高粱替代面粉對水產膨化飼料加工質量的影響

楊 潔, 張嘉琦, 李 星, 李軍國,2 , 薛 敏 , 李 俊, 牛力斌

1.中國農業科學院飼料研究所，北京 100081；

2.農業農村部動物產品質量安全飼料源性因子風險評估實驗室，北京 100081

水產膨化飼料是一種低污染、高效率、高轉化率的優質環保型飼料。目前，在許多國家和地區已經形成了以膨化飼料為主流的加工與養殖模式（徐倩，2017 ；劉凡等，2016 ；汪沐等，2011；袁洪嶺，1998）。近幾年來，隨著我國水產養殖品種的不斷增加，對水產膨化飼料的要求也越來越高。淀粉不僅可以作為能源物質給水產動物供能，而且可以在水產膨化飼料加工過程中起到膨脹和黏合的雙重作用（楊潔等，2019）。針對水產膨化飼料，常用的淀粉源主要是面粉、玉米和木薯等，但相關研究發現不同來源淀粉的顆粒結構不同其加工特性也不同。比如小麥、玉米和大米中的淀粉具有很好的膨化效果，塊莖淀粉不僅具有較好的膨化性能而且具有很好的黏結能力，并且淀粉的加工特性直接影響水產膨化飼料的成型特性和品質特性（吳千茂，2017；Cheng 等，2003 ；張 立 彥 扥，2000 ；Gomez 等，1988）。高粱是重要的旱糧谷物作物，其產量排在小麥、大米、玉米和大麥之后，位居第五（寇興凱等，2015）。由于全球糧食價格趨漲，高粱作為飼用和食用作物，以其耐旱澇、耐鹽堿、耐貧瘠、易于種植等特性，受到各國的重視（Hamad 等，2018；董玉琛等，2003）。高粱的淀粉含量為72%～78%，蛋白質含量為6%～18%，氨基酸種類較齊全，并且含有豐富的礦物質元素，特別是鐵含量為玉米、小麥等的2～3 倍，是一種品質優良的飼料原料（李偉等，2017 ；寇興凱等，2015）。目前，鮮有高粱對水產膨化飼料質量的影響報道。本文旨在研究高粱不同比例替代面粉對水產膨化飼料加工質量的影響，為高粱在水產膨化飼料中的實際應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

選取紅高粱為淀粉源，測定高粱和面粉的加工特性，以面粉組飼料為對照組，其他各組分別以高粱替代50% 和100% 的面粉，分別命名為F1、F2、F3，并設置物料調質水分3 個水平，分別為25%、28% 和31%，采用濕法雙螺桿擠壓膨化生產工藝生產水產膨化飼料并對飼料的加工質量進行分析。具體飼料組成及營養水平見表1。

1.2 試驗料加工

試驗在中國農業科學院南口中試基地進行，飼料原料混合均勻后利用牧羊雙螺桿擠壓機（MY56×2A，模孔3.0 mm）制成水產膨化飼料。膨化條件：喂料速度保持在65～70 kg/h，調質溫度控制在（100±2）℃，噸料開孔面積為200～220 mm2/(t·h)，螺 桿 轉 速 為300 r/min。每組參數調整后，待膨化機穩定10 min，分別在調質器出料口以及膨化機出料口進行樣品采集，樣品采集3 份，采樣間隔30 s。試驗樣品采用自然風干的方法，待水分低于12%，符合貯存條件，收取裝袋進行試驗指標的檢測。試驗中膨化機系統各項參數由自動數據采集系統收集（每4 s采集一次）并儲存在計算機中，水產膨化飼料的實際生產參數見表2。

1.3 指標分析測定方法

1.3.1 淀粉源水溶性指數和吸水性指數測定原料經粉碎后過80 目篩，稱取2.0 g（M0）的篩下物于離心管（M1）中，加入20 mL 的蒸餾水后，劇烈振蕩，使樣品和水混合均勻呈懸浮液。使用渦旋儀對樣品進行處理，以1500 r/min 的速度振蕩20 min，然后使用離心機進行離心，以3000 r/min的速度處理20 min。將上清液緩慢倒入恒重的燒杯（M2）中，燒杯在135 ℃的烘箱中烘干至恒重（M3）。并稱取離心管和剩余沉淀物的總重（M4），利用以下公式計算出水溶性指數（WSI）和吸水性指數（WAI）。每個樣品測量三次，取三次的平均值。

式中：WSI 為水溶性指數；M0為樣品質量，g；M2為恒重的燒杯質量，g；M3為上清液烘干后與燒杯的總重，g。WAI 為吸水性指數；M1為離心管質量，g；M4為離心管和沉淀物總重，g。

1.3.2 淀粉源糊化特性測定利用RVA 的方法，具體步驟參照Chang 等（2004）的方法。

1.3.3 淀粉源熱力學特性測定利用DSC 的方法，具體步驟參照Sandhu 等（2007）的方法。

1.3.4 水產膨化飼料加工質量測定

1.3.4.1 容重 將體積為1 L 的容器去皮，將試樣倒入漏斗中，然后使用漏斗將飼料裝滿容器，用鐵板刮平容器口，量取重量，稱重之前不能振動或敲打容器，稱得的重量即為飼料的容重。每個樣品重復三次，取平均值作為該樣品的容重（單位g/L）。

