■高一桐 馬 亮 董 宇

(江蘇牧羊控股有限公司，江蘇揚州225000)

在使用膨化機(jī)生產(chǎn)水產(chǎn)飼料的過程中，調(diào)質(zhì)器的使用已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)配置。調(diào)質(zhì)器的配置可以給水產(chǎn)飼料的生產(chǎn)帶來很多優(yōu)點，諸如：使原料在調(diào)質(zhì)器內(nèi)充分的攪拌均勻，提升淀粉的糊化度和使蛋白質(zhì)進(jìn)行變性，從而增加魚類對飼料中淀粉和蛋白質(zhì)的吸收率；提高膨化機(jī)產(chǎn)能，減少膨化機(jī)螺桿磨損，提高飼料的品質(zhì)、殺菌等[1]。

1 水產(chǎn)膨化傳統(tǒng)組合調(diào)質(zhì)器的性能對比

目前，水產(chǎn)膨化系統(tǒng)中，關(guān)于常見幾種調(diào)質(zhì)器的結(jié)構(gòu)特征與性能比較已經(jīng)有了一些介紹和分析[2]。水產(chǎn)膨化系統(tǒng)中，單層雙軸差速調(diào)質(zhì)器（DDC）已經(jīng)很少使用了，而組合調(diào)質(zhì)器被越來越多的使用。組合調(diào)質(zhì)器的顯著功能就是增加調(diào)質(zhì)時間，并且提高原料中的淀粉糊化度，其帶來的直接效果就是膨化產(chǎn)品的質(zhì)量和品質(zhì)得到改善。目前在中國的水產(chǎn)加工行業(yè)，關(guān)于生產(chǎn)水產(chǎn)飼料的最佳調(diào)質(zhì)時間，尚沒有確定的結(jié)論。但是在牧羊有限公司的實際操作中，發(fā)現(xiàn)對比兩種組合調(diào)質(zhì)器（一種調(diào)質(zhì)時間為120～180 s，另外一種調(diào)質(zhì)時間為240～360 s）調(diào)質(zhì)后產(chǎn)品的品質(zhì)、外觀等均有很大的提高。本文將對此結(jié)果，并且結(jié)合一些成熟的研究成果，進(jìn)行一些前期的論述分析。

傳統(tǒng)的雙層組合調(diào)質(zhì)器的調(diào)質(zhì)時間一般為120～180 s，目前被大部分水產(chǎn)飼料生產(chǎn)企業(yè)所使用并且認(rèn)可的組合形式為：第一層為高速打擊、混合的單軸調(diào)質(zhì)器，第二層為雙軸差速調(diào)質(zhì)器(DDC)。根據(jù)Beyer[3]的研究，淀粉的糊化度在調(diào)質(zhì)時間達(dá)到120 s后，變化很小，并且其值大約在53%。其中，該研究所使用的配方為常見典型的傳統(tǒng)寵物料配方，溫度95℃、水分含量23%。

普通DDC的有效調(diào)質(zhì)時間為60～120 s，當(dāng)配套膨化機(jī)在額定產(chǎn)能運行時，其有效調(diào)質(zhì)時間一般不高于80 s。故使用組合調(diào)質(zhì)器，調(diào)質(zhì)時間達(dá)到120 s以上后，淀粉糊化度得到了提升，這也是很多企業(yè)采用雙層組合調(diào)質(zhì)器的原因[2]。如果僅從調(diào)質(zhì)時間來看，使用傳統(tǒng)的雙層組合調(diào)質(zhì)器，其淀粉的糊化度已經(jīng)能夠達(dá)到要求，如果再加長調(diào)質(zhì)時間，對于提高淀粉糊化度沒有非常大的明顯改善。

表1 三種調(diào)質(zhì)器性能數(shù)據(jù)的比較

2 新型組合調(diào)質(zhì)器的實驗對比

但隨著配方技術(shù)的更新以及市場的變化，新型的水產(chǎn)配方中越來越多的使用植物蛋白并且減少淀粉的用量，新型的調(diào)質(zhì)加工技術(shù)要求調(diào)質(zhì)時間應(yīng)該至少在3 min，才能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)要求[4]。相對于傳統(tǒng)的組合調(diào)質(zhì)器來說，牧羊有限公司創(chuàng)新的使用調(diào)質(zhì)時間達(dá)到240～360 s的新型組合調(diào)質(zhì)器，其更多的優(yōu)勢體現(xiàn)在：膨化顆粒泡水后的黏彈性得到提升，顆粒的表面光滑度得到更好的改善，膨化機(jī)主電機(jī)的電流負(fù)載有所下降。更重要的是，在同樣配方和工況下，膨化顆粒的淀粉糊化度由原先的89%～91%提升到96%～98%。牧羊有限公司在某工廠進(jìn)行實地取樣測試的結(jié)果如圖1所示。

