秸秆添加量对双螺杆膨化畜牧饲料质量的影响

缪 宏， 葛迅一， 严 宇， 夏云帆， 张剑峰， 杨 铮

（1.农业部现代农业装备重点实验室，江苏南京210014；2.扬州大学机械工程学院，江苏扬州225000）

农作物秸秆一直以来是牛、羊等反刍动物的粗饲料（张杰等，2018；Schlegel等，2016），但因其含有大量粗纤维和木质素，质地粗糙、坚硬且适口性差，导致家畜对秸秆采食率和消化率较低（Amruta Morone等，2018；黄秋婷等，2009）。研究表明可以通过挤压膨化作用改变农作物秸秆性能，破坏粗纤维和木质素结构，提高秸秆的消化率（Dyna Theng等，2017）。

目前，国内外秸秆挤压膨化研究主要集中在单螺杆，且对饲料中秸秆添加量的相关研究鲜见报道（Gao等，2018；冯坤等，2011；Yan等，2007），而单螺杆挤压膨化机存在物料易倒流、螺杆易磨损等问题，双螺杆挤压膨化机主要借助两个啮合螺杆的强制推动力保证物料向前输送，克服了单螺杆膨化机的缺点，更适合用于农作物秸秆挤压膨化。

为确定双螺杆挤压膨化秸秆饲料的秸秆添加量，本试验以稻秸秆作为原料，以常见畜牧饲料中易于膨化的玉米粉作为基料，通过对制备饲料的膨化度、各项质构指标、成型质量进行分析，找出秸秆添加量对饲料各质量因素的影响规律，确定膨化饲料的稻秸秆添加量。以期为农作物秸秆饲料化加工中秸秆添加量选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验稻秸秆采集自扬州市朴席镇农户，初始含水率8.73%，纤维素质量分数44.94%，半纤维素质量分数18.25%，木质素质量分数14.79%，灰分质量分数6.32%，粉碎过18目筛备用。试验玉米粉取自绍兴科盛饲料有限公司，初始含水率14.23%，淀粉质量分数63.59%，蛋白质质量分数10.05%，脂肪质量分数2.04%，粒径＜0.25 mm。

为充分利用稻秸秆，试验设置稻秸秆添加量为10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，每组试验饲料配制1kg，调节物料的含水率为24%，采用DS32-Ⅱ试验型双螺杆挤压膨化机（济南赛信机械有限公司），根据林江娇等（2012）和庄海宁等（2011）的研究并结合试验原料及机器实际情况设置主要参数：熔体输送区温度为140℃，螺杆转速为100 r/min，喂料速度为20 r/min，螺杆长径比为18.19，模孔直径为5 mm。膨化好的饲料采用101-00B型数显电热恒温干燥箱（绍兴市银河机械仪器有限公司）烘干，设置温度为70℃，干燥时间为4 h，干燥后待其冷却至室温，装袋贴标签保存于4℃冰箱中备用。

1.2 试验方法 膨化度：常用表示方法有3种：轴向膨化度、径向膨化度和体积膨化度（毕金峰等，2008），其中径向膨化度最直观且容易测量，所以本试验采用径向膨化度P表示：

式中：D0为挤压膨化产品平均直径，mm；D1为挤压膨化机模孔直径，mm。

本试验采用数显千分尺（禾木五金机械设备公司）测量挤压膨化饲料样品，每组样品随机测量20粒，去掉其中的最大和最小值，采用算术平均值作为挤压膨化产品平均直径D0结果，代入上式得到产品膨化度。

质构特性：可以表达为饲料的硬度、黏附性、内聚性、弹性、胶黏性和咀嚼性（黄奕颖，2013；张彦军等，2012）。每组选取颗粒完整的试验饲料，采用TMS-PRO食品物性分析仪（美国FTC公司）对饲料进行测试，选取直径为75 mm的圆盘型探头，设置测试条件：触发力为0.8 N，测试速率为120 mm/s，压缩程度为50%，压力为0.1 N，每种样品测试3粒，结果取平均值。

成型质量：参照Miao等（2017）、覃莉莉等（2013）和牛化欣等（2011）的研究方法，将试验样品纵切，取1 mm左右颗粒均匀撒在双面胶上，在真空中喷涂钯金，采用Zeiss_Supra55场发射扫描电镜（ZEISS公司）以20 kV电子束观察样品粒径大小和表面的微观形态并保存饲料的形貌照片。

2 结果与讨论

2.1 稻秸秆添加量对饲料膨化度的影响 每组饲料样品的平均直径和膨化度计算结果如表1所示，随着稻秸秆添加量的逐渐增大，挤压膨化产品的膨化度也随之逐渐降低，当稻秸杆添加量逐渐增大到35%时，饲料膨化度从1.54逐渐下降到1.08，而当稻秸杆添加量超过35%时，饲料基本不膨化。研究表明，稻秸秆中纤维素、半纤维素和木质素成分占到70%以上（Oxana Tyapkova等，2016；刘洪风等，2002），木质素与半纤维素、纤维素之间以酯键和醚键连接为主，这类化合物结构很牢固，属于不易膨化的物质，因此随着稻秸秆含量的增加，饲料膨化度呈线性递减的变化趋势，当稻秸杆添加量高于35%时，饲料基本不膨化，已失去研究意义。

