挤压工艺参数对犬粮产品质量影响的研究

张明秀，钟 芳，李 玥，李 超，刘小楠

(江南大学食品学院，食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡214122)

随着国民对精神生活更高层次的追求，宠物概念在中国悄然兴起，这也使宠物食品初具雏形。在宠物食品市场中，琳琅满目的产品满足了各种宠物的饲养需求。但随着动物福利的观念越来越深入人心，人们对宠物食品的营养与产品质量要求越来越高。现今的商品犬粮基本上都是通过挤压膨化的方式加工而成，工序简单、方便、高效，物料在挤压膨化机内经过一个瞬间高温的加工过程，形成膨松多孔的颗粒结构［1-3］。由于挤压膨化是犬粮加工的核心步骤，因此膨化产品的质量影响到最终产品的质量水平。影响挤压膨化质量的挤压参数一般有机筒温度、物料水分含量和螺杆转速等，目前已有研究指出挤压参数的变化可以控制产品质量指标的变化，从而达到提高产品质量的目的。目前国内商品犬粮加工出的产品质量较低，与国外的同类产品竞争处于劣势。国内的宠物食品研究者集中于宠物原料开发，特种宠物食品的研制，而对目前主流商品犬粮工艺研究上较少涉及。本研究选用目前市场上主流的鸡肉米饭配方犬粮为基础，采用双螺杆挤压膨化加工方式探讨加工中的参数对犬粮营养参数的影响状况。犬粮的营养价值以其淀粉糊化度和其消化性来衡量，一般用于干物质、蛋白质、氨基酸的消化率来衡量犬对饲料的消化率［4］。本研究选用蛋白体外消化率和淀粉糊化度为产品质量指标来研究挤压参数(机筒温度、物料水分含量、螺杆转速)在以鸡肉、大米为主要原料的犬粮加工中的最佳工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

配方原料 无锡三里桥粮油市场;胰蛋白酶、胃蛋白酶 国药集团化学试剂有限公司;淀粉酶 肇东市日成酶制剂有限公司。

电子分析天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;分样筛 浙江上虞市五四纱筛厂;高速万能粉碎机 天津泰特仪器有限公司;数显恒温水浴锅江苏省金市荣华仪器制造有限公司;多用恒温水浴振荡器 江苏太仓市实验设备厂;数鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设厂;高速锤式粉碎机 北京燕京牧公司二厂;螺带混合机 无锡中亚机厂;凯氏定氮蒸馏装置 苏省宜兴市科教仪器研究所;双螺杆挤压膨化机 美国热电公司。

1.2 犬粮配方原料与营养参数

犬粮的配方与营养参数值见表1。

表1 犬粮的配方与营养参数Table 1 The formulation of the dog food and nutrition parameters

1.3 实验方法

1.3.1 挤压工艺方法 工艺流程主要包括:原料处理→混合、调质→挤压膨化→干燥→油脂喷涂→包装→成品

原料处理:超微粉碎机粉碎至要求粒度;原料混合:螺带混合机将物料混合均匀;调质:将混合好原料加水调质成所需水分含量;挤压膨化:双螺杆挤压机对对物料进行挤压膨化;干燥:挤压后的物料在60～70℃条件下干燥4～5h;喷涂:干燥后的加工颗粒在其未完全冷却前喷涂3%～8%的动植物脂肪;包装制得所述犬粮颗粒。

1.3.2 检测方法 物料水分含量的测定方法采用烘干恒重法(GB 6435-86)［5］;犬粮淀粉糊化度的测定采用酶水解法［6-7］;蛋白质体外消化率的测定参照王卫国等［8］的方法，并根据需要作适当调整。

1.3.3 单因素实验方法 分别以机筒温度、物料水分含量和螺杆转速为因素，研究其对犬粮蛋白质体外消化率和淀粉糊化度的影响。

1.3.4 正交实验方法 根据单因素实验结果设计L9(34)正交实验，以犬粮蛋白质体外消化率和淀粉糊化度为考察指标，选择机筒温度、物料水分含量和螺杆转速3因素进行正交实验。物料水分含量变化范围为:22%～30%;螺杆转速:120～180r/min;机筒温度:70-90-120-130℃、80-100-130-140℃、90-110-140-150℃。正交实验的因素与水平见表2。

表2 犬粮挤压膨化正交实验因素与水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment

2 结果与分析

2.1 物料水分含量的影响

物料混合时，调节物料水分含量形成14%、18%、22%、26%、30%的梯度。固定机筒4个温度区间分别为 80-100-130-140℃，螺杆转速为120r/min。

