挤压膨化宠物食品生产质量控制关键要素研究进展

赵 鹏 王金全

（中国农业科学院饲料研究所，北京100081）

近年来，随着新型饲料加工装备的发展，宠物食品挤压膨化工艺将逐步代替传统的冷挤压和蒸汽制粒工艺。合理的生产管理工艺可以提高生产效率，降低能耗，有效减少病原微生物，保证饲料产品质量和安全。挤压膨化加工技术，是将多种配料混合物经过蒸汽调节、压缩并通过模具挤压。挤压机通过单螺杆或双螺杆将多种配料输送、混合、揉搓、剪切、使物料通过成型模具，膨化成一种均匀的食品，具有特定的形状和长度[1]。在动物饲料的配方中，原料的质量和生产过程都与成品的营养质量有关[2-4]。

在宠物食品生产中之所以广泛应用挤压膨化工艺，是因为这项技术的多功能性，在各种湿度、剪切力、压力、时间和温度条件下可以混合饲料、改善功能、解毒、杀菌和加工各种食品成分[5]。在挤压过程中，维生素活性和可利用氨基酸可能降低，脂质可能遭受氧化降解[6-7]，但不会对消化率产生影响[7]。挤压过程还可以使一些酶变性，使一些抗营养因子，如胰蛋白酶抑制剂、血凝素、单宁和植酸盐等物质失活[8]。

1 挤压膨化宠物食品生产中水的控制

膨化宠物食品为多种原料经过粉碎、混合后进入挤压膨化机,最终加工成为含水量8%～10%的膨化产品[9]。猫和狗的膨化宠物食品的生产通常在含水量200～300 g/kg下进行[10]，之后必须进行干燥，将水分含量降低至60～90 g/kg 以下[4]，从而延长最终产品的保质期。在挤压过程中水分添加量，不会影响猫对食物的采食偏好[11]。对于干性膨化产品，最终水分含量必须低于10%才能防止发霉以及细菌的生长[3]。这与哥斯达黎加饲料工业要求产品水分含量保持在8～10 g/100 g[7]一致。

通过提高物料中水分添加量，可以减少挤压机筒体中的摩擦，降低能耗[12]，降低挤压机中机械能和剪切效应和淀粉的糊化度[13]；物料水分过低则会导致犬粮硬度降低，脆性增加、适口性下降，同时也易引起生产过程中挤压机进料口堵塞[14]。有报道指出预处理过程中水化作用不当会影响淀粉的整体糊化，并导致产品膨胀和结构变化减少[15]。Ilo等[13]报道，挤压过程中水分的增加会改变支链淀粉分子结构，降低表观黏度，导致径向膨胀率降低。Manbeck 等[16]报道，在添加明胶的物料膨化率下降的原因，可能是大部分水分被明胶吸收。随着物料含水量的升高膨化度逐渐降低[12]。Lin 等[11]报道，随挤压机筒内水分的增加机械能利用率、挤压温度、压力、淀粉糊化、有机物体外消化率均降低，赖氨酸的络合作用减弱；挤压机筒内添加280～320 g/kg 的水分，以可改善挤压颗粒成型。李重阳[14]报道，物料中比较适合的水分含量为28%。

宠物食品挤压膨化生产过程中物料水分含量过低或过高都会对产品颗粒的膨化效果产生影响，在加工过程中，适宜的水分可以起到润滑和增塑作用，同时有助于提高产品熟化度和膨化度。应根据配方原料特性和产品膨化效果合理调整水分用量并控制膨化产品的含水率。

