利用雙螺桿擠壓機作為生化反應器制作美拉德反應飼料的研究

肖 彤， 肖志剛， 張愷容， 解鐵民

(沈陽師范大學糧食學院，沈陽 110034)

豆粕是油脂制取工業的副產品，由于其價格低、蛋白質量分數高(30%～50%)、氨基酸分布相對平衡、成分穩定等優點，被廣泛應用于畜禽飼料生產[1,2]。飼料進入反芻動物的瘤胃后，蛋白質在微生物產生酶的作用下分解成肽和游離氨基酸，并進一步降解為有機酸、氨和二氧化碳[3]。反芻動物排放的氣體(氨氣、二氧化碳)會加劇地球溫室效應。除此之外，飼料蛋白在瘤胃中降解產生氨，其中一部分氨被微生物利用，還有一些被動物吸收轉化為尿素，這些尿素大部分會排出體外，只有一小部分尿素可以回到瘤胃再利用，造成一部分蛋白浪費[4]。并且由于反芻動物瘤胃的特殊性，攝入的蛋白質容易被微生物降解利用，導致進入小腸消化吸收的蛋白質數量減少，不利于反芻動物的生長、繁殖以及產奶[5]。因此，降低產氨率和提高飼料過瘤胃蛋白的數量十分重要[6，7]。

許多學者研究豆粕在瘤胃中的降解率問題，發現在加熱情況下發生的美拉德反應能夠減少蛋白質在瘤胃中的降解率，從而增加反芻動物日糧中過瘤胃蛋白的數量[8，9]，其中美拉德反應是羰基化合物(通常是一種還原糖)和氨基化合物(通常是一種氨基酸、肽或蛋白質)之間的反應[10]。王濰波等[11]利用正交實驗研究了葡萄糖處理豆粕對奶牛過瘤胃蛋白的影響，隨著加熱溫度、加熱時間和葡萄糖添加量的增加，豆粕蛋白質的瘤胃降解率降低。Ca等[12]測定了豆粕和棉籽粕分別發生不同強度的美拉德反應在瘤胃中的降解率，結果表明，美拉德反應確實可以提高過瘤胃蛋白的數量。

傳統制備美拉德反應飼料的方法是濕熱法，能量消耗大，時間長，在制備過程中雖然易發生美拉德反應，但會使一部分營養物質失活。本研究利用擠壓膨化制備美拉德反應飼料，縮短反應時間，且反應過程中僅需少量水分，這有助于提高干燥過程的效率，減少能量耗費。擠壓膨化是通過水分、熱能、機械剪切和壓力等綜合作用對物料進行加工的一種技術[13]。擠壓過程中可能會發生一些物理化學和營養變化包括脂質氧化、蛋白質變性和交聯、淀粉糊化、維生素降解和酶變性、褐變和風味的形成等[14]，這些變化需要高溫高壓并精確控制停留時間和溫度。雙螺桿擠壓機作為高溫食品反應器，可以精確控制停留時間，提供連續加工、混合、溫度控制和通風等功能。

本研究以大豆粕為原料，加入葡萄糖，混合均勻后利用雙螺桿擠壓機進行擠壓。測定在不同溫度、pH、物料配比和水分等條件下擠出物性質，比較不同配方及擠壓機參數設置對擠出物的影響，探究擠壓參數與美拉德反應之間的關系。以期在實際生產中可以更好控制美拉德反應，從而降低蛋白飼料在反芻動物瘤胃中的降解率。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

豆粕(含水量9.18%、灰分質量分數5.5%、蛋白干基質量分數47.59%)、葡萄糖；硫酸、鹽酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉等試劑均為分析純。

1.2 儀器設備

pHS-3G型pH計，MA45C-000230VI型水分測定儀，UV-1200S紫外可見分光光度計，UV36-40D雙螺桿擠壓機，S-4800高分辨場發射掃描電子顯微鏡，F98熒光光譜儀，CR-400美能達色彩色差儀。

1.3 方法

1.3.1 擠壓設備

本研究采用的是UV36-40D雙螺桿擠壓機，其主要技術參數為：螺桿直徑36 mm，長徑比為40∶1，螺桿轉速50～500 r/min，共10節套筒，每節套筒可單獨控溫，溫度誤差為±1 ℃，每節套筒均有獨立進水口，可精確控制進水速度；體積式固體喂料器，可精確控制固體物料的喂入速度。從喂料端到出口端螺桿配置依次為F1×2、F1.5×2、F1、F1.5×3、F1×2、F0.75×2、B1D90、F1.5、F1×2、B1.5D45×5×2、F1×2、F0.75、B1.5D45×5、B1.5D30×7、F1×2、F0.75×2、B1D90×2、B1D45×5×9、B0.75D60×4×2、B1R45×5、F1×2、F0.75×5。

