挤压熟化饲料加工工艺及配方管理

挤压熟化饲料加工工艺及配方管理薛敏中国农业科学院饲料研究所水产动物营养与饲料研究室[e-mail]水产饲料膨化挤压加工工艺发展史1797—英国人研制的手动活塞压力机，制作无缝铅管、瓦片、肥皂和通心面；1869—英国人研制的双螺杆连续挤压机，制作肉肠；1873—PhoenixGummiwerkeAG开发单螺杆挤压机，加工橡胶；1940s’--熟化加压机的开发，生产干的狗粮；1950s’--有了加压的预调制器，达到100℃预熟化；1960s’—半湿的宠物饲料、糊化淀粉、饼干粉及组织大豆蛋白；1980s’—美国的双螺杆膨化机开始发展；1990s’—第三代弱剪切-低热挤压机（reducedshear/heatextruders)、预调制器、直接蒸汽注入和带放气孔的机镗。挤压熟化的定义是靠水、压力、温度和机械剪切的综合作用使得已着湿的、可膨胀的、淀粉类的和\或蛋白类的物质塑化并熟化的连续工艺过程；是将热能和机械能导入食品/或饲料原料中的一种手段，使原料中的淀粉和蛋白质等基本成分发生化学和物理变化，同时形成预定的形状。基本概念按调制方法分•湿法膨化•干法膨化按螺杆结构分•单螺杆挤压机（图）•双螺杆挤压机（图）1.料斗；2.喂料绞龙；3.调制器；4.喂料段；5.蒸汽或水夹套调温部分；6.模板；7.出料皮带输送机；8.变速器；9.主电机基本词汇预调制器—一种调节原料水分和温度的装置，使物料进入挤压机前部分或完全熟化；螺杆—将物料输送通过挤压机的部件（图1）螺套-增加行程螺片—螺杆的螺旋形输送表面，将物料向前推进（图1）索片-增加剪切力，后挫力，提高滞留时间，糊化度剪切—一种揉捏、搅拌作用，使输送的物料匀质、受热模板—使制品出机时成型的末端装置。可在模板上直接钻孔，或将模板做成圆孔状，装上设计复杂、用耐磨材料制成的压模嵌入件，使物料成型切刀—将挤压物切割成所要求的长度的装置图1螺杆螺距的作用螺距：容积（体积）位移能力（输送量）螺距影响到：物料充盈程度物料滞留时间膨化挤压对饲料的综合作用饲料颗粒成型度高蛋白质原料经挤压加工颗粒（优）高碳水化合物原料经挤压加工颗粒（中）普通硬颗粒饲料（差）饲料漂浮度（溶重：480g/L(转折点）全漂浮慢沉或反复沉浮颗粒（漂浮—下沉—上浮）高度的多孔性和充分发展的蛋白间质结构，缓慢释放油脂和可溶性糖下沉工艺流程图（原料准备）不同类型饲料的挤压技术浮性饲料半湿性饲料沉性饲料慢沉性饲料螺杆模板开孔面积比挤压机内温度和压力蒸汽和水淀粉含量脂肪含量预调制优点•提高挤压机部件寿命•提高产量•提高产品质量•提高单螺杆挤压弹性•降低机械能，增加热能输入目的•物料初步熟化•搅拌•使物料碎粒水合，干核(DryCore)消失，提高热传导性DC浸湿部分预调制Inlet水，70℃,2-3大气压脂肪蒸汽，2.5-3大气压，100℃出料，70-80℃，18-30%水分，1/3熟化挤压加工浮性鱼饲料调制器中注入蒸汽和水螺杆:L/D=13.5:1-15.5:1物料至少含20%淀粉挤压产物在出模前温度达到125-138℃，34-37个大气压，挤压后，容重为320-400g/L，25-30%水分进一步干燥（水分10%），还可增进漂浮性。挤压加工浮性鱼饲料1-2分钟喂料区（粉状）揉合区（面团状）熟化区（接近液态）揉合区揉合组件特征输送方向调整偏角索片宽度索片数目螺旋数目（单/双螺旋）挤压加工沉性鱼饲料螺杆:L/D=16.5:1-19.5:1调制器中注入水（不注入或少注入蒸汽）挤压产物在出模前达到26-30个大气压，28-30%水分挤压后，容重为450-550g/L，温度80℃，水分22-27%带放气口的模头可以降低产物温度，水分和膨胀率过度干燥会使沉性饲料上浮挤压加工沉性虾饲料调制器中蒸汽流量约为物料流量5-7%，水流量为物料流量10-15%挤压产物在出模前达到13-16个大气压，28-30%水分挤压后，容重不低于550g/L，温度120℃，水分26%配有出气孔，并能抽气，真空度为250mmHg出烘干机水分12-16%，再冷却降低到10%以内挤压加工沉性饲料25-30%70-85℃30-40放气孔挤压机自变量喂料速度出预调制器的物流蒸汽流水流其他添加成分（肉汁、油脂等）挤压机转速挤压机结构配置模板结构挤压机因变量产品容重出料口水分出料口温度水分的重要性1.