1、擠壓熟化飼料加工工藝 及配方管理,中國農(nóng)業(yè)科學院飼料研究所水產(chǎn)動物營養(yǎng)與飼料研究室,水產(chǎn)飼料膨化擠壓加工工藝,發(fā)展史,1797英國人研制的手動活塞壓力機，制作無縫鉛管、瓦片、肥皂和通心面； 1869英國人研制的雙螺桿連續(xù)擠壓機，制作肉腸； 1873Phoenix Gummiwerke AG開發(fā)單螺桿擠壓機，加工橡膠； 1940s-熟化加壓機的開發(fā)，生產(chǎn)干的狗糧； 1950s-有了加壓的預調制器，達到100預熟化； 1960s半濕的寵物飼料、糊化淀粉、餅干粉及組織大豆蛋白； 1980s美國的雙螺桿膨化機開始發(fā)展； 1990s第三代弱剪切-低熱擠壓機（reduced shear/heat extr

2、uders)、預調制器、直接蒸汽注入和帶放氣孔的機鏜。,擠壓熟化的定義,是靠水、壓力、溫度和機械剪切的綜合作用使得已著濕的、可膨脹的、淀粉類的和或蛋白類的物質塑化并熟化的連續(xù)工藝過程； 是將熱能和機械能導入食品/或飼料原料中的一種手段，使原料中的淀粉和蛋白質等基本成分發(fā)生化學和物理變化，同時形成預定的形狀。,基本概念,按調制方法分 濕法膨化 干法膨化 按螺桿結構分 單螺桿擠壓機（圖） 雙螺桿擠壓機（圖）,料斗；2.喂料絞龍；3.調制器； 4.喂料段；5.蒸汽或水夾套調溫部分； 6. 模板；7.出料皮帶輸送機； 8.變速器；9.主電機,基本詞匯,預調制器一種調節(jié)原料水分和溫度的裝置，使物料進入擠

3、壓機前部分或完全熟化； 螺桿將物料輸送通過擠壓機的部件（圖1） 螺套-增加行程 螺片螺桿的螺旋形輸送表面，將物料向前推進（圖1） 索片-增加剪切力，后挫力，提高滯留時間，糊化度 剪切一種揉捏、攪拌作用，使輸送的物料勻質、受熱 模板使制品出機時成型的末端裝置?？稍谀０迳现苯鱼@孔，或將模板做成圓孔狀，裝上設計復雜、用耐磨材料制成的壓模嵌入件，使物料成型 切刀將擠壓物切割成所要求的長度的裝置,圖1 螺 桿,螺距的作用,螺距：容積（體積）位移能力（輸送量） 螺距影響到： 物料充盈程度 物料滯留時間,膨化擠壓對飼料的綜合作用 飼料顆粒成型度 高蛋白質原料經(jīng)擠壓加工顆粒（優(yōu)） 高碳水化合物原料經(jīng)擠壓加工顆

4、粒（中） 普通硬顆粒飼料（差） 飼料漂浮度（溶重：480g/L(轉折點） 全漂浮 慢沉或反復沉浮顆粒（漂浮下沉上?。?高度的多孔性和充分發(fā)展的蛋白間質結構，緩慢釋放油脂和可溶性糖 下沉,工藝流程圖（原料準備）,不同類型飼料的擠壓技術,浮性飼料 半濕性飼料 沉性飼料 慢沉性飼料,螺桿 模板開孔面積比 擠壓機內溫度和壓力 蒸汽和水 淀粉含量 脂肪含量,預調制,優(yōu)點 提高擠壓機部件壽命 提高產(chǎn)量 提高產(chǎn)品質量 提高單螺桿擠壓彈性 降低機械能，增加熱能輸入,目的 物料初步熟化 攪拌 使物料碎粒水合，干核(Dry Core)消失，提高熱傳導性,預調制,Inlet,水，70,2-3大氣壓,脂肪,蒸汽， 2

5、.5-3大氣壓，100,出料，70-80，18-30%水分， 1/3熟化,擠壓加工浮性魚飼料,調制器中注入蒸汽和水 螺桿:L/D=13.5:1-15.5:1 物料至少含20%淀粉 擠壓產(chǎn)物在出模前溫度達到125-138，34-37個大氣壓， 擠壓后，容重為320-400g/L， 25-30%水分 進一步干燥（水分10%），還可增進漂浮性。,擠壓加工浮性魚飼料,1-2分鐘,喂料區(qū) （粉狀）,揉合區(qū) （面團狀）,熟化區(qū) （接近液態(tài)）,揉合區(qū)揉合組件特征,輸送方向調整 偏角 索片寬度 索片數(shù)目 螺旋數(shù)目（單/雙螺旋）,擠壓加工沉性魚飼料,螺桿:L/D=16.5:1-19.5:1 調制器中注入水（不注

