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饲料原料对颗粒饲料制粒质量的影响

放大字体  缩小字体🕓2024-04-09  来源:🔗山东农业大学 张亮 许艳芬 杨在宾,山东龙盛农牧 李进  💛413
核心提示:影响颗粒饲料制粒质量(稳定度和硬度)的因素很多,主要包括原料组成、粉碎粒度、调质、环模、冷却等,其中饲料的原料组成是主要影
影响颗粒饲料制粒质量(稳定度和硬度)的因素很多,主要包括原料组成、粉碎粒度、调质、环模、冷却等,其中饲料的原料组成是主要影响因素(Wilson,1994;Turner,1995)。饲料原料不同,对颗粒质量的影响作用也有很大不同。文章从饲料原料的角度,就影响颗粒饲料制粒质量的因素作一综述。
1 不同原料成分的制粒特性

饲料原料的制粒性能是指原料被压制成颗粒的难易程度。影响原料制粒性能的因素主要包括物料的容重、粒度、淀粉、脂肪、蛋白质、纤维、含水量、摩擦性和防腐性等。其中饲料原料的组成成分、粒度、含水量对制粒质量的影响最为显着。

配方中的各种原料组分对颗粒饲料稳定度(PDI)的影响程度是不同的。根据不同原料对 PDI的影响程度不同,Boerner(1992)研究了一些常用原料的颗粒质量系数(PQF),如表1所示,PQF 越大的原料,制出的颗粒越结实,PDI越高,反之制出的颗粒越松散,PDI越低。如PQF较高的膨润土和木质素,一般被作为粘结剂来使用。又如酸性油,POF 为-40,这说明物料中的油脂含量越高,颗粒的 PDI就越低,压制的颗粒越松散。

一个科学的配方,既要考虑动物的营养需求,又要从原料特性考虑配方组成对制粒质量的影响。Boerner(1992)推荐一个饲料配方的颗粒质量系数至少应大于 4.7。

1.1 淀粉和糖类

淀粉要发挥其功能特性,首先要通过加热,破坏原来的分子结构,使之发生分子内重排,即形成煳化淀粉(Schwartz和Zelinskie,1978)。煳化淀粉具有一定的粘性,可提高颗粒饲料的耐久性和成型性,因此在制粒过程中,淀粉常常发挥着粘合剂的作用。不同来源的淀粉的煳化温度(见表2)和结合力不同,大麦和小麦的淀粉的结合力比较高,而玉米和高梁就不太理想,这是由淀粉本身的质量所决定的(秦玉昌等,2001)。
 

Wood(1987)研究发现,饲料中煳化淀粉的数量与颗粒饲料的颗粒质量有关,随着煳化淀粉比例的增加,颗粒饲料的硬度和稳定度增加。其提高颗粒质量的机制可能是:淀粉颗粒煳化后,直链淀粉会迅速变成双螺旋结构,并以氢键的形式相互聚集成半品质状态。但是,制粒中的粘合也可能发生在支链淀粉中间,这是因为双螺旋结构也可形成于支链淀粉的末端,在煳化过程中,在淀粉或纤维素的表面把不同物料颗粒粘合到一起(Moran,1989)。

淀粉中直链淀粉与支链淀粉的比例可能是影响其制粒特性的主要原因,其他成分可能通过直链和支链淀粉来影响颗粒质量。但是目前还没有研究证实这两种淀粉的比率对饲料颗粒质量(PDI和硬度)的影响。原料中直链淀粉的含量与颗粒质量之间并不存在明显的相关性,而且没有研究发现抗性淀粉与颗粒质量的关系(MacMahon 和Payne,1991)。

淀粉的功能特性与颗粒质量之间的关系也受饲料中其他成分的影响,即影响淀粉的煳化。水分的存在可能是淀粉煳化的先决条件,Lund(1984)报道0.3:1(水:淀粉)的比例是淀粉煳化的必要条件Eliasson(1980)也报道,淀粉要达到完全煳化,水和淀粉的比例至少要做到1.5∶1。这些研究揭示,水分是淀粉煳化的限制因素。在调质过程中,水分一般以蒸汽的形式添加到饲料中,一般是3%左右。作为一种粘合剂,粒子表面的淀粉完全煳化,所起到的粘合作用就足够了(Thomas和van der Poel,1996)。

Eliasson(1981)报道,增加淀粉悬浊液中油脂的比例,会减少煳化淀粉的生成。但是Lund(1984)通过热谱扫描发现,增加油脂的比例,没有使煳化所需的热量和温度增加,这表明油脂不影响淀粉的煳化。

