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调质对饲料营养价值影响的研究进展

发布时间:2020-03-18 16:23所属平台:学报论文发表浏览:

摘 要:调质是饲料加工过程中的重要工段,饲料调质效果直接影响饲料产品加工质量,进而影响畜禽对营养物质的消化吸收及生长性能。调质温度、蒸汽类型等是影响调质效果的主要因素,但调质过程中原料特性及结构变化同样对调质效果有较大程度影响。了解调质过程

  摘 要:调质是饲料加工过程中的重要工段,饲料调质效果直接影响饲料产品加工质量,进而影响畜禽对营养物质的消化吸收及生长性能‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。调质温度、蒸汽类型等是影响调质效果的主要因素,但调质过程中原料特性及结构变化同样对调质效果有较大程度影响‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。了解调质过程中饲料原料成分结构的变化对提高颗粒饲料加工质量及畜禽生长性能具有十分重要的意义;控制好调质参数将提高饲料配方中热敏性饲料原料的保留率,为热敏性抗生素替代产品在日粮中的应用提供技术支撑‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。本文综述了饲料调质过程中淀粉及蛋白质的变化对颗粒饲料加工质量的影响,以期为调质过程中的自动化控制提供思路。

  关键词:调质;淀粉;蛋白质;饲料质量

家畜生态学报

  饲料工业是跨部门、跨行业、跨学科的综合性工业,是发展畜牧水产养殖业、改善人类膳食结构、完成植物蛋白向动物蛋白完全转化的农业良性循环的基础工业[1- 2]。随着饲料工业的不断发展,市场对饲料品质的要求不断提高,特别是近几年来国内外一直追求“高熟化、低能耗、低损耗”的饲料生产加工,企业及科研机构越来越重视调质过程及饲料调质效果[3]。在当前“非洲猪瘟”背景下,如何通过调质杀灭传染因子,是对调质提出的新要求。调质过程中,蛋白质及淀粉结构的改变直接关乎饲料加工质量。因此,本文重点综述调质工艺及调质过程中淀粉及蛋白质的变化对颗粒饲料加工质量的影响,以期为调质过程中的自动化控制提供思路。

  1 调质工艺

  调质是饲料成型前的热熟化加工过程,1950年前是以给料和调质同轴组合调质器为主的调质工艺和设备,该调质器螺旋喂料器和调质器共用1根主轴,调质时间短,安装和使用不便。1960—1970年,调质器给料和调质分开,调质器长度较短,调质时间短,仅为15~30 s,但相比于之前的调质器,调质后物料的淀粉糊化度已有相当大的提升,颗粒耐水性差,该调质器只能用于畜禽饲料加工。1980年以来,加长型带蒸汽夹套单轴桨叶式调质器、等直径水平双筒调质器、双轴差速调质器(DDC)、釜式调质器、高压调质器等多种调质设备相继出现。在饲料加工过程中,可以依据饲喂动物对饲料产品的质量要求选用合适的调质设备。目前,调质设备调质时间可调(20 s~20 min)、淀粉糊化度可达40%~50%。科学的饲料调质工艺可以提高产品品质,降低生产成本,创造更好的经济效益。目前,饲料调质设备应用较多的主要有以下2种。

  1.1膨化(胀)机工艺

  膨化加工技术早期主要应用于食品加工行业,20世纪60年代被引进到饲料工业中用于生产宠物饲料,后来逐步引用到水产饲料和饲料原料加工领域。工艺流程:大宗原料→粉碎→配料→混合→高温调质→膨化(胀)→冷却→二次粉碎→配料→混合→低温调质→制粒→冷却→筛分→计量包装。膨化是对原料进行高温高压瞬时处理后骤然减压,利用水分瞬时蒸发使物料的某些理化性质发生改变的一项饲料加工技术。王潇等[4]研究发现,用单螺杆挤压膨化机干法加工膨化玉米的最适工艺参数为膨化温度110℃、螺杆转速为250 r/min、喂料速度为350 r/min。赵克振等[5]研究发现,双螺杆挤压膨化美国转基因大豆的最佳膨化工艺参数为水分含量13.21%、筛孔直径3.5 mm、膨化温度130℃。

