■武佳玉 賈思凡 王凌峰 郭沁文 齊德生

(華中農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，湖北武漢 430070)

水分活度是指某一物料在密閉空間內(nèi)的水蒸氣壓與該溫度下純水蒸氣壓的比值[1]，常作為食品行業(yè)中評價產(chǎn)品安全性和穩(wěn)定性的重要指標之一，也逐漸應用到飼料、制藥等行業(yè)中[2]。

微生物只能利用基質(zhì)中的游離水，而不能利用結合水，水分活度可反映基質(zhì)中水分的可利用程度[3]。不同微生物生長所需的水分活度值不同，低于最低水活度值，微生物便不能生長[4]。當水分活度低于0.90、溫度低于15 ℃時，黃曲霉不生長；水分活度低于0.80時，即便在較高溫度下，黃曲霉也幾乎不生長[5]。Medina等[6]研究黃曲霉在不同水分活度和溫度下黃曲霉毒素B1（Aflatoxin B1，AFB1）的產(chǎn)生，表明在37 ℃、水分活度0.91比30 ℃、水分活度0.99時AFB1有明顯的增加。當水分活度為0.70～0.75 時，大部分真菌孢子幾乎不萌發(fā)[7]，當水分活度低于0.60時，所有的霉菌生長停止。因此，一般把飼料中水分活度為0.60時對應的水分含量定義為絕對安全水分含量，水分活度為0.70時對應的水分含量定義為相對安全水分含量[8]。

以飼料原料中水分活度為橫坐標，飼料含水量為縱坐標，在恒定的溫度下繪制出的曲線稱為水分吸附等溫線，又稱為吸濕等溫線（Moisture sorption isotherms，MSI）。根據(jù)水分吸附等溫線對食品、飼料的貯存條件、包裝材料的選擇等具有重要意義[9]。李興軍等[10]利用多項方程式擬合多種糧食、油料、豆粕的吸濕等溫線，得出30 ℃條件下，谷物的相對安全水分為14%，大豆的相對安全水分為11.47%。文韻漫等[11]在25 ℃條件下，得出馬鈴薯的相對安全水分為12.64%。

在食品工業(yè)中早已引用水分活度作為評價指標，但在飼料行業(yè)中，一直以來用水分含量作為評價指標，但按水分含量標準要求并不能很好地防止飼料發(fā)霉，隨著飼料行業(yè)的進一步發(fā)展，以水分活度作為指標來防止飼料發(fā)霉逐漸被人們重視。根據(jù)飼料水分、水分活度建立的平衡水分吸附等溫線，可以很好地預測飼料在不同溫度條件下的安全水分，對飼料防霉工作有重要指導價值。國內(nèi)外對飼料原料的水分吸附等溫線已有不少研究[8，12]，但涉及的飼料原料種類有限，還不能滿足飼料行業(yè)的需求。隨著玉米、小麥等飼料原料價格的上漲，逐漸趨向?qū)ζ渌暳系拈_發(fā)和利用，大麥是重要的禾谷類作物，可作為能量飼料，大麥粉可考慮作為一種替代物質(zhì)；次粉和麩皮都是小麥加工的副產(chǎn)物，且價格比小麥低；花生粕是一種高蛋白、低脂肪的飼料原料，容易受霉菌毒素污染，對此本試驗選取了這4種常用的飼料原料進行分析。本試驗在不同溫度下，研究了4 種常用飼料原料（大麥粉、次粉、麩皮、花生粕）的水分吸附等溫線，利用5種農(nóng)產(chǎn)品常用的吸濕方程進行擬合，并計算出4種飼料原料的絕對安全水分和相對安全水分，可為防止飼料原料生霉提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料樣品

2018—2019 年從我國糧食主產(chǎn)區(qū)收集4 種飼料原料，樣品產(chǎn)地、年份及生化指標見表1。

表1 試驗用飼料原料樣品（%）

1.1.2 儀器設備

101-1AB型電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；BS224S 電子分析天平（賽多利斯科學儀器有限公司）；玻璃干燥器，內(nèi)徑240 mm；鋁盒，直徑5 cm、厚度2 cm；LabMaster-aw 型水分活度測定儀（溫度范圍：0～50 ℃，精度：±0.003 aw，飽和鹽薄片：氯化鋰、氯化鎂、溴化鈉、氯化鈉、氯化鉀、硫酸鉀）。

1.2 試驗方法

1.2.1 飼料樣品制備

4種飼料原料分別經(jīng)40目篩粉碎，在鼓風干燥箱中105 ℃干燥至恒重，取出置于干燥器中冷卻，之后將每個樣品分別放在8個自封袋中，在自封袋中加水至飼料原料預期所需的水分含量（分別為5.0%、7.5%、10.0%、12.5%、15.0%、17.5%、20.0%以及該飼料原料基本水分含量），將待測樣品置于干燥器中水分平衡24 h以上備用。

1.2.2 樣品水分活度的測定

分別使樣品在Lab Master-aw 型水分活度測定儀樣品盒中平衡到15、25、35 ℃，測定不同水分梯度樣品的水分活度，每個水分含量的樣品做3 個平行樣，取“平均值”作為該點的水分活度。

