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从保留营养成分的角度来看,挤压、膨化优于其他加工工艺,因为在其加工过程中有效地破坏了抑制因子及原料中沾染的微小生物(Bjorck and Asp,1983)。但是,由于机械剪切和高温、高压的影响,挤压、膨化会使物料产生化学变化,这些变化有可能改变饲料原料的营养价值或性能。挤压、膨化加工可使淀粉、膳食纤维、单糖或双糖、蛋白质和维生素等发生有正面和负面的影响。
(1) 挤压过程中碳水化合物的变化和对动物生长性能的影响
碳水化合物是有机物中含量最丰富的物质,也是构成饲料的重要成分,可以充当粘合剂、粘性构成物、悬浮剂和乳化剂的作用,使挤出的产品具有一系列膨化产品的性状。碳水化合物可分为可消化的和不可消化的两部分。可消化的碳水化合物包括淀粉、蔗糖、乳糖和一些寡糖、单糖等(Asp and Bjorck,1989)。不可消化的碳水化合物包括豆科植物种子内的寡聚糖和细胞壁多聚糖(膳食纤维,包括纤维素、半纤维素和木质素)。
可以提供可消化的碳水化合物(淀粉)的主要原料有小麦、玉米、稻谷、大麦、燕麦、高粱以及其他谷物类和它们的副产品(如次小麦、麦麸、玉米粉、米糠等)。将淀粉原料或谷物类籽实膨化可使其中的淀粉糊化(糊化即淀粉颗粒的晶体结构不可逆的破坏)。糊化可以提高消化率,因为糊化后的淀粉可以大量吸水膨胀,增加了淀粉淀粉酶接触的机会,从而加速淀粉分子间连键的断裂,使淀粉变为简单、更易吸收的糖类。因此,糊化可以提高淀粉的消化率,从而提高饲料效率。
用膨化玉米和玉米粉饲养仔猪的研究结果表明,膨化玉米对氮或赖氨酸的利用率没有影响,但能提高玉米的消化能和代谢能,使其具有更高的能量效价(Herkelman et al.,1990)。Noland等(1976)指出,含鞣酸量高的高粱籽实膨化后饲喂仔猪,可以提高能量效价与氮的消化率。Fedle等(1988)用膨化大麦饲喂肥育期的猪,结果发现在其回肠末端的饲料干物质、总能、淀粉和氮等的消化率分别提高了12%、12%、16%和11%。据Hancock(1992)报道,膨化高粱与膨化大豆可显著促进饲养肥育期生长,提高饲料消化率。他们在另一篇报道中指出,高粱淀粉在淀粉酶作用下的水解率和肠对淀粉的吸收率,不是同一批加工的产品其糊化程度不同,这可能与物理化学特性的差异有关,如淀粉的颗粒结构、粘滞性、溶解性、大分子的修饰以及脂类化合物的构成等(Asp and Bjorck,1989)。
(2) 挤压过程中蛋白质的变化和对动物生长性能的影响
某种蛋白质的价值取决于它的消化率、必需氨基酸的含量水平及其生物效价。植物蛋白质在经过适度的热处理后,其营养价值通常会因为抗氧化因子被破坏而有所提高。膨化加工被认为可钝化胰蛋白酶抑制因子及其他抗营养因子(Asp,1987)。饲料及其原料中的酶类(脂肪酶和脂肪氧化酶等)如不予以钝化,它们将会在饲料及其原料贮存过程中引起变质反应,可能影响到饲料的风味(Chefter,1989)。膨化对酶的钝化有利于饲料在长期贮存后仍然保持稳定性和适口性。
(3) 挤压过程中纤维的变化和对动物生长性能的影响