  膨胀器(Expander)全称为环隙膨胀器,于1987年开始应用于油脂工业,是作为一种新型的高压调质设备以增大油料前处理时的容积,从而提高出油率,降低浸出溶剂的损耗。20世纪80年代末,英国Robison公司首次推出一种新型饲料加工设备——膨胀器,被国外饲料生产企业利用。膨胀器相对于膨化机而言,膨胀加工生产成本较低,饲料原料选择范围更广,加工过程中最高压力可达10 MPa,最高料温可达170℃,使物料能充分地调质和相当强的熟化。段海涛等[6]研究膨胀器不同环隙开度对大宗原料饲料品质的影响,以及在同一配方下大宗原料不同膨胀度对断奶仔猪颗粒饲粮加工质量、断奶仔猪生长性能的影响,发现当膨胀器环隙开度为3.2 cm时,断奶仔猪耗料增重比(1.5)最低,平均日增重(0.33 kg)最高。

  1.2 二次制粒调质工艺

  二次制粒调质工艺是指经过制粒加工的热饲料,经过冷却、粉碎后,再次经过配料、混合后通过第2个压模对物料进行重复制粒,第1次的制粒实质上起调质工艺的作用。物料经过2次混合,物料第1次混合后高温蒸汽调质,一般调质温度为90~95℃,高温调质能提高大宗原料的熟化度。工艺流程:大宗原料→粉碎→配料→混合→高温调质→一次制粒→冷却→二次粉碎→配料→混合→低温调质→制粒→冷却→筛分→计量包装。有企业为了使第1次制粒后物料有较高的熟化度,在一次制粒后加设颗粒稳定器以延长颗粒饲料的熟化保温时间。第1次制粒模孔直径一般较大,长径比较小。二次制粒工艺生产颗粒饲料,外观细腻、均匀,能有效的保护热敏成分。

  综上,不同调质工艺的调质强度及调质效果不同,其主要依据动物营养需要及日粮配方结构来提高饲料淀粉糊化度及保护热敏性饲料原料成分。调质效果一般为单层调制器 <双层调制器<多层调制器≤膨胀器≤膨化机。

  2 调质对淀粉的影响

  饲料原料中的淀粉在原始状态下称之为生淀粉,生淀粉颗粒是复杂而紧密排列的结构,其中无定形和结晶层交替形成半结晶颗粒,大小在1~50 μm。普遍认为,这种高度紧密的组织结构不易消化吸收。生淀粉在一定条件下转化为熟化淀粉,本质是湿热蒸汽水分进入淀粉颗粒内部,淀粉分子失去原有紧密排列结构,变成无序状态,即淀粉粒中有序结晶态及无序非结晶态间的氢键断开,晶体结构消失,形成非结晶性淀粉[7]。

  2.1调质过程中原料水分含量对淀粉糊化度的影响

  调质器类型或原料水分含量的不同将导致最终淀粉糊化度不同。Rouille等[8]研究表明,调质腔内水分含量不超过35%时,原料糊化温度将从50~60℃升高至100℃以上,这与Svihus等[9]研究结果一致。Asomaning等[10]报道,调质过程中启动淀粉糊化的先决条件是水分与淀粉的最低比例为3:10。在普通畜禽饲料加工过程中,由于有限的水分与调质温度,只有5%~30%淀粉糊化;在高强度调质过程中(如膨胀、膨化等),淀粉有40%~60%的糊化度,相比于普通畜禽饲料淀粉糊化度有所提升。

  2.2调质过程中添加预糊化淀粉对颗粒饲料加工质量的影响

  日粮配方中常加入熟化淀粉以提高产品熟化程度,尤其是断奶仔猪料中。Thomas等[11]研究表明,当原料中使用预熟化淀粉时,颗粒硬度及耐久性指数显著增加;Zimonja等[7]取得相似的研究成果,预糊化淀粉对颗粒饲料加工质量具有显著性影响,可能是因为糊化淀粉在颗粒成形过程中起到粘结剂的作用。然而,一些研究认为预糊化淀粉对颗粒粘结性并无无显著性影响。Perez等[12]认为,在普通畜禽饲料加工过程中,淀粉对颗粒饲料的粘结性作用微乎其微,因为调质制粒过程对饲料中淀粉糊化度的提升较小。Gilpin等[13]研究表明,淀粉糊化的程度与颗粒耐久性之间呈现负相关。Zimonja等[7]研究饲料配方中预糊化淀粉和生淀粉对颗粒耐久性影响的结果表明,普通畜禽饲料加工过程中,淀粉并不是影响颗粒饲料加工质量的主要因素。