1.2.3 樣品實際水分含量的測定

按照GB/T 6435—2014 方法進行飼料水分含量的測定，每個水分含量的樣品取2 份平行樣進行測定，取“平均值”作為飼料原料的實際水分含量。

1.2.4 水分等溫吸附曲線數(shù)學模型的選擇

根據(jù)所選的飼料原料種類及成分，選擇了修正Halsey（MHAE）、修正Henderson（MHE）、修正Chung-Pfost（MCPE）、修正3 參數(shù)GAB（MGAB）、修正Oswin（MOE）等5 種農(nóng)產(chǎn)品常用的平衡水分吸附等溫線擬合方程用于本試驗等溫吸附曲線的擬合，其表達式及參數(shù)見表2[13]。運用Origin 9.1軟件繪制4種飼料原料在3種溫度下的平衡水分吸附等溫線，分別采用上述5個方程進行非線性擬合處理，通過決定系數(shù)（R2）、殘差平方和（RSS）、標準差（SE）及平均相對百分率誤差（MRE），分析方程的擬合情況。

表2 農(nóng)產(chǎn)品常用的平衡水分吸附等溫線擬合方程

式中：mi——測定值；

Mpi——預測值；

Mmi——平均測定值；

n——測定數(shù)目。

R2是決定系數(shù)，RSS 和SE 決定擬合的好壞，MRE小于10%時模型擬合度好，其中決定系數(shù)與平均相對百分率誤差起決定作用。根據(jù)統(tǒng)計學參數(shù)確立每種飼料原料的最佳擬合方程，并計算不同飼料原料在不同條件下的安全水分含量。

2 結果與分析

2.1 大麥粉平衡水分吸附等溫線

由表3 可見，MHE 方程在15 ℃擬合效果最好，MCPE方程在25 ℃和35 ℃時擬合最好。將常數(shù)項帶入最佳擬合方程，計算出大麥粉在15、25 ℃和35 ℃下的絕對安全含水量為12.55%、11.93%、11.58%，相對安全含水量為14.42%、13.85%、13.59%。

表3 大麥粉平衡水分吸附等溫線擬合方程參數(shù)及統(tǒng)計學參數(shù)

2.2 次粉平衡水分吸附等溫線

由表4 可見，MGAB 方程在15 ℃時擬合效果最好，MOE方程在25 ℃和35 ℃時擬合最好。將常數(shù)項帶入最佳擬合方程，計算出次粉在15、25 ℃和35 ℃下的絕對安全含水量為11.42%、10.99%、10.70%，相對安全含水量為13.52%、13.01%、12.80%。

表4 次粉平衡水分吸附等溫線擬合方程參數(shù)及統(tǒng)計學參數(shù)

2.3 麩皮平衡水分吸附等溫線

由表5 可見，MOE 方程在15、25、35 ℃時擬合效果均為最好。將常數(shù)項帶入最佳擬合方程，計算出麩皮在15、25 ℃和35 ℃下的絕對安全含水量為10.77%、10.46%、10.17%，相對安全含水量為12.87%、12.61%、12.49%。

表5 麩皮平衡水分吸附等溫線擬合方程參數(shù)及統(tǒng)計學參數(shù)

2.4 花生粕平衡水分吸附等溫線

由表6可見，MOE方程在15 ℃時擬合效果最好，MGAB 方程在25 ℃時擬合最好，MHAE 方程在35 ℃時擬合最好。將常數(shù)項帶入最佳擬合方程，計算出花生粕在15、25 ℃和35 ℃下的絕對安全含水量為9.61%、9.23%、9.12%，相對安全含水量為11.67%、11.48%、11.42%。

表6 花生粕平衡水分吸附等溫線擬合方程參數(shù)及統(tǒng)計學參數(shù)

3 討論

3.1 不同飼料原料對水分的吸附性

不同飼料對水分的吸附能力不同，所選最佳擬合水分吸附等溫線的方程也各不相同。飼料的品種、加工方式、谷物的成熟程度均影響著水分吸附等溫線。對不同的飼料原料繪制平衡水分吸附等溫線時，應根據(jù)飼料原料的化學組成選擇合適的方程進行擬合。本次試驗采用的原料有大麥粉、次粉、麩皮和花生粕4 種。試驗結果表明，MHAE 方程只適合擬合花生粕水分吸附等溫線，說明MHAE方程不適合擬合淀粉類飼料[14]，MOE方程適合擬合次粉、麩皮、花生粕水分吸附等溫線，次粉和麩皮是淀粉類飼料，花生粕是蛋白質(zhì)飼料，說明MOE 方程適合擬合蛋白質(zhì)、淀粉類飼料[15]；MCPE和MHE方程適合擬合大麥粉水分吸附等溫線，說明MCPE、MHE 方程適合擬合谷物類水分吸附等溫線[16]。