2 挤压膨化宠物食品生产中水活度的控制

水活度（aw）对研发和生产营养、安全、稳定的宠物食品非常有用，因为水活度对微生物生长、质地、风味、化学反应（如褐变或脂质氧化）或酶活性至关重要[17]。水活度的降低，表现出抑菌特性，是食品中用来表明抑制微生物生长的参数[2]。水活度增加会对宠物食品的保质期产生严重影响[18]。因为水活度与脂质质量有关，可影响脂质氧化[19]、脂质修饰[20]、致病菌和伏马菌素B1 积累[21]。Leiva Astrid 等[7]报道，成年犬、幼犬和猫干粮的水活度为0.535 6、0.583 7 和0.547 7。Başer 等[17]报道，猫和狗挤压膨化食品在24.59 ℃和24.47 ℃下的平均水分活度分别为0.41和0.44。

水活度值是膨化食品生产、包装和保质期的重要参数。细菌、霉菌和酵母菌生长都需要水，而每一种微生物都有一个最低限度的水活度，低于这个限度就不会生长。食品中水活度在0.85以下认为没有危害，因为没有足够的水维持病原体的生长[17]。

3 挤压膨化宠物食品生产中温度的控制

在干膨化宠物食品生产过程中，控制温度在80～150 ℃之间，有利于减少废物，增加产品的保质期，提高碳水化合物的消化率[14]。挤压生产过程中所达到的温度可消除食品中沙门氏菌等致病菌[22]。Singh 等[12]发现套筒温度显著影响豌豆径向膨化度，在温度150 ℃时膨化度最高。李重阳[14]报道，随着模头温度的升高、容重先降低后升高、膨化度先升高后降低、淀粉糊化度显著升高，当温度超过139.6 ℃后，淀粉糊化度显著降低。温度高于180 ℃后机筒中原料容易发生焦糖化反应，不利于挤压膨化的进行和产品品质的改善，综合考虑套筒温度对淀粉糊化度和营养元素的影响，最适温度范围为120～170 ℃[14]。有研究评估了在过度热处理条件下获得的大豆饲料产品中的糠氨酸生成量，每100 g蛋白质为66.55 mg和108.01 mg[23-25]。而有研究报道细胞系对糠氨酸敏感，糠氨酸可以阻碍体重增长，并影响动物的肝和肾功能[26]。。

膨化宠物食品的干燥温度会影响营养成分，特别是在高温下。过度加热会破坏脂肪的稳定性，从而导致黏性物质的产生，并导致香味挥发物的挥发[27]。Tran 等[28]报道，膨化颗粒在120 ℃的干燥温度下总赖氨酸和活性赖氨酸的含量高于200 ℃的干燥条件，在160～200 ℃的干燥温度下，与总赖氨酸相比，活性赖氨酸减少得更多，从而发生赖氨酸损耗，在200 ℃的干燥温度下显著降低了膨化颗粒中脯氨酸、总赖氨酸和活性赖氨酸的含量，160 ℃以下干燥宠物食品可将干燥过程对营养素的不良影响降至最低。

4 挤压膨化宠物食品中喂料速率的控制

喂料量的大小决定了物料进入膨化腔后，在膨化腔内的停留时间和填充程度[29]，它表示单位时间内投放到膨化机内的原料的多少，从而也决定了膨化机的生产效率[30]。张文珍等[30]报道，喂料速率18 Hz 的饲粮糊化度极显著高于喂料速率20 Hz，喂料速率18 Hz的饲粮容重极显著低于喂料速率20 Hz。Ilo 等[13]报道，提高喂料速率，增加了原料淀粉源的停留时间，从而增加其糊化度。Athar 等[5]研究发现物料在机筒中的停留时间越长越不利于维生素的保存。Ding 等[31]发现增加喂料速率可以影响挤压机填充度和物料停留时间，引起支链淀粉降解，改变表观黏度，增加弹性效应，影响膨化度。Ilo 等[13]报道，在使用玉米粉挤压膨化中喂料速率（47～60 kg/h、挤压20 min 达到稳定状态）会影响挤压机填充程度和物料停留时间，破坏熔融体中支链淀粉的网状结构，但对容重没有影响。单达聪等[32]报道，随喂料速度（8、10、12、14、16 Hz）的提高容重明显提高，不同喂料速度之间的容重差异极显著。吕宝龙等[33-34]研究发现，随喂料速度的增加，物料在膨化腔内填充度增大、受剪切程度增强，淀粉糊化度和膨化度升高，但淀粉糊化度达80%后，再继续增大喂料量，淀粉糊化度和膨化呈下降趋势，比较适合的进料速率为15～25 Hz。李重阳[14，35]报道，喂料速率与膨化度和淀粉糊化度呈正比，10～35 Hz 之间随喂料速度增加，膨化度显著增加，喂料速度过大会发生堵料现象，合适的进料速率应在10～30 Hz。

