6种常用饲料原料平衡水分吸附等温线研究

郭沁文 任晨茜 龚杨帆 李 翀 齐德生

(华中农业大学动物科学技术学院，武汉 430070)

水分活度是指一定温度的密闭容器中，物料的水蒸气压与纯水蒸气压之比[1]。它反映了物料中水分的存在形式及可被微生物利用的程度，是决定产品质量的安全性和稳定性的最重要因素之一[2,3]。目前，水分活度的概念已广泛应用于食品领域[4,5]，在饲料行业也逐步展开应用。在我国农业农村部2018年发布的20号文件中，已将水分活度定为评价宠物配合饲料的重要质检指标[6]。

不同的微生物都有生长所需的最低水分活度值，一般地，霉菌生长的水分活度要在0.7以上，水活度低于0.7时，仅有少数嗜旱霉菌可以生存，如薛氏曲霉、赤曲霉、阿姆斯特丹曲霉等，而霉菌孢子基本不发芽。水分活度低于0.6时，所有霉菌都不能生长[7-9]。因此，以水分活度值为0.6对应的含水量为饲料绝对安全含水量，水分活度值为0.7对应的水分含量为饲料相对安全水分含量[10]。控制饲料含水量在安全含水量以下，就可以抑制霉菌生长，从而达到有效防霉[11]。

在一定温度下以物料的水分含量对其水分活度作出的曲线为平衡水分吸附等温线，又叫吸湿等温曲线。吸湿等温曲线对食品的干燥、混合、贮藏有重要指导作用，根据曲线拟合方程，可计算出饲料原料的安全水分[12,13]。在20世纪早期，Coleman发现在恒定温度下谷物的含水量与其水分活度有对应关系，建立了水分等温吸附曲线[14]，此后国外相继有许多水活度与吸附等温线的报道[15]。欧共体的科学技术联盟联合11个国家对玉米、小麦、稻谷等农产品的吸附等温线进行研究，绘制了一千多条等温线[16]。我国对于农产品水分等温吸附研究起步较晚，在20世纪90年代，文友先等[17]率先对稻谷的吸附与解吸等温线进行研究，发现曲线呈反S形，随后国内陆续研究了玉米、大豆、小麦、乳清粉等少量农产品的吸湿曲线[18-23]。

目前，我国对于农产品水分等温吸附的研究报道有限，远不能满足饲料生产需要。本实验通过研究6种常用饲料原料在不同温度下的平衡水分吸附等温线，利用曲线拟合效果好的数学方程计算出饲料原料的绝对安全含水量和相对安全含水量，以便为饲料原料防霉工作提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 原料样品

2018—2019年从我国粮食主产区收集6种饲料原料，样品产地、年份及生化指标见表1。

表1 实验用饲料原料样品(生化指标)/%

1.1.2 仪器设备

101-1AB型电热鼓风干燥箱(温度偏差：±1 ℃)；干燥器：内径240 mm；BS224S电子分析天平(精度：±0.1 mg)；铝盒：直径5 cm、厚度2 cm；LabMaster-aw型水分活度测定仪(温度范围：0～50 ℃，精度：±0.003 aw，饱和盐薄片：氯化锂，氯化镁，溴化钠，氯化钠，氯化钾，硫酸钾)。

1.2 试验方法

1.2.1 饲料原料的准备

饲料原料经40目筛粉碎，放入电热鼓风干燥箱，105 ℃干燥至恒重，取出置于干燥器中冷却后将样品分置于8个自封袋中，将自封袋中的饲料原料中兑水至预期所需的含水量(分别为5%、7.5%、10%、12.5%、15%、17.5%、20%以及该饲料原料基本含水量)，待样品在干燥器中水分平衡24 h以上备用。

1.2.2 样品水分活度的测定

分别使样品在LabMaster-aw型水分活度测定仪样品盒中平衡到15、25、35 ℃，测定不同水分梯度样品的水分活度，每个含水量的样品做3个平行样，取平均值作为该点的水分活度。

1.2.3 样品实际水分含量的测定

按照GB/T 6435—2014方法进行饲料含水量的测定，每个水分含量的样品取2份平行样进行测定，取平均值作为饲料原料的实际含水量。

1.2.4 水分等温吸附曲线数学模型

本实验根据所选的饲料原料种类及成分，选择了5种农产品常用的平衡水分吸附等温线拟合方程：修正Halsey(MHAE)、修正 Henderson(MHE)、修正Chung-Pfost(MCPE)、修正3参数GAB(MGAB)、修正Oswin(MOE)，其表达式及参数见表2[24]。

表2 农产品常用的平衡水分吸附等温线拟合方程

2 结果与分析

2.1 小麦粉平衡水分吸附等温线

运用Origin 9.1进行统计学分析，小麦粉在不同条件下平衡水分吸附等温线拟合方程的方程参数及统计学参数见表3。由表3可见，MGAB方程在15和35 ℃拟合效果最好，MHE方程在25 ℃时拟合最好。将常数项带入最佳拟合方程，计算出小麦粉在15、25和35 ℃下的绝对安全含水量为12.43%、12.29%、11.48%，相对安全含水量为14.24%、14.14%、13.60%。