F1×2表示F1元件數量為2。各代碼所對應的元件見表1。

表1 螺桿排列順序的代碼與螺桿元件對照表

1.3.2 擠壓實驗設計

本實驗采用單因素實驗設計，一個條件重復3次。用混料器將豆粕和葡萄糖(葡萄糖占豆粕的質量比為1%、2%、3%、4%)混合10 min。確保物料混合均勻，將得到的混合物進行擠壓膨化處理。配制pH 6.5的磷酸緩沖溶液根據一定比例(1∶18)加入液體喂料器，固體喂料速度設置為20 kg/h，改變不同操作參數進行擠壓實驗。擠壓溫度實驗：將擠壓機螺桿轉速設置為350 r/min，物料含水量為25%，在擠壓機機筒溫度分別設置為110、120、130、140、150 ℃條件下擠壓；擠壓物料水分含量實驗：將擠壓機螺桿轉速設置為350 r/min，擠壓機機筒溫度設置為130 ℃，在此條件下分別將含水量設為15%、20%、25%、30%、35%進行擠壓制備；擠壓螺桿轉速實驗：將物料含水量設為25%，擠壓機的機筒溫度設置為130 ℃，在此條件下將擠壓機螺桿轉速分別設置為275、300、350、400、450 r/min進行擠壓制備。擠出的樣品放入到烘箱中在45 ℃下干燥，烘干后粉碎過100目篩，用于后續品質分析。擠壓過程中扭矩、模口溫度和壓力均為軟件實時記錄，在每次接料前后記錄。

1.3.3 擠壓系統參數的測定

UV36-40D雙螺桿擠壓機可以記錄扭矩和壓力的變化情況，當操作參數達到設定要求后，每15 s記錄扭矩和壓力的數值，記錄多次取平均值。重復7次，測定5 min之內樣品的產量，再根據相應時間內的扭矩均值(減去空轉扭矩)和螺桿轉速根據公式計算比機械能(SME)，結果用均值表示:

SME=2π(n/60)×τ/MFR

式中：n為螺桿轉速/r/min；τ為扭矩/N·m；MFR為物料流速/kg/h。

1.3.4 美拉德反應程度的測定

在Diftis等[15]的方法上稍作修改，稱取0.5 g樣品，加入到0.025 L蒸餾水中，均質1 min，磁力攪拌2 h，離心20 min(離心機設置為8 000 r/min)，離心后所得上清液經濾紙過濾后于4 ℃冰箱保存備用。取0.002 L樣品上清液和0.002 L稀釋液(10%十二烷基硫酸鈉SDS和0.05 mol/L硼砂)，均質1 min，以稀釋液做空白，測定混合后液體在420 nm下的吸光值并記錄。

1.3.5 色澤的測定

使用色彩色差儀測定擠出樣品飼料的色澤。

1.3.6 消化性的測定

消化性采用濾袋法測定24 h粗蛋白和干物質降解率[16]。

1.3.7 數據處理

實驗平行3次，所得數據取均值應用SPSS統計軟件(IBM SPSS Statistics 21.0)和Origin Pro 2016軟件進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 擠壓系統參數分析

2.1.1 機筒溫度對系統參數的影響

如圖1所示，隨著溫度升高，模頭壓力總體下降，SME降低。物料在機筒內流動狀態的變化會導致系統參數的變化，提高機筒溫度會引起物料熔體溫度的升高，導致物料在擠壓機內黏度降低，從而降低SEM輸入，同時物料的黏度減小會導致物料在輸送過程中產生的黏滯阻力減小，所以模頭壓力變小，這一結果與康立寧[17]和Akdogan[18]的研究結果一致。

隨著葡萄糖添加量的提高，壓力和SME均呈現降低的趨勢。這是由于葡萄糖是小分子物質，小分子物質的增加會增加原料的自由體積，進而降低原料的黏度，物料在設備中黏度降低，也會導致模頭壓力和SME降低。

2.1.2 物料含水量對系統參數的影響

如圖2所示，隨著物料含水量的提高，模頭壓力減小，SME下降；隨著葡萄糖添加量的提高，模頭壓力和SME呈現降低的趨勢。根據Michaeli等[19]的研究，ΔPdie=m(Qdie/K’)n，式中：Qdie為物料流速，K’為模孔導率(由于模孔形狀及大小固定，所以K’為定值)，m為稠度(黏度)，n為流動指數。由圖2可以看出模頭壓力隨著物料水分的升高而降低，當水分含量升高時，剪切作用逐漸減小，SME下降，同時擠壓機內物料的黏度下降[18]，進而引起模頭的壓力下降，這與Pan等[20,21]的研究結果一致。

