2000-182.pdf
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1、挤压技术及其在饲料工业中的应用1 EXTRUSION TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION IN FEED INDUSTRY 程宗佳 博士,Ronald W. Hardy 博士 爱达荷大学 Hagerman 养鱼实验站 Warren G. Dominy 博士,海洋研究所水产饲料和营养专业 Keith C. Behnke 博士,堪萨斯州立大学谷物科学技术系 前 言 挤压技术用于食品工业已有近百年历史。 按韦氏字典的定义, 挤压是 “迫使原料通过一个特定设计的开口而成形,事先多将原料预热” 。挤压熟化是综合了水、压力、温度和机械剪切的作用完成的。挤压熟化中,机镗内温度可达
2、90-200,挤压延续时间在 2-30 秒范围。挤压产物会发生一系列物理、化学变化,诸如淀粉糊化、蛋白质变性、以及酶类、有毒成分和微生物的失活。其结果通常会提高挤压饲料产品的养分消化率, 降低一些抗营养因子含量 (如大豆中的抗胰蛋白酶、棉籽中的棉酚) ,还会减少饲料携带细菌、霉菌和粉尘的数量,改善饲料的适口性,增进颗粒饲料的稳定性和耐藏性;从而使得饲养的动物,特别是幼年动物的生产表现和饲料效率都得以提高。 挤压机类型和挤压熟化过程 市场上挤压机种类繁多,基本上可分为单螺杆挤压机和双螺杆挤压机,单螺杆挤压机又可分为湿熟化挤压机和干熟化挤压机、冷成形挤压机和膨胀 机。干熟化挤压机如其名所示,不需添
3、加水分。这种挤压机有一个螺杆,靠摩擦产生热、剪切力和压力使饲料产品或饲料原料熟化,挤压后通常不需要烘干,但一般需要冷却。不过,必要时也能往干熟化挤压机里注水。目前市1 单行本编号 FE62001 - 182 - 上的干挤压机也可带一个预调制器。湿熟化挤压机都配备有预调制器,可将蒸汽或水注入加套筒的分节机头或机镗里面。湿挤压机的产量通常比干挤压机高,湿挤压后需要烘干和冷却。冷成形挤压机用来制造湿饲料。搅肉机就是最简单的冷成形挤压机。在冷成形挤压过程中,需要有小麦面筋或预糊化淀粉之类的粘结剂,以便使各种原料粘合在一起。双螺杆挤压机分为同向旋转挤压机和相对旋转挤压机。如其名所示,同向旋转意为两个螺杆
4、同一方向旋转,相对旋转意为两个螺杆反向旋转。 蒸汽调制对单螺杆湿熟化挤压机是必要的, 蒸汽可提供所需热量的一半,另一半取自机械能。就单螺杆湿熟化挤压机而言,为迫使物料通过机镗,物料应当不在机镗壁上打滑而顺当地移动,如果物料粘在螺杆上就不能向前移动,为此机镗上刻有沟槽。但对双螺杆挤压机而言,机械能是主要的热量来源,机镗壁的套筒也能传递部分热量。受欢迎的双螺杆挤压机靠两个螺杆之间的高度啮合而具备自拭功能,这使得物料移动效率更高。 图 1 是单螺杆挤压机或双螺杆挤压机的流程图。其中有送料系统、调制器、挤压机镗和切割装置。送料系统将原料喂入预调制器,有一个变速喂料螺杆,还有高料位和低料位指示器和可视玻
