挤压膨化参数对膨化大豆质量及营养成分的影响

张新军

挤压膨化参数对膨化大豆质量及营养成分的影响 刘海军   穆玉云   李亮 （上海新农饲料有限公司，上海201613） 摘要：膨化大豆具有高蛋白、高能量、易消化及促生长等特点，因此成为高档乳猪料的优质蛋白质原料。全脂大豆经膨化机挤压膨化过程中高温、高压、高剪切力的瞬时作用，使其蛋白质变性、淀粉糊化及大豆油细胞破裂，从而提高大豆的营养价值。本文将从加工工艺参数对膨化大豆的产品质量和营养成分变化进行综述，以期为膨化生产工艺优化提供参考依据。        大豆是一种营养成分较均衡的优良植物蛋白质资源，含粗蛋白36%以上、脂肪17%以上、淀粉10%左右、氨基酸、维生素卵磷脂和矿物质。但是大豆中含有大量的抗营养因子及有害物质，造成幼龄动物对其营养成分消化吸收障碍，引起营养性腹泻，使其肠道受损，这就限制了大豆在幼龄动物饲粮中的应用。而大豆经过一系列加工，能通过破坏抗营养物质的结构，消除或降低抗营养物质抗原活性等方式，来降低大豆中抗营养物质的危害，同时也能使大豆的蛋白质变性、淀粉糊化及大豆油细胞破裂，从而提高大豆的营养价值。 1  加工工艺参数对膨化大豆物性指标的影响        挤压膨化是一种集混合、揉合、剪切、加热、冷却和成型等多种作业于一体的加工技术。该加工工艺是将调质后的物料送人螺杆挤压腔内，经变径 和变螺距的几何形状螺杆对物料进行挤压，随着物料前进方向挤压腔空间逐渐变小，在稳定的螺杆转速下，物料所受到的挤压力逐步增大，其压缩比可 达到4~10；并且物料在膨化腔内移动时还伴随着强烈的剪切、揉合和摩擦等作用，产生热量，同时也通过蒸汽获得热量，这样使物料温度急剧升高，物料中的淀粉随即产生糊化，整个物料变成熔化的塑性胶状体；在挤压腔内，物料中所含水分的温度虽然很高，但由于腔内压强较高，水分并未转变成水蒸汽，直到物料从挤出模孔排出的瞬间，压强骤然降低，水分迅速变成过热蒸汽而增大体积，使物料体积迅速膨胀，水蒸汽蒸发逸散在冷却的胶状物料中留下许多的微孔，就形成了膨化饲料。        挤压温度是影响膨化饲料产品质量的决定性区素，对膨化产品的抗营养物质（如脲酶、胰蛋白酶因子、抗原蛋白）、蛋白质、维生素、香味剂等均有较大影响。周克勇(2001)研究表明随着温度和水分升高，脲酶活性降低；在压力条件相近的条件下，温度越高，对饲料原料的破坏越大。赵克振等(2011)报道大豆蛋白质溶解度和脲酶活性随温度的升高而降低，当温度升高至130℃时，蛋白质溶解度为74.88%，脲酶活性值低于国家标准(P<0.3)，当温度升高至150℃时，蛋白质溶解度均低于60%，脲酶活性最大值为0.08 U/g;在同一筛孔直径下，大豆粉的粒度随水分的增大而增大(P>0.05)，进而水分和粒度对蛋白质溶解度影响显著(P<0.05)。周兵等(2006)指出膨化大豆的蛋白质溶解度与加工温度在一定范围(80~120℃)内呈负相关，而且脲酶活性 也随温度升高而降低，这与赵克振的结论一致。刘福柱等(2001)指出膨化大豆适宜采用先微粉碎化处理的方法，使膨化温度降到125℃左右，可减少大豆营养成分尤其是氨基酸的损失。        水是形成膨化产品微孔结构的前提。当物料在挤压膨化过程中缺乏水分，蛋白质的胶溶效果不好，物料黏性差，膨化产品微孔少，影响膨化度；当水分过大时，物料的塑黏过大，致使挤压压力不稳定，可造成膨化机的喷料现象，产品成型较差，故膨化物料水分在膨化过程中也起重要作用。        