饲料挤压膨化技术及应用

饲料挤压膨化技术及应用

【摘要】挤压膨化技术在我国饲料工业中的应用虽然起步晚,但发展速度却非常快,应用范围也比较广,甚至成为目前饲料加工中重要的技术手段。但如何科学合理、长期稳定地运用好挤压膨化技术和设备,使其发挥最大的效益和作用,仍然是一个困惑诸多饲料企业的技术难题。本文结合饲料工业的发展和相关资料,就挤压膨化技术对饲料营养特性的影响,挤压膨化加工工艺技术及挤压膨化在饲料加工中的应用等方面作一总结。

【关键词】饲料挤压膨化加工工艺应用

自从1856 年美国沃德申请了第一个有关膨化的专利以来,许多发达国家对挤压膨化相关的设备及工艺相继作了广泛的研究,挤压技术在工业中的应用也愈来愈受到青睐。挤压膨化技术应用于饲料工业起始于20世纪50年代的美国,主要用于加工宠物食品,对动物饲料进行预处理以改进消化性和适口性及生产反刍动物蛋白补充料的尿素饲料。到了20世纪80年代,挤压技术已经成为国外发展速度最快的饲料加工新技术,它在加工特种动物饲料、水产饲料、早期断奶仔猪料及饲料资源开发等方面具有传统加工方法无可比拟的优点。

1.挤压膨化技术对饲料营养特性的影响

1.1挤压膨化对淀粉的影响

饲料中的淀粉主要是直链淀粉, 由于淀粉粒子组成颗粒状团块, 其结构紧密, 吸水性

差。淀粉从调质器进人膨化机, 在高温高压的密闭环境中时,大分子的聚合物处于熔化状态, 局部分子链被强大的压力和剪切力切断, 导致支链淀粉降解。同时, 也引起直链淀粉中α一1,4糖苷键断裂, 发生淀粉糊精化作用, 淀粉分子断裂成短链糊精, 降解成为可溶性还原糖, 使淀粉的溶解度、消化率和风味得到提高[1]。挤压膨化后的淀粉不仅有糊化作用,还有糖化作用, 使淀粉的水溶性成分增加几倍至几十倍, 为酶的作用提供了有利条件, 提高了淀粉在水产饲料中的利用率。

1.2挤压膨化对蛋白质的影响

在挤压膨化加工过程中, 蛋白质受挤压腔内高温、高压及强烈的机械剪切力作用, 其表面电荷重新分布且趋向均一化, 分子结构伸展、重组, 分子间氢键、

二硫键等次级键部分断裂, 导致蛋白质最终变性。这种变性使蛋白酶更易进人蛋白质内部, 从而提高消化率。挤压膨化加工中, 影响蛋白质变性的因素主要是温度、压力、强剪切及被挤压物料的水分。

1.3 挤压膨化对脂肪的影响

饲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贮存稳定性, 同时也促进了脂肪一淀粉复合物形成而减少脂肪变质, 有利脂肪贮存。全脂大豆经过膨化处理, 减少了脂肪在空气中暴露而变质的机会,在高剪切力的环境中, 大豆油脂细胞破裂充分, 因而提高了脂肪的利用率。条件温和时如膨化温度在100℃以下, 脂肪发生氧化影响较小。随膨化温度120 ℃一170℃上升,水分增多, 在挤压腔残留时间的延长, 脂肪氧化值迅速升高

[2]。此外, 尚有其他因素影响脂肪的氧化,如产品表面积的增加和过渡金属元素均能够加快脂肪的氧化速度。1.4 挤压膨化对粗纤维的影响

粗纤维饲料又叫粗饲料是指天然水分含量在60%以下, 干物质中粗纤维含量等于或高于18%的饲料。各类秸秆中的粗纤维含量均在20%以上,其中稻壳中粗纤维含量44%, 是所有饲料中粗纤维含量最高的粮食副产品。我国各类秸秆年产量5万亿吨, 用于饲料的部分不足10%, 与发达国家的利用率20%相比, 有很大的差距[3]。通过挤压膨化技术, 在挤压中由于加湿、加温、加压和膨胀作用, 使细胞间及细胞壁内各层木质素熔化, 部分氢键断裂, 结晶度降低, 高分子物质发生分解反应, 使原来的紧密结构变得蓬松, 释放出部分可消化物质,从而提高了饲料的利用率。目前研究结果表明, 纤维经加工挤压后, 可溶性纤维的含量相对增加, 一般增加3%左右。纤维变化主要受加工条件影响较大, 加工条件剧烈时, 会发生明显的变化。

