不同因素對水產飼料淀粉糊化度的影響

馮 幼，許合金，劉 定，陳子騰，許進奉，黎相廣，關立增，吳 丹

（1.湛江東騰飼料有限公司，廣東 湛江 524072；2.華南農業(yè)大學動物科學學院，廣州 510642；3.延邊大學，吉林 延吉 133002；4.廣東溢多利生物科技股份有限公司，廣東 珠海 519060）

我國水產飼料行業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無論是生產規(guī)模還是生產技術都得到了較大幅度地提高。據(jù)統(tǒng)計，2008年我國水產飼料產量為1 348萬t，較1991年增長18倍，成為世界上最大的水產飼料生產國，2012年產量再創(chuàng)新高，至1 855萬t，同比增長12.29%[1-2]。受采食環(huán)境的限制，水產飼料在水體中必須具有良好的穩(wěn)定性（耐水性），淀粉的糊化程度是影響耐水性的主要因子之一。淀粉糊化度高，不僅使飼料具有良好的耐水性，而且熟化后的淀粉更容易被水產動物消化吸收，能夠降低餌料系數(shù)。本文主要從原料及飼料加工環(huán)節(jié)等方面著手，探討其對淀粉糊化度的影響。

1 淀粉定義及糊化過程

淀粉是由多個葡萄糖分子經(jīng)脫水反應聚合形成的高分子碳水化合物，其分子式為（C6H10O5）n。根據(jù)分子鏈的不同可將淀粉分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。其中直鏈淀粉僅含α-1，4-糖苷鍵，而支鏈淀粉是通過α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵將葡萄糖分子鏈接形成的[3]。

植物中的淀粉均以淀粉顆粒形式存在，不同種類的淀粉顆粒其理化性質存在較大差異。直鏈淀粉顆粒小，各分子之間締合程度大，結晶區(qū)域也大，在50～60℃時，能夠溶解于水。支鏈淀粉不僅顆粒大，結構疏松，而且由于支鏈鍵之間的相互作用，使得水分子不易進入其結構內部，但當溫度升高到100℃時，支鏈淀粉開始溶解于水，隨著溫度繼續(xù)升高，其溶解度也隨之增加，形成有黏性的溶液，這種現(xiàn)象稱之為淀粉的糊化，又稱α化[4-5]。淀粉要完成整個糊化過程，必須要經(jīng)歷3個階段，即可逆吸水階段、不可逆吸水階段以及顆粒解體階段。在可逆吸水階段，淀粉不發(fā)生任何性質的變化，即使在冷水中浸泡，淀粉顆粒會由于少量吸水而體積略有膨脹，但未影響到淀粉顆粒中的結晶部分，其基本性質不發(fā)生改變，在此階段進入顆粒內的水分子可隨淀粉的重新干燥而被排出。隨著外界溫度的進一步升高，淀粉分子內的一些化學鍵發(fā)生斷裂，水分子開始逐漸進入淀粉顆粒內的結晶區(qū)域，使得顆粒結晶區(qū)域由排列緊密狀態(tài)變?yōu)槭杷蔂顟B(tài)，對水的吸入量迅速增加，這一階段屬于不可逆的吸水階段。在顆粒解體階段，隨著外界溫度繼續(xù)升高，淀粉顆粒吸水膨脹到一定限度后，顆粒外圍的支鏈淀粉被脹破，內部的直鏈淀粉被釋放出來，擴展開的淀粉分子相互纏繞、聯(lián)結，形成網(wǎng)狀含水膠體，完成糊化過程[6]。

2 不同原料淀粉的糊化特性

淀粉的糊化特性是淀粉在糊化過程中所表現(xiàn)出來的一系列特征。淀粉顆粒的膨脹行為除了跟淀粉的來源和淀粉顆粒的形態(tài)結構密切相關外，還跟其支鏈淀粉的性質有關，其中直鏈淀粉起到稀釋和抑制膨脹的作用[5]。曾潔等研究發(fā)現(xiàn)，直鏈淀粉含量對淀粉的糊化溫度具有極顯著的影響[7]。雷宏等報道，小麥糊化時的峰值黏度、糊化溫度、低谷黏度、崩解值、最終黏度、衰減值和峰值時間均隨直鏈淀粉添加量的增加而下降[8]。由于不同原料的淀粉中所含的直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例也不同。部分淀粉中直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例見附表[5]。因此，不同原料其淀粉的糊化特性不同，即使同一原料因品種不同其糊化特性也有區(qū)別。池曉菲等進行小麥、大麥、玉米、水稻和高粱糊化特性比較，結果顯示，高粱糊化溫度最高，其次是玉米和水稻，最低的是小麥和大麥；在糊化所需的熱能方面，水稻糊化所需熱能最高，達5.74 J·g-1，其次是小麥為4.82 J·g-1，最低的是玉米，僅為2.31 J·g-1[9]。這跟馬力等研究結果相類似[10]。張凱等比較了22種不同品種玉米的淀粉糊化特性，發(fā)現(xiàn)不同玉米品種不僅支鏈淀粉含量不同，而且其熱力學性質和糊化特性也存在顯著差異[11]。喬富強等研究結果也證實了上述觀點[12]。