物料水分含量对犬粮淀粉糊化度的影响如图1a所示。在低水分含量范围内，水分含量的变化对犬粮淀粉糊化度的影响非常显著，当物料水分含量达到22%左右时，淀粉糊化度达到95%左右的水平，但之后当水分含量增加时，淀粉糊化度的变化有下降趋势，但不是很明显且糊化度维持在较高水平。Linko［9］等人研究得出物料水分含量在20%时，淀粉糊化度最高，他们研究中的机筒温度高于本研究中的机筒温度。在挤压膨化过程中，物料淀粉的糊化是在温度和水分共同作用下进行的，高温低水分含量条件时，淀粉熔融不充分，因此淀粉糊化度处于较低水平;当物料水分含量增加时，淀粉较充分的熔融，因而糊化度提高明显;而当水分含量较高时，物料中的水分充当了润滑剂的作用，使得物料在机筒内停留时间较短，且减弱了物料与机筒内螺杆的剪切作用，从而导致淀粉糊化不充分，另一方面，由于水分在模口处汽化而吸收大量的汽化潜热，使得机筒及模口处温度降低，难以在模口处建立起高温高压状态［10］，从而使膨化度和糊化度降低。但是高温下水分的蒸发作用使得这种影响不明显，最终使淀粉糊化度的下降趋势不大。

物料水分含量对犬粮蛋白质体外消化率的影响如图1b所示。在低水分含量范围内，蛋白质的体外消化率呈增长趋势;当水分含量达到18%左右后，水分含量的增加会导致消化率的下降。Thomas［11］等人研究指出水分和热量对于蛋白质的变性是必要条件。低水分条件下，蛋白质体外消化率的增加一方面可能由于水分的增加导致蛋白质与淀粉降解产生的糖发生的美拉德反应程度降低所导致［12］，另一方面可能由于在一样的温度条件下，水分的增加导致蛋白质的热变性更加充分［13］。而当水分含量过高时，物料在机筒内停留时间较短且减弱了物料与机筒内螺杆的剪切作用从而导致蛋白质变性不充分。

2.2 螺杆转速的影响

螺杆转速设为 90、120、150、180、210r/min;固定机筒温度的4个区间分别为80-100-130-140℃，物料水分含量为22%。

螺杆转速对犬粮糊化度的影响如图2a所示。当螺杆转速较低时，犬粮的淀粉糊化度处于较高水平且随着转速的增加，淀粉糊化度有增加的趋势。当螺杆转速过高时，高于180r/min时，淀粉糊化度下降趋势较明显。螺杆转速对犬粮淀粉糊化度的影响主要有物料与螺杆的剪切作用以及控制物料在机筒内的停留时间。当螺杆转速处于较低水平时，物料于机筒内的停留时间较长，随着螺杆转速提高，物料与螺杆的剪切作用增加，导致淀粉的糊化度提高。而当螺杆转速过高时，物料在机筒内的反应时间过短，淀粉没来得及糊化就被挤出机筒，从而使得淀粉糊化度下降。王文贤等报道［14］当螺杆转速超过260r/min时，挤出物中含有生淀粉，而王宁等［15］在高压缩比条件下的研究表明螺杆转速较大时，强大的剪切作用不但会将已充分溶胀的淀粉颗粒糊化，还会使其降解，导致糊化度的下降。

图1 物料水分含量对犬粮糊化度(a)和蛋白质体外消化率(b)的影响Fig.1 Effect of moisture content on starch gelatinization(a)and in-vitro protein digestibility(b)of dog food

图2 螺杆转速对犬粮糊化度(a)和蛋白质体外消化率(b)的影响Fig.2 Effect of screw speed on starch gelatinization(a)and in-vitro protein digestibility(b)of dog food

螺杆转速对犬粮蛋白质体外消化率的影响如图2b所示。在低螺杆转速范围内，螺杆转速的增加对蛋白质体外消化率的提高作用明显，当螺杆转速增加到一定程度时，蛋白质体外消化率变化不大。螺杆转速对蛋白质的体外消化率的影响主要有物料与螺杆的剪切作用和控制物料在机筒内的停留时间且螺杆的剪切作用占主要方面，当螺杆转速在高水平时，虽然物料在机筒内停留时间较短，但物料与螺杆的高剪切作用仍然使得蛋白质的消化率处于较高水平。

2.3 机筒温度的影响

挤压机的4段温度设为60-80-110-120、70-90-120-130、80-100-130-140、90-110-140-150、100-120-150-160℃，物料水分含量为22%，螺杆转速为120r/min。