1.5挤压膨化对维生素等的影响

膨化加工的高温、高湿、高压将导致各种维生素生物活性的损失, 其中以易被氧化的维生素尤为明显, 如将玉米、大豆的混合物进行膨化,维生素A的活性损失53%, 原料中含有的或饲料中添加的维生素, 都因膨化加工而损失。克服膨化加工造成维生素活性损失的办法, 是在配方增加维生素的添加量, 使损失残留的维生素还能满足动物的需要[4]。

1.6挤压对有害物质和微生物的影响

挤压膨化过程不仅可有效地降低抗胰蛋白酶、脂肪氧化酶、黄曲霉毒素等饲料中的抗

营养因子, 对以菜籽粕、棉籽粕为原料的饲料挤压膨化过程也会分解芥子贰和棉酚, 降低其有害成分的含量。此外, 对于饲料原料中常见的有害微生物, 如大肠杆菌、沙门氏菌等, 通过挤压膨化, 可将其中的绝大部分有害微生物杀灭。

2. 挤压膨化加工工艺技术

膨化饲料生产中, 其主要设备为螺杆式挤压膨化机。物料送入膨化机中, 螺杆螺旋推动物料形成轴向流动。同时,由于螺旋与物料, 物料与机筒, 以及物料内部的机械摩擦, 物料被强烈地挤压、搅拌、剪切, 其结果物料被进一步细化、均化。随着压力的逐渐加大, 温度相应升高。当糊状物料从模孔喷出的瞬间, 在强大的压力差作用下, 物料被膨化、失水、降温。膨化产品结构疏松、多孔、酥脆, 且有较好的适口性和风味。膨化技术突破了传统的加工工艺, 使饲料物性发生了质的变化, 大大促进了饲料加工业和养殖业的发展, 是饲料行业的重大创新。膨化工艺是一种集混合、揉合、剪切、加热、冷却等多种作业于一体的加工过程,其工艺过程比较复杂,影响产品质量的工艺参数多,控制技术要求高。下面主要从密度控制、自动控制和节能降耗等方面具体分析。

2.1密度控制技术

在挤压膨化过程中,影响饲料密度的因素很多,如加工工艺、设备、加工参数、过程控制、饲料原料、配方等。通过改变原料或配方来控制产品密度在一定程度上可行,但应用价值不大;通过改变螺杆的配置可以实现膨化饲料产品密度的控制,但是操作不方便。通过调整操作参数的方式也可实现密度的控制。另外,在水产饲料的加工过程中,为满足水生动物的采食要求,应控制水产饲料的沉浮性,而饲料的沉浮性又与密度有着密切关系,因而在水

产膨化饲料的生产上应用密度控制技术显得尤为重要。目前,控制挤压膨化产品的密度主要是通过控制压力和温度来实现。主要方法有以下几种:

2.1.1在膨化腔体上开泄压孔在膨化腔体上开泄压孔,生产浮性饲料时将泄压孔堵住,使之满足加工浮性饲料高温、高压的需要;生产沉性饲料时打开泄压孔,使物料到达泄压孔时套筒内压力得到部分释放,同时,一些水蒸气也从泄压孔排出。这些物料被挤压至膨化腔体末端后被压实,可获得容重高的沉性饲料。

也可以利用此泄压孔进行抽真空,使物料在被强制运动的过程中散失一部分水蒸气。这种方法通过控制膨化腔内的压力实现对膨化产品密度的控制,因不需减少喂料量,产量不会受到影响。

