膨化饲料加工工艺及配方管理

挤压熟化饲料加工工艺及配方管理 中国农业科学院饲料研究所水产动物营养与饲料研究室 水产饲料膨化挤压加工工艺 发展史 1797 英国人研制的手动活塞压力机 制作无缝铅管 瓦片 肥皂和通心面 1869 英国人研制的双螺杆连续挤压机 制作肉肠 1873 PhoenixGummiwerkeAG开发单螺杆挤压机 加工橡胶 1940s 熟化加压机的开发 生产干的狗粮 1950s 有了加压的预调制器 达到100 预熟化 1960s 半湿的宠物饲料 糊化淀粉 饼干粉及组织大豆蛋白 1980s 美国的双螺杆膨化机开始发展 1990s 第三代弱剪切 低热挤压机 reducedshear heatextruders 预调制器 直接蒸汽注入和带放气孔的机镗 挤压熟化的定义 是靠水 压力 温度和机械剪切的综合作用使得已着湿的 可膨胀的 淀粉类的和 或蛋白类的物质塑化并熟化的连续工艺过程 是将热能和机械能导入食品 或饲料原料中的一种手段 使原料中的淀粉和蛋白质等基本成分发生化学和物理变化 同时形成预定的形状 基本概念 按调制方法分湿法膨化干法膨化按螺杆结构分单螺杆挤压机 图 双螺杆挤压机 图 料斗 2 喂料绞龙 3 调制器 4 喂料段 5 蒸汽或水夹套调温部分 6 模板 7 出料皮带输送机 8 变速器 9 主电机 基本词汇 预调制器 一种调节原料水分和温度的装置 使物料进入挤压机前部分或完全熟化 螺杆 将物料输送通过挤压机的部件 图1 螺套 增加行程螺片 螺杆的螺旋形输送表面 将物料向前推进 图1 索片 增加剪切力 后挫力 提高滞留时间 糊化度剪切 一种揉捏 搅拌作用 使输送的物料匀质 受热模板 使制品出机时成型的末端装置 可在模板上直接钻孔 或将模板做成圆孔状 装上设计复杂 用耐磨材料制成的压模嵌入件 使物料成型切刀 将挤压物切割成所要求的长度的装置 图1螺杆 螺距的作用 螺距 容积 体积 位移能力 输送量 螺距影响到 物料充盈程度物料滞留时间 膨化挤压对饲料的综合作用饲料颗粒成型度高蛋白质原料经挤压加工颗粒 优 高碳水化合物原料经挤压加工颗粒 中 普通硬颗粒饲料 差 饲料漂浮度 溶重 480g L 转折点 全漂浮慢沉或反复沉浮颗粒 漂浮 下沉 上浮 高度的多孔性和充分发展的蛋白间质结构 缓慢释放油脂和可溶性糖下沉 工艺流程图 原料准备 不同类型饲料的挤压技术 浮性饲料半湿性饲料沉性饲料慢沉性饲料 螺杆模板开孔面积比挤压机内温度和压力蒸汽和水淀粉含量脂肪含量 预调制 优点提高挤压机部件寿命提高产量提高产品质量提高单螺杆挤压弹性降低机械能 增加热能输入 目的物料初步熟化搅拌使物料碎粒水合 干核 DryCore 消失 提高热传导性 预调制 Inlet 水 70 2 3大气压 脂肪 蒸汽 2 5 3大气压 100 出料 70 80 18 30 水分 1 3熟化 挤压加工浮性鱼饲料 调制器中注入蒸汽和水螺杆 L D 13 5 1 15 5 1物料至少含20 淀粉挤压产物在出模前温度达到125 138 34 37个大气压 挤压后 容重为320 400g L 25 30 水分进一步干燥 水分 10 还可增进漂浮性 挤压加工浮性鱼饲料 1 2分钟 喂料区 粉状 揉合区 面团状 熟化区 接近液态 揉合区揉合组件特征 输送方向调整偏角索片宽度索片数目螺旋数目 单 双螺旋 挤压加工沉性鱼饲料 螺杆 L D 16 5 1 19 5 1调制器中注入水 不注入或少注入蒸汽 挤压产物在出模前达到26 30个大气压 28 30 水分挤压后 容重为450 550g