畜禽飼料常用植物蛋白源理化性質比較研究

余忠奎 ，李軍國 ，楊 潔 ，梁曉芳 ，王 杰吳秀峰 ，鄭銀樺 ，薛 敏 ，王 昊

中國農業科學院飼料研究所，北京 100081

在全面推進實現國家糧食安全及“雙碳”戰略目標背景下，玉米豆粕減量替代及綠色低碳生產已成為飼料行業發展的必然趨勢。我國優質飼用蛋白資源缺乏，飼料原料種類繁多，不同類型、批次及產地原料的理化加工特性差異都會對飼料加工過程及產品質量產生影響（吳雨珊等，2021），而國內飼料加工控制系統基礎構架落后，在生產技術方面以經驗模式為主，導致原料加工特性不明且關鍵工藝參數缺乏，生產過程產品質量波動大，能耗高，非計劃停機多且原料浪費嚴重。因此，開發多元化配方模式下的精準營養參數和飼料精細加工減損關鍵技術尤為重要。

目前畜禽飼料生產主要以蒸汽調質制粒工藝為主，多元化配方模式下，顆粒飼料質量受多因素影響，其中原料組成占比 40%、粉碎性能占比 20%、調質因素占比 20%、環模壓輥設備占比15%、冷卻條件占比 5%（孔丹丹等， 2019；張亮等， 2013 ；萬志生等， 2011）。蛋白質是飼料配方中的主要組成成分，在飼料制粒過程中，不同蛋白質還會在溫度、水分和壓力的共同作用下發生變性、聚集、交聯等變化，進而發揮其獨特的加工特性。植物性蛋白源的吸水性、黏合性普遍高于動物蛋白，多數未經過熱加工的植物蛋白原料具有較高的溶解度，易于加工形成顆粒飼料，而大部分動物蛋白原料屬于非功能性蛋白，黏度較低，難以形成良好的組織化結構和膨化效果（劉榮達等， 2023）。菜籽粕、豆粕、花生粕和棉籽粕等配方中常用的植物性蛋白源在畜禽動物和水產動物飼料中應用的營養學研究已較為完善，但各類原料理化加工特性數據仍然缺乏，對顆粒飼料物理質量和制粒成型特性影響的研究也鮮有報道。

本研究旨在比較分析菜籽粕、豆粕、花生粕和棉籽粕等四類畜禽飼料中常用植物性蛋白原料理化加工特性差異，為多元化配方模式下畜禽飼料原料的高效合理選用及加工工藝優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

豆粕來自青島渤海科技有限公司，棉籽粕來自新疆泰昆蛋白物產有限公司，花生粕來自山東嘉禾圓糧油有限公司，菜籽粕來自北京三元種業科技股份有限公司。所有原料經粉碎通過2 mm粒徑篩孔作為試驗材料（圖1）。

圖1 植物蛋白原料外觀圖片

1.2 試驗儀器及設備

分析天平（BS 224 S，sartorious）、錘片式粉碎機（9FQ-50B， 北京通燕機械制造有限公司）、脂肪儀（XT15I，ANKOM Technology）、全自動凱氏定氮儀（K1100F，Hanon）、Perten 快速黏度分析儀（ZM100，波通瑞華科學儀器有限公司）、粉體綜合特性測試儀（BT-1000，丹東百特儀器有限公司）、鼓風干燥機（DHG-9140A，上海一恒科學儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 營養成分含量測定參照GB/T 6435–2014測定水分含量；參照GB/T 6432–2018 測定粗蛋白質含量；參照GB/T 6433–2006 測定粗脂肪含量；參照GB/T 6434–2022 測定粗纖維含量；參照GB/T 6438–2007 測定粗灰分含量；每個樣品所有指標測量3 次平行并取均值進行數據分析。