附表 部分淀粉中直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例 %

3 飼料加工工藝對淀粉糊化特性影響

3.1 粉碎粒度

原料經(jīng)適當粉碎后，飼料中有限的淀粉數(shù)變成更多的粒子數(shù)，淀粉顆粒的表面積增加，就有更多的機會水熱作用。此外，粒度的減小減少了水分達到顆粒中心的距離，縮短了水分滲透時間。總之，粒度的減小有利于糊化度的提高。程譯鋒等研究發(fā)現(xiàn)，粒度和淀粉糊化度增加值呈直線負相關[13]。廖娜等以玉米粉為原料，研究了在不同粉碎粒度下玉米粉的淀粉糊化情況，結果顯示，當玉米顆粒的粒徑從20.01μm降至7.89μm時，淀粉糊化度也從1.28%增加到21.41%[14]。劉強等研究發(fā)現(xiàn)，小麥的糊化溫度能夠隨著粒度的減小而下降，而其黏度上升[15]。潘思佚等比較了不同粒度的早秈米理化特性，結果顯示，不同粉碎粒度的早秈米其糊化溫度有所不同，粉碎粒度的越小，早秈米的糊化溫度越低[16]。王偉等研究了不同粒度對玉米糊化度的影響，結果發(fā)現(xiàn)，隨著粉碎粒度的減小，玉米的糊化度先上升后下降，其中，粉碎粒度為20目的玉米糊化度最高，達到35.06%，分別較6目和10目粉碎粒度提高57.15%和62.84%（P＜0.05），80目的玉米糊化度分別較6目和10目粉碎粒度提高53.38%和58.94%（P＜0.05），與20目的玉米糊化度無顯著性差異（P＞0.05）[17]。導致這種現(xiàn)象的原因可能是在粒度較大時，玉米顆粒的分子表面跟水接觸的面積較少，而且水分子進入到玉米顆粒內部結構的時間就相對較長，從而降低玉米糊化度。當粉碎粒度＞80目時，雖然玉米顆粒內部結構被破壞，降低玉米糊化度，但在數(shù)值上還是高于6目和10目粉碎粒度的玉米糊化度。這跟吳俊等研究結果相一致[18]。

3.2 調質

淀粉的糊化實質上是淀粉顆粒結構由有序狀態(tài)轉變?yōu)闊o序狀態(tài)的熵增過程，提高溫度有利于整個過程的轉化。調質是飼料加工過程中的一個重要過程，同時也是影響淀粉糊化的一個關鍵環(huán)節(jié)。在調質過程中通過加入熱干飽和蒸汽，使原料溫度和水分增加，提高了淀粉的糊化度。李啟武研究發(fā)現(xiàn)，隨著調質溫度的提高以及調質時間的增加，淀粉糊化度得到顯著的提高，調質濕度和調質時間對淀粉糊化度的影響見表2[19]。王偉等報道，相同粒度的玉米，其糊化度隨調質溫度的升高而提高，其中，90℃組玉米糊化度較70℃組提高25.43%（P＜0.05）[17]。胡友軍等研究了不同調質溫度、時間和水分條件對玉米糊化度的影響，結果顯示，升高溫度能夠在不同程度上提高玉米中淀粉的糊化度，當溫度＞90℃時，其糊化度提高的幅度最大[20]。進一步研究還發(fā)現(xiàn)，水分是影響淀粉糊化度的重要因子之一。當水分＜31.25%時，即使改變溫度（60～120℃）和時間（5～65min）的組合均難使淀粉糊化度提高到30%。高溫低水分引起淀粉糊化度下降的原因可能是：在高溫下干熱處理淀粉，容易形成“酶阻力淀粉”和“極限糊精”；在水分含量低的情況下對淀粉進行高溫處理，使直鏈淀粉結構發(fā)生改變，形成結構緊密的“高分子直鏈積聚體”，即使達到糊化溫度，也只有少許微晶束結構產生輕微振動，而分子間氫鍵難以斷裂，從而降低了淀粉的糊化度[21-22]。