总的来说,饲料中淀粉的含量越高,颗粒越易成型,制粒质量越好。但是淀粉含量过高也不利于制粒质量的提高,这可能是因为淀粉含量过高,蛋白质的含量降低,使其制粒性能受到了影响。如果淀粉在制粒调质前就已煳化,则不利于高质量颗粒饲料的生产,这就是在生产乳猪料时,要限制膨化玉米用量的原因,一般不超过能量饲料的70%(熊先安等,1999)。另外,如果淀粉煳化发生在颗粒表面,不但不能改善颗粒饲料的质量,反而会使质量更为低劣(熊易强,2008)。对于含谷物比较高的饲料,在调质时应该采取大的蒸汽量,使淀粉充分煳化,提高制粒的质量和养分的消化率。

糖类冷却或干燥时,会在物料粒子之间发生重结晶,形成固-固粘合,糖类的粘合特性可能与这种固-固粘合作用有关。Friedrich和Robohm(1982)认为糖类的添加会提高颗粒饲料的稳定度(PDI)。Aumaitre等(1978)发现,饲料中萄糖、蔗糖和高浓度果糖糖浆的添加量,没有显着影响颗粒饲料的稳定度(PDI)。当用等量高浓度果糖糖浆代替10%蔗糖时,制粒机的制粒产量却提高了 14%,同时降低了颗粒硬度。这可能是由于没有采用蒸汽调质,因为水分只有以蒸汽的形式充分添加,蔗糖才能充分溶解,发挥其对颗粒质量的御敝琖蜷黯极作用。

增加饲料中糖类的添加量,会增大制粒电耗,这是因为糖类增大了物料与环模间的摩擦力。糖类的添加也会增大发生美拉德反应的风险,尤其是水分充足时,自由醛基与氨基酸结合,在增加粘性、提高颗粒质量的同时也破坏了饲料营养价值(Van Barneveld,1993;Hendriks等1994)。

1.2 蛋白质和非蛋白氮(NPN)

在饲料工业中,蛋白质常作为粘合剂,在不同物料粒子之间发挥着粘合作用。在混合、加热、调质、水分等因素的综合作用下,引起蛋白质三维构像的改变,蛋白质分子形成蛋白质纤维,在不同粒子之间形成粘合(Moran,1989)。Wood(1987)研究表明,蛋白质在加工过程中的部分变性会提高颗粒饲料的稳定度和硬度。Howell(1991)报道,蛋白质和其他成分间的相互作用,包括共价键、静电作用力、范德瓦尔斯力、氢键等均会影响颗粒饲料的硬度和稳定度。制粒过程可能会发生美拉德反应,这可能会降低蛋白质(尤其是赖氨酸)和糖类的利用率,这种现象突出了颗粒质量和饲料营养价值的矛盾(Van derPoel 等,1995)。

饲料中含天然蛋白质高,制粒效果就好,其中植物性蛋白比动物性蛋白更有利于制粒。蛋白质饲料的最佳热变性温度,一般在60~77℃之间(杨在宾,1997),这时会表现出良好的热塑性和粘结性,压制出的颗粒在冷却后硬度较大,产量较高。但是非蛋白氮(特别是尿素)过高时(一般尿素的量不能超过6%),制粒产量就会下降(杨在宾,1997)。蛋白质具有较强的吸水能力,因此在压制蛋白质含量较高的饲料时,水分的添加量不宜过多,应当控制蒸汽添加量。如果添加过高,蛋白质会因胶化而堵塞模孔,导致制粒失败。

1.3 油脂

众所周知,饲料中的游离脂肪不利于颗粒饲料的稳定度和硬度的提高(Van Vliet,1981),但是能提高制粒效率(Friedrich和Robohm,1981)。这是因为游离脂肪具有润滑的效果减少了压粒时物料通过模孔时的摩擦力和制粒压力(Walter,1990),使物料通过模孔时的流动性好,促进颗粒饲料的成型和压出(马岩,2010;熊先安等,1999),但是细胞内脂肪却没有如此明显的作用。

如表3所示,脂肪含量超过2%时,颗粒会发生软化、松散,脂肪的疏水性还会影响其他水溶性成分的粘合效果,导致饲料的粉化率升高,同时还会增加回机率,降低生产效率(Richardson 和Day,1976)。因此,在生产中为了减少粉尘和满足营养需要,必须向饲料中添加较多的油脂(>3%),往往在混合时添加2%,其他的部分采用制粒后喷涂工艺添加。脂类的氧化和酸败也会降低颗粒饲料的物理性质和养分利用(Voragen 等,1995)。

