挤压膨化工艺参数对犬粮加工质量的影响研究

2019-01-03 02:16李重阳董颖超李军国张嘉琦蒋万春
饲料工业 2018年21期
关键词:调质螺杆硬度

■李重阳 董颖超 李军国,3 张嘉琦 李 俊 杨 洁 蒋万春

(1.河北工程大学生命科学与食品工程学院,河北邯郸056000;2.中国农业科学院饲料研究所,北京100081;3.农业部饲料生物技术重点开放实验室,北京100081)

近些年来随着宠物犬饲养量的上涨,犬粮产业得到快速发展。犬粮加工质量的好坏主要由淀粉糊化度和适口性来评定:淀粉的熟化程度低,膨化效果差,犬在采食后易发生腹泻反应;适口性主要与颗粒的硬度和酥脆性有关,适宜的硬度和酥脆性可增大犬采食量和提高摄食乐趣,进而达到提高适口性的效果。在实际生产中可通过调整膨化工艺参数来提高犬粮的淀粉熟化度、膨化度,改变犬粮硬度和酥脆性。通过试验研究膨化工艺参数与各加工质量指标的关系和规律,对高品质犬粮的加工具有重要意义。目前在研究膨化工艺参数对犬粮加工质量影响方面,大多将容重、膨化度和淀粉糊化度作为膨化加工质量的主要评价指标,对硬度和酥脆性等指标的研究较少,也很少有关于模板吨料开孔面积对加工质量的影响研究。本试验研究不同的物料调质水分含量、模板吨料开孔面积、模头温度和螺杆转速与犬粮的容重、膨化度、颗粒硬度、酥脆性和淀粉糊化度间的关系,探求各工艺参数对犬粮加工质量指标影响趋势和显著程度,以期为实际生产提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验配方(见表1)

表1 饲料配方及营养水平(%)

1.2 试验设计(见表2)

表2 单因素试验工艺参数

本试验采用单因素试验方法,研究物料调质水分含量、模板吨料开孔面积、模头温度和螺杆转速等4个膨化工艺参数对加工质量的影响,具体试验工艺参数设计见表2,每行表示在其它3个参数不变的情况下,改变1个工艺参数。

1.3 试验膨化加工条件及取样方法

本试验在中国农业科学院南口中试基地进行,试验设备为牧羊SJPS56×2双螺杆膨化机,模板开孔数为2,模孔直径为3 mm,混合粉料过60 M筛。

每个试验点参数调整后,待膨化机工作稳定后开始取样,再每隔10 min取样1次,每个试验点取样3次。取样包括调质粉状料和膨化颗粒料,在调质器出料口取调质粉状料,用密封袋取300 g,密封保存,用于调质水分测定;在膨化机出料口取膨化颗粒料2 kg,采用自然风干的方法干燥,待水分低于12%,符合贮存条件,收取装袋进行加工质量指标的检测。

1.4 加工质量评价指标及检测方法

1.4.1 容重

容重仪是测定颗粒饲料自然容重的仪器,通过排气锤在容量桶中自然落下,使饲料在容器中呈现自然排列的状态后称重,所得重量为容重,单位为g/l。

1.4.2 膨化度

犬粮的膨化度一般用径向膨化度表示,利用游标卡尺测定犬粮直径,根据模孔直径计算膨化度,每个样品测20个平行。膨化度=颗粒直径/模孔直径。

1.4.3 颗粒硬度、酥脆性

利用质构仪(型号TA-XY2i,产地英国Stable Micro)进行颗粒硬度和酥脆性的测定。每个试验样品随机取20粒进行测量,探针下降速度为1.0 mm/s,颗粒受力形变40%后探针抬起,该阶段图谱峰值作为硬度的结果(g);探针第一次下压过程中第一个破裂的点即为酥脆性的结果(mm),数值越低效果越好。

