飼料擠壓膨化技術(shù)及應(yīng)用

飼料擠壓膨化技術(shù)及應(yīng)用【摘要】擠壓膨化技術(shù)在我國(guó)飼料工業(yè)中的應(yīng)用雖然起步晚,但發(fā)展速度卻非常快,應(yīng)用范圍也比較廣,甚至成為目前飼料加工中重要的技術(shù)手段。但如何科學(xué)合理、長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)用好擠壓膨化技術(shù)和設(shè)備,使其發(fā)揮最大的效益和作用,仍然是一個(gè)困惑諸多飼料企業(yè)的技術(shù)難題。本文結(jié)合飼料工業(yè)的發(fā)展和相關(guān)資料,就擠壓膨化技術(shù)對(duì)飼料營(yíng)養(yǎng)特性的影響,擠壓膨化加工工藝技術(shù)及擠壓膨化在飼料加工中的應(yīng)用等方面作一總結(jié)?！娟P(guān)鍵詞】飼料擠壓膨化加工工藝應(yīng)用自從1856年美國(guó)沃德申請(qǐng)了第一個(gè)有關(guān)膨化的專利以來(lái),許多發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)擠壓膨化相關(guān)的設(shè)備及工藝相繼作了廣泛的研究,擠壓技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用也愈來(lái)愈受到青睞。擠壓膨化技術(shù)應(yīng)用于飼料工業(yè)起始于20世紀(jì)50年代的美國(guó),主要用于加工寵物食品,對(duì)動(dòng)物飼料進(jìn)行預(yù)處理以改進(jìn)消化性和適口性及生產(chǎn)反芻動(dòng)物蛋白補(bǔ)充料的尿素飼料。到了20世紀(jì)80年代,擠壓技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)外發(fā)展速度最快的飼料加工新技術(shù),它在加工特種動(dòng)物飼料、水產(chǎn)飼料、早期斷奶仔豬料及飼料資源開(kāi)發(fā)等方面具有傳統(tǒng)加工方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。1.擠壓膨化技術(shù)對(duì)飼料營(yíng)養(yǎng)特性的影響1.1擠壓膨化對(duì)淀粉的影響飼料中的淀粉主要是直鏈淀粉,由于淀粉粒子組成顆粒狀團(tuán)塊,其結(jié)構(gòu)緊密,吸水性差。淀粉從調(diào)質(zhì)器進(jìn)人膨化機(jī),在高溫高壓的密閉環(huán)境中時(shí),大分子的聚合物處于熔化狀態(tài),局部分子鏈被強(qiáng)大的壓力和剪切力切斷,導(dǎo)致支鏈淀粉降解。同時(shí),也引起直鏈淀粉中α一1,4糖苷鍵斷裂,發(fā)生淀粉糊精化作用,淀粉分子斷裂成短鏈糊精,降解成為可溶性還原糖,使淀粉的溶解度、消化率和風(fēng)味得到提高[1]。擠壓膨化后的淀粉不僅有糊化作用,還有糖化作用,使淀粉的水溶性成分增加幾倍至幾十倍,為酶的作用提供了有利條件,提高了淀粉在水產(chǎn)飼料中的利用率。1.2擠壓膨化對(duì)蛋白質(zhì)的影響在擠壓膨化加工過(guò)程中,蛋白質(zhì)受擠壓腔內(nèi)高溫、高壓及強(qiáng)烈的機(jī)械剪切力作用,其表面電荷重新分布且趨向均一化,分子結(jié)構(gòu)伸展、重組,分子間氫鍵、二硫鍵等次級(jí)鍵部分?jǐn)嗔?導(dǎo)致蛋白質(zhì)最終變性。這種變性使蛋白酶更易進(jìn)人蛋白質(zhì)內(nèi)部,從而提高消化率。擠壓膨化加工中,影響蛋白質(zhì)變性的因素主要是溫度、壓力、強(qiáng)剪切及被擠壓物料的水分。1.3擠壓膨化對(duì)脂肪的影響飼料中脂酶和脂氧化酶在膨化加工中失去活性而提高了脂肪的貯存穩(wěn)定性,同時(shí)也促進(jìn)了脂肪一淀粉復(fù)合物形成而減少脂肪變質(zhì),有利脂肪貯存。全脂大豆經(jīng)過(guò)膨化處理,減少了脂肪在空氣中暴露而變質(zhì)的機(jī)會(huì),在高剪切力的環(huán)境中,大豆油脂細(xì)胞破裂充分,因而提高了脂肪的利用率。