5、璃窗以供查看监视。调制器以蒸汽形式注入水和热,整个调制过程持续达 5 分钟,可完成 40-50%熟化。挤压机机镗(机头和挤压螺杆)通常是组装而成的,以便于组成所需要的配置,也便于保养。机镗节段有螺旋沟和直沟两种,螺旋沟有助于将原料往前推进,通常位置在进料口部位;靠近模板的节段也设计为螺旋沟,可使模板压力和机镗出料保持均匀。而直沟设计可将原料向后推压,这样可起搅拌作用并产生更多的热。螺杆的作用是推进物料,控制挤压机内的熟化进程。进料段的螺杆推进物料,通常螺片较深;中段螺杆搅拌揉和物料;末段螺杆逐渐变细,作用在于使物料出模制成最终产品。每个螺杆之间都安装有一些不同直径的剪切锁,直径小的剪切锁安装在
6、机镗进料段,通过限制料流来提高熟化程度,直径大的剪切锁更进一步限制并减缓料流而加强熟化。 将单螺杆挤压机与双螺杆挤压机的费用(设备费、零件损耗费和电费)加以比较,双螺杆挤压机各项费用分别是单螺杆挤压机的 1.5-1.7 倍 、1.5 倍和 1.5 倍。因此, 只有制作一些特殊的高附加值鱼饲料, 诸如超细鱼饲料 (直径 0.8-2mm) 和含有很多鱼肉和高等动物或海生动物脂肪(17%)的饲料,才用双螺杆挤压机加- 183 - 工(Rokey and Huber,1994)。挤压机的产量在 20 kg-10 ton/h 范围,电动机在 40-150 马力范围。 图 1 挤压机简化流程(Brent,
7、1998) 膨胀机(Expander)是另一个类型的挤压机,虽然名字不同于挤压机,基本功能是相似的。膨胀机利用热、水和摩擦使饲料原料熟化。圆锥形模头是在膨胀机内提供压力的特殊装置,它通过剪切和揉搓增加机械能投入。图2 是膨胀机加工过程的简化流程图。物料膨胀后约有 3%的水分丢失。膨胀过图 膨胀机简化流程 - 184 - 的材料可以直接使用,也可输送到制粒厂进一步加工(制粒)。经膨胀的饲料颗粒可以外涂脂肪, 其量可达脂肪总量的 25% 。膨胀机产量在4-70 ton/h 范围,电动机为 100-800 马力。美国饲料业现有 26 台膨胀机投入使用。 挤压饲料产品的物理-化学变化 挤压饲料在挤压熟
8、化过程中会发生物理和化学变化。一般地说,温和的挤压熟化条件可以增进植物蛋白的消化率(Srihara and Alexander,1984;Hakansson 等,1987) 。这是由于蛋白变性或一些蛋白酶抑制因子(如大豆的抗胰蛋白酶)失活的缘故。但是,在激烈的挤压熟化条件下,蛋白质和氨基酸的消化率可能下降,因为赖氨酸可以与糖发生美拉德反应,也可与其他化学键发生反应,从而降低氨基酸消化率。 挤压熟化中脂类含量通常下降, 因为脂类可生成直链淀粉-脂类复合物而使溶剂浸出效率下降。Nierle 等人(1980)发现,玉米挤压后丢失 60%的脂类。Cheng and Hardy(表 1,未发表资料)对豆
9、粕、大麦、玉米面筋粉和全麦粉进行过挤压与未挤压的比较,发现在一般挤压条件下只有很小的变化。 挤压可以改变膳食纤维的含量、成分和生理效应。Bjorck 等人(1984) 报道,将小麦粉挤压加工可使其可溶性纤维从 40%增加到 50-75% ,并指出,这增加的可溶性纤维能改善纤维消化率, 从而增加消化能, 因为非反刍动物 (如猪)可以通过发酵将纤维材料变成挥发性脂肪酸来满足其 30-50%的能量需要。不过,膳食纤维总含量并未改变(Sljestrom 等, 1986; Schweizer and Reimann, 1986) 。 挤压熟化对矿物质的生物利用率的影响颇受关注。一般地说,植物性饲料中矿物