1.4.4 淀粉糊化度

含淀粉的饲料原料经膨化后淀粉的熟化程度,饲料中已熟化(糊化)淀粉与所含全部淀粉量之比的百分数表示,采用熊易强(2000)的方法。

1.5 数据分析

数据通过SPSS 20.0进行方差分析,并用“平均值±标准差”表示试验结果。

2 结果与分析

2.1 物料调质水分含量对膨化犬粮加工质量的影响

本试验中,保持模板吨料开孔面积为200 mm2/(t·h),4段膨化腔温度分别为100、130、130、130 ℃,螺杆转速为300 r/min,调质温度95℃不变,调整物料调质水分含量分别为24%、26%、27%、28%、30%,每种条件下膨化犬粮加工质量试验结果见表3。

表3 物料水分含量对膨化犬粮加工质量的影响

由表3试验结果可知,随调质水分含量的上升,容重显著降低(P<0.05),膨化度显著升高(P<0.05),颗粒硬度呈现升高后降低的趋势,酥脆性变差,但差异不显著(P>0.05),淀粉糊化度在水分为26%后显著升高(P<0.05)。当水分含量为30%时,容重最低,膨化度最大,但在此水分含量条件下,物料经挤压膨化出模孔后,会黏结成团,所以此水分含量对实际生产的参考意义不大。虽然水分含量为28%时膨化度和淀粉糊化度最高,但硬度也是最高。而水分含量为27%时,膨化度、容重和硬度在5个试验组中处于中等水平,因此建议水分含量为27%。

2.2 模板吨料开孔面积对膨化犬粮加工质量的影响

在本试验中,保持物料调质水分含量为28%,调质温度95℃,4段膨化腔温度分别为100、130、130、130℃,螺杆转速为300 r/min不变,模板吨料开孔面积分别为240、220、200、180、160 mm2/(t·h)(随喂料速度的增高模板吨料开孔面积缩小),每种条件下膨化犬粮加工质量试验结果见表4。

表4 模板吨料开孔面积对膨化犬粮加工质量的影响

由表4试验结果可得出,随模板吨料开孔面积的降低,容重显著降低,膨化度显著升高(P<0.05),当模板吨料开孔面积为 160 mm2/(t·h)和 180 mm2/(t·h)时,容重显著低于另外3个试验组(P<0.05);从犬粮质构特性来看,模板吨料开孔面积为240 mm2/(t·h)时,硬度最低,酥脆性最好,但淀粉糊化度却最低,此参数不建议使用;与模板吨料开孔面积是220、180、160 mm2/(t·h)相比,模板吨料开孔面积是200 mm2/(t·h)时,硬度最低,酥脆性最好,淀粉糊化度达94.78%,因此建议模板吨料开孔面积为200 mm2/(t·h)。

2.3 模头温度对膨化犬粮加工质量的影响

本试验中保持调质水分含量为28%,调质温度95℃,模板吨料开孔面积为200 mm2/(t·h),螺杆转速300 r/min,膨化加工过程中主要通过调整膨化腔第4段温度使模头温度发生改变,因此,固定膨化腔前3段温度为100、130、130℃不变,分别调整模头温度为110、120、130、140 ℃和150 ℃(实际加工过程中模头温度存在波动,因此,表4中实际温度值与试验设计间存在误差),每种条件下膨化犬粮加工质量试验结果见表5。

表5 模头温度对膨化犬粮加工质量的影响

从表5试验结果可见,随模头温度的升高,容重呈先降低后升高的趋势,膨化度的趋势与容重相反,淀粉糊化度随模头温度的升高显著升高,但当温度超过139.6℃后,淀粉糊化度显著降低。模头温度的升高,会增加犬粮的硬度,降低酥脆性。当模头温度为127.6℃时,膨化度显著高于另外4组(P<0.05)。从质构特性结果分析得出,模头温度为111.5℃和118.7℃的硬度和酥脆性无显著差异(P>0.05),当模头温度升高至127.6℃后酥脆性显著高于温度为111.5℃和118.7℃(P<0.05),在5个处理组中处于中间水平。综合膨化加工质量和质构特性的结果分析,建议模头温度为127.6℃。