條件溫和時(shí)如膨化溫度在100℃以下,脂肪發(fā)生氧化影響較小。隨膨化溫度120℃一170℃上升,水分增多,在擠壓腔殘留時(shí)間的延長(zhǎng),脂肪氧化值迅速升高[2]。此外,尚有其他因素影響脂肪的氧化,如產(chǎn)品表面積的增加和過(guò)渡金屬元素均能夠加快脂肪的氧化速度。1.4擠壓膨化對(duì)粗纖維的影響粗纖維飼料又叫粗飼料是指天然水分含量在60%以下,干物質(zhì)中粗纖維含量等于或高于18%的飼料。各類秸稈中的粗纖維含量均在20%以上,其中稻殼中粗纖維含量44%,是所有飼料中粗纖維含量最高的糧食副產(chǎn)品。我國(guó)各類秸稈年產(chǎn)量5萬(wàn)億噸,用于飼料的部分不足10%,與發(fā)達(dá)國(guó)家的利用率20%相比,有很大的差距[3]。通過(guò)擠壓膨化技術(shù),在擠壓中由于加濕、加溫、加壓和膨脹作用,使細(xì)胞間及細(xì)胞壁內(nèi)各層木質(zhì)素熔化,部分氫鍵斷裂,結(jié)晶度降低,高分子物質(zhì)發(fā)生分解反應(yīng),使原來(lái)的緊密結(jié)構(gòu)變得蓬松,釋放出部分可消化物質(zhì),從而提高了飼料的利用率。目前研究結(jié)果表明,纖維經(jīng)加工擠壓后,可溶性纖維的含量相對(duì)增加,一般增加3%左右。纖維變化主要受加工條件影響較大,加工條件劇烈時(shí),會(huì)發(fā)生明顯的變化。1.5擠壓膨化對(duì)維生素等的影響膨化加工的高溫、高濕、高壓將導(dǎo)致各種維生素生物活性的損失,其中以易被氧化的維生素尤為明顯,如將玉米、大豆的混合物進(jìn)行膨化,維生素A的活性損失53%,原料中含有的或飼料中添加的維生素,都因膨化加工而損失?？朔蚧庸ぴ斐删S生素活性損失的辦法,是在配方增加維生素的添加量,使損失殘留的維生素還能滿足動(dòng)物的需要[4]。1.6擠壓對(duì)有害物質(zhì)和微生物的影響擠壓膨化過(guò)程不僅可有效地降低抗胰蛋白酶、脂肪氧化酶、黃曲霉毒素等飼料中的抗?fàn)I養(yǎng)因子,對(duì)以菜籽粕、棉籽粕為原料的飼料擠壓膨化過(guò)程也會(huì)分解芥子貳和棉酚,降低其有害成分的含量。此外,對(duì)于飼料原料中常見(jiàn)的有害微生物,如大腸桿菌、沙門(mén)氏菌等,通過(guò)擠壓膨化,可將其中的絕大部分有害微生物殺滅。2.擠壓膨化加工工藝技術(shù)膨化飼料生產(chǎn)中,其主要設(shè)備為螺桿式擠壓膨化機(jī)。物料送入膨化機(jī)中,螺桿螺旋推動(dòng)物料形成軸向流動(dòng)。同時(shí),由于螺旋與物料,物料與機(jī)筒,以及物料內(nèi)部的機(jī)械摩擦,物料被強(qiáng)烈地?cái)D壓、攪拌、剪切,其結(jié)果物料被進(jìn)一步細(xì)化、均化。隨著壓力的逐漸加大,溫度相應(yīng)升高。當(dāng)糊狀物料從?？讎姵龅乃查g,在強(qiáng)大的壓力差作用下,物料被膨化、失水、降溫。膨化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)疏松、多孔、酥脆,且有較好的適口性和風(fēng)味。膨化技術(shù)突破了傳統(tǒng)的加工工藝,使飼料物性發(fā)生了質(zhì)的變化,大大促進(jìn)了飼料加工業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,是飼料行業(yè)的重大創(chuàng)新。膨化工藝是一種集混合、揉合、剪切、加熱、冷卻等多種作業(yè)于一體的加工過(guò)程,其工藝過(guò)程比較復(fù)雜,影響產(chǎn)品質(zhì)量的工藝參數(shù)多,控制技術(shù)要求高。下面主要從密度控制、自動(dòng)控制和節(jié)能降耗等方面具體分析。2.1密度控制技術(shù)在擠壓膨化過(guò)程中,影響飼料密度的因素很多,如加工工藝、設(shè)備、加工參數(shù)、過(guò)程控制、飼料原料、配方等。通過(guò)改變?cè)匣蚺浞絹?lái)控制產(chǎn)品密度在一定程度上可行,但應(yīng)用價(jià)值不大;通過(guò)改變螺桿的配置可以實(shí)現(xiàn)膨化飼料產(chǎn)品密度的控制,但是操作不方便。