表2 調質溫度和調質時間對淀粉糊化度的影響%

3.3 制粒

經(jīng)過水熱處理后的粉狀飼料通過制粒機的機械壓縮并強制通過模孔，使其形成顆粒飼料，在高溫和高壓環(huán)境條件下，淀粉的糊化度也得到進一步提高。在壓力700MPa條件下，2min可使86.8%玉米淀粉完成糊化，當調質時間增至5min時，可使玉米淀粉達到100%的糊化。李啟武研究了制粒對淀粉糊化度的影響，結果發(fā)現(xiàn)，在70和75℃制粒溫度下，顆粒飼料的糊化度分別較制粒前提高53.66%和61.90%（P＜0.05）；通過二次調質后，在65和70℃制粒溫度下，顆粒飼料的糊化度分別較制粒前提高84.14%和87.70%（P＜0.05）[19]。周兵等分別對制粒前后鯉魚前期料、中期料和后期料的糊化度進行比較，結果顯示，鯉魚前期料、中期料和后期料制粒前的淀粉糊化度分別為46.02%、43.19%和41.01%，制粒后的淀粉糊化度分別較制粒前提高24.29%（P＜0.05）、12.53%（P＜0.05）和9.51%（P＞0.05）[23]。程譯鋒等報道，飼料在制粒后其淀粉糊化度分別較調質前和調質后提高92.13%（P＜0.05）和10.94%（P＞0.05）[13]。

3.4 膨化

飼料在膨化腔內經(jīng)過一個高溫瞬時的過程，形成一種膨松多孔的顆粒[24-26]。張祥等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過膨化加工后，玉米糊化度能夠達到94.8%，而未經(jīng)膨化的玉米糊化度僅為14.7%，膨化過程中蒸汽添加量以及壓力環(huán)的直徑均對玉米糊化度產生顯著性影響，在一定范圍內，壓力環(huán)直徑越大，玉米糊化度越高[27]。壓力環(huán)對淀粉糊化度的影響原因可能是原料在推進過程中，隨著壓力環(huán)直徑的增大，升高了擠壓腔內的壓力和溫度，從而提高了淀粉的糊化度[27]。趙建偉等報道，原料在經(jīng)過膨化機的揉和區(qū)、熟化區(qū)時隨溫度的升高而提高原料的糊化度。除了溫度、水分和時間外，剪切力可通過對淀粉結構進行機械破裂而引起原料糊化度發(fā)生變化。在轉速為130～210 rpm，淀粉糊化度能夠隨著螺桿轉速的增加而提高[28]。程譯鋒等研究也發(fā)現(xiàn)，在轉速為50～150 rpm，淀粉糊化度隨螺桿轉速的增加而顯著提高（P＜0.05）。然而，螺桿轉速對于提高淀粉糊化度有一定限度，當螺桿速度超過一定限度時，會使原料在膨化機內停留時間減少，減弱了其受摩擦和剪切作用的程度，從而降低了淀粉的糊化度[29]。趙建偉等研究結果表明，當螺桿轉速＞210 rpm時，淀粉糊化度不但沒有提高，反而有下降的趨勢[28]。關正軍等報道，擠壓膨化系統(tǒng)參數(shù)對原料淀粉糊化度影響的主次順序依次為：擠壓機模頭溫度、模孔孔徑、物料水分以及螺桿轉速[30]。李麗等在膨化機正常配置條件下，改變調質溫度和膨化溫度，制備不同梯度糊化度的膨化玉米，研究結果表明，調質溫度或膨化溫度升高，淀粉糊化度增大，阿拉伯木聚糖含量降低。淀粉糊化度與阿拉伯木聚糖呈線性負相關[31]。程譯鋒等研究表明，在調質后水分26%～30%，喂料速度30～60 rpm，螺桿轉速150～250 rpm，機筒溫度120～135℃。飼料的淀粉糊化度為90%～92%，蛋白質體外消化率為90%～92%[32]。

3 小結

原料中淀粉的含量以及淀粉中直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例是影響淀粉糊化的決定性因素，而糊化現(xiàn)象的發(fā)生需要滿足一定溫度和水分條件。在飼料加工環(huán)節(jié)主要是通過調節(jié)原料的溫度和水分，從而引起淀粉糊化度發(fā)生改變。通過了解影響淀粉糊化度各因素，可為提高飼料生產過程中淀粉糊化度、生產效率和經(jīng)濟效益奠定基礎。

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