10、质的生物利用率是受植酸含量影响的,而挤压熟化会降低植物中的植酸含量。Andersson 等人(1981)发现,挤压熟化使一种麦麸增补制品的植酸含量减少约 20% 。表 2 列出豆粕、大麦、玉米面筋粉和全麦粉在挤压加工前后的矿物质变化(Cheng and Hardy,未发表资料) 。我们的数据表明,挤压熟化对上述 4 种饲料原料中的 Ca、K、Mg、S、总 P、植酸 P、Cu、Fe、Mn 和 Zn 的含量没有明显影响,挤压的玉米面筋粉中的 K、Mg 和 Mn 以及挤压小麦的植酸 P 有显著增加,但绝对量差别很小。 - 185 - 表 挤压熟化对豆粕、大麦、玉米面筋粉 和小麦的养分和总能变化的影响
11、(干基) 水分 蛋白质 脂类 纤维素 灰分 总能 Kcal/kg 豆 粕 11.04 53.93 0.66 3.43 3.62 4574.0 豆粕 (挤压) 8.75 55.04 1.20 3.30 3.27 4766.0 大 麦 11.65 12.09 1.85 4.68 1.01 4648.5 大麦 (挤压) 13.97 12.00 0.51 4.58 0.96 4759.5 玉米面筋粉 8.22 76.56 1.56 1.59 0.85 5778.5 玉米面筋粉 (挤压) 10.11 81.67 1.99 1.72 0.66 6345.0 小 麦 8.71 12.89 1.68 2.19
12、 1.94 4117.0 小麦 (挤压) 9.76 19.14 0.31 2.03 1.50 4536.5 资料来源:Cheng and Hardy,未发表 表 3 和表 4 列出豆粕、大麦、玉米面筋粉和小麦各自对虹鳟鱼的表观养分消化率和矿物质利用率(Cheng and Hardy,未发表) 。总的说,这 4 种饲料原料的矿物质利用率都因挤压加工而略有下降,唯有植酸 P 的可利用率在这几种原料中都显著上升。植酸 P 利用率提高是挤压加工的一个长处,并有利于环保。植物的 P 约 2/3 以植酸盐存在。鱼粉生产在世界范围已不再增长,动物饲料中必须配以更多的植物粉料。但是,非反刍动物不能利用植酸 P
13、,因为它们的消化系统没有足够的植酸酶。靠挤压加工植物粉料,植酸 P 的利用率提高了,这就减少了动物将植酸 P 排泄到环境中的数量。鉴于矿物质利用率在挤压加工后略有下降,建议挤压加工的动物饲料添加的矿物预混料应当是普通添加量的 1.5 倍。显然,这方面还需要作更多的研究。 - 186 - 表 挤压熟化对豆粕、大麦、玉米面筋粉 和小麦的矿物质变化的影响 Ca % K % Mg % S % 总 P% 植酸P % Cu ppmFe ppm Mn ppm Zn ppm 豆粕 0.36 2.45 0.31 0.44 0.72 0.66 16.552.5 46.0 51.0 豆粕 (挤压) 0.34 2.3
14、0 0.30 0.49 0.72 0.68 17.557.5 43.5 49.0 大麦 0.05 0.45 0.13 0.14 0.33 0.16 3.9 41.5 15.5 19.5 大麦 (挤压) 0.05 0.40 0.12 0.13 0.29 0.19 3.7 35.5 16.0 18.5 玉米面 筋粉 0.01 0.04 0.01 0.86 0.46 0.54 19.562.5 2.0 14.0 玉米面 筋粉 (挤压) 0.01 0.08 0.02 0.81 0.46 0.49 18.564.0 4.0 15.0 小麦 0.08 0.46 0.14 0.14 0.35 0.17 3.