L 温度 80 水分22 27 带放气口的模头可以降低产物温度 水分和膨胀率过度干燥会使沉性饲料上浮 挤压加工沉性虾饲料 调制器中蒸汽流量约为物料流量5 7 水流量为物料流量10 15 挤压产物在出模前达到13 16个大气压 28 30 水分挤压后 容重不低于550g L 温度120 水分26 配有出气孔 并能抽气 真空度为250mmHg出烘干机水分12 16 再冷却降低到10 以内 挤压加工沉性饲料 25 30 70 85 30 40 放气孔 挤压机自变量 喂料速度出预调制器的物流蒸汽流水流其他添加成分 肉汁 油脂等 挤压机转速挤压机结构配置模板结构 挤压机因变量 产品容重出料口水分出料口温度 水分的重要性 饲料性能成品率稳定性营养保留率单位产量配方成品膨化机运转成本膨化机最佳工作范围 快速水分测定仪非常重要 挤压物的膨胀 挤压物膨胀 产品密度改变 显著影响饲料外观 质地 适口性 水稳定性和飘浮性等 其宏观结构的变化可用产品的膨胀度和密度或容重 g L 表示 膨胀度 膨化制品的截面积 挤压机模孔截面积膨胀主要原因 压模膨胀和水的骤蒸发 后者的膨胀更大 水分的骤蒸发的关键是粘弹性物体在出模时温度高于100 粘弹体重的水蒸气成为种核气泡 挤压物膨胀示意图 注入CO2或添加碳酸氢钠之类的产气化合物 将增强挤压物的膨胀 挤压物的膨胀 影响挤压物膨胀的因素 淀粉 纯淀粉的最大膨胀比是500 其次为全谷物粉 400 饲料混合物 200 300 淀粉含量40 50 油料 150 200 淀粉含量0 10 直链淀粉与支链淀粉之比是决定饲料膨胀比的重要因素 1 1将达到最大膨胀比 大多数天然淀粉含直链淀粉20 30 含水量和温度对淀粉膨胀比影响显著 不同来源淀粉存在差异 小麦 玉米 稻米中的谷物淀粉具有较好的膨化效果 块茎淀粉不仅具有良好的膨化性能 还具有十分好的粘结能力 糙米膨化效果差 影响挤压物膨胀的因素 淀粉 常温或低温条件下 长期放置的 淀粉会逐渐变硬 这种现象叫淀粉的凝沉或回生 也叫淀粉老化 成为 淀粉 老化淀粉不再溶于水 也不能被酶分解 一般聚合程度高的淀粉易老化 直链淀粉较支链淀粉易老化 直链淀粉含量对膨胀度的影响 影响挤压物膨胀的因素 模板 加大压模尺寸会减弱压模正常受力 剪切率和温度下降 导致粘度加大 从而减弱膨胀 提高容重 完全熟化但膨胀较低的沉性水产或宠物饲料使用的模头开孔面积为550 600mm2 吨 小时 高度膨胀食品或浮性水产饲料使用的模头开孔面积为200 250mm2 吨 小时 慢沉性饲料模头开孔面积为300 350 吨 小时 模板孔径与淀粉的共同作用 螺杆形状对膨胀的影响 螺杆转速对膨胀的影响 螺杆转速增加提高单位产品机械能单位产品机械能提高降低产品容重 利于膨胀 膨胀比 直链淀粉含量 温度和水分 最大膨胀比挤压条件 机镗温度140 水分14 100 170 之间 提高温度可增强膨胀 再升高温度则减弱 增加含水量通常使膨胀急剧减弱 影响挤压物膨胀的因素 其它 麸皮颗粒易使处于临界厚度的气泡孔壁破裂而降低膨胀程度 增加脂肪含量 5 以内 可增强挤压膨胀 超过此限则膨胀急剧减弱 宠物料 加糖 1 15 削弱膨胀 加盐 0 3 只轻微削弱膨胀或没有影响 模口形状对饲料产品外观的影响 模口形状 装载量物料容重 g L 糊化度饲料外观 96 7 30492 70 0 33680 表面光滑致密 圆柱形饲料多孔状表面 球形饲料 LL 1 5 die 纵向膨胀 LL 1 0 die 辐射膨胀 真空对产品密度的影响 几种常见饲料原料平均容重 