膨化工艺参数对犬粮加工质量特性的影响研究

■李重阳 杨 洁 李军国* 张嘉琦 蒋万春

（1.中国农业科学院饲料研究所，北京 100081；2.河北工程大学生命科学与食品工程学院，河北邯郸 056000；3.北京首朗生物科技有限公司，北京 100043）

挤压膨化工艺是一个多输入、多输出的多功能系统，挤压过程中原料会发生一系列的化学反应，如淀粉熟化、蛋白质受热分解变性、直链淀粉与脂类物质络合形成复合物等。相关研究表明，原料的这些变化主要受物料水分含量、模头温度、喂料速度和螺杆转速的影响[1]。膨化犬粮的加工质量指标主要包括容重、单位密度、膨化度、硬度、酥脆性、淀粉糊化度等。目前，犬粮的膨化加工质量主要由淀粉糊化度和适口性来评定，膨化效果越好，淀粉熟化度越高；适口性与颗粒硬度和酥脆性紧密相关，适宜的硬度和酥脆性具有提高犬摄食乐趣的效果，进而达到提高适口性的作用。在前人研究中，对犬粮的淀粉糊化度、膨化度和容重的研究较多[1-2]，对硬度、酥脆性和单位机械能耗（SME）以及犬粮容重的预测模型研究较少。本试验采用响应面法研究不同的膨化工艺参数对犬粮容重、膨化度、硬度、酥脆性和SME 的影响，此种方法结合了统计学和数学方法，运用多元二次方程来拟合试验因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析寻求最优工艺参数，具有精度高、预测性好的优点[3]。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验选用中心组合设计方法进行试验方案的设计。试验选用物料水分含量、模头温度和螺杆转速作为自变量，分别用A、B、C表示，每个变量5个水平，共20组试验，用以确定挤压膨化工艺对犬粮加工质量的最佳工艺组合条件，中心组合设计变量表见表1。

表1 中心组合设计变量设计表

1.2 试验配方

犬粮的试验配方及营养水平见表2。

表2 基础日粮组成和营养水平

1.3 试验料加工条件

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85%过60目筛。

1.4 取样方法

每个膨化加工参数调整后，待膨化机工作稳定开始取样。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。

1.5 加工质量评价指标及检测方法

1.5.1 容重利用容重仪（型号GHCS-1000，中国杭州麦哲仪器有限公司）进行测定。

1.5.2 单位密度利用海沙置换法进行测定，每个样品测3 个重复，取平均数记为单位密度。

1.5.3 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

1.5.4 颗粒硬度、酥脆性

利用质构仪（型号TA-XY2i，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，颗粒受力压缩40%后探针抬起，该阶段图谱峰值作为硬度的结果；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，此值越小代表酥脆性越好。

1.5.5 单位机械耗能（SME）

根据数据采集装置上的扭矩以及实际喂料速率计算得出SME。

式中：τ——膨化机主机螺杆扭矩（Nm）；

Ns——主机螺杆转速（r/s）；

Ftotal——质量流量（kg/h）。

1.5.6 数据分析方法

试验数据用Design Export 8.0进行方差分析。

2 结果与讨论

2.1 中心组合设计试验结果

中心组合设计试验结果见表3。

表3 中心组合设计代码及试验结果

表3（续） 中心组合设计代码及试验结果

2.2 膨化工艺参数对犬粮加工质量特性的影响

利用膨化工艺参数和犬粮加工质量特性构建的响应面回归模型的回归方程系数如表4所示。

2.2.1 膨化工艺参数对犬粮容重的影响（见表4、图1）

表4 各因素及二次回归模型方差分析

单位密度和容重具有强相关性，本部分仅对容重进行数据分析，根据Design Export 8.0 软件得到以下模拟方程：容重=407.7-84.83A-8.37B-0.66C-0.12AB+4.63AC+9.13BC-4.13A2+17.09B2+20.62C2（R2=0.920 5，P=0.000 2，失拟检验不显著），说明可通过该方程表达3 个加工参数与犬粮容重的关系。由表4 可知，物料水分含量对犬粮的容重有极显著影响（P＜0.01），螺杆转速的二次项对犬粮的容重有显著影响（P＜0.05）。在膨化加工过程中，物料的膨化效果越好，容重越低。膨化主要是由于混合物料内气泡的产生和大气压力差所致，而水分含量是影响气泡产生的主要因素之一[1]。相关研究表明，水分含量是影响膨化物料容重的最主要因素[2-4]，但水分含量也应控制在适宜的范围之内，过高的水分会增强熔融物的塑化程度，使其弹性降低，导致物料受到的机械能降低，淀粉糊化效果变差，容重升高[5]。由图1可知，在较低的模头温度下升高螺杆转速会使犬粮的容重降低，虽然升高螺杆转速会缩短物料在膨化腔内的停留时间，但物料却受到更强的剪切力和摩擦力，同时强大的剪切力会使物料内部产生气泡[6]，淀粉颗粒内部受破坏程度增高，淀粉糊化度增强，容重降低；在较高的模头温度下，淀粉已达到较高的熟化程度，再继续增高螺杆转速会使物料受热作用进一步增强，高温加剧了水分的蒸发和淀粉受破坏的程度，导致气泡未被挤出模孔就已经破裂[7-9]，最终导致物料的容重升高。

