秸稈添加量對雙螺桿膨化畜牧飼料質量的影響

繆 宏， 葛迅一， 嚴 宇， 夏云帆， 張劍峰， 楊 錚

（1.農業部現代農業裝備重點實驗室，江蘇南京210014；2.揚州大學機械工程學院，江蘇揚州225000）

農作物秸稈一直以來是牛、羊等反芻動物的粗飼料（張杰等，2018；Schlegel等，2016），但因其含有大量粗纖維和木質素，質地粗糙、堅硬且適口性差，導致家畜對秸稈采食率和消化率較低（Amruta Morone等，2018；黃秋婷等，2009）。研究表明可以通過擠壓膨化作用改變農作物秸稈性能，破壞粗纖維和木質素結構，提高秸稈的消化率（Dyna Theng等，2017）。

目前，國內外秸稈擠壓膨化研究主要集中在單螺桿，且對飼料中秸稈添加量的相關研究鮮見報道（Gao等，2018；馮坤等，2011；Yan等，2007），而單螺桿擠壓膨化機存在物料易倒流、螺桿易磨損等問題，雙螺桿擠壓膨化機主要借助兩個嚙合螺桿的強制推動力保證物料向前輸送，克服了單螺桿膨化機的缺點，更適合用于農作物秸稈擠壓膨化。

為確定雙螺桿擠壓膨化秸稈飼料的秸稈添加量，本試驗以稻秸稈作為原料，以常見畜牧飼料中易于膨化的玉米粉作為基料，通過對制備飼料的膨化度、各項質構指標、成型質量進行分析，找出秸稈添加量對飼料各質量因素的影響規律，確定膨化飼料的稻秸稈添加量。以期為農作物秸稈飼料化加工中秸稈添加量選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗稻秸稈采集自揚州市樸席鎮農戶，初始含水率8.73%，纖維素質量分數44.94%，半纖維素質量分數18.25%，木質素質量分數14.79%，灰分質量分數6.32%，粉碎過18目篩備用。試驗玉米粉取自紹興科盛飼料有限公司，初始含水率14.23%，淀粉質量分數63.59%，蛋白質質量分數10.05%，脂肪質量分數2.04%，粒徑＜0.25 mm。

為充分利用稻秸稈，試驗設置稻秸稈添加量為10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，每組試驗飼料配制1kg，調節物料的含水率為24%，采用DS32-Ⅱ試驗型雙螺桿擠壓膨化機（濟南賽信機械有限公司），根據林江嬌等（2012）和莊海寧等（2011）的研究并結合試驗原料及機器實際情況設置主要參數：熔體輸送區溫度為140℃，螺桿轉速為100 r/min，喂料速度為20 r/min，螺桿長徑比為18.19，模孔直徑為5 mm。膨化好的飼料采用101-00B型數顯電熱恒溫干燥箱（紹興市銀河機械儀器有限公司）烘干，設置溫度為70℃，干燥時間為4 h，干燥后待其冷卻至室溫，裝袋貼標簽保存于4℃冰箱中備用。

1.2 試驗方法 膨化度：常用表示方法有3種：軸向膨化度、徑向膨化度和體積膨化度（畢金峰等，2008），其中徑向膨化度最直觀且容易測量，所以本試驗采用徑向膨化度P表示：

式中：D0為擠壓膨化產品平均直徑，mm；D1為擠壓膨化機模孔直徑，mm。

本試驗采用數顯千分尺（禾木五金機械設備公司）測量擠壓膨化飼料樣品，每組樣品隨機測量20粒，去掉其中的最大和最小值，采用算術平均值作為擠壓膨化產品平均直徑D0結果，代入上式得到產品膨化度。

質構特性：可以表達為飼料的硬度、黏附性、內聚性、彈性、膠黏性和咀嚼性（黃奕穎，2013；張彥軍等，2012）。每組選取顆粒完整的試驗飼料，采用TMS-PRO食品物性分析儀（美國FTC公司）對飼料進行測試，選取直徑為75 mm的圓盤型探頭，設置測試條件：觸發力為0.8 N，測試速率為120 mm/s，壓縮程度為50%，壓力為0.1 N，每種樣品測試3粒，結果取平均值。

成型質量：參照Miao等（2017）、覃莉莉等（2013）和牛化欣等（2011）的研究方法，將試驗樣品縱切，取1 mm左右顆粒均勻撒在雙面膠上，在真空中噴涂鈀金，采用Zeiss_Supra55場發射掃描電鏡（ZEISS公司）以20 kV電子束觀察樣品粒徑大小和表面的微觀形態并保存飼料的形貌照片。