饲料性能•成品率•稳定性•营养保留率•单位产量•配方成品2.膨化机运转成本3.膨化机最佳工作范围快速水分测定仪非常重要挤压物的膨胀挤压物膨胀，产品密度改变，显著影响饲料外观，质地、适口性、水稳定性和飘浮性等；其宏观结构的变化可用产品的膨胀度和密度或容重（g/L)表示；膨胀度=膨化制品的截面积/挤压机模孔截面积膨胀主要原因：压模膨胀和水的骤蒸发，后者的膨胀更大；水分的骤蒸发的关键是粘弹性物体在出模时温度高于100℃，粘弹体重的水蒸气成为种核气泡（挤压物膨胀示意图）；注入CO2或添加碳酸氢钠之类的产气化合物，将增强挤压物的膨胀；挤压物的膨胀影响挤压物膨胀的因素—淀粉纯淀粉的最大膨胀比是500%，其次为全谷物粉（400%）、饲料混合物（200-300%，淀粉含量40-50%）、油料（150-200%，淀粉含量0-10%）；直链淀粉与支链淀粉之比是决定饲料膨胀比的重要因素，1:1将达到最大膨胀比，大多数天然淀粉含直链淀粉20-30%；含水量和温度对淀粉膨胀比影响显著；不同来源淀粉存在差异，小麦、玉米、稻米中的谷物淀粉具有较好的膨化效果，块茎淀粉不仅具有良好的膨化性能，还具有十分好的粘结能力，糙米膨化效果差。影响挤压物膨胀的因素—淀粉常温或低温条件下，长期放置的α-淀粉会逐渐变硬，这种现象叫淀粉的凝沉或回生，也叫淀粉老化，成为β-淀粉；老化淀粉不再溶于水，也不能被酶分解；一般聚合程度高的淀粉易老化，直链淀粉较支链淀粉易老化。直链淀粉含量对膨胀度的影响影响挤压物膨胀的因素—模板加大压模尺寸会减弱压模正常受力，剪切率和温度下降，导致粘度加大，从而减弱膨胀，提高容重。完全熟化但膨胀较低的沉性水产或宠物饲料使用的模头开孔面积为550-600mm2/吨/小时；高度膨胀食品或浮性水产饲料使用的模头开孔面积为200-250mm2/吨/小时；慢沉性饲料模头开孔面积为300-350/吨/小时。模板孔径与淀粉的共同作用螺杆形状对膨胀的影响螺杆转速对膨胀的影响螺杆转速增加提高单位产品机械能单位产品机械能提高降低产品容重，利于膨胀膨胀比---直链淀粉含量、温度和水分•最大膨胀比挤压条件：机镗温度140℃，水分14%；•100-170℃之间，提高温度可增强膨胀，再升高温度则减弱；•增加含水量通常使膨胀急剧减弱。影响挤压物膨胀的因素—其它麸皮颗粒易使处于临界厚度的气泡孔壁破裂而降低膨胀程度；增加脂肪含量（5%以内）可增强挤压膨胀，超过此限则膨胀急剧减弱；（宠物料）加糖（1-15%）削弱膨胀，加盐（0-3%）只轻微削弱膨胀或没有影响；模口形状对饲料产品外观的影响模口形状装载量物料容重（g/L)糊化度饲料外观96.7%30492%70.0%33680%表面光滑致密，圆柱形饲料多孔状表面，球形饲料LL=1.5*die,纵向膨胀LL=1.0*die,辐射膨胀真空对产品密度的影响饲料容重不抽真空抽真空6mm0.871.2320mm0.921.14几种常见饲料原料平均容重（g/L)饲料原料容重饲料原料容重鱼粉480-641次粉288-400虾粉400小麦面粉513-673肉骨粉785玉米粉609-641鸡肉粉545-593玉米蛋白粉416-529粗血粉617膨润土801-962豆粕44%561-609米糠320-336花生粕464干酵母657棉粕593-641麦芽根208-256亚麻粕497-529烘干/冷却烘干/冷却设备单层：对于产量低的生产线较理想设计简单，常用做实验室设备双层：最常用、最流行的设备膨化产品最理想的干燥设备干燥/冷却一体或分体多层：对于高品质、高知水产饲料十