試驗結果表明，花生粕的相對安全含水量和絕對安全含水量均為最低，這可能與花生粕內(nèi)蛋白含量高達40%～50%有關[17]，花生粕的高蛋白含量使其極易被霉菌毒素，尤其是黃曲霉毒素污染，在使用花生粕作為飼料原料時應嚴格控制飼料中水分低于相對安全水分含量。次粉和麩皮作為小麥加工的副產(chǎn)物，用于飼料中可有效緩解目前飼料緊缺和價格高漲的問題。次粉和麩皮中都含有較為豐富的蛋白質(zhì)和纖維素，但近年來其中的嘔吐毒素和玉米赤霉烯酮的超標率也較高[18]。因此，若能在使用飼料原料的過程中嚴格控制水分的含量，就能極大程度避免霉菌毒素對飼料的污染。

3.2 溫度對飼料水分活度的影響

隨著溫度的升高，對吸濕性造成一定的影響。飼料原料中水分子活性增強，導致飼料原料中平衡吸濕率下降，水分活度增加[19]，影響平衡水分吸附等溫線。溫度的升高降低了分子之間的引力，因為水分子的動能增加，導致分子之間的距離增加，導致飼料原料對水分子的吸附能力降低[20]。在低溫下運動緩慢的水分子更容易結合到表面上合適的結合面。水分子在更高的溫度下變得更加活躍，它們很容易從飼料原料表面的水結合點解離。

周洲[21]研究中發(fā)現(xiàn)溫度對大豆的水分吸附等溫線具有顯著的影響，吸附等溫線隨溫度升高，自上而下分布。飼料原料在加工過程中，可能因工藝的需求而調(diào)節(jié)不同的溫度。如麩皮和次粉在加工過程中，為了有效提高其纖維和蛋白質(zhì)的利用率，會采用酶解、糊化等技術進行處理[22]。本次試驗的結果表明，4 種飼料原料的絕對安全水分含量和相對安全水分含量都隨著溫度的升高而降低。因此，飼料原料在酶解的過程中，因溫度升高，飼料的相對安全水分含量也會出現(xiàn)一定程度的降低，若升溫過程中沒有對水分含量進行合理監(jiān)控，可能會造成飼料原料在加工處理時產(chǎn)生霉變，從而造成霉菌毒素的污染。

3.3 飼料原料吸濕等溫曲線的形狀

文友先等[23]研究首先發(fā)現(xiàn)稻谷的吸附等溫線呈S型。劉成梅等[24]研究發(fā)現(xiàn)大米淀粉的吸附與吸濕等溫線呈S 型，根據(jù)國際理論和應用化學聯(lián)合會（IUPAC）的分類屬于Ⅱ類。Basunia 等[25]研究發(fā)現(xiàn)大麥的吸附等溫線也呈S型。周洲[21]研究發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)大豆和進口大豆的吸附等溫線都屬于Ⅱ類S型。本試驗中，4種飼料原料的吸附等溫線均呈S型，屬于第Ⅱ類，與大多數(shù)谷物的吸附等溫線趨勢相同。S型是無定型親水聚合物的典型形狀，S型曲線呈前半段上升緩慢，說明水分含量在低水分活度時逐漸增加；后半段呈現(xiàn)上升加劇的趨勢，說明水分含量在高水分活度時迅速增加。這可能是由于分子遷移率和自由體積隨著水分含量的增加而增加暴露出更多的極性羥基[26]。對于飼料原料，隨著空隙中水層變厚，水分子層逐漸形成球面，外界壓力增大，導致飼料原料空隙的實際壓力減小[27]。劉來亭等[19]研究表明，粉狀飼料在吸濕過程中呈現(xiàn)出快速增加、中期放緩、后期平緩的趨勢。這也提示飼料在水分含量較低時，吸水的能力會增加。當水分活度大于0.65 時，曲線顯著上升，飼料原料易發(fā)生霉變，飼料從絕對安全水分含量以及相對安全水分含量吸濕至高水分的時間較短，因此在生產(chǎn)試劑中應對存儲飼料進行多次反復水分的監(jiān)控，以確保水分含量處在較低的水平。根據(jù)吸濕等溫線確定不同溫度條件下對不同飼料原料安全貯存的水分標準，確定4種飼料原料的安全水分，防止飼料發(fā)霉。

4 結論

選擇擬合效果最佳的模型方程，計算出了4種飼料原料的絕對安全水分和相對安全水分。

大麥粉在15、25 ℃和35 ℃時的絕對安全含水量分別為12.55%、11.93%和11.58%，相對安全含水量分別為14.42%、13.85%和13.59%。

次粉在15、25 ℃和35 ℃時的絕對安全含水量分別為11.42%、10.99%和10.70%，相對安全含水量分別為13.52%、13.01%和12.80%。

麩皮在15、25 ℃和35 ℃時的絕對安全含水量分別為10.77%、10.46%和10.17%，相對安全含水量分別為12.87%、12.61%和12.49%。

花生粕在15、25 ℃和35 ℃時的絕對安全含水量分別為9.61%、9.23%和9.12%，相對安全含水量分別為11.67%、11.48%和11.42%。