纤维的使用常常因为其对膨化过程有影响而受到限制。膳食纤维由纤维素、半纤维素和木质素组成,常被定义为由多聚糖和不可消化的木质素构成的物质。膨化时的热处理产生的影响可以改变膳食纤维的含量和组成(Asp and Bjorck,1989)。高纤维含量的配料在膨化加工后可溶性纤维含量提高3%左右,碳水化合物的分解率提高4%-5%(Huber,1991)。据Bjorck等(1989)报道,面粉膨化后不溶性纤维可转化为可溶性纤维,加工前的面粉原料中可溶性纤维含量为40%,加工后变为50%-70%。将小麦加工成面粉时没有这样的转化发生。但是Bjorck等在其最近的研究中发现,加工条件温和时纤维组分含量与原料相比并无显著差异,只有在条件较剧烈时才有明显变化(Bjorck et al.,1984)。总之,温和或适度的膨化条件更剧烈时,膳食纤维含量会增加,这主要是因为产生了抗酶解的抗性淀粉小体。膨化产品中抗性淀粉的减少可能与出模前的快速冷却有关,因为快速冷却可防止结晶直链大分子形成抗性淀粉(Asp and Bjorck,1989)。
在许多非反刍动物饲料研究中,纤维被看成饲料中的非营养组分。但是近年来的研究结果表明,膳食纤维可以通过VFA发酵法给处于生长期或成年期的猪提供其所需能量的30%-50%(Hancock,1992)。
Bjorck等(1984)证实,与未加工小麦相比无显著差异的原料面粉,膨化后可以增加鼠肠道内的酵解反应。
(4) 挤压过程中脂肪的变化
挤压作用会使甘油三酯部分水解,产生单甘油酯和游离脂肪酸,因此从单纯处理来看,挤压过程将降低油脂的稳定性。但就整个产品而言,挤压产品在贮藏过程中游离脂肪酸含量的升高显著低于未挤压样品。这主要归结于挤压使饲料中的脂肪水解酶、脂肪氧化酶等促进脂肪水解的因子失活。
脂肪及其水解产物在挤压过程中能同糊化的淀粉形成络合物,从而使脂肪不能被石油醚萃取。这种络合物的形成使脂肪不易从产品中渗出而给产品一个很好的外观。这种络合物在酸性的消化道中能解离,因此也不影响脂肪的消化率。
脂肪对饲料的质量、成型、适口性等作用较大,但从总体看,脂肪的存在不仅影响最终挤压产品的质量(主要是膨化度),甚至可能影响整个挤压过程的顺利进行。例如对脱脂大豆粉的挤压,其脂肪的含量不应该超过1%;在饲料工业的膨化料生产中,单螺杆挤压机油脂添加量在0%-12%时,对挤压效果无影响;当添加量在12%-17%范围时,添加量每增加1%产品的体积质量就增加16g/L。添加量继续增大则效果更差,当超过22%时则产品失去一般挤压的特性。因此挤压应以含油量低的原料为好。
(5) 挤压过程中维生素的变化
膨化加工的主要母的是通过调质,使原料中的营养成分间形成一定结构。采用挤压成形等方法可改变淀粉和蛋白质,或者改变饲料原料的一些功能特性。尽管膨化对主要原料成分的改变作用是人们所希望的,但同时它对维生素的影响却是有害的,因为许多维生素容易被热、氧气、水分和光线破坏。膨化加工除了温度、水分和氧气3个因子外,还有其他对维生素产生影响的因子,如原料、压力、物料流量、螺杆转速、输入的能量、压模开孔面积、剪切锁、氧化还原反应和干燥温度、干燥时间等。Schlude(1987)描述了维生素在膨化过程中的稳定性,指出物料流量、添加的水以及输入能量等都会对VB1、VB2、VB3、叶酸等维生素产生影响。物料流量的增加尽管会引起压力的相应上升,但仍然可以提高VB1、VB2、VB3等在产品中的存留量,因为在膨化腔中停留时间较短可以使维生素受到的影响减少。叶酸如同其他B族维生素一样,当物料流量大于90kg/h后所受影响减少。高含水量可以降低挤压物的温度及其在膨化腔中的滞留时间,因而可以提高B族维生素的存流量。输入的单位机械能(SME)与维生素的存留量呈负相关关系。
在另一个研究中发现,VB1存留量随压模开孔面积的增大而增大,随温度的升高而降低。但压模开孔面积对VB2没有任何影响,VB2的损失主要是高温引起。