1.3.2 松裝密度和振實密度參考GB/T 31057.2–2018 進行測定，測量松裝密度時將粉體裝滿儀器，無需振動，測得粉體質量和體積，則松裝密度= 松裝質量（g）/ 體積（L）；測量振實密度時將粉體裝滿儀器，在規定條件下進行振動，體積不變后再裝滿，繼續振動，重復以上操作直至儀器裝滿且在振動時體積沒有變化，則振實密度= 振實質量（g）/體積（L）。

1.3.3 休止角休止角采用 Kansas State University 推薦方法，測定裝置見圖2（專利號：201320101172.9）。將粉碎后的原料放置于漏斗中，使樣品自然下落至長方體容器內形成截面接近三角形的堆積體，待堆積體形狀穩定后停止添加，然后以截面的輪廓線為參照作直線與輪廓線重合，此直線與水平線的夾角即為物料的休止角。

圖2 休止角測定裝置

1.3.4 滑動摩擦角滑動摩擦角測量基于斜面儀法，測定裝置見圖3（專利號：20120413462.7）。將待測粉體樣品均勻平鋪在斜面儀裝置的被測板件上，緩慢轉動手動搖桿，逐漸增加平板的傾斜度，待粉粒開始滑動時，通過圓弧尺直接讀取平板的傾斜度，得到其滑動摩擦角。

圖3 斜面儀裝置

1.3.5 吸水性指數及水溶性指數吸水性及水溶性指數參考Wang 等（2021）的方法，物料粉碎后取2.5 g（1/10000 天平稱量）樣品加入50 mL 離心管中，加入30 mL 蒸餾水在振蕩器上以1500 r/min 振蕩20 min，混合均勻后以3000g離心10 min，離心管中剩余物質稱重后用于計算吸水性指數，吸水性指數/(g/g)=（沉淀物質量–樣品干物質）/樣品干物質。離心后的上清液用移液器吸出到烘干皿中，在烘箱中以135 ℃烘干2 h至恒重，取出后稱重用于計算水溶性指數，水溶性指數/%=上清液殘余干物質/樣品干物質×100。

1.3.6 蛋白質分散指數蛋白質分散指數（PDI）的測定參考Ma 等（2022）方法進行。取蛋白原料樣品20.0 g 在500 mL 三角瓶中，加入300 mL蒸餾水，以10000 r/min 攪拌10 min 后，將40 mL上清液轉移到50 mL 離心管中，以2700 r/min 離心10 min。收集上清液，用標準凱氏定氮法分析氮含量。蛋白質分散指數為上清液蛋白質含量除以原料蛋白質含量，并以百分比表示。

1.3.7 黏度特性黏度及淀粉糊化特性測量參考Samuelsen 等（2018）的方法并進行適當修改，由于不同種類蛋白質表觀黏度特性差異顯著，黏度曲線無法進行統一比較，因此試驗將3.5 g 蛋白原料與1.5 g 面粉混合后使用快速黏度分析儀測量黏度特性。檢測程序如下：在50 ℃下保持1 min；2～4 min 升至95 ℃；在95 ℃下保持2.5 min，然后從7～11 min 冷卻至50 ℃；在50 ℃保持2 min。槳葉以960 r/min 的速度運行10 s以分散樣品，然后在其余測試期間以160 r/min的速度保持恒定。最終用于分析的數據基于3次重復測量的平均值，并通過標準程序分析糊化溫度、峰值黏度、保持黏度、最終黏度、衰減值、回生值等指標。

1.4 數據分析

采用SPSS 26.0 對數據進行單因素方差分析，以“平均值±標準誤”的形式表示，其均值用Duncan 氏多重比較法進行差異顯著性檢驗，確定蛋白原料理化特性之間是否存在顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 原料營養物質組成