1.3.4.2 膨化度 隨機取20 個膨化飼料顆粒樣品測定其直徑，按以下公式計算膨化顆粒飼料的膨化率。

式中：E 為膨化率；D1為膨化飼料顆粒直徑，mm ；D2為模孔直徑，mm。

1.3.4.3 下沉率 隨機取不少于150 顆飼料樣品，置于（26±2） ℃水中浸泡1 min（按照被測飼料的使用水域，選擇淡水或海水，海水選擇用0.5%的NaCl 溶液代替），輕微攪拌數下，待靜止后計數漂浮顆粒數，用以下公式計算沉性顆粒飼料的沉水率。

式中：C 為沉水率，%；R1為漂浮顆粒數，個；R 為總顆粒數，個。

1.3.4.4 水中穩定性 根據水產行業標準《SC/T 1077–2004 1077–2004 漁用配合飼料通用技術要求》進行穩定性測定。

1.3.4.5 最大吸油率 將水產膨化飼料M1（500 g）放入實驗室的真空噴涂機中，稱取過量的油脂400 g 倒入真空噴涂機中，確保油脂完全淹沒樣品，啟動真空噴涂機，緩慢抽空真空噴涂機中的空氣，直至真空噴涂機中的壓強降低到0.1 Mpa，保持1 min，當膨化成品空隙中的空氣全部從油脂中逸出，使油完全進入到膨化成品中，然后逐漸地釋放壓力，使真空噴涂機恢復到常壓，將膨化成品從真空噴涂機中取出，用吸油紙除去膨化成品外表多余的油脂，稱取吸油后的膨化成品質量M2。按照以下公式計算膨化顆粒飼料的最大吸油率。

式中：M1為樣品重量；M2為吸油后樣品重量。

1.3.5 漏油率將檢測完最大吸油率的成品放置在吸油紙上，在（25±3）℃的恒溫情況下儲存24 h，稱取樣品質量M3，用以下公式計算水產膨化飼料的漏油率。

式中：M3為漏油后樣品重量。

1.4 數據統計及分析

試驗數據采用SPSS 17.0 進行單因子方差分析，以“平均值± 標準差”的形式表示，各組間的平均值采用Duncan 氏法多重比較進行差異顯著性檢驗，以P<0.05 作為差異顯著性的標準。

2 結果

2.1 高粱和面粉加工特性分析

2.1.1 水溶性指數和吸水性指數由表3 可以看出，高粱的水溶性指數顯著低于面粉（P＜0.05），而高粱的吸水性指數顯著高于面粉（P＜0.05）。

表3 面粉和高粱的水溶性指數和吸水性指數%

2.1.2 糊化特性由表4 可以看出，高粱的糊化溫度顯著高于面粉（P＜0.05），峰值黏度、保持黏度和最終黏度顯著低于面粉（P＜0.05）。

表4 面粉和高粱的糊化特性

2.1.3 熱力學特性由表5 可以看出，高粱的起始溫度、峰值溫度和全糊化溫度顯著高于面粉（P＜0.05），糊化需要的焓值顯著低于面粉（P＜0.05）。

表5 面粉和高粱的熱力學特性

2.2 高粱對水產膨化飼料質量的影響

由表6 可以看出，在同一物料調質水分下，隨著高粱替代面粉比例的增加，水產膨化飼料的容重顯著升高（P＜0.05），膨化度顯著降低（P＜0.05），下沉率顯著上升（P＜0.05），溶失率顯著上升（P＜0.05），最大吸油率顯著降低（P＜0.05）；當物料調質水分為25% 和28% 時，隨著高粱替代面粉比例的增加，水產膨化飼料的漏油率先降低再升高，差異顯著（P＜0.05），當物料調質水分為31% 時，隨著高粱替代面粉比例的增加，水產膨化飼料的漏油率顯著升高（P＜0.05）。在同一配方下，隨著調質水分的增加，水產膨化飼料的容重顯著降低（P＜0.05），膨化率顯著升高（P＜0.05），下沉率顯著降低（P＜0.05），最大吸油率顯著升高（P＜0.05）；F1和F3 組的漏油率顯著降低（P＜0.05），F2 組的漏油率先降低再升高。