犬粮淀粉糊化度随机筒温度的变化情况如图3a所示。淀粉糊化度在130℃之前增长较快，在130℃后变化不大并保持在较高水平(95%左右)，当温度超过150℃时有轻微下降趋势。这和Murray［16］等人的研究结果相似，该研究得出在大米、玉米、大麦等原料中机筒温度在124～140℃区间的淀粉糊化度较低温区间的79～80℃有了极大增加，但之后有缓慢下降。淀粉的糊化是在适当的温度和一定的水分含量的条件下进行的，挤压膨化过程中，物料受热主要来自于机筒壁的传导热，其次来自于物料在机筒内受剪切摩擦作用产生的热量［17］，因此开始当温度在低温范围内提高时，糊化度提高明显。当温度提高到130℃以上时，犬粮蛋白质体外消化率随机筒温度的变化如图3b所示。机筒温度对犬粮蛋白质体外消化率的影响较大，在140℃之前消化率随温度的升高而增加，在140℃左右达到最大值(82%左右)，140℃之后，随着温度的增加，消化率有下降的趋势。蛋白质的可消化性主要取决于蛋白质的热变性，温度较低时，水分蒸发较少，蛋白质与淀粉降解的糖所发生的美拉德反应也较少，因此蛋白质变性较充分，从而蛋白质的消化率随温度的提高而增加。而当温度超过140℃后，物料之后糊化度变化不大，谢正军［18］等研究指出在膨化过程中，淀粉分子发生糊化的同时，也发生了降解。另外机筒温度过高时可能会引起原料中的蛋白质与淀粉降解的糖发生美拉德反应，而且当温度过高时会导致部分淀粉焦糊化，物料中水分过早地蒸发掉，不利于淀粉的糊化，如图3a所示，这些原因都会造成过高温度下淀粉糊化度的下降。水分蒸发严重，没有水分作用的蛋白对热较稳定，另外此时美拉德反应的比例也逐渐提高，这些都造成了图3b中蛋白质消化率的下降趋势。

2.4 正交实验对淀粉糊化度和蛋白质体外消化率的影响

2.4.1 糊化度正交实验结果 由表3可得出，对于产品质量指标的影响程度，螺杆转速对犬粮淀粉糊化度影响较大，其次是机筒温度，而物料含水量在实验范围内对犬粮淀粉糊化度的影响较小，综合实验结果膨化温度以水平2较好，物料含水量以水平2较好，螺杆转速以水平2较好。

图3 机筒温度对犬粮淀粉糊化度(a)和蛋白质体外消化率(b)的影响Fig.3 Effect of barrel temperature on starch gelatinization(a)and in-vitro protein digestibility(b)of dog food

表3 糊化度正交实验结果Table 3 Starch gelatinization orthogonal experimental results

2.4.2 消化率正交实验结果 由表4可得出，物料含水量对犬粮蛋白质体外消化率影响较大，其次是膨化温度，而螺杆转速在实验范围内对消化率指标的影响较小，综合实验结果膨化温度以水平2较好，物料含水量以水平2较好，螺杆转速以水平1较好。

综合犬粮淀粉糊化度和蛋白质体外消化率的实验结果，机筒温度和物料水分含量均为水平2较好;而螺杆转速对与糊化度为主要影响因素，而对于蛋白质体外消化率影响较小，故选择水平2较好;综合来看，挤压参数设为:膨化温度为80-100-130-140℃;水分含量26%;螺杆转速为150r/min，在此工艺条件下加工制备的犬粮经测定糊化度为95.1%，蛋白质体外消化率为84.2%。

表4 消化率正交实验结果Table 4 In-vitro results protein digestibility of orthogonal experimental results

3 结论

本研究结果显示，影响犬粮加工过程中淀粉糊化度的主要因素为挤压机的螺杆转速，其次是挤压机的机筒温度，而物料水分含量对糊化度影响较小。在犬粮蛋白质体外消化率方面，物料水分含量对消化率影响较大，其次为机筒温度，而螺杆转速的影响较小。本研究得出的以鸡肉、大米、豆粕等原料加工的犬粮的最佳工艺条件为膨化温度为80-100-130-140℃;水分含量26%;螺杆转速为150r/min。

目前市场上的颗粒犬粮加工基本上都采用双螺杆挤压技术，本研究结果对于应用双螺杆技术控制犬粮生产加工的产品质量方面具有一定的理论指导作用。

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