g L 烘干 冷却 烘干 冷却设备 单层 对于产量低的生产线较理想设计简单 常用做实验室设备双层 最常用 最流行的设备膨化产品最理想的干燥设备干燥 冷却一体或分体多层 对于高品质 高知水产饲料十分合适干燥 冷却一体或分体节省地面空间 烘干 冷却设备 WengerDryer 烘干 冷却 后熟化过程 产品均匀地散布在移动中的输送器上 热空气一般以1m s的匀速穿过 作用温度为100 200 最初4 6分钟 物料可承受177 199 的烘干温度 而不破坏营养价值 之后 空气温度应降低 以免发生美拉德反应 产品本身决定烘干条件 如淀粉含量高 则不宜太厚 否则影响产品形状 2层或多层的烘干机 不仅有效提高烘干面积 还能防止结块 饲料形状及物料厚度决定烘干时间长短 防止产生湿心现象 Zone1 150 Zone2 3 4 90 Zone1 Zone2 Zone3 Zone4 现实中的问题 上层2区还是3区 典型的干燥周期 加热作业空气新鲜风补入替代排风加热空气由循环风机吸入部分循环风被排掉热空气施加于产品上水蒸气被循环风带走热空气将能量传递给产品热空气中的热量蒸发掉产品表面的水分 控制干燥工艺的主要变量 操作温度以尽可能高的温度空气湿度尽可能干的空气 但不能牺牲整个系统的效率空气分配均匀分配干燥时间适当产品分布均匀的分布厚度产品种类物力 化学性能 形状 尺寸等 饲料形状与烘干时间 WengerProcessDescription 高油脂饲料的生产 尽量利用饲料原料中的油脂 主机中可处理12 油脂 其余部分需要后加工 加压调制器真空或常压后喷涂机 油脂及热敏性物质的后添加技术 先喷涂水溶性热敏物质 后喷涂油脂烘干之后冷却之前喷涂油脂 可促进动物油脂吸收 常压喷涂后 真空喷涂后 返工料 开机废品和细粉回料 返工物料为混合料总量活干料喂入量的5 不得超过10 返工料对饲料成品的影响 颜色加深膨胀减小 增加容重熟化度提高 可能过度熟化外形轮廓更分明蛋白原料的功能性下降如连续2批之间 一批加返工料 另一批未加 产品性能区别较大 需调整挤压机参数沉性饲料可以适当提高添加量 但饲料水中稳定性会降低 包装与贮存较为彻底杀灭细菌 病毒等有害微生物高压下 还可杀死耐热性很强的芽孢饲料水分控制8 以下 可以较普通硬颗粒保存更长时间 带内衬的牛皮纸袋包装保证烘干均匀 没有湿心 水分 10 对于半湿饲料 保证水分活度 Aw 在0 65以内 可以抑制大部分微生物生长 膨化工艺对微生物菌群的影响 标准平板计数法 CFU G 酵母 霉菌 配方2 200 00074 000膨化 3 700 10 沙门氏菌呈现阴性 饲料中防止微生物生长的措施最大限度降低加工后污染的可能性 加工过程中控制水分活度 Aw 而不仅仅是水分含量 避免在加工后提高水分活度的条件的存在 添加防霉剂 措施1 降低加工后污染可能性 空气卫生水分设备人原料包装 措施2 加工过程中控制产品的水分活度 干饲料中微生物生长有水分含量 或更确切地说是由水分活度决定的 水分活度定义 Aw 水分活度表示微生物生长所需水分的数量指标 Aw Pb Pf 相对湿度 100Pb 试样表面水分压Pf 敞开水面水分压实验室仪器可以在5min内测定水分活度 几种微生物生长最低Aw需求 无微生物生长区 0 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 除耐干燥种类之外的酵母和霉菌 大部分麦霉及酵母 噬盐性菌 大部分青霉及耐受力较低的酵母 大部分酵母菌 霉菌和青霉 大部分G 菌 