由表1 可知，四類原料水分含量均低于9.00%，其中豆粕最高為8.98%，花生粕最低為5.88%；粗蛋白質含量為37.82%～50.89%，棉籽粕粗蛋白質含量顯著高于其他原料（P＜0.05），菜籽粕粗蛋白質含量最低；各原料粗脂肪含量均低于1.50%，菜籽粕粗脂肪含量最高，為1.45%，花生粕最低，為0.28%；不同原料間粗纖維含量差異顯著，菜籽粕粗纖維含量最高，為18.86%，其次是棉籽粕（10.17%），豆粕最低（4.19 %）且與花生粕沒有顯著性差異（P＞0.05）；菜籽粕的灰分含量最高，為8.40%，顯著高于其他蛋白原料（P＜0.05）。

表1 不同植物蛋白原料營養成分檢測結果%

2.2 密度及流動性

由表2 可知，豆粕的松裝密度最高為742.07 g/L，顯著高于其他蛋白原料（P＜0.05），菜籽粕的松裝密度最低僅為544.83 g/L ；花生粕的振實密度最高（846.87 g/L）且與豆粕相近，二者顯著高于棉籽粕和菜籽粕（P＜0.05）；豆粕的休止角及摩擦角均較小，流動性好，棉籽粕的休止角顯著大于其他蛋白原料（P＜0.05），粉體內部摩擦力大；菜籽粕的摩擦角最大，顯著高于其他蛋白原料（P＜0.05），流動性最差。

表2 不同植物蛋白原料密度及流動性檢測結果

2.3 吸水性及水溶性

由表3 可知，花生粕的吸水性指數（2.53）顯著高于其他蛋白原料（P＜0.05)，豆粕和棉籽粕次之，菜籽粕的吸水性指數最低。豆粕的水溶性指數最高，為18.82%，其次為花生粕，棉籽粕和菜籽粕水溶性指數較低。豆粕的蛋白質分散指數最高（20.81%）且顯著高于其他蛋白原料（P＜0.05），菜籽粕蛋白質分散指數最低，僅為9.33 %。

表3 不同植物蛋白原料吸水性及水溶性檢測結果

2.4 黏度及糊化特性

通過快速黏度分析儀（RVA）檢測蛋白質–面粉混合物不僅可以分析蛋白原料的黏度特性，還能表征其對淀粉糊化過程的影響，是評價原料加工特性對飼料加工質量影響的重要指標。由表4 可知，豆粕的峰值黏度（1064.00 cP）顯著高于棉籽粕和菜籽粕（P＜0.05），與花生粕沒有顯著差異（P＞0.05）；各組樣品的保持黏度、最終黏度、回生值均存在顯著性差異（P＜0.05），由高到低依次為豆粕＞花生粕＞棉籽粕＞菜籽粕；花生粕組的衰減值顯著高于其他三組（P＜0.05），菜籽粕組最低為128.00 cP；豆粕組的糊化溫度（83.4 ℃）顯著低于其他三組（P＜0.05），菜籽粕組的糊化溫度最高，為91.5 ℃。

表4 不同植物蛋白原料黏度特性及對淀粉糊化的影響

3 不同蛋白原料基本成分及理化特性差異分析

3.1 基本營養物質成分

飼料原料基本營養成分及其含量與養殖動物生長性能直接相關，也是決定其加工性能的重要因素（吳雨珊等， 2022）。不同種類蛋白質氨基酸組成及排列方式、二級、三級和四級結構差異顯 著（Hernandez-Izquierdo 和Krochta, 2008），在濕熱加工中會通過聚集、交聯等發揮其結構功能特性（Wood 等，1987）。在飼料制粒過程中，蛋白質不僅具有粘結性，在溫度和水分的共同作用下還會產生塑化效果，有助于提高擠壓產品的結構強度（Briggs 等，1999），通常在一定范圍內增加蛋白質含量，會得到具有較好組織化及質構性能的產品。一般天然未變性狀態的蛋白質比加熱或變性的蛋白質具有更好的結構功能性質，因此除了蛋白質本身的結構性質差異外，各類型植物蛋白原料（尤其是餅粕類原料）在熱榨工藝中的變性程度也是決定其加工特性的重要因素。脂肪是飼料中重要的能量源，一般認為脂肪會由于其潤滑作用降低制粒過程的摩擦生熱以及扭矩、能耗等參數（S?rensen 等， 2012），但脂肪含量過高也會引起制粒機打滑堵機等現象。本研究中四種原料的脂肪含量均低于1.5%，對制粒過程影響程度有限。本試驗中菜籽粕和棉籽粕的粗纖維含量顯著高于豆粕和花生粕，粗纖維含量過高會導致濕熱加工中原料流動性及黏合性的降低，嚴重時會由于纖維聚集產生能耗顯著升高甚至堵機現象，但與此同時，粗纖維在一定范圍內增加也可以改善顆粒產品的質構性能（Hill 等， 1988）。