表6 高粱對水產膨化飼料質量的影響

3 討論

3.1 高粱和面粉加工特性

淀粉在水產膨化飼料加工過程中起著非常重要的作用，不僅能增強物料的黏性，在膨化飼料中起到膨脹和黏合的雙重作用。由于不同來源淀粉的顆粒結構不同，對水產膨化飼料加工和品質等產生的影響也存在差異。相關研究發現，淀粉源的功能特性、糊化特性和熱力學特性等加工特性與水產膨化飼料加工及品質特性之間存在一定的關系。水溶性指數是指物料在水中的溶解性質，吸水性指數指物料對水的親和力（Gomez 等，2010；Chevanan 等，2007 ；王亮等，2007）。研究發現高粱的水溶性指數顯著低于面粉，而高粱的吸水性指數顯著高于面粉。說明與面粉相比，高粱在水中的溶解性較差，但親水性較強。Vargas–Solórzano 等（2003）對不同品種的高粱和面粉進行了比較，發現面粉呈現較高水溶性指數和較低吸水性指數。本研究結果與其研究結果一致。淀粉糊化特性包括糊化溫度，峰值黏度，保持黏度和最終黏度等關鍵指標。其中，糊化溫度是指黏度開始增加的溫度，也是物料熟化所需的最低溫度；峰值黏度顯示淀粉結合水的能力，可以與最終產品的質量相關；保持黏度表征淀粉糊抗剪切的能力；最終黏度表明物料在熟化并冷卻后形成黏糊的能力。高粱的糊化溫度顯著高于面粉，峰值黏度、保持黏度和最終黏度顯著低于面粉。說明與面粉相比，高粱開始糊化的溫度較高，結合水的能力較弱，淀粉糊抗剪切和形成黏糊的能力也較弱。Ratnayake等（2003）研究指出，糊化溫度與淀粉源有關，面粉的糊化溫度為58～64 ℃，高粱的糊化溫度為71～80 ℃。同時，相關研究也發現不同品種高粱的糊化特性差異很大，本研究中高粱的糊化溫度很高，可能和高粱的品質有關（段冰等，2023；周福平等，2014；袁蕊等，2011）。按熱力學分析，淀粉糊化過程是淀粉微晶的熔融過程，淀粉顆粒發生了從有序到無序的相轉變，包括淀粉顆粒的吸水吸熱、溶脹水化、結晶態消失及糊黏度急劇增加等復雜現象。研究發現高粱的起始溫度、峰值溫度和全糊化溫度顯著高于面粉，糊化需要的焓值顯著低于面粉。說明與面粉相比，高粱開始糊化的溫度、峰值溫度和全部糊化的溫度均較高，但糊化所需要的焓值較低。Subzwari 等（2018）研究表明，高粱淀粉與其他谷物淀粉相比，有較高的糊化溫度，較低的熱焓值。

3.2 高粱對水產膨化飼料質量的影響

水產膨化飼料的質量評價是非常重要的，其中，容重和膨化率是反映水產膨化飼料膨化效果的指標，下沉率是評價膨化飼料沉浮性的重要指標，溶失率是評價膨化顆粒飼料水中穩定性的一項指標，最大吸油率能夠反映膨化飼料所能吸收的最大油脂含量，為后噴涂提供參考，漏油率反映水產膨化飼料吸收油脂以后對油脂保留的穩定性，以防在運輸和貯藏中油脂泄露造成浪費并污染環境。配方中不同淀粉源及淀粉含量會對水產飼料的膨化特性產生影響（張嘉琪，2019；袁 軍 等，2014；Ah–Hen 等，2014；Podoskina等，1997）。高粱與小麥的淀粉含量相當，但面粉的糊化特性更好，這可以提高水產膨化飼料的質量。并且面粉中含有約10% 蛋白質，包含醇溶性蛋白、谷蛋白、清蛋白和球蛋白等，其中醇溶性蛋白具有黏性、伸展性和膨脹性，谷蛋白決定著彈性，這也會改善水產膨化飼料的質量（廖蘭等，2018 ；車永和等，2001；馬傳喜等，1993；Matsudomi 等，1982）。Jafari 等（2017）研究發現，小麥和高粱混合面團的吸水性指數增加，這可能會降低水與谷蛋白之間的相互作用，而谷蛋白是面團具有黏彈性的核心物質，混合面團黏度的降低最終會導致膨化效果變差。高粱是無麩質谷物，蛋白中缺乏谷蛋白，而谷蛋白是物料熔融狀態提供黏度最重要的物質，因此高粱替代面粉會降低膨化水產飼料品質。物料調質水分是影響水產膨化飼料質量的重要因素，而水產膨化飼料質量對調質水分的高度依賴性取決于水分對淀粉源黏性的影響。Draganovic 等（2011）研究發現，提高物料調質水分能夠顯著改善水產膨化飼料產品的膨化效果和吸油能力。Kannadhason等（2010）和Cruzsuárez 等（2008）研究表明，當配方中含有木薯粉時，調質水分含量從15%增加到25%導致物料膨化率提高，單位密度下降。本研究結果與以上研究結果相一致。

4 結論

在加工特性方面，與面粉相比，高粱在水中的溶解性較差，但親水性較強；高粱開始糊化的溫度較高，淀粉糊抗剪切和形成黏糊的能力也較弱；高粱開始糊化的溫度、峰值溫度和全部糊化的溫度均較高，但糊化所需要的焓值較低。在產品質量方面，高粱不同比例替代面粉會降低水產膨化飼料的加工質量，但提高物料調質水分會改善水產膨化飼料的品質。