膨化和膨胀加工技术及其对猪生产性能的影响

程宗佳 王勇生 陈轶群 郝 波 赵庚福 罗从彦

(1.中粮营养健康研究院动物营养与饲料中心，北京 102209;2.江苏正昌集团有限公司，溧阳 213300)

随着现代饲料加工技术和生物技术在饲料工业中的广泛应用，饲料行业已进入以原料应用技术为主要特点的技术创新阶段。在资源开发逐步成为中国经济热点的今天，饲料将由最低成本配方逐渐向饲料配方优化和饲料原料应用技术方面转化。实践证明，饲料企业如果充分把握了饲料原料的营养价值，尤其是大宗饲料原料的处理技术和应用效果，就有可能在激烈的市场竞争中占取先机。目前，作为传统饲粮配方中主要原料的豆粕和玉米价格不断高涨，给饲料行业带来巨大的压力。如何选择适当的饲料加工技术，受到诸多饲料生产者的重点关注。本文在目前蛋白质及能量原料价格持续飞涨的现状下，针对膨化(extrusion)和膨胀技术巨大的应用潜力及良好的实际效果作一简述。

1 膨化和膨胀的工艺特点

膨化技术用于食品工业已有近百年历史。按韦氏字典的定义，膨化是“迫使原料通过一个特定设计的开口而成形，事先多将原料预热”。膨化是综合了水、压力、温度和机械剪切的作用完成的。膨化过程中，机镗内温度可达90～200℃，膨化时间在2～30 s。膨化产物会发生一系列物理、化学变化，诸如淀粉糊化、蛋白质变性，以及酶类、有毒成分和微生物的失活等。其结果通常会提高膨化饲料产品的营养物质消化率，降低一些抗营养因子含量(如大豆中的胰蛋白酶抑制因子、棉籽中的棉酚)，还会减少饲料携带细菌、霉菌和粉尘的数量，改善饲料的适口性，增进颗粒饲料的稳定性和耐藏性。从而使得所饲养的动物，尤其是幼年动物的生产性能和饲料效率都得以改进。

膨胀机(expander)是另一类型的膨化机，与膨化机的基本功能是相似的。膨胀机利用热、水和摩擦使饲料原料熟化。膨胀过的材料可以直接使用，也可输送到制粒厂进一步制粒。膨胀工艺的主要特点有:1)快速提高加工温度，杀灭病原菌;2)在制粒机前面加上膨胀机后，由于加热、水分及总体的软化作用，淀粉糊化度提高，饲料的制料性能和制粒质量大为改善，同时制粒机生产能力得到提高;3)降低抗营养因子水平，提高饲料转化率;4)增加饲料配方的灵活性，扩大配方的选择范围;5)从膨胀机中出来的饲料可直接被切碎作为成品饲料;6)增加油脂和糖蜜的使用量;7)比膨化加工成本低。

2 膨化和膨胀对饲料营养价值的影响

2.1 淀粉

加工工艺参数(温度和压力等)对产品中淀粉的化学形态有重要影响。膨胀加工能提高淀粉的水解，提高利用率(表1)。淀粉在有水存在的条件下加热，其结晶结构遭到破坏而成为α-淀粉，更易被淀粉酶作用，使动物体内的酶促分解反应得到改善。在饲料中加入2%～3%的蒸汽并加以混合，其中的淀粉就开始膨胀。在调质和膨胀处理阶段，淀粉颗粒吸收水分的速率和程度是饲料的含水率、密度、温度和调质时间的函数。吸水过程中颗粒的晶体结构受到破坏，物料通过膨化机时，颗粒继续膨胀，由于螺杆和膨胀腔对颗粒产生的剪切作用，颗粒破碎了。在高温(大于135℃)和高含水率(添加的水分大于5%)的条件下，饲料变成一种塑性的熔融团块，淀粉发生“改性”或“糊化”。同时，膨化机的搓揉过程所作的功对淀粉的糊化也有影响。因此，动力的输入程度可由改变膨化机环形或锥形出口的大小来控制，这样就可以在膨化机限度内调节淀粉的变性或糊化程度。糊化的最后阶段发生在膨化机的出口区域，在这里，压力的突然下降引起淀粉颗粒的破裂，膨化产品冷却前处于一种粗粒的状态，冷却后容重比膨化前降低大约15%，膨化产品的实际容重还取决于饲料淀粉的数量和种类。