15、9 31.5 40.5 29.0 小麦 (挤压) 0.07 0.42 0.12 0.21 0.35 0.36 5.3 37.0 33.0 27.0 资料来源:Cheng and Hardy,未发表 挤压加工对维生素的影响也颇受关注。Mustakas 等人(1964)发现,全脂豆粉经挤压加工后,其硫胺素、核黄素和烟酸的活性不受影响。但 Beetner 等人(1974)报道,玉米馇经挤压熟化后,丢失了 46%硫胺素和 8%核黄素。Beetner 等人(1976)还报道,挤压熟化破坏了小黑麦(Triticale)中 90%硫胺素和 50%核黄素。DeMuelenaere and Buzzard(19
16、69)报道,玉米、大- 187 - 豆和坚果碎粉的混合料经过挤压加工后, 维生素 A 损失 53% 。 Lee 等人 (1978)发现, 挤压熟化破坏了 70%以上的-葫萝卜素、 9-48%视黄酮棕榈酸酯、 6-17%视黄醇(维生素 A)和不到 10%的视黄醇乙酸酯。Hakansson 等人(1987)也发现,小麦粉在挤压中,19-21%维生素 E、42-58%硫胺素和 20%叶酸被破坏。表 5 列示挤压后维生素余留的情况(资料来源:BASF) 。根据这些资料,动物营养学家建议,挤压加工的动物饲料,其维生素添加量应当加倍,或使用如稳定化维生素 C 之类的耐热维生素。 表 虹鳟鱼对豆粕、大麦、玉
17、米面筋粉和小麦的表观养分消化率 (,包括干物质、蛋白质、脂类和总能) 干物质 蛋白质 脂类 总能 豆粕 75.35 98.10 73.01 79.05 豆粕(挤压) 78.38 98.08 86.13 81.85 大麦 43.60 95.58 72.57 48.53 大麦(挤压) 67.22 94.31 80.74 69.88 玉米面筋粉 74.24 87.39 75.68 78.95 玉米面筋粉(挤压) 86.03 75.45 76.04 88.89 小麦 46.74 95.56 77.25 54.05 小麦(挤压) 71.14 90.20 77.45 77.09 资料来源:Cheng an
18、d Hardy,未发表 - 188 - 表 挤压熟化影响虹鳟鱼对豆粕、大麦、玉米面筋粉 和小麦中矿物质利用率的情况 () Ca K Mg S 总 P植酸PCu Fe Mn Zn 豆粕 7.4 99.8 78.998.163.20.9 94.977.2 30.664.7豆粕 (挤压) 8.6 99.7 78.497.960.641.0 94.254.0 32.358.1大麦 29.4 99.3 89.796.576.35.7 88.355.9 43.855.4大麦 (挤压) 24.4 99.4 89.496.470.624.9 81.753.4 42.748.0玉米 面筋粉 1.5 99.6 7
19、6.694.765.67.4 85.278.7 42.553.0玉米面筋 粉(挤压) 7.7 99.5 75.391.864.714.6 77.333.4 42.245.4小麦 20.9 99.1 88.096.771.10.0 86.654.4 36.556.0小麦 (挤压) 19.8 99.5 85.994.867.426.4 79.447.5 26.940.9资料来源:Cheng and Hardy,未发表 挤压加工最令人兴奋的功能或许就是破坏抗营养因子,诸如生大豆中的抗胰蛋白酶(trypsin inhibitors, 简称 TI) 、棉籽中的棉酚、菜籽中的芥籽甙。TI 是可以抑制动物消
20、化系统中蛋白酶的多种物质之一。TI 抑制蛋白分解,使消化道内未消化蛋白增加,从而减少氨基酸生成,抑制代谢能释放和脂肪代谢,并降低蛋白质消化率(Harper,1981) 。挤压加工后,大部分 TI被破坏。挤压熟化的温度、水分、设备配置、滞留时间、模孔大小等因素都 - 189 - 表 挤压熟化对维生素稳定度的影响 维生素 稳定度() 85-90 D3 80-90 E 80-95 K3 60-85 B1 93-98 B2 98-100 B6 90-100 B12 100 生物素 95-98 C 50-70 氯化胆碱 94-100 叶酸 98-100 烟酸 96-100 泛酸 100 资料根据:BAS