2.1.2机内增设调压装置(模前加压)挤压机调压是在挤压腔和出料模板之间安装截流阀,调节挤压腔内与挤压腔外的压力差。

2.1.3加压切割技术(模后加压) Sprout-Matador 公司针对水产饲料开发了一种新型的密度控制系统。这种密度控制系统采用了加压切割技术,使切割室维持一定的正压。当物料从膨化腔进入切割室后,由于水分的沸点随压力增加,因此可降低闪蒸从而控制物料的膨胀度,且淀粉分子在切割室内瞬间被固化,从切割室进入常压后物料不再发生膨胀[5]。切割室的正压可以用气泵输入压缩空气实现,出料时可以使用关风机。这种方法避免了控制其它影响膨胀度的因子,从而降低了人工操作的需求,同时可控性又强于其它方法。目前国内还没有应用此项新技术,但这项技术无论是从膨化产品密度控制方面,还是从操作使用方面,都优于排气方式,是目前膨化技术发展的新方向。

2.1.4控制模板的开孔率通过改变出料模板的开孔率,可以改变模板前后的压力差,从而达到控制产品密度的目的,根据需要计算出开孔面积,用小钢珠将多余的开孔堵住。

2.1.5 MDCS 密度控制系统 MDCS密度控制系统是一种挤压式控制装置,与普通膨化设备结合使用,通过控制物料的温度实现膨化度可控。这种控制系统通过膨化设备螺旋挤压末端的可调节开口的挤压孔将膨化设备分为两段,前段保证熟化度,后段控制膨化度[6]。在挤压孔后增设热交换温度控制机构和整流装置,使物料实现均匀降温后汇总到出料模板前,这时的物料温度和压力有所下降,从而形成了比较致密的产品。在这个过程中,物料的整体温度均匀下降,且物料的降温是在密闭的管路中进行的,所以其水分并没有减少。江苏牧羊集团有限公司申请的一种挤压式膨化装置的专利也是利用这种原理。

2.2挤压膨化过程的自动控制

挤压膨化过程的自动控制是指通过对挤压膨化设备配备计算机辅助控制系统以达到对工艺过程参数快速、精确控制的目的。在膨化过程中应用自控技术,不仅能提高工作效率,还能够提高产品质量稳定性。国内外在自动控制的模型方

面均有研究。我国膨化加工过程的自动化控制技术已有很大的进展,已研发出膨化过程可视化控制系统[7]。基于FIX工业组态软件的膨化系统实现了膨化工艺的可视化控制,利用传感器可对膨化机操作参数进行现场检测和反馈,自动调整膨化机的相关工作参数,实现了操作员预先设定的各种工作参数,具有配方储存、报表打印、报警、工作参数动态显示和记录功能。国外电脑自动控制技术早已应用在饲料加工领域,在整个饲料加工过程中,已由电脑单机单控制发展为高级的自控系统,在中央控制室内能显示彩色图像,计算机程序

控制和机器运行的通讯网络,可在无人操作情况下,完成全部的生产程序。总体来说,国外在饲料加工方面的膨化自动控制已向着与产品质量结合的方向发展,而我国计算机的引入主要还是解决生产自动化问题,仅注重于生产过程设备运行的监控和单机设备的控制,对于改善产品质量等方面还没有发挥应有的作用。

2.3挤压膨化过程中的节能降耗

节能降耗问题是膨化过程中的研究重点。目前主要是通过对低能耗加工工艺的研究和研究主要的工艺参数对能耗的影响,并建立相应的数学模型,以达到节能降耗的目的。国内一些饲料生产企业为降低膨化过程中的能耗,主要还是从工艺上采取措施,如在乳猪料生产过程中,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规料;在后期的制粒工序中采用膨胀加低温制粒等工艺,以保证降低单位产品能耗。综上分析可知,在膨化加工过程中的工艺参数研究如何具体体现在降低能耗上,并能在实际生产中得以实现仍是一个瓶颈问题。

3. 挤压膨化在饲料加工中的应用

近年来将膨化技术应用到饲料生产后, 这是饲料生产工艺具有划时代意义的跨越。膨化制粒的主要优点: ( 1) 加工温度高, 水分大, 物料可充分熟化、降解。颗粒品质优良, 饲料效价高; ( 2) 颗粒密度可调范围大,可适应多种饲养对象和不同饲喂环境的要求。

3.1 膨化乳猪料

乳猪料的重要指标是卫生和熟化, 杜绝乳猪拉稀。原料经高温、高压处理, 一方面杀死致病菌, 一方面使淀粉料充分熟化, 大豆蛋白变性、脱毒, 使物料易于消化吸收。糊化淀粉, 可以刺激动物体内产生乳酸, 增强动物体的抗菌能力。