通過(guò)調(diào)整操作參數(shù)的方式也可實(shí)現(xiàn)密度的控制。另外,在水產(chǎn)飼料的加工過(guò)程中,為滿足水生動(dòng)物的采食要求,應(yīng)控制水產(chǎn)飼料的沉浮性,而飼料的沉浮性又與密度有著密切關(guān)系,因而在水產(chǎn)膨化飼料的生產(chǎn)上應(yīng)用密度控制技術(shù)顯得尤為重要。目前,控制擠壓膨化產(chǎn)品的密度主要是通過(guò)控制壓力和溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要方法有以下幾種:2.1.1在膨化腔體上開(kāi)泄壓孔在膨化腔體上開(kāi)泄壓孔,生產(chǎn)浮性飼料時(shí)將泄壓孔堵住,使之滿足加工浮性飼料高溫、高壓的需要;生產(chǎn)沉性飼料時(shí)打開(kāi)泄壓孔,使物料到達(dá)泄壓孔時(shí)套筒內(nèi)壓力得到部分釋放,同時(shí),一些水蒸氣也從泄壓孔排出。這些物料被擠壓至膨化腔體末端后被壓實(shí),可獲得容重高的沉性飼料。也可以利用此泄壓孔進(jìn)行抽真空,使物料在被強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中散失一部分水蒸氣。這種方法通過(guò)控制膨化腔內(nèi)的壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)膨化產(chǎn)品密度的控制,因不需減少喂料量,產(chǎn)量不會(huì)受到影響。2.1.2機(jī)內(nèi)增設(shè)調(diào)壓裝置(模前加壓)擠壓機(jī)調(diào)壓是在擠壓腔和出料模板之間安裝截流閥,調(diào)節(jié)擠壓腔內(nèi)與擠壓腔外的壓力差。2.1.3加壓切割技術(shù)(模后加壓)Sprout-Matador公司針對(duì)水產(chǎn)飼料開(kāi)發(fā)了一種新型的密度控制系統(tǒng)。這種密度控制系統(tǒng)采用了加壓切割技術(shù),使切割室維持一定的正壓。當(dāng)物料從膨化腔進(jìn)入切割室后,由于水分的沸點(diǎn)隨壓力增加,因此可降低閃蒸從而控制物料的膨脹度,且淀粉分子在切割室內(nèi)瞬間被固化,從切割室進(jìn)入常壓后物料不再發(fā)生膨脹[5]。切割室的正壓可以用氣泵輸入壓縮空氣實(shí)現(xiàn),出料時(shí)可以使用關(guān)風(fēng)機(jī)。這種方法避免了控制其它影響膨脹度的因子,從而降低了人工操作的需求,同時(shí)可控性又強(qiáng)于其它方法。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有應(yīng)用此項(xiàng)新技術(shù),但這項(xiàng)技術(shù)無(wú)論是從膨化產(chǎn)品密度控制方面,還是從操作使用方面,都優(yōu)于排氣方式,是目前膨化技術(shù)發(fā)展的新方向。2.1.4控制模板的開(kāi)孔率通過(guò)改變出料模板的開(kāi)孔率,可以改變模板前后的壓力差,從而達(dá)到控制產(chǎn)品密度的目的,根據(jù)需要計(jì)算出開(kāi)孔面積,用小鋼珠將多余的開(kāi)孔堵住。2.1.5MDCS密度控制系統(tǒng)MDCS密度控制系統(tǒng)是一種擠壓式控制裝置,與普通膨化設(shè)備結(jié)合使用,通過(guò)控制物料的溫度實(shí)現(xiàn)膨化度可控。這種控制系統(tǒng)通過(guò)膨化設(shè)備螺旋擠壓末端的可調(diào)節(jié)開(kāi)口的擠壓孔將膨化設(shè)備分為兩段,前段保證熟化度,后段控制膨化度[6]。在擠壓孔后增設(shè)熱交換溫度控制機(jī)構(gòu)和整流裝置,使物料實(shí)現(xiàn)均勻降溫后匯總到出料模板前,這時(shí)的物料溫度和壓力有所下降,從而形成了比較致密的產(chǎn)品。在這個(gè)過(guò)程中,物料的整體溫度均勻下降,且物料的降溫是在密閉的管路中進(jìn)行的,所以其水分并沒(méi)有減少。江蘇牧羊集團(tuán)有限公司申請(qǐng)的一種擠壓式膨化裝置的專利也是利用這種原理。