圖1 5組樣品糊化度的比較

該廠家使用的牧羊公司全套膨化生產(chǎn)線，其配套調(diào)質(zhì)器為新型組合調(diào)質(zhì)器，調(diào)質(zhì)時間為240～360 s，測試產(chǎn)品為浮性烏龜料。在調(diào)質(zhì)膨化工段前后取5組樣，并測試樣品的糊化度，進(jìn)行比較。這5組樣品分別為：調(diào)質(zhì)前（樣品1），調(diào)質(zhì)20 s左右（樣品2），調(diào)質(zhì)170 s左右（樣品3），調(diào)質(zhì)278 s（樣品4），膨化顆粒成品（樣品5）

由圖1可知，從淀粉糊化度的觀點來考慮，傳統(tǒng)組合調(diào)質(zhì)器（120～180 s）和新型組合調(diào)質(zhì)器（240～360 s）在對于產(chǎn)品品質(zhì)的影響上，并沒有存在非常大大的區(qū)別。那么，在調(diào)質(zhì)過程中，另外一個重要的因素——蛋白質(zhì)，就應(yīng)該被加入到影響因子的考慮中。雖然有研究[5]已經(jīng)表明，在水產(chǎn)飼料中，相對于蛋白質(zhì)，淀粉的影響更占主導(dǎo)作用。但是在當(dāng)今市場對于水產(chǎn)飼料高品質(zhì)的追求上，本文將從調(diào)質(zhì)時間對蛋白質(zhì)的影響以及最終影響成品飼料質(zhì)量的角度，進(jìn)行一些分析。

3 新型組合調(diào)質(zhì)器的實驗結(jié)果分析

3.1 新型組合調(diào)質(zhì)器延長了調(diào)質(zhì)時間，增加了物料中蛋白質(zhì)的變性程度，從而改善產(chǎn)品品質(zhì)，并且提高了飼養(yǎng)過程中魚類對于蛋白質(zhì)的消化吸收率

蛋白質(zhì)在水產(chǎn)飼料的加工過程中，由于高溫、水分和剪切力的同時存在，會發(fā)生變性。一定范圍內(nèi)的蛋白質(zhì)能夠提高魚類對于蛋白質(zhì)的消化利用率[6-7]。Mosig等[8]的研究成果表明，蛋白質(zhì)在一定范圍內(nèi)變性程度的提高，會使魚類對于飼料中蛋白質(zhì)的消化率上升5%～8%。同時，水產(chǎn)飼料的成品對于顆粒黏彈性有一定要求，而黏彈性跟原料配方中的蛋白含量有直接關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，蛋白質(zhì)含量的增加可以使成品飼料的黏彈性增加，提高其品質(zhì)[4，9]。Briggs等[10]及Winowiski[11]的研究證明了，水產(chǎn)飼料的原料配方中，一定范圍內(nèi)蛋白質(zhì)含量的提升會增加成品飼料的耐久性指數(shù)(PDI)，其實驗結(jié)果如圖2。

圖2 蛋白含量與成品耐久性指數(shù)PDI實驗(根據(jù)Briggs結(jié)論重新獲得數(shù)據(jù))

同時，Navickis等[12]對于小麥面團(tuán)中蛋白質(zhì)含量研究的結(jié)論中證明，水分含量一定的情況下，蛋白含量的上升會增加其黏彈性。由Briggs等的研究結(jié)論可以推論出，調(diào)質(zhì)條件不變的情況下，蛋白質(zhì)含量的增加意味著在加工過程中蛋白質(zhì)變性程度的增加，從而最終成品飼料的黏彈性指數(shù)上升。從而說明，蛋白質(zhì)含量不變的情況下，更改調(diào)質(zhì)條件使蛋白質(zhì)變性程度增加，同樣可以達(dá)到使成品飼料黏彈性指數(shù)上升的目的。