2.1.3 螺桿轉速對系統參數的影響

如圖3所示，提高螺桿轉速，模頭壓力降低，SME增加。由于食品原料是假塑性流體[22]，隨著螺桿轉速的提高，剪切率增大，黏度降低，因此模頭壓力會下降。同時螺桿轉速的增大會使套筒中物料填充部分的長度縮短，物料的溫度提高，也會引起的黏度下降，導致扭矩降低，但扭矩下降速度對SME的影響遠低于螺桿轉速提高速度對SME的影響，因此總體上SME是增加的。在同一螺桿轉速條件下，由于對系統影響復雜，隨葡萄糖添加量的改變，操作參數變化的規律性不強。

2.2 美拉德反應影響因素的分析

通過對反應產物顏色的測定與分析可以了解美拉德反應的程度。美拉德反應生成類黑色素物質，類黑色素生成量與美拉德反應呈正比。用吸光值表征類黑色素，吸光值越大，生成的類黑色素越多，褐變程度越大，則美拉德反應程度越大；反之吸光值越小，代表生成的類黑色素物質越少，褐變程度越小，美拉德反應的程度也越小。美拉德反應程度受溫度、水分、底物濃度、pH等因素影響。

2.2.1 含水量對美拉德反應程度的影響

美拉德反應程度與物料含水量成反比，物料含水量越高，美拉德反應程度越小。當樣品的含水量在15%～25%之間時，容易發生褐變。含水量越低，反應程度越大，但當樣品完全干燥時，褐變難以進行。如圖4所示，隨著含水量的增加，吸光值越來越小，說明生成的類黑色素逐漸減少，褐變程度變小，美拉德反應程度變小，這與侯建設等[23]的觀點一致。此外，當加入不同濃度的葡萄糖時，具有相同含水量的樣品吸光值不同，說明底物濃度不同，美拉德反應速率也不同。

圖1 機筒溫度對系統參數的影響

圖2 物料含水量對系統參數的影響

圖3 螺桿轉速對系統參數的影響

圖4 物料含水量對吸光值的影響

2.2.2 溫度對美拉德反應程度的影響

溫度升高有利于加速美拉德反應。溫度每變化10 ℃，美拉德反應的速度可能相差3～5倍。如圖5所示，吸光值隨溫度的升高而增大，表明類黑色素的生成量增加，褐變程度增加，美拉德反應的程度變大，這與張汆[24]和李凡姝等[25]研究的結果一致。從變化的趨勢線可以看出，美拉德反應受水分的影響程度要大于受溫度的影響。當加入不同濃度的葡萄糖時，樣品在相同溫度下的吸光值不同，物料中葡萄糖質量分數為1%時，擠出樣品的吸光值最低，說明生成的類黑色素較少，美拉德反應程度小。

圖5 溫度對吸光值的影響

2.2.3 螺桿轉速對美拉德反應的影響

如圖6所示，隨著螺桿轉速的增加，樣品的吸光值變化不明顯，說明螺桿轉速的改變對美拉德反應影響不大，提高或降低螺桿轉速不能顯著改變美拉德反應的程度。

圖6 螺桿轉速對吸光值的影響

2.2.4 pH對美拉德反應程度的影響

如圖7所示，在相同的水分、溫度、螺桿轉速和底物濃度條件下，樣品的吸光值隨著pH的增加而增大。加入磷酸鹽緩沖溶液pH 6.5時的樣品的吸光值大于加入磷酸鹽緩沖溶液pH 6.0時的樣品的吸光值，大于未加入磷酸緩沖溶液的樣品的吸光值，這是因為pH在3～9之間，美拉德反應速度隨著pH值的升高而加快，反應速度加快，類黑色素生成量增多，吸光值高，這與李凡姝等[25]的研究結果一致。

圖7 pH對吸光值的影響

2.3 色差分析

顏色在一定程度上反映了美拉德反應的程度。色差計可以客觀、準確地反映出擠出物的色澤。本實驗對擠出物的色澤進行測定，以標準白色瓷板的L*、a*、b*值為標準計算出各擠出物的色差ΔE*，與白色對比的綜合色差值ΔE*越大，說明擠出物顏色越深，褐變程度越大；ΔE*越小，說明擠出物顏色越淺，類黑色素少，美拉德反應程度小。

2.3.1 機筒溫度對擠出物色差的影響

如圖8所示，隨著機筒溫度升高，ΔE*逐漸增大，樣品的顏色變深，這說明隨著溫度的升高，美拉德反應加劇，產生類黑色素，使擠出物的顏色逐漸變深。美拉德反應受溫度的變化影響很大，這與林瑩[26]的研究結果一致。