2.2擠壓膨化過(guò)程的自動(dòng)控制擠壓膨化過(guò)程的自動(dòng)控制是指通過(guò)對(duì)擠壓膨化設(shè)備配備計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)以達(dá)到對(duì)工藝過(guò)程參數(shù)快速、精確控制的目的。在膨化過(guò)程中應(yīng)用自控技術(shù),不僅能提高工作效率,還能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外在自動(dòng)控制的模型方面均有研究。我國(guó)膨化加工過(guò)程的自動(dòng)化控制技術(shù)已有很大的進(jìn)展,已研發(fā)出膨化過(guò)程可視化控制系統(tǒng)[7]?；贔IX工業(yè)組態(tài)軟件的膨化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了膨化工藝的可視化控制,利用傳感器可對(duì)膨化機(jī)操作參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和反饋,自動(dòng)調(diào)整膨化機(jī)的相關(guān)工作參數(shù),實(shí)現(xiàn)了操作員預(yù)先設(shè)定的各種工作參數(shù),具有配方儲(chǔ)存、報(bào)表打印、報(bào)警、工作參數(shù)動(dòng)態(tài)顯示和記錄功能。國(guó)外電腦自動(dòng)控制技術(shù)早已應(yīng)用在飼料加工領(lǐng)域,在整個(gè)飼料加工過(guò)程中,已由電腦單機(jī)單控制發(fā)展為高級(jí)的自控系統(tǒng),在中央控制室內(nèi)能顯示彩色圖像,計(jì)算機(jī)程序控制和機(jī)器運(yùn)行的通訊網(wǎng)絡(luò),可在無(wú)人操作情況下,完成全部的生產(chǎn)程序?？傮w來(lái)說(shuō),國(guó)外在飼料加工方面的膨化自動(dòng)控制已向著與產(chǎn)品質(zhì)量結(jié)合的方向發(fā)展,而我國(guó)計(jì)算機(jī)的引入主要還是解決生產(chǎn)自動(dòng)化問(wèn)題,僅注重于生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)控和單機(jī)設(shè)備的控制,對(duì)于改善產(chǎn)品質(zhì)量等方面還沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的作用。2.3擠壓膨化過(guò)程中的節(jié)能降耗節(jié)能降耗問(wèn)題是膨化過(guò)程中的研究重點(diǎn)。目前主要是通過(guò)對(duì)低能耗加工工藝的研究和研究主要的工藝參數(shù)對(duì)能耗的影響,并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。國(guó)內(nèi)一些飼料生產(chǎn)企業(yè)為降低膨化過(guò)程中的能耗,主要還是從工藝上采取措施,如在乳豬料生產(chǎn)過(guò)程中,其玉米原料采用的不是全膨化料,而是部分膨化料加部分常規(guī)料;在后期的制粒工序中采用膨脹加低溫制粒等工藝,以保證降低單位產(chǎn)品能耗。綜上分析可知,在膨化加工過(guò)程中的工藝參數(shù)研究如何具體體現(xiàn)在降低能耗上,并能在實(shí)際生產(chǎn)中得以實(shí)現(xiàn)仍是一個(gè)瓶頸問(wèn)題。3.擠壓膨化在飼料加工中的應(yīng)用近年來(lái)將膨化技術(shù)應(yīng)用到飼料生產(chǎn)后,這是飼料生產(chǎn)工藝具有劃時(shí)代意義的跨越。膨化制粒的主要優(yōu)點(diǎn):(1)加工溫度高,水分大,物料可充分熟化、降解。顆粒品質(zhì)優(yōu)良,飼料效價(jià)高;(2)顆粒密度可調(diào)范圍大,可適應(yīng)多種飼養(yǎng)對(duì)象和不同飼喂環(huán)境的要求。3.1膨化乳豬料乳豬料的重要指標(biāo)是衛(wèi)生和熟化,杜絕乳豬拉稀。