表1 膨胀加工温度对猪饲料淀粉水解程度的影响Table 1 Effects of expanding process temperature on starch gelatinization of pig feeds［1］

2.2 蛋白质

经过膨化的蛋白质，分散指数(PDI值)有所降低，但对蛋白质的含量没有影响。膨化处理会使蛋白质分子三级结构遭到破坏，疏水基团暴露而产生不可逆变性，从而导致溶解度降低。不过这种变性有利于消化酶作用，提高了对蛋白质的消化率。当无大量淀粉存在时，膨化会降低蛋白质在水中的溶解度;当有大量淀粉存在时，糊化淀粉会与蛋白质进行物理性结合，简单的水抽滤法无法溶解这些蛋白质，故较难检出，从而影响PDI值的测定。这说明淀粉对蛋白质的“保护”程度相当强，但动物消化道中的酶可以很容易地溶解这种淀粉基质而保证蛋白质的消化［2-4］。一般认为，膨化工艺不会影响膨化饲料中蛋白质含量，而氨基酸的破坏程度与加工条件有关。在较为温和的膨化条件下(温度125～165℃、水分12% ～18%)加工并没有造成营养损失，赖氨酸的损失较小［5］。在加工温度不是很高时，膨化对赖氨酸和蛋氨酸等的影响不大(表2)。但膨化温度升高(170～210℃)时会降低氨基酸的含量和利用率，限制性氨基酸的损失加剧。Bjorck等［6］报道，膨化温度上升，赖氨酸损失加剧，其次是含硫氨基酸，如精氨酸和色氨酸，其他氨基酸损失较小。当然，由于膨化加工过程中受温度、湿度等的影响，会出现一些不利的化学反应，从而降低蛋白质、氨基酸的利用率，主要表现为对赖氨酸的含量及利用率的降低。赖氨酸的ε-氨基与葡萄糖、乳糖、麦芽糖等含醛基的还原糖分子发生美拉德反应生成蛋白酶不能水解的产物，是造成其生物利用率下降的主要原因。

表2 膨胀加工对麦麸氨基酸的含量和利用率的影响Table 2 Effects of expanding process on content and utilization of amino acids in wheat bran［7］ %

2.3 脂肪

饱和脂肪酸对热处理、化学处理较稳定，但不饱和脂肪酸则易出现氧化，尤其在氧、光线、金属等存在的条件下更易氧化，致使营养价值降低，并产生过氧化物等毒害物质。制粒、膨化技术对脂肪的影响较大。膨胀加工使自然条件下的微生物产生的脂肪分解酶失活，防止脂肪分解为游离脂肪酸(表3)，膨胀加工使脂肪氧化酶失活，防止脂肪氧化酸败。Peisker［1］研究发现膨胀处理影响到饲料中脂肪酸的品质。微生物脂酶如青霉菌、假单胞菌所产生的脂酶是导致饲料原料当中脂肪分解的主要原因。另外，原料或成品中脂肪还会发生氧化反应，使脂肪发生酸败，产生的一些氧化物具有特别的气味。自然条件下所产生的脂肪酶在加热到50～70℃后失去活性，防止了脂肪的氧化酸败。膨化加工中由于脂肪细胞破裂，脂肪溢出被结合在淀粉基质中，形成淀粉-脂肪复合物，从而减少脂肪变质，有利于脂肪贮存［8-9］。

表3 膨胀加工对原料贮存过程中游离脂肪酸的影响Table 3 Effects of expanding process on free fatty acids in ingredients during storage［1］ %