2.2.2 膨化工艺参数对犬粮膨化度的响应面分析（见图2）

根据Design Export 8.0 软件分析得到以下模拟方程：膨化度=1.83+0.19A+0.019B+0.011C+（7.5E-003）AB-0.012AC-0.2BC+0.022A2-0.031B2-0.042C2（R2=0.907 1，P=0.000 4，失拟检验不显著），说明可通过此模拟方程来表达3 个加工参数与膨化度间的关系。由图2 可知，随水分含量的升高，犬粮的膨化度极显著升高（P＜0.01），相关研究表明，水分对膨化的驱动力有积极的作用，随水分含量的升高，淀粉颗粒吸水溶胀，吸收的摩擦热和剪切力增强，淀粉熟化度和膨化度升高[10]。随螺杆转速和模头温度的升高，膨化度有升高的趋势（P＞0.05）；因为模头温度和螺杆转速越高，物料内水分温度和蒸汽压力越高，在被挤压出模孔的瞬间，由于压力瞬间释放和物料内水分的闪蒸，使颗粒内部出现大量气泡，从而增大犬粮的膨化度[10-11]。

2.2.3 膨化工艺参数对犬粮硬度的响应面分析（见图3）

根据Design Export 8.0 软件分析得到以下模拟方程：硬度=4 679.26-404.53A-135.81B+110.22C+138.39AB-120.57AC-101.77BC+100.28A2+242.61B2+296.80C2（R2=0.899 1，P=0.000 7，失拟检验不显著），说明可通过此模拟方程来预测和分析硬度的变化趋势。由图3可观察到犬粮硬度的变化规律，随水分含量的升高，犬粮的硬度呈降低趋势，在膨化加工过程中，水分为淀粉颗粒的破坏提供了媒介，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，导致颗粒组织结构变松散，膨化颗粒的硬度降低[12-15]。随螺杆转速的升高，犬粮硬度呈先降低后升高的趋势，在较低的螺杆转速下，淀粉颗粒未受到充分的破坏，硬度高；在较高的螺杆转速下，物料在膨化腔内受到的压力和机械能加大，颗粒组织结构变得紧实，硬度升高。在低螺杆转速的条件下，升高模头温度会使熔融物在膨化腔内的黏度降低，水分蒸发量增加，在这种高温高压的环境下，犬粮颗粒的内部结构变得更加稳定，造成硬度升高[6-7，16-17]。

2.2.4 膨化工艺参数对犬粮酥脆性的响应面分析（见图4）

根据Design Export 8.0软件分析得到以下模拟方程：酥脆性=0.61-（1.659E-003）A-（5.212E-006）B+0.021C+0.032AB-0.010AC-（1.665E-003）BC+0.022A2+0.017B2+0.015C2（R2=0.740 8，P=0.043 1，失拟检验不显著），说明此方程可以通过3 个加工参数对犬粮的酥脆性做出预测和分析。由图4 可知，当物料水分含量处于较低水平时，随模头温度的升高犬粮的酥脆性变好，较低的物料水分含量能使淀粉颗粒保持天然的晶体结构，在此条件下升高模头温度会提高淀粉熟化度，物料内部出现孔隙，提高酥脆性[6，18]；当物料水分含量处于较高水平时，酥脆性随模头温度的升高而变差，高水分和高温使淀粉颗粒原本的晶体结构破碎、卷曲、膨胀并产生大量气泡，酥脆性降低[6-7，16]。

2.2.5 膨化工艺参数对SME的响应面分析（见图5）

根据Design Export 8.0软件分析得到以下模拟方程：SME=24.7-3.16A-0.76B+3.45C-0.099AB-0.89AC+0.57BC+0.30A2+1.91B2+1.84C2（R2=0.913 0，P=0.000 3，失拟检验不显著），说明此方程可良好地预测和分析3 个加工参数与SME 间的关系。SME 可作为系统参数来模拟出膨化物的性质，此参数与物料水分含量、模头温度和螺杆转速相关，物料水分含量和螺杆转速是影响此参数的最重要因素[19]。由图5 可知，随水分含量的升高，SME 降低，说明水分含量的增加为物料在膨化腔内提供了润滑作用；螺杆转速与SME呈正比关系，随螺杆转速的升高，对物料的剪切力和螺杆扭矩上升，直接导致SME的升高[4]。

3 结论

膨化成犬粮的容重基本处在340～370 g/L，硬度在7 000 g，优异的酥脆性可提高犬的摄食乐趣，增加采食量的效果，一般酥脆性在0.7 mm；在得到上述3个条件的基础上，单位机械能耗越低越好。

本试验利用回归分析研究了膨化加工过程中物料水分含量、模头温度及螺杆转速对膨化犬粮加工质量的影响，并通过Design expert 8.0 软件对工艺参数进行优化分析。

①物料水分含量的增加，犬粮容重、硬度和SME显著降低，膨化度显著升高。随螺杆转速的升高，犬粮的酥脆性显著变差，SME显著升高。

②响应面模型优化结果表明犬粮的最适膨化加工参数组合为：物料水分含量27.8%、模头温度132 ℃、螺杆转速234 r/min，在该组合条件下，犬粮容重340 g/L、膨化度1.985、硬度4 444.9 g、酥脆性0.627 mm、SME 21.932 kJ/kg。