2 結果與討論

2.1 稻秸稈添加量對飼料膨化度的影響 每組飼料樣品的平均直徑和膨化度計算結果如表1所示，隨著稻秸稈添加量的逐漸增大，擠壓膨化產品的膨化度也隨之逐漸降低，當稻秸桿添加量逐漸增大到35%時，飼料膨化度從1.54逐漸下降到1.08，而當稻秸桿添加量超過35%時，飼料基本不膨化。研究表明，稻秸稈中纖維素、半纖維素和木質素成分占到70%以上（Oxana Tyapkova等，2016；劉洪風等，2002），木質素與半纖維素、纖維素之間以酯鍵和醚鍵連接為主，這類化合物結構很牢固，屬于不易膨化的物質，因此隨著稻秸稈含量的增加，飼料膨化度呈線性遞減的變化趨勢，當稻秸桿添加量高于35%時，飼料基本不膨化，已失去研究意義。

表1 不同稻秸稈添加量下飼料膨化度

2.2 稻秸稈添加量對飼料質構特性的影響 結合上述膨化度分析結果，去除秸稈添加量35%和40%的試驗組，對剩余5組飼料樣品的質構指標平均計算結果如表2所示，當稻秸稈添加量為10%～15%時，飼料的硬度由125 N增加到144.7 N，之后便隨著稻秸稈添加量的增加而不斷降低，考慮到畜牧動物采食率，飼料硬度不宜過高，因此從飼料硬度考慮最好選擇30%左右的稻秸稈添加量；飼料的黏附性即飼料表面黏性，數值小可保證飼料咀嚼不黏牙，試驗飼料黏附性隨稻秸稈添加量的增大而不斷增大，但稻秸稈添加量在10%時，飼料黏附性只有0.12 m，數值過小導致口感沙化影響采食率，因此從飼料黏附性考慮最好選擇15%左右的稻秸稈添加量；當秸稈添加量為10%～20%時，飼料內聚性穩定在0.07 Ratio，當秸稈添加量為20%～30%時，飼料內聚性升至0.12 Ratio，數值越大說明飼料內部結構越穩定，因此從飼料內聚性考慮最好選擇30%左右的稻秸稈添加量；當稻秸稈添加量為10%～15%時，飼料彈性由0.99 mm降到0.94 mm，當稻秸稈添加量為15%～20%時，飼料彈性基本保持不變，當稻秸稈添加量超過20%時，飼料彈性緩慢下降，畜牧飼料彈性只要不是太大對采食率基本無影響，因此從飼料彈性考慮可選擇15%～30%的稻秸稈添加量；當稻秸稈添加量為10%～20%時，飼料膠黏性基本保持不變，當稻秸稈添加量超過20%時，飼料膠黏性逐漸上升，飼料膠黏性表示將半固體飼料破裂成吞咽時的穩定狀態的力，因此從飼料膠黏性考慮可選擇10%～20%的稻秸稈添加量；飼料咀嚼性表示將半固體樣品咀嚼成吞咽時的穩定狀態所需的能量，在試驗飼料組中其波動情況與膠黏性相似，因此從飼料咀嚼性考慮可選擇10%～20%的稻秸稈添加量。

表2 稻秸稈添加量對飼料質構指標的影響

2.3 稻秸稈添加量對飼料成型質量的影響 去除秸稈添加量35%和40%的試驗組，對剩余5組稻秸稈添加量飼料內部結構進行掃描電鏡觀測。圖1a、1b為稻秸稈粉和玉米粉SEM參照組，圖1c、1d中，因為稻秸稈添加量比較少，糊狀玉米粉將稈顆粒完全包裹，說明稻秸稈和玉米粉混合均勻，從圖1d中飼料斷層內部秸稈顆粒情況可以看出稻秸稈纖維已降解、細化；圖1e中，隨著秸稈添加量的增大，糊化玉米粉雖也將稈顆粒完全包裹，但與圖1c、1d相比飼料顆粒表面已經不光滑；圖1f、1g中，稻秸稈纖維也已撕裂、破碎，糊化玉米粉分布不均勻導致稻秸稈纖維表面凹凸不平，圖1g中顆粒狀結構是還沒有糊化的玉米粉，表明當稻秸稈添加量在30%左右時，飼料在雙螺桿擠壓腔均化輸送段淀粉糊化、蛋白質變性、纖維撕裂降解等物化反應不充分。成型質量變化反映到宏觀飼料表面質量如圖2所示，當稻秸稈添加量為10%～20%時，飼料外表較為均勻且直徑較大，當稻秸稈添加量繼續增大時，飼料外表變粗糙且直徑減小，說明飼料膨化效果變差。

圖1 不同稻秸稈添加量飼料內部結構的掃描電鏡圖（10μm）

圖2 不同稻秸稈添加量對應飼料表面質量

3 結論

在稻秸稈飼料雙螺桿擠壓加工中，單從膨化度考慮，稻秸稈添加量越小，試驗飼料膨化效果越好。綜合考慮試驗飼料各項質構指標情況，最好選擇20%左右的稻秸稈添加量，此時試驗飼料各項質構指標都能保證在較優區間內。若只是保證試驗飼料有較好的成型質量，可選擇10%～20%的稻秸稈添加量。為保證畜牧飼料產品質量較優，綜合考慮膨化度、質構指標、成型質量，最終選取稻秸稈添加量為20%，此時稻秸稈添加飼料成型質量最好，飼料膨化度和各項質構指標也能有較優表現。