2.4 维生素

维生素是一类具有生物活性的化合物，对其所处的物理及化学环境相当敏感，膨化过程中水分、温度、压力、摩擦等加工条件对维生素的损失率是显著的。研究资料表明，在温度105～120℃时进行膨化，除维生素K、维生素C、维生素E外，其他维生素的保留率均在90%以上［10］。当膨化温度增高(120～170℃)时，各种维生素保留率出现不同程度地降低。对于同一种维生素而言，不同的商品剂型间维生素的保留率也有明显的差别。如膨化温度在110～170℃之间时，随温度的升高，维生素E乙酸酯的保留率均在90%以上，但是维生素E醇的保留率从65%降至5%［11］。

2.5 粗纤维

粗纤维是植物细胞壁的主要成分，是一类不易溶解的物质，饲料粗纤维含量与营养物质消化率之间呈负相关。膨化工艺过程会导致细胞壁破裂，粗纤维含量降低［12-13］。金希亿等［14］研究大豆中粗纤维在膨化前后的变化后指出，膨化后粗纤维平均含量为4.51%，减少率为65.4%。膨化使纤维结构被破坏，水解程度增加，使营养物质的利用变得充分。

2.6 抗营养因子

膨化加工最令人兴奋的功能或许就是破坏抗营养因子，诸如生大豆中的胰蛋白酶抑制因子(trypsin inhibitors，TI)、棉籽中的棉酚和菜籽中的芥籽甙。TI抑制蛋白质分解，使消化道内未消化的蛋白质增加，从而减少氨基酸生成，抑制代谢能释放和脂肪代谢，降低蛋白质消化率。膨化加工后，大部分TI被破坏。膨化熟化的温度、水分、设备配置、滞留时间、模孔大小等因素都会影响TI破坏的程度［7，15-16］。

2.7 饲料卫生指标

膨化和膨胀加工在高温高压的条件下，可以有效的杀灭有害微生物，改善饲料的卫生指标(表4)。

表4 膨胀加工改善饲料卫生指标Table 4 Expanding process improves sanitary index of feeds［7］ 个 /g

3 膨化饲料对猪生产性能的影响

膨化全脂大豆饲粮与豆粕+豆油或豆粕+动物脂肪饲粮养猪效果的比较见表5。多数研究表明，膨化大豆饲粮可以改善猪(特别是哺乳仔猪)的增重和饲料效率。这是因为哺乳仔猪对饲粮污染的细菌更为敏感，其肠道酶活性也较低，膨化熟化加工过程可减少猪饲粮的细菌数，打碎脂肪颗粒而提高脂肪酶的可利用性，从而改善大豆脂肪的利用，增加饲粮能量。

表5 膨化全脂大豆饲粮与豆粕+豆油或豆粕+动物脂肪饲粮养猪效果的比较Table 5 Effects of extruded full-fat soybeans，soybean meal+soybean oil or soybean meal+animal fat in diets on performance of pigs［17］

Mills等［28］用177头母猪进行试验，观察膨化加工的全脂大豆和高粱对母猪和仔猪生产性能的影响(表6)。试验所用的4组饲粮是:1)以粉碎高粱-豆粕-豆油为主的对照;2)膨化高粱-豆粕-豆油;3)粉碎高粱-膨化大豆;4)高粱和膨化大豆混和，再一起膨化(膨化饲料)。饲料原料的膨化加工用的是一台Insta-Pro 2000R型干膨化机。试验从妊娠110 d开始，仔猪在21日龄断奶。试验结果表明，用膨化饲粮饲养的母猪耗料量极显著少于对照组;用膨化料饲养的母猪体重下降幅度比单独膨化的高粱或大豆显著小。用膨化大豆饲养的母猪与膨化高粱饲养的相比，平均日采食量显著高，体重下降幅度极显著小。用膨化的饲料原料饲养的母猪断奶仔猪成活率、最终窝重和增重较高，但差异并不显著。与饲喂对照饲粮的母猪相比，饲喂膨化高粱、膨化大豆和膨化饲粮的母猪所得的窝增重分别高出2.0、2.1和2.0 kg。