  2.3调质过程中糊化淀粉的形态对畜禽生长性能及营养物质消化利用率的影响

  Vangsoe等[14]指出,淀粉结晶度与淀粉消化率呈反比关系;王宏伟等[14]证实,淀粉的消化性能与其有序结构有关,糊化淀粉有序结构破坏[15],淀粉酶更易与糊化淀粉的酶结合位点接触,从而提高淀粉的消化率。然而,糊化后淀粉如果形成老化淀粉,则淀粉消化利用率将显著下降[16]。因长时间储存及水分含量高时淀粉会发生老化,在制粒过程中老化不可能发生,同时由于淀粉糊化程度有限,在普通畜禽饲料加工工艺中,淀粉老化程度较小[17-18]。因此,糊化淀粉中的无定形态对淀粉的消化性能具有显著改善作用‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。但糊化淀粉与脂质复合物的形成可以降低淀粉的消化率。高直链淀粉——玉米淀粉经湿热加工处理后进行饲喂,大鼠小肠内直链淀粉含量较低,盲肠和粪便中的直链淀粉含量增加[19-20]。饲料原料在制粒或挤压膨化处理后,淀粉消化率有所降低。总之,调质可以提高饲料淀粉糊化度,可在一定程度上可以改善颗粒饲料加工质量及动物生长性能,但过度加工则会产生抗消化复合物,导致营养效价下降。

  3 调质对蛋白质的影响

  蛋白质是由氨基酸以“脱水缩合”方式组成的多肽链,经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的物质。蛋白质的变性过程可以认为是2个阶段:第一阶段是蛋白质结构发生变化,调质过程中的湿热处理,使维持蛋白质三维结构的氢键和范德华力等作用力破坏,该过程一般是可逆的;第二阶段是蛋白质的功能性发生变化,共价键断裂,蛋白质二级、三级结构发生改变,该过程一般是不可逆的[21-22]。

  3.1调质过程中原料pH对蛋白质稳定性的影响

  饲料原料中蛋白质的热稳定性主要取决于蛋白质共价键或辅基修饰的程度,稳定性除受限于自身结构外,还受调质器内蒸汽压力、调质时间、原料pH的影响。He等[23]研究表明,在低pH条件下,大豆蛋白质在加热时沉淀并产生坚硬且高度粘稠的凝胶,而在pH 为7.6时,形成较少的粘稠凝胶,表明蛋白质在不同pH下变性程度不同[24]。

  3.2调质过程中原料水分含量对蛋白质稳定性的影响

  水分子通过非共价范德华键与蛋白质相互作用,甚至可能通过在蛋白质周围形成覆膜来提高其构象稳定性[25-26]。然而,随着温度升高,水分子达到更高的能量状态,将会破坏蛋白质的稳定性。由于这种相互作用,蛋白质可以在非常低的水分条件下经受较高的热处理[27]。在含水量较高的情况下,大多数蛋白质会在60~70℃开始变性,甚至一些蛋白质可能在高于40℃时已经失活[25]。Molina等[28]研究表明,在较高的水分条件下,豆粕中主要的蛋白质(即伴大豆球蛋白和大豆球蛋白)的变性温度(Td)分别为76.5℃和93.3℃;当水分含量下降到29%时,大豆球蛋白的Td不能被检测到,而伴大豆球蛋白的Td升高到180℃以上。Abdollahi等[29]报道了类似的试验结果,在水分含量为0~30%的条件下,葵花蛋白质的Td从190℃变化到120℃。这表明诸如大豆球蛋白或葵花蛋白在制粒过程中相对稳定。

  3.3调质对蛋白质消化率的影响

  高温高湿的调质过程会使蛋白质发生变性。Alonso等[30]研究表明,调质可以提高豆粕蛋白质消化率,但试验中并未考虑抗营养因子蛋白质结构的改变及其对消化率的影响,一些研究取得与Alonso相反的试验结果。有研究表明,湿热调质可以打开蛋白质间共价键,破坏蛋白质的主要结构,如肽键的水解、修正氨基酸侧链或美拉德反应[31]。美拉德反应是氨基酸(赖氨酸)和还原性糖(葡萄糖、戊糖)之间的反应,最终产物无法被酶降解[7]。Bellagamba等[32]研究表明,与对照组相比,大鼠和猪对热处理下赖氨酸、丙氨酸和D-氨基酸形成的蛋白质(如酪蛋白、乳蛋白、大豆分离蛋白和小麦蛋白)消化率下降28%。总之,饲料调质过程可以改变蛋白质的结构,从而有助于提高饲料加工质量及饲料营养效应,但也可能发生美拉德反应形成难以消化利用的化合物。

