際生產中，因膨化機類型的不同，其螺桿配置和構型也不同，因此通過本試驗結果可以得出，隨螺桿轉速的變化犬糧膨化度的變化趨勢，在實際生產中可通過本試驗得出的趨勢，來調整螺桿轉速。

4 結論

當物料調質水分含量為27%；模板噸料開孔面積為200 mm2/（t·h）時，犬糧容重、膨化度較其他各組相比處于中等水平，硬度與酥脆性無顯著性差異。當模頭溫度為127.6℃時，犬糧的膨化度顯著高于其他各組。當螺桿轉速為300 r/min時，犬糧的膨化度顯著高于其他各組，硬度顯著低于另外各試驗組。

因此，針對不同犬糧加工質量的要求應選擇適宜的擠壓膨化工藝參數。