表1 不同稻秸秆添加量下饲料膨化度

2.2 稻秸秆添加量对饲料质构特性的影响 结合上述膨化度分析结果，去除秸秆添加量35%和40%的试验组，对剩余5组饲料样品的质构指标平均计算结果如表2所示，当稻秸秆添加量为10%～15%时，饲料的硬度由125 N增加到144.7 N，之后便随着稻秸秆添加量的增加而不断降低，考虑到畜牧动物采食率，饲料硬度不宜过高，因此从饲料硬度考虑最好选择30%左右的稻秸秆添加量；饲料的黏附性即饲料表面黏性，数值小可保证饲料咀嚼不黏牙，试验饲料黏附性随稻秸秆添加量的增大而不断增大，但稻秸秆添加量在10%时，饲料黏附性只有0.12 m，数值过小导致口感沙化影响采食率，因此从饲料黏附性考虑最好选择15%左右的稻秸秆添加量；当秸秆添加量为10%～20%时，饲料内聚性稳定在0.07 Ratio，当秸秆添加量为20%～30%时，饲料内聚性升至0.12 Ratio，数值越大说明饲料内部结构越稳定，因此从饲料内聚性考虑最好选择30%左右的稻秸秆添加量；当稻秸秆添加量为10%～15%时，饲料弹性由0.99 mm降到0.94 mm，当稻秸秆添加量为15%～20%时，饲料弹性基本保持不变，当稻秸秆添加量超过20%时，饲料弹性缓慢下降，畜牧饲料弹性只要不是太大对采食率基本无影响，因此从饲料弹性考虑可选择15%～30%的稻秸秆添加量；当稻秸秆添加量为10%～20%时，饲料胶黏性基本保持不变，当稻秸秆添加量超过20%时，饲料胶黏性逐渐上升，饲料胶黏性表示将半固体饲料破裂成吞咽时的稳定状态的力，因此从饲料胶黏性考虑可选择10%～20%的稻秸秆添加量；饲料咀嚼性表示将半固体样品咀嚼成吞咽时的稳定状态所需的能量，在试验饲料组中其波动情况与胶黏性相似，因此从饲料咀嚼性考虑可选择10%～20%的稻秸秆添加量。

表2 稻秸秆添加量对饲料质构指标的影响

2.3 稻秸秆添加量对饲料成型质量的影响 去除秸秆添加量35%和40%的试验组，对剩余5组稻秸秆添加量饲料内部结构进行扫描电镜观测。图1a、1b为稻秸秆粉和玉米粉SEM参照组，图1c、1d中，因为稻秸秆添加量比较少，糊状玉米粉将秆颗粒完全包裹，说明稻秸秆和玉米粉混合均匀，从图1d中饲料断层内部秸秆颗粒情况可以看出稻秸秆纤维已降解、细化；图1e中，随着秸秆添加量的增大，糊化玉米粉虽也将秆颗粒完全包裹，但与图1c、1d相比饲料颗粒表面已经不光滑；图1f、1g中，稻秸秆纤维也已撕裂、破碎，糊化玉米粉分布不均匀导致稻秸秆纤维表面凹凸不平，图1g中颗粒状结构是还没有糊化的玉米粉，表明当稻秸秆添加量在30%左右时，饲料在双螺杆挤压腔均化输送段淀粉糊化、蛋白质变性、纤维撕裂降解等物化反应不充分。成型质量变化反映到宏观饲料表面质量如图2所示，当稻秸秆添加量为10%～20%时，饲料外表较为均匀且直径较大，当稻秸秆添加量继续增大时，饲料外表变粗糙且直径减小，说明饲料膨化效果变差。

图1 不同稻秸秆添加量饲料内部结构的扫描电镜图（10μm）

图2 不同稻秸秆添加量对应饲料表面质量

3 结论

在稻秸秆饲料双螺杆挤压加工中，单从膨化度考虑，稻秸秆添加量越小，试验饲料膨化效果越好。综合考虑试验饲料各项质构指标情况，最好选择20%左右的稻秸秆添加量，此时试验饲料各项质构指标都能保证在较优区间内。若只是保证试验饲料有较好的成型质量，可选择10%～20%的稻秸秆添加量。为保证畜牧饲料产品质量较优，综合考虑膨化度、质构指标、成型质量，最终选取稻秸秆添加量为20%，此时稻秸秆添加饲料成型质量最好，饲料膨化度和各项质构指标也能有较优表现。