表3 小麦粉平衡水分吸附等温线拟合方程参数及统计学参数

2.2 米糠平衡水分吸附等温线

运用Origin 9.1进行统计学分析，米糠在不同条件下平衡水分吸附等温线拟合方程的方程参数及统计学参数见表4。由表4可见，MOE方程在15、25、35 ℃时拟合效果均为最好。将常数项带入最佳拟合方程，计算出米糠在15、25、35 ℃下的绝对安全含水量为9.14%、8.83%、8.45%，相对安全含水量为10.76%、10.55%、10.33%。

表4 米糠平衡水分吸附等温线拟合方程参数及统计学参数

2.3 棉粕平衡水分吸附等温线

运用Origin 9.1进行统计学分析，棉粕在不同条件下平衡水分吸附等温线拟合方程的方程参数及统计学参数见表5。由表5可见，MOE方程在15、25 ℃时拟合效果最好，MGAB方程在35 ℃时拟合最好。将常数项带入最佳拟合方程，计算出棉粕在15、25和35 ℃下的绝对安全含水量为10.53%、10.34%、10.00%，相对安全含水量为12.57%、12.63%、12.56%。

表5 棉粕平衡水分吸附等温线拟合方程参数及统计学参数

2.4 芝麻粕平衡水分吸附等温线

运用Origin 9.1进行统计学分析，芝麻粕在不同条件下平衡水分吸附等温线拟合方程的方程参数及统计学参数见表6。由表6可见，MOE方程在15、35 ℃时拟合效果最好，MHAE方程在25 ℃时拟合最好。将常数项带入最佳拟合方程，计算出芝麻粕在15、25和35 ℃下的绝对安全含水量为8.84%、8.27%、8.18%，相对安全含水量为10.73%、10.12%、10.36%。

表6 芝麻粕平衡水分吸附等温线拟合方程参数及统计学参数

2.5 玉米蛋白粉平衡水分吸附等温线

运用Origin 9.1进行统计学分析，玉米蛋白粉在不同条件下平衡水分吸附等温线拟合方程的方程参数及统计学参数见表7。由表7可见，MHE方程在15 ℃时拟合效果最好，MCPE方程在25 ℃时拟合最好，MOE方程在35 ℃时拟合最好。将常数项带入最佳拟合方程，计算出玉米蛋白粉在15、25和35 ℃下的绝对安全含水量为9.48%、9.05%、8.49%，相对安全含水量为10.91%、10.54%、9.96%。

表7 玉米蛋白粉平衡水分吸附等温线拟合方程参数及统计学参数

2.6 DDGS平衡水分吸附等温线

运用Origin 9.1进行统计学分析，DDGS在不同条件下平衡水分吸附等温线拟合方程的方程参数及统计学参数见表8。由表8可见，MGAB方程在15 ℃时拟合效果最好，MOE方程在25、35 ℃时拟合效果最好。将常数项带入最佳拟合方程，计算出DDGS在15、25和35 ℃下的绝对安全含水量为9.29%、8.95%、8.60%，相对安全含水量为11.96%、11.62%、11.31%。

续表7

表8 DDGS平衡水分吸附等温线拟合方程参数及统计学参数

3 讨论

3.1 不同饲料原料对水分的吸附性

由于饲料本身的理化性质差异，对水分的吸附能力不同，用以描述曲线的最佳拟合方程也不尽相同。在本实验选取的吸湿方程中，MHAE方程对高油脂、高蛋白类农产品吸湿曲线拟合较好，MOE方程适于描述蛋白质类和淀粉类食品，MCPE方程和MHE方程适于拟合大麦、小麦等淀粉类谷物及富含纤维的物料，MGAB方程提供单层水分含量，对确定食品储藏能力, 尤其是脱水食品的最佳水分含量最有用[25-28]。因此，对不同的饲料原料绘制平衡水分吸附等温线时，应根据饲料的化学组成选择合适的吸湿模型进行拟合。

3.2 温度对饲料水分活度的影响

在一定含水量范围内，水分活度随温度升高而增大。这是由于温度变化会引起饲料原料理化性质的改变。随着温度升高，物料对水的亲和活性点减少，分子的激发态及分子间引力发生改变，水分子的活性增强，导致饲料对水分吸附力下降，游离水增多[29,30]。因此，“安全水分”是相对的，在不同的季节和地区，由于气温不同，同一饲料原料的安全水分含量不同。

3.3 饲料原料吸湿等温曲线的形状

Brunauer根据形状将吸附等温线归纳为5类[31]，本研究中6种饲料原料的吸湿曲线变化趋势基本一致呈S形，属于Ⅱ类型等温线，与大多数食品相符[24]。S形曲线前段上升缓慢，后半段上升趋势变强。这是由于随着水分活度增大，水分进入饲料原料膨胀的间隙，发生多层吸附。随着水分子层加厚逐渐形成球面结构，饲料原料孔隙所受压力减小，对水分吸附能力增强[32]。一般地，水分活度值大于0.65时进入曲线的显著上升区段，饲料原料吸附水分的能力变强，极易发生霉变，因此，应严格控制饲料原料的水分在安全含水量之内。

4 结论

本实验研究小麦粉、米糠、棉粕、芝麻粕、玉米蛋白粉、DDGS的平衡水分吸附等温线，选择拟合效果最佳的模型方程，计算出了这6种饲料原料的绝对安全水分和相对安全水分，为其储藏和防霉工作提供了科学指导。