圖8 溫度對色差的影響

在相同溫度、螺桿轉速和含水量條件下，物料葡萄糖質量分數為1%時，樣品色澤最淺，隨著葡萄糖添加量的提高，樣品色澤總體來說呈現加深趨勢，說明底物濃度會影響樣品色澤，這是由于葡萄糖含量提高，褐變反應加劇，美拉德反應程度加深，樣品的色澤變深。

2.3.2 螺桿轉速對色差的影響

如圖9所示，螺桿轉速對擠出物色澤的影響不太明顯，螺桿轉速的增大會使熔融填充部分的剪切速率增大，導致更高熔體溫度和更高的熔體膨脹進而影響擠出物色澤。

圖9 螺桿轉速對色差的影響

2.3.3 物料含水量對色差的影響

物料含水量對擠出物色澤影響最大，當物料含水量在15%～20%之間時，產品顏色較深，隨著物料含水量的增加，擠出物顏色逐漸變淺。如圖10所示，物料含水量在15%時，ΔE*值最高，樣品顏色最深；隨著物料水分含量逐漸升高，樣品的顏色越來越淺，物料含水量為35%時，ΔE*值最低。在相同含水量、溫度和螺桿轉速條件下，添加葡萄糖量為1%時，樣品色澤最亮白，隨著葡萄糖添加量的提高，樣品顏色逐漸加深，說明底物濃度對樣品色澤具有一定的影響，葡萄糖含量高，美拉德反應的程度就深，色澤也會變深。

圖10 物料含水量對色差的影響

2.3.4 樣品的色澤、吸光度、擠壓系統參數相關性分析

樣品的吸光度與樣品色澤之間存在復雜的相關關系，見表2。樣品的吸光度與L*值呈顯著負相關，與ΔE*呈顯著正相關。因此，可以通過測定L*和ΔE*來快速判斷擠出產品美拉德反應的程度，達到快速檢測產品質量是否合格的目的。

樣品的吸光度與系統參數之間存在相關關系，見表2。樣品的吸光度與模頭壓力呈極顯著正相關，與SME和扭矩呈顯著正相關。由于螺桿轉速對美拉德反應沒有顯著影響，所以在生產中可以提高螺桿轉速并增加喂料速度來提高生產率，雖然這會使SME下降(喂料速度的提高大于螺桿轉速對SME的影響)，但可以通過降低水分的方式來提高SME的值，進而保持美拉德反應的程度，從而達到提高生產率的目的。此外，SME能直接影響擠壓產品的質量，是工廠生產擠壓產品的一個重要考慮因素[27,28]。通過對比比機械能和擠出物吸光值進行分析可以得到SME(x)對吸光度(y)的回歸方程為：

y=938.936 54exp(-x/9.096 08)+938.936 54exp(-x/11.117 43)+0.278 62

在實際生產的過程中應用SME對美拉德反應程度進行預測與分析，根據不同產品的需求，對美拉德反應進行控制，力求達到更好的生產效果。

表2 樣品特性指標間的相關系數表

2.4 過瘤胃蛋白消化率分析

選取葡萄糖質量分數為4%、套筒溫度130 ℃、pH 6.5、螺桿轉速為350 r/min，不同含水量條件下(20%、30%、40%)的擠出樣品飼料，測定其在瘤胃內12、24 h的蛋白降解率和干物質降解率(見表3)。

由表3可以看出，經過12～24 h培養后，在20%含水量下加工的豆粕在瘤胃中的蛋白降解率明顯低于未經過處理豆粕的蛋白質降解率，這是因為在其他條件一致的情況下，較低水分處理的擠出樣品飼料發生美拉德反應的程度大，由于美拉德反應可以保護蛋白質不被瘤胃降解，所以20%含水量的擠出樣品飼料在瘤胃中的蛋白降解率最低。此外，豆粕在瘤胃中的干物質降解率明顯高于未經過處理豆粕的降解率，說明經過擠壓后豆粕中碳水化合物(纖維素復合物、淀粉、多糖)的利用率有所提高，提高了12.5%。這些證明了可以利用雙螺桿擠壓機作為生化發應器來制備過瘤胃不被降解的美拉德反應蛋白飼料。

表3 不同條件下的擠出樣品飼料在不同時間點 的蛋白降解率和干物質降解率/%

3 結論

本實驗將雙螺桿擠壓機作為生化反應器使不同梯度的葡萄糖與豆粕中的蛋白質發生美拉德反應，結果表明，螺桿轉速對美拉德反應沒有顯著的影響，可提高實際生產過程中美拉德反應飼料的產量。擠出物的色澤和美拉德反應呈正相關，通過色彩色差計測定產品色澤，可檢測產品的美拉德反應程度。通過對擠壓機操作參數與系統參數進行相關性分析，發現可以通過改變操作參數來預估系統參數，建立操作參數與目標產品的聯系，控制擠出物品質。