1.4 纤维素

纤维素可以分为水溶性和非水溶性两部分,纤维素溶于水会引起高粘度(Frølich,1990;Lo,1990),这就解释了不同种类纤维素所表现的不同制粒性能的原因。水溶性纤维素所包括的葡聚糖、木聚糖和果胶,能极大提高饲料的粘度,并且在大粒度物料颗粒间充当填充剂,降低饲料的孔隙度,提高颗粒的完整性、硬度和稳定度。调质时间、PH、调质温度、水分含量、压力、热量都能改变可溶性纤维素的状态,是发挥功能特性的主要影响因素。但是由于饲料原料和加工过程的复杂性,很难从数量上评价纤维素水溶作用对颗粒质量的影响程度。不溶性纤维素通过在不同粒子和纤维素之间形成折叠和缠绕来发挥作用。

由于纤维素的硬度和弹性,其颗粒成型效果比较差,通常与粘合剂或具有结合力的成分(如淀粉、蛋白质等)一起使用。纤维含量过高时(10%~15%以上),不仅会影响动物的采食和消化吸收,还会增加物料通过模孔时的摩擦力和机械磨损,降低生产效率(武文利,2004)。同时饲料的加工过程造成细胞壁或其内成分发生美拉德反应,这可能会影响木质素的含量和细胞壁的特性,并降低饲料的养分利用率(VanSoest和Mason,1991)。

对于含纤维素较高的奶牛和免的饲料,在调质时要采取小给气量,因为纤维素吸水性差,影响水热调节。

1.5 无机质

无机质主要包括石粉、骨粉、磷酸氢钙、沸石粉、膨润土等一些矿物质。这类物质不具有粘合力,不利成型且会增加模孔阻力(鲍英华,1998;马文智,2005),有的还具有腐蚀作用,会加快对机器的磨损和破坏。但是膨润土和沸石等矿物质颗粒内部具有较大空腔表面积,有吸水脑胀性、润滑性,具有粘结作用,添加1%~2%可增加粘性(钟光明,1997),提高颗粒硬度,但含量过高对制粒不利。

1.6 糖蜜

糖蜜可提高饲料的适口性和提供能量,加入适量糖蜜,在制粒时可起到粘结剂的作用,增加物料间的结合力,提高颗粒的硬度和稳定度,有助于改善物料的制粒性能(马文智,2005;武文利,2004),但是添加过多则易使颗粒软化、破碎(黄中华,1997)。牛饲料是典型的含较低谷物水平,而液体饲料如糖蜜等添加量较大的饲料,对于这类饲料,在蒸汽调质时要适当控制蒸汽的添加量,添加很少或不加蒸汽(舒根坤,1995;邢建军,2001)。

1.7 热敏性饲料

热敏性饲料主要包括脱脂奶粉乳清粉、蔗糖、葡萄糖等,此类物质受热后粘性显着增加,可起到粘结剂的作用,提高颗粒硬度,降低粉化率(鲍英华,1998;武文利,2004)。但是这些成分是热敏性的,当温度达到60℃时,即开始焦化,严重时可引起模孔堵塞(钟光明,1997),影响颗粒饲料的质量和产量。因此当热敏性饲料原料含量较高时,一般采用低压蒸汽和小给气量,降低调质温度,使调质后温度在50~60℃之间或采用薄压模(熊先安等,1999)。

1.8 粘合剂

常用的粘合剂有粘土、膨润土、木质素磺酸盐、聚中基脲、α-淀粉等(马文智,2005)。有些粘合剂除了具有粘合作用外,还具有润滑作用如纤维素的加工副产品磺酸木质素和可溶性植物胶瓜尔胶,既能促进物料的结合,又能润滑环模,降低制粒能耗(刘学良,1999)。对制粒性较差的物料,适当添加粘合剂能提高颗粒饲料的硬度和稳定度,并可减少制粒过程中的粉尘损失。对于含谷物较少而含粗纤维较多的奶牛料和免料,可适当添加粘合剂(如膨润土等)来提高其饲料的粘合力和稳定度。