张祥等(2005)称大豆经过3.0 mm筛网的粉碎机粉碎，含水量11.2%，在不改变其他工艺参数的情况下，即通人的蒸汽量为7%~8%,夹套温度为120℃左右，在一定的范围内，压力环的直径越大，脲酶活性越低，当熟化区压力环的直径为195cm时，脲酶的活性较低，为0.16 U。同时得出温度越高，尿酶活性越低，越有利于动物对饲料的消化吸收，当夹套温度达到128.9℃时，尿酶活性低于0.28 U。        程译峰等(2009)称物料水分含量、喂料速度、螺杆转速和机筒温度的适度增加都使淀粉糊化度、蛋白质体外消化率增大；机筒温度过高反而使蛋白质体外消化率减小。并在适宜的膨化条件（调质后水分26%~30%，喂料速度30～60 r/min，螺杆转速150～250 r/min，机筒温度120～135℃）下，饲料的淀粉糊化度和蛋白质体外消化率均可达到90%～92%。 2  挤压膨化参数对膨化大豆营养成分的影响 2.1  淀粉        淀粉在高温、高压和高剪切作用下，吸水受热膨胀，直链间脆弱的氢链断裂，原来有序结构遭到破坏，呈松散无序结构，即发生糊化。大量文献研究表明，淀粉糊化度受加工温度、喂料速度、螺杆转速和物料含水量，及其交互作用的影响。提高物料含水量和加工温度均有利于提高产品的糊化度以及淀粉的消化吸收率。即使在很低的物料含水量的条件下也可以使淀粉发生彻底的糊化，因此挤压膨化加工技术能够在赋予淀粉高消化吸收率的同时，最大限度地避免其它成分的损失。周克勇(2001)报道淀粉糊化度有随压力增大而增加的趋势，温度、水分、模孔孔径也起着重要作用，并得出淀粉较好糊化效果条件：膨化温度在165℃左右，压力0.44—0.05 MPa，模孔直径5 mm，水分(16±1)%。 2.2蛋白质        蛋白质分子受到高温、高压、高剪切力的作用，原有的空间结构被打乱而熔融，离开模口时，随着压力迅速下降，过热水急剧蒸发，在纤维状结 构中留下了多孔气泡状空间结构。徐红华等( 2007)发现低物料水分、低膨化温度、短模孔可以减少挤压膨化预处理工艺过程中蛋白质结构的破坏程度。相反，高物料水分、高温挤压膨化时，会加剧蛋白质分子内部疏水基的暴露和蛋白质的交联。在此基础上改进的挤压膨化预处理工艺更有利于蛋白质结构的改善。        在研究的早期阶段，据报道大豆组织化产品中蛋白结构以凝胶的形式存在，凝胶化的蛋白质分子间的作用以二硫键、氧键，静电引力三种方式存在。Burgess等（1976）研究指出组织化蛋白的最终结构是由180℃挤压条件下新生成的肽键决定的，而与二硫键是否形成无关。然而Baid等(1982)指出大豆蛋白凝胶化过程并不涉及共价键的形成。Smith等(1982)采用在大豆粉中添加1%的盐的方式证实了该结论，静电作用在组织化蛋白质相互缔合中发挥重要作用，能极大影响产品的特性。        蛋白质还与其它化合物发生化学反应，影响产品质量。挤压膨化的优点是可使大部分抗营养因子失活，蛋白质的部分降解使游离氨基酸含量升高，并形成易受酶作用的蓬松结构，因而蛋白质消化吸收率增加；缺点是赖氨酸因与还原糖发生美拉德反应而减少，营养价值降低。王红云等(2002)研究大豆经膨化后可降低其脲酶活性和蛋白溶解度，破坏抗原物质；生大豆组皮褶厚度极显著高于膨化大豆组；但造成部分营养损失，其中赖氨酸损失最大，达12.14%。