3.1. 膨化水产料

水产料采用膨化制粒, 从各方面提高了产品的品质。

( 1) 提高了饲料效价。挤压膨化使淀粉熟化, 这对鱼类十分重要, 因为鱼类对生淀粉难消化。淀粉熟化, 物料的粘结性提高, 成形效果好。在保证颗粒质量的前提下, 可调整配方, 降低成本。

( 2) 粒料在水中的沉浮时间是由颗粒料密度的大小控制的, 而密度大小是膨化度决定的。因此, 可通过调整配方、调整淀粉以及粘结剂的品种和含量, 调整工艺参数, 即调整水分、压力、温度等, 生产密度不同的膨化粒料。

3.3 膨化鸡料

鸡料配方中含淀粉料较高, 同时含15%-20% 的蛋白料, 对于这个比例, 无

论干法膨化机, 还是湿法膨化机, 工艺性能都比较好。试验证明, 膨化可以提高鸡对饲料的消化吸收率。膨化鸡料, 因为容重小, 可减少鸡的采食量, 避免肥胖, 提高产蛋率。

3.4膨化牛料(尿素膨化玉米)

牛、羊等反刍动物, 能利用非蛋白氮( 如尿素) 转化成动物蛋白质。饲料中添加尿素的关键是如何控制添加量、均匀采食和尿素分解速度。尿素膨化玉米最有效地解决了这些问题[8]。将尿素、玉米粉、添加剂以一定比例混合后进入膨化机, 玉米粉膨化, 糊化淀粉与尿素形成包被结构。脲酶抑制剂抑制了脲酶的活性。从两个方面抑制了尿素分解后释放氨的速度, 避免由于氨过剩引起氨中毒。

3.5米糠保鲜处理

新鲜米糠含有极活泼的脂肪分解酶, 能使米糠所含油分迅速分解成游离脂

肪酸而酸败变质, 所以新鲜米糠的贮存性能极差。酸败变质的米糠, 不仅出油率降低, 而且若作为饲料饲喂畜禽会影响畜禽的生长发育。所以新鲜米糠必须及时进行保鲜处理。挤压膨化, 高温、高压、高剪切, 能使脂肪酶失去活性, 防止酸败变质。挤压膨化已成为米糠制油生产中预处理的新工艺。

3.6 油料饼粕蛋白脱毒

我国各种油料饼粕年产量达2000万吨以上, 除大豆饼( 粕) 外, 菜籽、棉籽、葵花籽、蓖麻等油料制油后所得饼( 粕) ,也含有一定量的蛋白质, 都是优良的饲用蛋白源。然而各种油料饼粕( 包括大豆粕) , 并不能直接用于配制饲料, 因为其中都含一定量的抗营养因子或其它有害成分。油料饼( 粕)必须经过脱毒

处理后才允许使用。脱毒方法有化学法和物理法。而油料饼( 粕) 挤压膨化脱毒则是挤压膨化技术应用于油料饼( 粕) 处理的现代技术。

3.7羽毛膨化加工

由于羽毛多肽链间存在着二硫键和氢键, 使羽毛蛋白质的结构特别稳定,

动物消化酶基本无法进行消化分解, 因此研究开发出了羽毛挤压膨化技术。羽毛经挤压膨化处理后,其二硫键断开, 分子结构被破坏, 消化酶易于消化分解, 提高消化率。消化率与降解程度、挤压膨化温度有关。挤压温度高, 羽毛膨化产品的消化率提高, 但产品含氨基酸相应减少,产品的蛋白品质降低。羽毛粉蛋白质含量高, 但氨基酸不够平衡, 为解决这一问题, 可将鸡内脏、鸡血同羽毛混合加工成肠羽粉。

【结束语】

饲料膨化技术是20世纪末期发展起来的饲料加工技术, 加压切割对控制膨

化产品密度有很好的效果, 为加工高要求的水产饲料等提供了一种新方法。使用废蒸汽余热进行调质使机器更加环保, 适应时代潮流。膨化技术在水产、猪和反刍动物饲料中的广泛应用, 对改变饲料品质及降低成本有显著效果。随着饲料膨化技术的发展, 在如何精确控制膨化饲料的膨胀度和膨化品质, 提高膨化自动

化等方面还需更深入的研究。

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