5 模板吨料开孔面积

模板吨料开孔面积（模孔数量和直径）的大小与模板开孔面积和喂料速度密切相关，随着模板开孔面积的增加，膨化腔内充盈程度降低、压力减小，导致膨化效果降低；一定范围内提高喂料速率，充盈度增加，膨化腔内压力增加，膨化效果增强[36]。在模板吨料开孔面积（模孔数量和直径）不变的情况下，喂料速度越大吨料开孔面积越小，喂料速度越小吨料开孔面积越大[14]。Manbeck[16]报道，在4种不同明胶添加量的宠物食品生产中两种模具（圆形模开孔面积15.90 mm2、三角形模开孔面积12.99 mm2）的重复试验中出现差异，是由于开孔面积的差异，而不是试验处理的影响。李重阳[14]报道，当模板吨料开孔面积分别为240、220、200、180、160 mm2/(t·h)时，随模板吨料开孔面积降低，容重显著降低、膨化度显著升高，犬粮的硬度和酥脆性随模板吨料开孔面积的缩小而提高，当吨料开孔面积为200 mm2/(t·h)时，犬粮质构特性最佳。李嘉琦[36]报道，在水产膨化饲料的研究中随吨料开孔面积[300～500 mm2/(t·h)]的提高，容重逐渐升高，膨化率逐渐降低。

6 挤压膨化宠物食品中螺杆转速的控制

在膨化宠物食品挤压膨化过程中可通过调节螺杆转速，来控制挤压作用强度。螺杆转速的增加和降低，均会对物料的糊化度和膨胀率等指标产生影响。增加转速，由摩擦产生的热量将增加，同时物料的停留时间也将变短，随着物料流通速度的增加，从管壁上传导到物料的热量将减少；降低转速，物料的流通速度减慢，在挤压机内停留时间将延长，同时摩擦产生的热量将减少。Dogan 等[37]报道，提高挤压机螺杆速度会产生更多的机械能和挤压力，增加蒸汽闪蒸而导致更高的膨化率。Manbeck 等[16]报道，螺杆转速高（500 r/min）、低（300 r/min）的颗粒膨胀效果优于中等螺杆转速（400 r/min）；螺杆转速低增加了物料停留时间，使物料和水分有更充分的接触，起到了额外的调节作用，但不会产生增加膨胀所需的额外压力。Lin等[11]报道，螺杆转速高（400 r/min），会降低物料在挤压机中的停留时间，降低熟化程度和致糊化度降低，还会导致膨化度降低。李重阳报道，随螺杆转速升高、容重下降，膨化度和淀粉糊化度升高，颗粒硬度呈降低趋势，最佳螺杆转速为300 r/min。

7 结语与展望

对于宠物食品来讲，犬猫的每一份食物都必须确保满足基于其生理阶段和体力活动的基本营养需求[38，2]。挤压膨化工艺是一个多输入、多输出的多功能系统，挤压过程中原料发生一系列的化学反应[14]，最终的加工质量取决于多方面因素的综合作用。为了保证产品的品质和质量，确保适当杀灭致病菌，以及足够的淀粉糊化以确保良好的养分消化率[39]。研究宠物膨化食品生产工艺的控制要素，找出不同原料配方和生产设备条件下适宜的加工条件，是宠物食品行业需要解决的问题。