原料經(jīng)高溫、高壓處理,一方面殺死致病菌,一方面使淀粉料充分熟化,大豆蛋白變性、脫毒,使物料易于消化吸收。糊化淀粉,可以刺激動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生乳酸,增強(qiáng)動(dòng)物體的抗菌能力。3.1.膨化水產(chǎn)料水產(chǎn)料采用膨化制粒,從各方面提高了產(chǎn)品的品質(zhì)。(1)提高了飼料效價(jià)。擠壓膨化使淀粉熟化,這對(duì)魚(yú)類十分重要,因?yàn)轸~(yú)類對(duì)生淀粉難消化。淀粉熟化,物料的粘結(jié)性提高,成形效果好。在保證顆粒質(zhì)量的前提下,可調(diào)整配方,降低成本。(2)粒料在水中的沉浮時(shí)間是由顆粒料密度的大小控制的,而密度大小是膨化度決定的。因此,可通過(guò)調(diào)整配方、調(diào)整淀粉以及粘結(jié)劑的品種和含量,調(diào)整工藝參數(shù),即調(diào)整水分、壓力、溫度等,生產(chǎn)密度不同的膨化粒料。3.3膨化雞料雞料配方中含淀粉料較高,同時(shí)含15%-20%的蛋白料,對(duì)于這個(gè)比例,無(wú)論干法膨化機(jī),還是濕法膨化機(jī),工藝性能都比較好。試驗(yàn)證明,膨化可以提高雞對(duì)飼料的消化吸收率。膨化雞料,因?yàn)槿葜匦?可減少雞的采食量,避免肥胖,提高產(chǎn)蛋率。3.4膨化牛料(尿素膨化玉米)牛、羊等反芻動(dòng)物,能利用非蛋白氮(如尿素)轉(zhuǎn)化成動(dòng)物蛋白質(zhì)。飼料中添加尿素的關(guān)鍵是如何控制添加量、均勻采食和尿素分解速度。尿素膨化玉米最有效地解決了這些問(wèn)題[8]。將尿素、玉米粉、添加劑以一定比例混合后進(jìn)入膨化機(jī),玉米粉膨化,糊化淀粉與尿素形成包被結(jié)構(gòu)。脲酶抑制劑抑制了脲酶的活性。從兩個(gè)方面抑制了尿素分解后釋放氨的速度,避免由于氨過(guò)剩引起氨中毒。3.5米糠保鮮處理新鮮米糠含有極活潑的脂肪分解酶,能使米糠所含油分迅速分解成游離脂肪酸而酸敗變質(zhì),所以新鮮米糠的貯存性能極差。酸敗變質(zhì)的米糠,不僅出油率降低,而且若作為飼料飼喂畜禽會(huì)影響畜禽的生長(zhǎng)發(fā)育。所以新鮮米糠必須及時(shí)進(jìn)行保鮮處理。擠壓膨化,高溫、高壓、高剪切,能使脂肪酶失去活性,防止酸敗變質(zhì)。擠壓膨化已成為米糠制油生產(chǎn)中預(yù)處理的新工藝。3.6油料餅粕蛋白脫毒我國(guó)各種油料餅粕年產(chǎn)量達(dá)2000萬(wàn)噸以上,除大豆餅(粕)外,菜籽、棉籽、葵花籽、蓖麻等油料制油后所得餅(粕),也含有一定量的蛋白質(zhì),都是優(yōu)良的飼用蛋白源。然而各種油料餅粕(包括大豆粕),并不能直接用于配制飼料,因?yàn)槠渲卸己欢康目範(fàn)I養(yǎng)因子或其它有害成分。油料餅(粕)必須經(jīng)過(guò)脫毒處理后才允許使用。脫毒方法有化學(xué)法和物理法。而油料餅(粕)擠壓膨化脫毒則是擠壓膨化技術(shù)應(yīng)用于油料餅(粕)處理的現(xiàn)代技術(shù)。3.7羽毛膨化加工由于羽毛多肽鏈間存在著二硫鍵和氫鍵,使羽毛蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特別穩(wěn)定,動(dòng)物消化酶基本無(wú)法進(jìn)行消化分解,因此研究開(kāi)發(fā)出了羽毛擠壓膨化技術(shù)。羽毛經(jīng)擠壓膨化處理后,其二硫鍵斷開(kāi),分子結(jié)構(gòu)被破壞,消化酶易于消化分解,提高消化率。消化率與降解程度、擠壓膨化溫度有關(guān)。擠壓溫度高,羽毛膨化產(chǎn)品的消化率提高,但產(chǎn)品含氨基酸相應(yīng)減少,產(chǎn)品的蛋白品質(zhì)降低。羽毛粉蛋白質(zhì)含量高,但氨基酸不夠平衡,為解決這一問(wèn)題,可將雞內(nèi)臟、雞血同羽毛混合加工成腸羽粉?！窘Y(jié)束語(yǔ)】飼料膨化技術(shù)是20世紀(jì)末期發(fā)展起來(lái)的飼料加工技術(shù),加壓切割對(duì)控制膨化產(chǎn)品密度有很好的效果,為加工高要求的水產(chǎn)飼料等提供了一種新