2.4 螺杆转速对膨化犬粮加工质量的影响

本试验中固定物料调质水分含量28%,调质温度95 ℃,模板吨料开孔面积为200 mm2/(t·h),4段膨化腔温度100、130、130、130 ℃,螺杆转速为180、210、240、270、300 r/min,每种条件下膨化犬粮加工质量试验结果见表6。

表6 螺杆转速对膨化犬粮加工质量的影响

由表6试验结果可知,随螺杆转速的升高,容重下降,膨化度升高,淀粉糊化度升高。膨化犬粮颗粒硬度随螺杆转速的增加呈降低趋势;螺杆转速对膨化犬粮酥脆性的影响无显著差异。当螺杆转速为300 r/min时,容重显著低于另外4个试验组,螺杆转速的提高,可增强物料在膨化腔内的受剪切强度,剪切力越大,硬度越小;因为膨化机螺杆配置的差异,其转速和扭矩都会有所不同,因此实际生产中可适当提高螺杆转速来达到提高膨化度、酥脆性和降低硬度的效果,因此建议螺杆转速为300 r/min。

3 讨论

3.1 调质水分含量对膨化犬粮加工质量的影响

物料中水分含量的变化主要是通过改变调质过程水和蒸汽的注入量。在膨化加工过程中,水分含量低,淀粉颗粒的内部结构不能完全被破坏,糊化度和膨化度低。水分超出物料能接受的范围后,水会在膨化腔中充当润滑剂的作用,使物料吸收的剪切力和摩擦力减少,模头压力降低,导致物料在膨化腔中糊化程度降低,膨化度下降。本试验研究发现,随水分含量的升高,淀粉颗粒吸水溶胀,吸收摩擦热和螺杆剪切力增强,淀粉熟化(糊化)程度和膨化度随之升高。在质构特性方面,水分为淀粉颗粒被破坏提供了媒介,吸水后的淀粉颗粒,发生膨胀,在膨化腔中经过摩擦和剪切的作用后,淀粉颗粒被破坏,粉碎呈片状,直链淀粉和支链淀粉的结构被破坏,产品的硬度和酥脆性发生改变。Ding等与Stojceska等的研究认为水分含量的升高会增加膨化颗粒的硬度。但Adriana等、Draganovic等和本试验研究结果得出,随水分含量的升高,膨化颗粒硬度降低。这可能是因为各试验中水分添加量的范围不同,水分过低,物料的黏结强度差,此时提高水分含量会使膨化颗粒硬度增加,而本试验中最低的水分含量已经达到22%,继续增加水分物料出模孔后,水分闪蒸作用增强,导致颗粒组织结构松散,颗粒的断裂程度下降,硬度降低,酥脆性变差。

3.2 模板吨料开孔面积对膨化犬粮加工质量的影响

在模板吨料开孔面积(模孔数量和直径)不变的情况下,喂料速度决定了模板吨料开孔面积,喂料速度越大吨料开孔面积越小,喂料速度越小吨料开孔面积越大。吨料开孔面积决定了物料在膨化腔内的填充程度、停留时间和模头压力,这些作用最终都会引起产品品质的变化。模板开孔面积不变,喂料速度低会造成物料在膨化腔内的填充度下降,从而影响到物料吸收机筒壁的有效热量、螺杆的剪切力和模头压力;快的喂料速度,可以提高物料在膨化腔内的填充度,吕宝龙等、Lio等与Ding等研究发现,随喂料速度的升高,膨化腔内物料填充度增大、受剪切程度增强,支链淀粉的降解程度和物料黏弹性升高,淀粉的糊化度提高。但喂料速度过高,会发生淀粉糊化度降低的现象。本试验中,试验结果与前人研究结果基本一致,喂料速度的增加使膨化腔内物料填充程度变高,膨化度提高;在质构特性方面,本试验中,犬粮的硬度和酥脆性随模板吨料开孔面积的缩小而升高,这是因为熔融体中淀粉致密的晶体结构被破坏程度升高,膨化腔内物料黏弹性增强,导致颗粒硬度增加和酥脆性变差。