3.2 密度和流動性

松裝密度和振實密度用于表征蛋白原料經粉碎之后處于自然狀態和壓實狀態的容重，影響原料密度的因素除了原料種類外，還與粉碎后顆粒的形狀、粉碎粒度和粒度分布有關（Jacob 等，2018）。本試驗中各類原料均在相同粉碎機和篩片孔徑下進行粉碎處理，其中豆粕和花生粕松裝密度和振實密度均較高，菜籽粕密度最低，這種差異也會對制粒加工后顆粒飼料成品容重產生直接影響。在實際生產中，通過喂料器頻率調整加工產能時也應將原料密度因素考慮在內。摩擦特性影響原料在調質器、制粒機等飼料加工設備中的流動情況以及顆粒成型質量，是開展飼料加工工藝和設備研究的基礎。摩擦分為外摩擦和內摩擦兩大類：內摩擦是指粉料本身內在的摩擦性質，用休止角表示，休止角越大，摩擦系數越大，粉體的流動性越差；外摩擦是指粉料與接觸的固體表面間的摩擦性質，用摩擦系數來表示，摩擦角越大則摩擦系數越大，流動性越差（彭飛等， 2019）。綜合休止角及摩擦角數據來看，本研究中豆粕流動性最好，菜籽粕流動性較差，具有良好流動性的物料在加工過程中不易結拱，可以保證物料轉運過程流暢。流動性除了受蛋白原料自身性質的影響外還與粒徑、水分含量等因素顯著相關，有研究顯示顆粒粒徑中值為20 μm及以下時，原料流動性顯著變差。這是由于在此粒徑之下細顆粒的粒子間力與引力增強，導致了團聚體的形成，阻礙了自由流動行為（Spurek 等，2021）。四種蛋白原料粉碎時雖然都過2 mm 粒徑篩孔，但是由于原料類型及水分含量不同，粉碎后微粒形態和粒度分布也存在差異，進而也對物料流動性產生了不同程度的影響。

3.3 水合特性及蛋白質分散指數

合理的水分含量是保證飼料加工穩定性及產品成型率、耐久性等物理質量的關鍵因素，因此蛋白原料的水合性質對于評價其加工特性以及指導工藝參數調整具有重要意義。一般來說，蛋白質的吸水性與水溶性呈負相關，主要是因為吸水指數（WAI）代表蛋白原料的親水性，與蛋白質大分子的聚集有關，而水溶性指數（WSI）則被用于度量疏水作用（Ravindran 等， 2011）。原料較高的吸水性可能更容易產生良好的粘彈性，進而牢固地綁定原料微粒并使顆粒整體在運輸、儲存、飼喂過程中不易破碎，同時增強耐水性（Chen 等， 2010）。這在本試驗中得到了驗證，四種蛋白原料中花生粕和豆粕的吸水性顯著高于菜籽粕和棉籽粕，與黏度檢測結果具有一致性。蛋白質分散指數反映原料的水溶性蛋白含量，與熱加工過程中蛋白質的變性程度直接相關（Ma等， 2022），天然蛋白分子肽鏈上親水性側鏈基團絕大多數處于分子表面，形成親水區，而相當多肽鏈上疏水性側鏈基團則埋藏于分子內部，形成疏水區，當蛋白分子遭受物理、化學因素的破壞而變性后，原來緊密的空間發生轉變，處于分子內側的疏水性側鏈基團暴露，導致蛋白質的水溶性降低（沈蓓英等， 1997）。研究表明水溶性蛋白的塑化作用有助于提高擠壓產品的結構強度（Samuelsen 等， 2016）。本試驗中豆粕和花生粕的水溶性指數及水溶性蛋白含量也顯著高于菜籽粕和棉籽粕，因此可能在飼料加工過程中更有利于形成高耐久性顆粒。同時，豆粕和花生粕的高水溶性也將使其更容易在動物體內被消化吸收，進而提高飼料利用率。