李扬等(2009)研究水酶法结合挤压膨化法对大豆处理后蛋白质提取率的影响，在优化的最佳挤压膨化工艺参数（模孔孔径为12 mm，物料含水率为17%，螺杆转速为94 r/min，套筒温度为92℃）条件下，总蛋白得率可达到94.1 7%左右，比传统的湿热预处理后酶解的总蛋白得率提高了近1 5%。 2.3  脂肪        大豆经挤压膨化加工，其脂肪稳定性将降低，发生部分水解生成单甘油和游离脂肪酸，这两种产物与直链淀粉、蛋白质形成了复合物，从而降低挤出物中游离脂肪酸的含量，从而防止脂肪含量过多，产生油腻感，而且防止脂肪氧化，延长产品储藏期，改善产品的质构。大量文献表明挤压膨化后，大豆脂肪不稳定性主要与挤压后物料表面积的增大和挤压温度的高低有关。Rao等(1989)指出当挤压温度超过135℃时，脂肪的不稳定性将显著增强。何其傥等研究在加工温度为100℃时，加工温度和物料含水量是影响复合体生成量的主要因素；当温度小于100℃时，复合体生成量随着加工温度升高而略有增加，但超过100℃时，复合物生成量呈明显下降的趋势；随着水分含量提高，挤出样品中复合物生成量减少，游离脂肪酸含量增加。脂肪复合物还与淀粉糊化度呈正相关，二者相关系数为0.9，当糊化度大于90 %时，结合脂肪达95%以上。 2.4粗纤维     粗纤维主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。大量文献报道由于原料、设备和条件不同，对挤压过程中纤维数量的变化差异较大。周克勇(2001)指出压力越大，温度越高对纤维的破性越大，这可能与挤压膨化过程中的高温、高压、高剪切力作用相关，它们能促使纤维分子间键断裂，分子裂解及分子极性变化。苏晓琳(2009)研究也得出相似结论：小模孔直径、较高的物料含水率、低螺杆转速和较高的挤压温度可以使豆粕中粗纤维含量减少，有利于不溶性纤维向可溶性纤维的转化。金茂国等(1996)通过分析豆渣在膨化前后纤维的变化认为，挤压膨化可增加产品的可溶性膳食纤维量，所增加的可溶性膳食纤维主要是由半纤维素和纤维素降解而产生的；但分析豆渣的x一射线衍射图谱，发现挤压膨化对纤维结晶度的影响不太明显。 2.5  抗营养物质        大豆是具有较高营养价值的蛋白质重要来源之一，被广泛应用到食品饲料等诸多行业。然而由于大豆自身带有一定抗营养成分，限制其在婴幼儿及幼龄动物方面的应用。随着挤压膨化技术的发展，这一问题逐渐得到解决。经过短时高温挤压处理后，大豆不但能够最大程度地保留大豆中的营养成分，而且还能消除大部分抗营养物质。Li等(1991)发现膨化加工的大豆粕能降低仔猪血清中抗大豆球蛋白(Glycinin)和β一伴大豆球蛋白(β-conglycinin)抗体的效价，并能减轻仔猪对大豆蛋白的过敏反应程度。        金征宇等(2006)，指出干法膨化生产的膨化大豆水分越低，对抗营养因子的破坏越少，而湿法膨化生产的10%～12 %水分的膨化大豆抗营养因子相对较低。苏晓琳( 2009)指出大模孔直径、适当的水分含量、高螺杆转速和较高的挤压温度有利于植酸分子的钝化，并且各挤压膨化参数之间的交互作用对脲酶活性的影响显著。 3  小结        膨化产品质量受膨化加工体系的诸多工艺参数，及其交互作用的影响，且衡量产品质量的指标之间也存在很强的相关性，再加上膨化机器设备和物料的复杂性，这些就加大了优化膨化加工工艺参数工作的难度。虽然国内外专家学者进行加工工艺参数和原料性质对膨化产品质量的影响做了大量的研究，对实际生产活动具有一定的意义，但仍然无法满足市场对膨化产品质量和种类的需求，应加大科研投入，系统化研究如何提高膨化产品质量。