对膨化加工最敏感的维生素是VA、VE、VC、VB1和叶酸,与此相反,其他B族维生素(如VB2、VB6、VB12、尼克酸、泛酸和生物素等)都很稳定(Schlude,1987)。Coelho(1994)指出,在膨化机中VE醇、甲基萘醌亚硫酸钠(MSBC)、VC和包膜VC等都是不稳定维生素,这些维生素在最低膨化温度与最短滞留时间条件下损失20%的活性。微胶囊型VD 、VE醋酸酯、VB12、VC磷酸酯和氯化胆碱在通过膨化腔时只有少量损失,即使在最高膨化温度与最长滞留时间条件下,它们也会保留85%活性。
为了适应加工与贮存,可以考虑用如下几种方式来维持膨化饲料中按要求应有的维生素含量:首先,可以用超量添加法弥补在贮存、加工过程中预期的损失;其次,可以使用热稳定型维生素作原料;最后,可以采取像添加油脂一样的方法,在膨化、干燥后再用表面喷涂法添加维生素。
(6) 挤压过程中酶制剂的变化
酶制剂的使用是饲料营养学发展的新热点。经过广泛的饲养试验证明,含磷量不足的日粮添加植酸酶能提高磷的滞留量。在玉米、大豆日粮中添加1500u的植酸酶而不加无机磷酸盐,其生产性能超过添加需要量的磷酸二钙而不加植酸酶的对照组(Simons等,1990)。其他研究结果表明,由添加植酸酶而获得的磷滞留改良效应随着饲料中无机磷的添加而逐渐退化。因此,为了减少磷酸盐的浪费,植酸酶必须用于无机磷酸含量不足或者不补充无机磷的日粮。
4种含有木聚糖酶和β-葡聚糖酶活性的商品性酶添加剂对肉鸡小麦基础日粮的代谢能、淀粉可消化率和戊聚糖可消化率有影响,每一种酶制剂明显提高了日粮中的小麦表观代谢能1046KJ/kg,同时淀粉可消化率也有所提高。研究验证了酶制剂作用模式就是原先假定的降解阿拉伯木聚糖。小肠内也检出了残留的饲料酶活性,这说明在养分吸收之后酶添加剂仍保持活性。
在小麦基础日粮中添加酶制剂有益于消化率的提高。随着酶制剂的加入,消化物的粘性明显降低。结果表明,添加一种酶,就使小麦营养价值提高,能量提高6%,蛋白质和氨基酸提高20%,而生产性能没有受到影响。
对肉鸡大麦基础日粮中加酶的效果进行了鉴定,在试验鸡用50%大麦日粮中加一种酶,42日龄的生产性能相当于饲喂玉米日粮的对照组。这一结果暗示,如果用大麦代替玉米,那么大麦就能与有作用的酶一起引用,可以使肉鸡获得好的生产性能。
对猪来说,在早期生长阶段,在植物性原料为基础的日粮中添加酶制剂有利于改进生产性能。Johnson等(1993)进行了一项研究,采用商品性酶制剂加到25日龄断奶仔猪的动物蛋白日粮或植物蛋白日粮中,据测算两种日粮含有相同的能量和氨基酸,但是植物性蛋白日粮中因添加酶制剂而使其生产性能提高18%-20%,动物蛋白日粮则没有效果。大猪日粮中的加酶也可获得与大、小麦基础日粮加酶获得的良好效果相类似。
酶的稳定性是确保酶制剂使用效果的前提,热、ph值改变、压力和其它酶作用等方面的任一变化都会降低酶的活性。饲料行业中用的酶必须要抵抗影响其稳定性的众多因素。加工过程中的调质及颗粒压制时遇到湿热和加压,向饲料中添加碳酸钙或有机酸使PH值发生变化,饲料进入胃后遇到胃酸和胃蛋白酶,这些对酶的稳定性都不利。因此,商品性酶制剂必须稳定,在饲料加工前后有时要间隔数月时间才用。
经过稳定处理的酶在通过高达90-95℃的颗粒压制机及30s左右的调质过程之后仍保持其活性。相比之下,未作稳定处理的酶在70℃以上的颗粒压制环境中难以保持其自身活性的稳定。
颗粒制成之后进行酶溶液喷雾处理也是一种防止酶失活的有效方法。液体酶的应用特别适用于挤压、膨化或颗粒压制等较强烈的加工过程。液体酶可以喷洒在颗粒表面,也可以与脂肪一起喷涂。既可以采用独立的加工工序进行喷涂,也可以批量式根据需要添加。液体酶通常极不稳定,为了解决这一问题,一些公司开发出液化的脱水酶,这些脱水酶可溶于或悬浮于像丙稀乙二醇之类的溶剂或其他惰性物质中,在喷雾工序上再获得水分。