6種常用飼料原料平衡水分吸附等溫線研究

郭沁文 任晨茜 龔楊帆 李 翀 齊德生

(華中農業大學動物科學技術學院，武漢 430070)

水分活度是指一定溫度的密閉容器中，物料的水蒸氣壓與純水蒸氣壓之比[1]。它反映了物料中水分的存在形式及可被微生物利用的程度，是決定產品質量的安全性和穩定性的最重要因素之一[2,3]。目前，水分活度的概念已廣泛應用于食品領域[4,5]，在飼料行業也逐步展開應用。在我國農業農村部2018年發布的20號文件中，已將水分活度定為評價寵物配合飼料的重要質檢指標[6]。

不同的微生物都有生長所需的最低水分活度值，一般地，霉菌生長的水分活度要在0.7以上，水活度低于0.7時，僅有少數嗜旱霉菌可以生存，如薛氏曲霉、赤曲霉、阿姆斯特丹曲霉等，而霉菌孢子基本不發芽。水分活度低于0.6時，所有霉菌都不能生長[7-9]。因此，以水分活度值為0.6對應的含水量為飼料絕對安全含水量，水分活度值為0.7對應的水分含量為飼料相對安全水分含量[10]。控制飼料含水量在安全含水量以下，就可以抑制霉菌生長，從而達到有效防霉[11]。

在一定溫度下以物料的水分含量對其水分活度作出的曲線為平衡水分吸附等溫線，又叫吸濕等溫曲線。吸濕等溫曲線對食品的干燥、混合、貯藏有重要指導作用，根據曲線擬合方程，可計算出飼料原料的安全水分[12,13]。在20世紀早期，Coleman發現在恒定溫度下谷物的含水量與其水分活度有對應關系，建立了水分等溫吸附曲線[14]，此后國外相繼有許多水活度與吸附等溫線的報道[15]。歐共體的科學技術聯盟聯合11個國家對玉米、小麥、稻谷等農產品的吸附等溫線進行研究，繪制了一千多條等溫線[16]。我國對于農產品水分等溫吸附研究起步較晚，在20世紀90年代，文友先等[17]率先對稻谷的吸附與解吸等溫線進行研究，發現曲線呈反S形，隨后國內陸續研究了玉米、大豆、小麥、乳清粉等少量農產品的吸濕曲線[18-23]。

目前，我國對于農產品水分等溫吸附的研究報道有限，遠不能滿足飼料生產需要。本實驗通過研究6種常用飼料原料在不同溫度下的平衡水分吸附等溫線，利用曲線擬合效果好的數學方程計算出飼料原料的絕對安全含水量和相對安全含水量，以便為飼料原料防霉工作提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料樣品

2018—2019年從我國糧食主產區收集6種飼料原料，樣品產地、年份及生化指標見表1。

表1 實驗用飼料原料樣品(生化指標)/%

1.1.2 儀器設備

101-1AB型電熱鼓風干燥箱(溫度偏差：±1 ℃)；干燥器：內徑240 mm；BS224S電子分析天平(精度：±0.1 mg)；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 飼料原料的準備

飼料原料經40目篩粉碎，放入電熱鼓風干燥箱，105 ℃干燥至恒重，取出置于干燥器中冷卻后將樣品分置于8個自封袋中，將自封袋中的飼料原料中兌水至預期所需的含水量(分別為5%、7.5%、10%、12.5%、15%、17.5%、20%以及該飼料原料基本含水量)，待樣品在干燥器中水分平衡24 h以上備用。

1.2.2 樣品水分活度的測定

分別使樣品在LabMaster-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，每個含水量的樣品做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方法進行飼料含水量的測定，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含水量。

1.2.4 水分等溫吸附曲線數學模型

本實驗根據所選的飼料原料種類及成分，選擇了5種農產品常用的平衡水分吸附等溫線擬合方程：修正Halsey(MHAE)、修正 Henderson(MHE)、修正Chung-Pfost(MCPE)、修正3參數GAB(MGAB)、修正Oswin(MOE)，其表達式及參數見表2[24]。

表2 農產品常用的平衡水分吸附等溫線擬合方程

2 結果與分析

2.1 小麥粉平衡水分吸附等溫線

運用Origin 9.1進行統計學分析，小麥粉在不同條件下平衡水分吸附等溫線擬合方程的方程參數及統計學參數見表3。由表3可見，MGAB方程在15和35 ℃擬合效果最好，MHE方程在25 ℃時擬合最好。將常數項帶入最佳擬合方程，計算出小麥粉在15、25和35 ℃下的絕對安全含水量為12.43%、12.29%、11.48%，相對安全含水量為14.24%、14.14%、13.60%。

表3 小麥粉平衡水分吸附等溫線擬合方程參數及統計學參數

2.2 米糠平衡水分吸附等溫線

運用Origin 9.1進行統計學分析，米糠在不同條件下平衡水分吸附等溫線擬合方程的方程參數及統計學參數見表4。由表4可見，MOE方程在15、25、35 ℃時擬合效果均為最好。將常數項帶入最佳擬合方程，計算出米糠在15、25、35 ℃下的絕對安全含水量為9.14%、8.83%、8.45%，相對安全含水量為10.76%、10.55%、10.33%。