  3.4调质过程中变性蛋白质对颗粒饲料加工质量的影响

  变性蛋白具有很强的凝胶性质,有助于提高颗粒饲料耐久性。Ciannamea等[33]研究表明,小麦面筋蛋白转化为长链纤维丝,可使悬浮颗粒相互链接。在大豆蛋白中也观察到类似的结果。但调质过程中蛋白质变性提高颗粒料加工质量的机制仍不清楚。Kaliyan等[34]利用扫描电镜分析颗粒饲料内部结构,发现由木质素和蛋白质引起的紧密结构可能是提高颗粒饲料硬度和颗粒耐久性指数的重要因素。

  4 调质对饲料中维生素的影响

  维生素是机体维持正常生理功能而必须从食物中获得的一类微量有机物质,在生长、代谢、发育过程中发挥着重要的作用[35]。在饲料生产过程中,不同的加工方式将直接影响维生素的生物学活性。在普通畜禽饲料加工过程中,如调质温度过高,则引起维生素损失严重,达不到应有的功效。目前往往采用过量添加的方式来弥补饲料加工过程中的维生素损失以达到预期效果,但成本高、浪费大。Lewis等[36]研究表明,调质温度、调质时间及其交互作用均对日粮中的核黄素、烟酸及维生素D3有破坏作用,但不同调质温度或调质时间组间差异不显著。

  此外,严芳芳[37]研究饲料加工工段及储藏期间维生素含量的变化发现,挤压膨化过程中维生素(维生素A、D、E及K)损失率在5%以上,环模颗粒料生产过程中损失率在4%左右,改善加工方法、超量添加易损性维生素等可提高饲料中维生素保留率。Anderson等[35]研究制粒后维生素晶体的保留率时发现,维生素K和维生素C保留率仅为50%,B组维生素保留率为82%~96%,叶酸保留率为65%,添加包膜可以提高维生素保留率。为此,Cutlip等[38]研究表明,在日粮中添加7 200 IU/kg包膜维生素A,维生素A在制粒过程中只有轻微的氧化损伤。张若寒[39]报道,维生素A在制粒过程中保留率为95%,但随着储存时间的延长,保留率急剧下降,6周后保留率仅为91%;除调质过程中湿热处理对维生素引起损失外,原料之间的相容性同样重要,比如日粮中添加烟酸与泛酸钙具有不相容性,会引起烟酸大量损失。尽管目前各位学者都致力于提高维生素的稳定性,但制粒过程中维生素的损失仍然是一个有待解决的问题。

  5 调质对饲料中益生菌的影响

  益生菌是指对人或动植物的生长或健康有益的一类微生物的总称,对机体无害或其代谢产物对机体有益,能改善人和动物机体的微生态平衡[40]。目前在饲料中应用的益生菌主要有34种,包括枯草芽孢杆菌、粪肠球菌、乳酸肠球菌等,由于益生菌添加剂多为活菌制剂,其生物活性受温度、水分、pH、加工工艺等因素影响,在应用过程中常采用微胶囊技术包被处理,以提高其保留率[41-42]。张琳[43]研究结果表明,高温度(130℃)下乳酸菌存活率显著下降。然而,目前通过改变调质温度对饲料中益生菌保留率的相关研究较少。

  6 小 结

  调质过程可改变淀粉及蛋白质空间结构,提高淀粉及蛋白质利用率,但仍然存在一些未知问题。首先,调质对营养成分及原料结构的影响,进而对畜禽生长性能的影响机理未知;其次,调质后糊化淀粉冷却重结晶形成的聚合物及该聚合物与脂质等小分子化合物复合形成的具有抗消化能力的产物等对畜禽消化率的影响未知;此外,调质过程中,水分、pH及调质温度影响蛋白质变性的作用机理未知;蛋白质构象及结构的改变对颗粒饲料加工质量的影响未知;调质过程中热敏性成分(维生素、益生菌)有所损失,控制好调质参数将提高饲料配方中热敏性饲料原料保留率。饲料加工过程中调质对动物生长性能的作用机理尚需进一步研究。

  畜牧方向论文投稿刊物:《家畜生态学报》Acta Ecologiae Animalis Domastici(月刊)是面向国内外公开发行的学术类核心科技期刊。作为科技资料,首创于1980年,刊名定为《家畜生态》,杂志当时由全国马协生态科研协作组与河南豫西农业专科学校合编,供内部交流,在1980~1982年各出刊一期。

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