3.3 模头温度对膨化犬粮加工质量的影响

膨化腔分为喂料段、揉合段和熟化段,物料在调质器中经过水和蒸汽的双重作用后,通过膨化腔喂料段进入揉合段,在揉合段被注入强大的机械能和机筒壁传导的热能后进入熟化段,在此阶段大部分的淀粉颗粒发生破裂,最终在模头处短暂的停留后,被瞬间挤压出模孔,由于压力和蒸汽瞬间的释放,形成了内部多孔的膨化颗粒。吕宝龙等在研究宠物食品挤压膨化加工工艺时发现,随模头温度的升高,膨化度显著升高,但当温度升高到140℃后再继续升温,膨化度的升高幅度变缓。还有研究结果显示,随温度上升至淀粉糊化所需的最高温度后,继续加温会出现膨化度降低的现象,因为高温加剧了水分的蒸发和淀粉受破坏的程度,导致气泡在未被挤出模孔时就已经破裂,并可能出现焦糊现象,膨化度下降。本试验中,随模头温度升高至127.6℃时,膨化度达最高,再继续升温膨化度有轻微降低的趋势;当模头温度达127.6℃时,淀粉就已经取得了很好的熟化效果,再继续升温虽然淀粉的熟化程度有提高的趋势,但效果不显著,还会额外增加能量的耗费。在质构特性方面,本试验结果得出,模头温度的升高,颗粒硬度显著升高,酥脆性显著降低,这可能是因为随模头温度的升高,熔融物在膨化腔内的黏度降低,水分蒸发量增加,颗粒组织结构紧密,硬度升高;同时,淀粉颗粒破碎、卷曲、膨胀、内部出现大量气泡,淀粉糊化、糊精化程度升高,原本的晶体结构被严重破坏,酥脆性降低。

3.4 螺杆转速对膨化犬粮加工质量的影响

螺杆转速决定了物料在膨化腔内停留时间长短、填充度和受剪切程度的高低,最终导致产品的容重、膨化度和质构特性发生改变。王亮等在研究挤压条件对谷物早餐质构的影响发现,较低的螺杆转速会使物料在膨化腔内停留时间变长,受热的作用变强,淀粉颗粒容易遭到破坏,晶体结构变为无序结构,螺杆转速提高,物料在膨化腔内停留的时间变短,受热作用减少,但螺杆强大的剪切能力使淀粉颗粒内部产生气泡,从而提高膨化度。吕宝龙等在研究宠物食品挤压膨化加工工艺和机理时发现,随螺杆转速的升高,产品膨化度显著升高。但螺杆转速过高,糊化度和膨化度下降较明显:王文贤等发现,当螺杆转速高于260 r/min时,会有生淀粉从模孔处挤出,这说明由于螺杆转速较高,淀粉在膨化腔内还尚未完全糊化就被挤出模孔,从而造成膨化度的下降。本试验研究发现,犬粮的膨化度随螺杆转速的升高而升高,硬度和酥脆性随螺杆转速的升高而降低。在实际生产中,因膨化机类型的不同,其螺杆配置和构型也不同,因此通过本试验结果可以得出,随螺杆转速的变化犬粮膨化度的变化趋势,在实际生产中可通过本试验得出的趋势,来调整螺杆转速。

4 结论

当物料调质水分含量为27%;模板吨料开孔面积为200 mm2/(t·h)时,犬粮容重、膨化度较其他各组相比处于中等水平,硬度与酥脆性无显著性差异。当模头温度为127.6℃时,犬粮的膨化度显著高于其他各组。当螺杆转速为300 r/min时,犬粮的膨化度显著高于其他各组,硬度显著低于另外各试验组。

因此,针对不同犬粮加工质量的要求应选择适宜的挤压膨化工艺参数。

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