3.4 黏度及對淀粉糊化特性的影響

由于不同類型蛋白原料黏度特性差異較大，相同檢測程序下黏度曲線可能難以進行統一比較，因此試驗選擇蛋白原料與面粉7:3 的比例混合后測定表觀黏度。不同類型蛋白質與淀粉之間的相互作用也是較為復雜的，因此對淀粉糊化過程和熔體黏度的影響也不盡相同（劉思迪等， 2021）。黏度代表物質在外力作用下的內部摩擦力或稱為粘滯阻力，因此吸水能力越強、分子體積越大的蛋白質聚集物，其內部粘滯阻力越大（周建中， 2016）。相反，可溶性聚集體越多，剪切黏度越低。本研究中豆粕和花生粕的峰值黏度、保持黏度、衰減值、最終黏度、回生值等指標均顯著高于棉籽粕和菜籽粕，與原料吸水性指數結果規律一致。飼料加工過程需要原料具備足夠的黏結性能以保證成品顆粒具有良好的耐久性、耐水性，但與此同時，黏度過高的物質可能也會導致生產過程物料與制粒機、膨化機等設備內部摩擦阻力過高，進而導致能耗增加。淀粉糊化是飼料原料產生黏結性并穩定顆粒內部結構的重要因素，蛋白質、脂肪、直鏈淀粉含量及分布等均會對糊化過程產生不同程度的影響（林親錄等，2009），有研究表明蛋白質在混合物中相互競爭淀粉糊化所需的水分，從而阻礙了糊化過程，提高了糊化溫度（Mohamed 和Rayas-Duarte, 2003）。本試驗中豆粕組的淀粉糊化溫度顯著低于其他各處理組，說明其對淀粉糊化的影響程度最低，因而更有利于淀粉發揮黏結性能。而菜籽粕的表觀黏度最低，且混合物的淀粉糊化溫度最高，內部粗纖維含量顯著高于其他原料，因此在加工中可能會對成品顆粒的耐久性產生負面影響，在使用過程應注意工藝參數和配方調整以保證顆粒產品質量。

4 結論

本試驗檢測并比較了豆粕、棉籽粕、花生粕和菜籽粕等四種常規植物性蛋白原料營養成分和理化特性指標。其中豆粕粗纖維及灰分含量最低，密度大且流動性強，水溶性指數和水溶性蛋白含量高，與面粉混合后黏度大、淀粉糊化溫度低。棉籽粕粗蛋白質和粗纖維含量較高，水溶性差，與面粉混合后黏度低、淀粉糊化溫度較高。花生粕粗脂肪、粗纖維及水分含量低，吸水性最強且與面粉混合后黏度較高。菜籽粕粗蛋白質含量最低，粗纖維及灰分含量最高，密度最低且流動性差，吸水性最差且水溶性蛋白含量低，與面粉混合后黏度低、淀粉糊化溫度最高。綜上所述，不同植物性蛋白原料物質組成及理化加工特性存在顯著差異，在飼料加工中應綜合考慮其對加工過程及飼料物理質量的影響，合理調整工藝參數以保證生產效率及產品質量穩定。