沙门氏菌及大部分G 菌 控制产品水分活度的途径 配方及营养成分分析数据基于水分值 饲料加工过程中尽量减少变量 特别是在干燥过程中 措施3 尽量减少加工后水分活度提高的条件 避免大型包装暴露在高湿度环境中避免由于温度变化而造成的水分重新分配 措施4 添加防霉剂 当其它措施出现问题时 防霉剂可以提供保证 防霉剂不能替代其它措施 也不能完全抑制霉菌生长 优化防霉剂性能最佳剂量和施用点 如果添加量适当并完全分散 不会影响适口性 不同材料包装饲料的生霉情况 严重生霉 中毒生霉 轻微生霉 极轻微生霉 PB 15 9kg强度防油纸衬里袋 PL 75号聚丙烯衬里袋 StoneContainer 保存环境 38 90 RH 聚丙烯衬里袋包装的宠物饲料从38 90 RH转到23 50 RH后的水分变化 双螺杆挤压机特点 可加工高油脂饲料 油脂含量可大于17 可加工添加有鲜肉浆或其它水分含量超过30 的高水分物料 可加工小颗粒水产饲料 0 8 1 0mm 加工特定形状 尺寸的产品 物料在机内滞留时间分布范围较窄 物料温度较易控制 能量利用充分 产量和质量均很稳定 投资大 单螺杆挤压机的1 1 5倍 双螺杆与单螺杆挤压机比较 单螺杆挤压机 双螺杆挤压机 水分水平油脂水平纤维水平蛋白质水平机械能输入产量耐磨损性 挤压机的选择 选择什么类型的挤压机取决于 所用原材料的种类 制作什么样的产品 单位产量 投资费用 运转费用 水产膨化饲料的原料选择和配方技术 膨化工艺的优点 适应性 可调节饲料的漂浮性 饲料性状 外形 颜色 质地等 高产及自动化控制高品质提高蛋白 变性 和淀粉 糊化 的消化率破坏抗营养因子 胰蛋白酶抑制因子 棉酚等 增加脂肪等液体物质的添加空间 水产膨化饲料的优点 密度控制漂浮料悬浮料慢沉性料快沉性料原料来源更广原料成本更低 水产膨化饲料的优点 产量更高水中稳定性增强减少对养殖水体的污染降低死亡率减少有害微生物的繁殖饲料转化率提高 10 20 提高饲料消化率降低饲料消耗 沉性饲料虾黄尾鰤鲑鱼牙鲆鲷鳟鱼鲈鱼鲽鳕鱼MoiMaimai大菱鲆 浮性饲料罗非鱼鳗鲡鲶鱼遮目鱼鲤科鱼 膨化挤压在饲料行业中的应用广泛的适用性各种养殖方式 工厂化 池塘 网箱等各类吃食性养殖品种 鱼 虾 蟹 龟等宠物食粮及观赏性鱼类饲料 概述特点综合水 压力 温度和机械剪切的作用温度 90 200 延续时间 2 30s物理 化学变化 蛋白质高温 高压 高剪切力 使得蛋白质适度变性 蛋白酶更易进入蛋白质内部 消化率提高 弹性增强 可溶性物质与淀粉间质相溶和蛋白可塑性增强 提高制粒效率 降低粉化率适度的热处理 钝化抗营养因子如抗胰蛋白酶因子 棉酚 毒蛋白等 提高植物蛋白利用价值 降低配方成本 蛋白质挤压过程中的蛋白质结构变化 变性 缔合 加热或剪切导致部分或全部缔合物破裂而形成浓缩溶液或熔化相 高温下可能形成的一些共价键 冷却时形成的非共价键和二硫键 在足够低的水分条件下非晶体区向玻璃态转化 动物蛋白综合特征 氮溶解指数 NSI 低功能性差 吸水性和粘合特性 氨基酸结构平衡 一般动物生长会超过高植物蛋白饲料低温干燥动物蛋白的质量最佳新鲜的原料和喷雾干燥加工后 会具有很高的粘合性 植物蛋白综合特征 氮溶解指数 NSI 高功能性 吸水性和粘合特性 好一般缺乏某种或某几种氨基酸未榨油原料是很好的能量原料小麦面筋粉是膨胀型最好的植物蛋白 水产饲料中植物蛋白的作用 制作浮性饲料有更大的膨胀潜力 提高粘合性 增进颗粒持久性 降低原料成本 外涂作业时有较高吸油水平 灰分含量低 在螺杆和压模上的白色矿物沉积少 