3.2 同等條件下，蛋白質(zhì)變性的時間要大于淀粉糊化時間。雖然調(diào)質(zhì)時間的延長對于淀粉的糊化影響已經(jīng)不大，但對于蛋白質(zhì)的充分變性是需要的

根據(jù)谷文英[13]的研究，其實驗使用對蝦飼料配方在水分過量(74.71%)的情況下，對其進(jìn)行吸熱值測試。實驗結(jié)果顯示蛋白質(zhì)的變性溫度大約在100℃，淀粉的糊化溫度大約在67℃，實驗結(jié)果見圖3。

圖3 對蝦飼料的吸熱與峰值溫度實驗（根據(jù)谷文英的結(jié)論重新獲取數(shù)據(jù)）

該研究中所使用的對蝦飼料配方見表2。

表2 實驗中所使用的對蝦飼料配方

谷文英的研究中，在對蝦飼料中添加過量的水分(74.71%)后，對其進(jìn)行吸熱值實驗并對比溫度。在圖3的實驗結(jié)果中顯示，4個峰值的出現(xiàn)分別代表了淀粉的糊化峰形、脂質(zhì)淀粉的糊化峰形、蛋白質(zhì)的變性峰形，其中第四個峰值在該研究中的測試不夠，尚未確定是何種成分的變性峰形。根據(jù)該結(jié)論，如果僅從淀粉的糊化和蛋白質(zhì)的變性來看，該研究中所使用的蛋白質(zhì)變性的溫度(100.86℃)，大大高于淀粉的糊化溫度(67.93℃)。

根據(jù)谷文英的結(jié)論，對于水產(chǎn)飼料的調(diào)質(zhì)部分進(jìn)行熱量分析計算：

①假設(shè)某水產(chǎn)飼料配方中含有粗蛋白45%，淀粉20%。

② 淀粉糊化溫度(Ts=67.93℃)和蛋白質(zhì)變性溫度(Tp=100.86℃)，使用谷文英的實驗結(jié)論溫度，起始溫度為0℃。質(zhì)量流率假定為m=1 kg/s。

③ 淀粉和蛋白質(zhì)的比熱容(定壓熱容cp)采用Choi等[14]推薦的修正公式進(jìn)行計算。

根據(jù)以上的條件進(jìn)行蛋白質(zhì)和淀粉的吸熱計算[15]：

Q=cpmΔT。

式中：Q——熱量率(J/s)；

cp——定壓熱容[J/(kg·℃)]；

ΔT——溫度變化量(℃)。

a.蛋白質(zhì)吸熱率：

Qp=cppmpΔTp=96 073.84(J/s)。

其中：cpp=2 008.2+1 208.9×10-3Tp-1 312.9×10-6，TP2=2 116.77 J/(kg·℃)。

b.淀粉吸熱率：

Qs=cpsmsΔTs=2 2480.75(J/s)。

其中：cps=1 548.8+1 962.5×10-3Ts-5 939.9×10-6，Ts2=1 654.70 J/(kg·℃)。

從以上的計算結(jié)果中可以看出，Qp/QS=4.27，即蛋白質(zhì)變性時吸收的熱量為淀粉糊化吸收熱量的大約4.27倍。故此可知，當(dāng)溫度一定時，蛋白質(zhì)變性相對于淀粉糊化需要更多的時間。假設(shè)溫度為70℃，根據(jù)熱量與加熱時間成正比，可以得到如下關(guān)系(其中t為時間)：

經(jīng)計算后可得tp/ts=1.51，即在溫度相同的情況下，蛋白質(zhì)達(dá)到變性所需的時間大約為淀粉糊化所需時間的1.5倍。

雖然谷文英的研究不能完全直接套用在水產(chǎn)飼料的生產(chǎn)上，但是其結(jié)論對于延長調(diào)質(zhì)時間與提高飼料品質(zhì)上，有著重要的指導(dǎo)意義。該結(jié)論充分說明了在水產(chǎn)飼料的調(diào)質(zhì)過程中，延長調(diào)質(zhì)時間能夠保證蛋白質(zhì)的變性更加充分。