表6 膨化高粱和大豆对母猪和仔猪生产性能的影响Table 6 Effects of extruded sorghum and soybeans on performance of lactating sows and piglets［28］

4 膨化-低温制粒对乳猪生长性能的影响

乳猪教槽料不同于普通仔猪饲料，从工艺上应该适应乳猪生理生长特点，乳猪膨化教槽料选用的玉米、豆粕等原料等经膨化处理后再与热敏性原料(血制品+乳糖+葡萄糖+维生素预混料+酶制剂+微生态制剂+微量元素+其他添加剂)混合，形成高消化率的乳猪膨胀教槽料。对于相同配方过40目的干粉状饲料，乳猪不爱采食;对于相同配方，2.5 mm碎颗粒状饲料，乳猪易于采食;对于相同配方，2.5 mm膨胀熟化，再低温制粒，表面进行液体添加，乳猪最喜欢采食。因此，乳猪教槽料应采用膨胀熟化-低温制粒工艺，具体工艺参数见表7。膨胀-低温制粒乳猪教槽料实际饲喂结果见表8。

5 膨胀加工工艺对猪生产性能的影响

膨胀对猪的营养物质消化率和生产性能的影响见表9。从这些试验中可以看出，膨胀也可提高干物质(DM)、氮(N)和总能(GE)的消化率，因此膨胀饲料通常比颗粒饲料和粉料有更高的消化能。用膨胀饲粮养猪，生产性能通常也较好。膨胀甜菜粕对哺乳母猪生产性能的影响见表10，膨胀饲粮有增加断奶活仔数、断奶重及窝增重的趋势。

表7 膨胀熟化-低温制粒乳猪教槽料加工工艺参数Table 7 Process parameters for piglets feeds pelleted under expanding-low temperature［29］

表8 膨胀熟化-低温制粒乳猪教槽料实际饲喂结果Table 8 Some results of feeding piglets feeds pelleted under expanding-low temperature［29］

表9 膨胀玉米-豆粕饲粮对猪的营养物质消化率和生产性能的影响Table 9 Effects of expanding corn-soybean meal diet on nutrient digestibility and performance of pigs［17］%

续表9

表10 膨胀甜菜粕对哺乳母猪生产性能的影响Table 10 Effects of expanding sugar-beet pup on performance of lactating sows［33］

6 小结

随着饲料原料资源的短缺和价格的上涨，加工工艺对降低生产成本，改善猪生产性能的作用日趋明显。传统的膨化工艺具有降低抗营养因子、毒素和有害菌数量，并提高营养物质消化率的作用。新型的膨化和膨胀工艺除了上述优点外，还能提高产能，降低能耗，并进一步释放营养物质，提高营养物质的消化率。膨化和膨胀工艺可破坏非常规原料的纤维成分，增加其应用范围和营养价值。大量的试验结果表明，膨化和膨胀熟化工艺对仔猪、育肥猪和母猪的生产性能具有普遍的提升作用。然而膨化和膨胀加工过程中还有许多需要探索的问题需要去解决，国内科研院所、饲料加工企业应在国内外研究报道的基础上，加强在饲料加工膨化和膨胀工艺方面的科研工作，不仅要深入的研究膨化和膨胀工艺对不同类型饲料配方营养价值、动物消化利用率及动物生产性能的影响，还需要去探索出针对不同畜禽，不同饲料所需的理想加工工艺参数需求。此外，企业应在膨化和膨胀加工方面建立自身的工艺参数标准，形成企业标准，从而逐渐形成行业标准和国家标准。另一方面，为保证膨胀加工过程中的质量要求，在加工过程中可以设计在线监测系统，实时对膨化和膨胀过程进行监测和跟踪，以保证膨化和膨胀加工对饲料品质的要求。相信，经过科研院所、生产企业的共同努力，膨化和膨胀等工艺将会在饲料加工和动物饲养领域发挥更大的作用。

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