21、F 会影响 TI 破坏的程度。Mustakas 等人(1964)报道,用单螺杆挤压机破坏了全脂大豆中 95%以上 的 TI 。Hayakawa 等人(1992)报道,用双螺杆挤压机处理全脂大豆之后,TI 活性完全丧失。图 3 显示了挤压温度对 TI 失活程度的影响 (根据 Lorenz 等, 1980) 。 图 4 显示水分和温度对 TI 活性的影响 (根 据 Hayakawa 等,1992) 。表 6 显示,一种棉籽和去皮大豆的 5050 混合物,经挤压熟化后棉酚减少的情况(del Valle 等,1986) 。表 7 显示,菜籽-大豆混合料以及菜籽粕的芥子甙总含量在挤压熟化后的变化(Fen
22、wick 等,1986) 。 - 190 - 表 挤压熟化对棉籽与去皮大豆混合料(50:50) 中棉酚含量的影响 棉酚(mg/kg) 加水量 (ml/kg) 挤压次数 总量 游离 有效赖氨酸(%) 0 0 5363 5417 4.8 1 3990 678 4.7 2 3346 404 4.6 3 3048 379 4.7 4 2783 311 4.7 33 0 3732 3517 4.3 1 3475 538 4.2 2 3313 346 4.6 3 3282 332 4.6 4 2801 283 4.7 资料来源:del Valle 等,1986 表 挤压熟化对菜籽大豆混合料(重量 1:1)
23、 中芥子甙总含量的影响(mol/g) 低芥子甙菜籽- 大豆混合料 高芥子甙菜籽- 大豆混合料 未挤压 18.4 91.6 150挤压 13.4 73.7 3%碱液中 11.2 56.6 3%(NH4)2SO4溶液中 11.1 3%甲酸溶液中 6.4 5%碱+1%Fe2(SO4)3溶液中 14.9 资料来源:Fenwick 等,1986 - 191 - 图 3 挤压温度对于抗胰蛋白酶(TI)钝化程度的影响 (根据 Lorenz 等,1980) 图 4 水分和温度对于抗胰蛋白酶(TI)活力的影响 (根据 Hayakawa 等,1992) - 192 - 挤压或膨胀饲料对猪生产表现的影响 Fedal
24、 等人(1988)发现,用挤压的大麦与大豆 91 混合料饲养肥育猪(体重 78kg) , 使其回肠处的 DM、 GE、 淀粉和 N 的消化率分别从 55.6%, 57.9%, 83.7%, 62.4%提高到 62.0%, 64.9%, 96.9%, 69.2% 。Herkelman 等人(1990)报道,挤压的玉米日粮使哺乳期仔猪(体重 20kg)的消化能从 85.6%提高到87.7% (p 0.05) , 代谢能从 83.7% 提高到 85.6% (p 0.05) 。Jones 等人(1990)发现,将饲喂豆粕日粮与饲喂挤压豆粉日粮的猪加以比较,其DM 表观消化率分别是 72.3%与 76.
25、1%, N 的表观消化率是 52.1%与 54.1% 。Hancock 等人(1991a)报道,给肥育猪饲喂挤压大豆和挤压高粱日粮,饲料效率和 DM 消化率都得以提高,对照、挤压大豆、挤压高粱、挤压(大豆+高粱)的饲料效率(增重/饲料)分别是 0.306, 0.322, 0.321, 0.337, DM 消化率分别是 81.2%, 83.2%, 88.0%, 86.4% 。Hancock 等人(1991b)进一步报道,用挤压大豆加高粱饲养肥育猪,使饲料效率(G/F)从 0.276 提高到0.315, DM 消化率从 84.1%提高到 89.5% 。 膨胀机工艺来自德国,上一世纪发展迅速,在欧洲
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