2 原料的物理性能

2.1 原料容重

原料的容重越大,在制粒时越易于成形(殷波等,2001)。凡原料的容重小于 0.33t/m为轻质原料,而大于 0.4t/m’为重质原料(见表 4)。轻质原料结构松散,在压粒时产量低、电耗较高、硬度低、含粉率偏高。重质原料的制粒效果较好,硬度较高,含粉率低。

2.2 原料粉碎粒度

如图2所示,原料粉碎粒度与颗粒饲料硬度的关系(陈中兵,1998)。因此,从颗粒料的生产效率和颗粒质量的角度考虑,物料粉碎的越细,颗粒质量越好(宋春风等,2010)。饲料原料的粉碎粒度可分为粗粒、中粒、细粒3种,其粒度的大小决定着饲料组分的总表面积(周根来,2010;马岩,2010)。饲料原料的绝热性能通常比较好,即热传导系数低,在一定的时间内,热量和水分在其中的传导比较缓慢。物料的粉碎粒度越小,其颗粒的比表面积就越大,调质时水蒸汽就越容易穿透颗粒内部,同时热量和水分的传导速度就越快,淀粉和蛋白质等煳化越完全,调质效果就越好。这时的物料因为吸收了足够的热量和水分,就会变软变粘,在压粒很容易成形,而且压出的颗粒表面光滑,无裂纹、硬度高、粉化率低,同时制粒效率高,对模孔的磨损小。

如图3所示,如果粉碎过细,在淀粉煳化的过程中,先煳化的淀粉容易粘结在一起,将未煳化的颗粒包裹起来,不能吸收外界的热量和水分,煳化效果反而不好。同时,因粉碎细度的增加而带来的粉碎成本的提高也不容忽视。也就是说,并不是粉碎的越细越好,要综合考虑产品质量、粉碎成本和动物生产性能的提高所带来的经济效益来决定原料的粉碎粒度。陈中兵(1998)认为,制粒用的细粉应 100%通过 14 目筛,压制小颗粒时,物料最好粒度是全部通过8目筛,留在 25 目筛上物不超过为25%。比较理想的原料粒度分布见表5(李艳聪等,2011)。李令芳(2008)认为,应根据畜禽品种和颗粒料的直径大小来合理选择粉碎机类型和筛片规格(见表6)。一般要求普通鱼饲料的粉碎粒度为60目以上,而鳖、虾等慢食性动物的饲料,应粉碎至100%过80目筛(秦玉昌等,2001)。

2.3 原料水分

水分和温度是淀粉煳化的两个必要条件,而水分含量尤为重要。原料的含水量不仅影响粉碎效果,而且影响制粒工艺过程中的调质效果。在蒸汽调质的过程中,要以蒸汽的形式添加 3%~5%的水,以水蒸汽的形式每增加1%的水分,物料的温度便会增加15℃(Turner,1995)。

若原料水分过高,就需要减少添加蒸汽量。在减少蒸汽量的同时,就减少了热量的供给,同时水的比热系数又很大,所以大量的热被水吸收。此时,物料的水分虽然适中,但是温度却达不到调质要求,淀粉的煳化和蛋白质的变性不彻底,纤维素也难以软化(熊先安等,1999)。调质的效果差,粒料难以成型、硬度低,从而会影响制粒质量。

若物料水分太低,按照正常蒸汽需要量来添加,淀粉煳化时就会吸水不足,煳化程度低,就会影响颗粒内部的粘和力,影响制粒质量。但是如果增加蒸汽添加量,物料的温度就会偏高,冷却时导致大量的水蒸发,这可能会使饲料成品水分过低、硬度太大、出现裂纹、颗粒变脆等。这样不仅会影响制粒质量,而且还会影响动物采食量。为保证制粒的质量,一般情况下,原料的含水量应该控制在12%~ 13%,以不超过 13%为宜(鲍英华,1998)。调质后的物料水分一般在 16%~18%之间,如继续增加,制粒机便有堵塞的危险。

3 总结与展望

由于饲料原料成分的变化,例如淀粉的煳化、蛋白质的变性、糖和盐分的溶解和重结晶,这都会影响颗粒饲料的稳定度和硬度。这种影响无论是正面还是负面,都同样重要,应该根据饲料配方中主要原料的理化特性评价整体物料的制粒性能,然后选择最适宜的加工工艺条件,以保证满足生产效率、颗粒质量和动物生产的要求。影响颗粒质量的因素很多,除饲料原料因素以外,从饲料生产工艺的角度,来控制和改善颗粒质量,还需要进一步研究。
 编辑:刘金娥

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