3.3 調(diào)質(zhì)時間的延長，提高了物料的流動性和混合均勻度，使飼料成品更加均勻美觀，能夠降低膨化機(jī)主機(jī)負(fù)載電流

Briggs等[10]對于使用制粒機(jī)生產(chǎn)飼料的調(diào)質(zhì)時間與飼料品質(zhì)進(jìn)行的研究表明，調(diào)質(zhì)時間的加長使成品PDI（飼料耐久性指數(shù)）上升了約5.7%。其實驗結(jié)果如圖4。

圖4 調(diào)質(zhì)時間與成品耐久性的實驗結(jié)論(根據(jù)Briggs實驗結(jié)論重新獲取數(shù)據(jù))

實驗結(jié)果充分說明了在配方含量相同的情況下，調(diào)質(zhì)時間在一定范圍內(nèi)的加長能夠有效地提高成品顆粒飼料的耐久性，提高其品質(zhì)。

此外，調(diào)質(zhì)時間增加能夠使物料在調(diào)質(zhì)器內(nèi)的混合時間加長。根據(jù)Wilcox等[16]在飼料混合機(jī)與混合時間的研究結(jié)論中顯示，混合時間與混合偏離因子成反比(實驗結(jié)果見圖5)。圖5中混合偏離因子越大，證明混合均勻度越差。

圖5 混合時間與混合偏離因子實驗結(jié)果(根據(jù)Wilcox等研究結(jié)論重新獲取)

在圖5的實驗結(jié)論中可以看出，總體來說，混合時間的加長更有利于提高物料的混合均勻度。該結(jié)論在水產(chǎn)飼料生產(chǎn)中對調(diào)質(zhì)過程也有著指導(dǎo)作用。調(diào)質(zhì)器的其中一項重要功能就是使得物料的混合更加均勻，尤其當(dāng)原料中纖維含量較高的情況，更加均勻的物料能夠提高其流動性，使得物料在進(jìn)入膨化機(jī)加工時壓力和溫度分布更加均勻，最終使得加工出的成品外形更加均勻美觀，而且更高的物料流動性也可以提高產(chǎn)量，使得膨化機(jī)主機(jī)電流的負(fù)載有所下降。

4 結(jié)論

本文通過總結(jié)一些成熟的研究結(jié)論以及一些實際生產(chǎn)成果后，對水產(chǎn)調(diào)質(zhì)器的不同組合性能進(jìn)行了一些總結(jié)，以及對新型組合調(diào)質(zhì)器所產(chǎn)生的良好使用效果進(jìn)行了一些分析。

①使用普通DDC，由于其有效調(diào)質(zhì)時間僅僅為80 s，最終膨化顆粒的糊化度不高，一般不高于86%。

②有效調(diào)試時間達(dá)到150 s以上時，膨化顆粒的糊化度就能夠達(dá)到90%以上。之后調(diào)質(zhì)時間的延長，其糊化度的提升幅度沒有有效調(diào)質(zhì)時間在80 s以內(nèi)提升的幅度大。但是，如果需要獲得96%以上的糊化度，需要選擇調(diào)質(zhì)時間為240～360 s的新型組合調(diào)質(zhì)器。

③新型組合調(diào)質(zhì)器延長了調(diào)質(zhì)時間，僅從淀粉糊化度這一項數(shù)據(jù)來看，新型組合調(diào)質(zhì)器較傳統(tǒng)組合調(diào)質(zhì)器并沒有明顯的改善和提高。但是，新型組合調(diào)質(zhì)器對于增加蛋白的變性程度起到了積極作用。蛋白質(zhì)變性程度的增加可以使水產(chǎn)飼料中的蛋白質(zhì)更容易被魚類消化，提升飼養(yǎng)質(zhì)量。而且會增加成品飼料的黏彈性和耐久性指數(shù)PDI，提升飼料品質(zhì)。

④新型組合調(diào)質(zhì)器的配置增加了物料在其中的混合時間，提高了混合均勻度，增加了物料的流動性。使其在進(jìn)入膨化機(jī)后的壓力和溫度分布更加均勻，最終使得成品的外形更加美觀。并且這也會增加膨化機(jī)的產(chǎn)量，使得主機(jī)負(fù)載電流有所下降。

本文結(jié)論是基于一些研究結(jié)論以及牧羊有限公司相關(guān)設(shè)備的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，所進(jìn)行的一些合理的分析。在后續(xù)的工作中，會對此結(jié)論進(jìn)行更加完善的實驗驗證，從而進(jìn)一步的優(yōu)化現(xiàn)有的分析結(jié)果。