表4 米糠平衡水分吸附等溫線擬合方程參數及統計學參數

2.3 棉粕平衡水分吸附等溫線

運用Origin 9.1進行統計學分析，棉粕在不同條件下平衡水分吸附等溫線擬合方程的方程參數及統計學參數見表5。由表5可見，MOE方程在15、25 ℃時擬合效果最好，MGAB方程在35 ℃時擬合最好。將常數項帶入最佳擬合方程，計算出棉粕在15、25和35 ℃下的絕對安全含水量為10.53%、10.34%、10.00%，相對安全含水量為12.57%、12.63%、12.56%。

表5 棉粕平衡水分吸附等溫線擬合方程參數及統計學參數

2.4 芝麻粕平衡水分吸附等溫線

運用Origin 9.1進行統計學分析，芝麻粕在不同條件下平衡水分吸附等溫線擬合方程的方程參數及統計學參數見表6。由表6可見，MOE方程在15、35 ℃時擬合效果最好，MHAE方程在25 ℃時擬合最好。將常數項帶入最佳擬合方程，計算出芝麻粕在15、25和35 ℃下的絕對安全含水量為8.84%、8.27%、8.18%，相對安全含水量為10.73%、10.12%、10.36%。

表6 芝麻粕平衡水分吸附等溫線擬合方程參數及統計學參數

2.5 玉米蛋白粉平衡水分吸附等溫線

運用Origin 9.1進行統計學分析，玉米蛋白粉在不同條件下平衡水分吸附等溫線擬合方程的方程參數及統計學參數見表7。由表7可見，MHE方程在15 ℃時擬合效果最好，MCPE方程在25 ℃時擬合最好，MOE方程在35 ℃時擬合最好。將常數項帶入最佳擬合方程，計算出玉米蛋白粉在15、25和35 ℃下的絕對安全含水量為9.48%、9.05%、8.49%，相對安全含水量為10.91%、10.54%、9.96%。

表7 玉米蛋白粉平衡水分吸附等溫線擬合方程參數及統計學參數

2.6 DDGS平衡水分吸附等溫線

運用Origin 9.1進行統計學分析，DDGS在不同條件下平衡水分吸附等溫線擬合方程的方程參數及統計學參數見表8。由表8可見，MGAB方程在15 ℃時擬合效果最好，MOE方程在25、35 ℃時擬合效果最好。將常數項帶入最佳擬合方程，計算出DDGS在15、25和35 ℃下的絕對安全含水量為9.29%、8.95%、8.60%，相對安全含水量為11.96%、11.62%、11.31%。

續表7

表8 DDGS平衡水分吸附等溫線擬合方程參數及統計學參數

3 討論

3.1 不同飼料原料對水分的吸附性

由于飼料本身的理化性質差異，對水分的吸附能力不同，用以描述曲線的最佳擬合方程也不盡相同。在本實驗選取的吸濕方程中，MHAE方程對高油脂、高蛋白類農產品吸濕曲線擬合較好，MOE方程適于描述蛋白質類和淀粉類食品，MCPE方程和MHE方程適于擬合大麥、小麥等淀粉類谷物及富含纖維的物料，MGAB方程提供單層水分含量，對確定食品儲藏能力, 尤其是脫水食品的最佳水分含量最有用[25-28]。因此，對不同的飼料原料繪制平衡水分吸附等溫線時，應根據飼料的化學組成選擇合適的吸濕模型進行擬合。

3.2 溫度對飼料水分活度的影響

在一定含水量范圍內，水分活度隨溫度升高而增大。這是由于溫度變化會引起飼料原料理化性質的改變。隨著溫度升高，物料對水的親和活性點減少，分子的激發態及分子間引力發生改變，水分子的活性增強，導致飼料對水分吸附力下降，游離水增多[29,30]。因此，“安全水分”是相對的，在不同的季節和地區，由于氣溫不同，同一飼料原料的安全水分含量不同。

3.3 飼料原料吸濕等溫曲線的形狀

Brunauer根據形狀將吸附等溫線歸納為5類[31]，本研究中6種飼料原料的吸濕曲線變化趨勢基本一致呈S形，屬于Ⅱ類型等溫線，與大多數食品相符[24]。S形曲線前段上升緩慢，后半段上升趨勢變強。這是由于隨著水分活度增大，水分進入飼料原料膨脹的間隙，發生多層吸附。隨著水分子層加厚逐漸形成球面結構，飼料原料孔隙所受壓力減小，對水分吸附能力增強[32]。一般地，水分活度值大于0.65時進入曲線的顯著上升區段，飼料原料吸附水分的能力變強，極易發生霉變，因此，應嚴格控制飼料原料的水分在安全含水量之內。

4 結論

本實驗研究小麥粉、米糠、棉粕、芝麻粕、玉米蛋白粉、DDGS的平衡水分吸附等溫線，選擇擬合效果最佳的模型方程，計算出了這6種飼料原料的絕對安全水分和相對安全水分，為其儲藏和防霉工作提供了科學指導。