大豆蛋白在热处理中的分子变化 挤压的主要影响是将蛋白质拆散而后又重新连接在一起 NSI下降 吸水性和膨胀性提高 不同挤压温度下大豆分离蛋白的溶解性能 生产组织蛋白温度一般为140 160 水分20 40 若产品要求较好的溶解度 则温度可低一些 非酶褐变 美拉德反应 过度膨化 异味 消化率下降 Lys损失严重还原糖与游离氨基酸之间的一种反应 对导致氨基酸 特别是赖氨酸的损失 并形成有色化合物而影响挤压物的外观 挤压熟化过程中的高温和低水分有利于美拉德反应 提高温度会增加损失 增加物料水分 加快喂料速度可显著减少损失 提高螺杆转速可缩短滞留时间 本应减轻褐变 但提高螺杆转速会加强剪切 提高温度 反而可能导致褐变加重 碳水化合物淀粉 糊化与碎化 淀粉发生糊化 化 高分子结构断裂 变成低分子物质 易于消化吸收 同时还起到重要的粘合作用 保持水中稳定性 降低饲料散失 减少工业合成粘合剂的添加 无毒性 转化成葡萄糖 麦芽糖等碎化多糖 产生甜味增加适口性纤维素经挤压后 可溶性膳食纤维的量增加 保健作用葡萄糖 蔗糖等影响淀粉的糊化 与蛋白质发生反应 饲料效率降低 淀粉 碳水化合物 能量来源有利于饲料的膨胀提高饲料的粘合性和稳定性以两种形式存在直链淀粉支链淀粉 淀粉 淀粉粒有许多淀粉分子排列成放射状微晶束构成 这种微晶束系直链 支链淀粉分子相互平行且彼此间以氢键结合而成 水分子在热作用下进入淀粉粒内微晶束间隙与淀粉分子中游离基团结合 温度继续升高 一部分直链淀粉被水溶解和渗出 使更多的水分子进入淀粉粒内部 从而使微晶束分离 形成一种间隙大且不规则的立体网状结构 中间充满水或溶液 处于这种糊化状态的淀粉称 淀粉 常见能量饲料原料的淀粉含量 浮性饲料需要至少18 20 的淀粉含量 淀粉的糊化过程 调制器30 化 环模造粒40 环形间隙膨胀机60 单螺杆膨化机 85 双螺杆膨化机100 淀粉糊化度挤压温度物料水分剪切力螺杆结构在机腔内滞留时间 高水分 低温挤压使淀粉部分糊化低水分 高温挤压有利于提高淀粉的糊化度 脂肪使原料中微生物分解的脂肪酶完全失活 提高饲料的贮藏性能使油脂从颗粒内部渗透到表面 使饲料产生特殊的香味 提高饲料适口性和外观效果网状结构能够吸附更过的脂肪 冷水性鱼类科利用高达40 脂肪的高能饲料 减少氮污染形成蛋白 脂肪复合物 这部分脂肪仍然可以被鱼类正常利用 但索氏抽提法不适用于膨化饲料 应采用酸水解法 三高条件下 甘油三酯会部分水解 与直链淀粉络合 影响膨化效果 淀粉的溶解性和消化率降低 热敏性物质在膨化过程中的损失维生素反应敏感依次为维生素K3 C D3 A E反应不敏感其他B族维生素酶制剂完全失活活菌制剂120 乳酸杆菌 链球菌 酵母 芽孢杆菌全部失活 维生素在膨化过程中的损失 维生素保留取决于 原料配方温度水分滞留时间 维生素在膨化过程中的稳定性 保存率 选择热稳定剂型 交联反应型VA微粒胶囊 微囊型VE醋酸酯 高稳性VC磷酸酯 虾青素10 15 的损耗 根据保存率 超量添加 虾青素在加工过程中的损失 加鱼油 注 喷涂鱼油的 稀释 作用导致虾青素含量下降 矿物质反应不敏感 报道较少植物蛋白中的植酸可能同锌 锰等络合 降低效价糊化淀粉对矿物质的包被作用 可使矿物质的氧化还原 吸湿返潮等向着有利的方向发展 膨化挤压影响虹鳟对几种原料表观养分消化率 挤压温度稍高 蛋白质部分褐变 消化率降低 虹鳟对不同加工后的全脂大豆的表观消化率 膨化挤压影响虹鳟对几种原料矿物质利用率 挤压熟化对菜籽 大豆混合料 重量1 1 中芥子甙总含量的影响 mol g 资