分合适干燥/冷却一体或分体节省地面空间烘干/冷却设备*WengerDryer烘干/冷却（后熟化过程）产品均匀地散布在移动中的输送器上，热空气一般以1m/s的匀速穿过，作用温度为100-200℃；最初4-6分钟，物料可承受177-199℃的烘干温度，而不破坏营养价值，之后，空气温度应降低，以免发生美拉德反应；产品本身决定烘干条件，如淀粉含量高，则不宜太厚，否则影响产品形状；2层或多层的烘干机，不仅有效提高烘干面积，还能防止结块；饲料形状及物料厚度决定烘干时间长短，防止产生湿心现象；Zone1,150℃;Zone2,3,490℃Zone1Zone2Zone3Zone4现实中的问题：上层2区还是3区？典型的干燥周期加热作业空气新鲜风补入替代排风加热空气由循环风机吸入部分循环风被排掉热空气施加于产品上水蒸气被循环风带走热空气将能量传递给产品热空气中的热量蒸发掉产品表面的水分控制干燥工艺的主要变量•操作温度以尽可能高的温度•空气湿度尽可能干的空气，但不能牺牲整个系统的效率•空气分配均匀分配•干燥时间适当•产品分布均匀的分布厚度•产品种类物力、化学性能、形状、尺寸等饲料形状与烘干时间饲料形状烘干时间(分钟）球状，Ø=0.520.8圆柱形，Ø=0.5,长=0.2524.7圆柱形，Ø=0.5,长=0.524.8圆柱形，Ø=0.5,长=0.7524.9Y字形，高=0.5，厚度=0.2414.8*WengerProcessDescription高油脂饲料的生产尽量利用饲料原料中的油脂，主机中可处理12%油脂，其余部分需要后加工；加压调制器真空或常压后喷涂机油脂及热敏性物质的后添加技术先喷涂水溶性热敏物质，后喷涂油脂烘干之后冷却之前喷涂油脂，可促进动物油脂吸收。常压喷涂后真空喷涂后返工料（开机废品和细粉回料）•返工物料为混合料总量活干料喂入量的5%，不得超过10%返工料对饲料成品的影响•颜色加深•膨胀减小，增加容重•熟化度提高，可能过度熟化•外形轮廓更分明•蛋白原料的功能性下降•如连续2批之间，一批加返工料，另一批未加，产品性能区别较大，需调整挤压机参数•沉性饲料可以适当提高添加量，但饲料水中稳定性会降低包装与贮存•较为彻底杀灭细菌、病毒等有害微生物•高压下，还可杀死耐热性很强的芽孢•饲料水分控制8%以下，可以较普通硬颗粒保存更长时间。•带内衬的牛皮纸袋包装•保证烘干均匀，没有湿心，水分10%•对于半湿饲料，保证水分活度（Aw)在0.65以内，可以抑制大部分微生物生长膨化工艺对微生物菌群的影响标准平板计数法(CFU/G)酵母&霉菌配方2,200,00074,000膨化*3,70010*沙门氏菌呈现阴性饲料中防止微生物生长的措施•最大限度降低加工后污染的可能性；•加工过程中控制水分活度(Aw)，而不仅仅是水分含量；•避免在加工后提高水分活度的条件的存在；•添加防霉剂措施1：降低加工后污染可能性空气卫生水分设备人原料包装措施2：加工过程中控制产品的水分活度干饲料中微生物生长有水分含量，或更确切地说是由水分活度决定的。水分活度定义（Aw)水分活度表示微生物生长所需水分的数量指标：•Aw=Pb/Pf=相对湿度/100Pb:试样表面水分压Pf:敞开水面水分压实验室仪器可以在5min内测定水分活度几种微生物生长最低Aw需求无微生物生长区00.60.70.80.91.0除耐干燥种类之外的酵母和霉菌大部分麦霉及酵母噬盐性菌大部分青霉及耐受力较低的酵母大部分酵母菌、霉菌和青霉大部分G+菌沙门氏菌及大部分G-菌控制产品水分活度的途径配方及营养成分分析数据基于水分值；饲料加工过程中尽量减少变量，特别是在干燥过程中。措施3：尽量减少加工后水分活度提高的条件避免大型包装暴露在高湿度环境中避免由于温度变化而造成的水分重新分配措施4：添加防霉剂当其它措施出现问题时，防霉剂可以提供保证；防霉剂不能替代其它措施，也不能完全抑制霉菌生长。优化防霉剂性能最佳剂量和施用点；如果添加量适当并完全分散，不会影