6、入或少注入蒸汽） 擠壓產(chǎn)物在出模前達到26-30個大氣壓，28-30%水分 擠壓后，容重為450-550g/L，溫度80，水分22-27% 帶放氣口的模頭可以降低產(chǎn)物溫度，水分和膨脹率 過度干燥會使沉性飼料上浮,擠壓加工沉性蝦飼料,調制器中蒸汽流量約為物料流量5-7%，水流量為物料流量10-15% 擠壓產(chǎn)物在出模前達到13-16個大氣壓，28-30%水分 擠壓后，容重不低于550g/L，溫度120，水分26% 配有出氣孔，并能抽氣，真空度為250mmHg 出烘干機水分12-16%，再冷卻降低到10%以內,擠壓加工沉性飼料,25-30% 70-85 30-40,放氣孔,擠壓機自變量,喂料速度 出

7、預調制器的物流 蒸汽流 水流 其他添加成分（肉汁、油脂等） 擠壓機轉速 擠壓機結構配置 模板結構,擠壓機因變量,產(chǎn)品容重 出料口水分 出料口溫度,水分的重要性,飼料性能 成品率 穩(wěn)定性 營養(yǎng)保留率 單位產(chǎn)量 配方成品 膨化機運轉成本 膨化機最佳工作范圍,快速水分測定儀非常重要,擠壓物的膨脹,擠壓物膨脹，產(chǎn)品密度改變，顯著影響飼料外觀，質地、適口性、水穩(wěn)定性和飄浮性等；其宏觀結構的變化可用產(chǎn)品的膨脹度和密度或容重（g/L)表示； 膨脹度=膨化制品的截面積/擠壓機?？捉孛娣e 膨脹主要原因：壓模膨脹和水的驟蒸發(fā)，后者的膨脹更大； 水分的驟蒸發(fā)的關鍵是粘彈性物體在出模時溫度高于100 ，粘彈體重的水蒸

8、氣成為種核氣泡（擠壓物膨脹示意圖）； 注入CO2或添加碳酸氫鈉之類的產(chǎn)氣化合物，將增強擠壓物的膨脹；,擠壓物的膨脹,影響擠壓物膨脹的因素淀粉,純淀粉的最大膨脹比是500%，其次為全谷物粉（400%）、飼料混合物（200-300%，淀粉含量40-50%）、油料（150-200%，淀粉含量0-10%）； 直鏈淀粉與支鏈淀粉之比是決定飼料膨脹比的重要因素，1:1將達到最大膨脹比，大多數(shù)天然淀粉含直鏈淀粉20-30%； 含水量和溫度對淀粉膨脹比影響顯著； 不同來源淀粉存在差異，小麥、玉米、稻米中的谷物淀粉具有較好的膨化效果，塊莖淀粉不僅具有良好的膨化性能，還具有十分好的粘結能力，糙米膨化效果差。,影響

9、擠壓物膨脹的因素淀粉,常溫或低溫條件下，長期放置的-淀粉會逐漸變硬，這種現(xiàn)象叫淀粉的凝沉或回生，也叫淀粉老化，成為-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，直鏈淀粉較支鏈淀粉易老化。,直鏈淀粉含量對膨脹度的影響,影響擠壓物膨脹的因素模板,加大壓模尺寸會減弱壓模正常受力，剪切率和溫度下降，導致粘度加大，從而減弱膨脹，提高容重。,完全熟化但膨脹較低的沉性水產(chǎn)或寵物飼料使用的模頭開孔面積為550-600mm2 /噸/小時； 高度膨脹食品或浮性水產(chǎn)飼料使用的模頭開孔面積為200-250mm2 /噸/小時； 慢沉性飼料模頭開孔面積為300-350 /噸/小時。,模板孔徑

10、與淀粉的共同作用,螺桿形狀對膨脹的影響,螺桿轉速對膨脹的影響,螺桿轉速增加提高單位產(chǎn)品機械能 單位產(chǎn)品機械能提高降低產(chǎn)品容重，利于膨脹,膨脹比-直鏈淀粉含量、溫度和水分,最大膨脹比擠壓條件：機鏜溫度140，水分14%； 100-170 之間，提高溫度可增強膨脹，再升高溫度則減弱； 增加含水量通常使膨脹急劇減弱。,影響擠壓物膨脹的因素其它,麩皮顆粒易使處于臨界厚度的氣泡孔壁破裂而降低膨脹程度； 增加脂肪含量（5%以內）可增強擠壓膨脹，超過此限則膨脹急劇減弱； （寵物料）加糖（1-15%）削弱膨脹，加鹽（0-3%）只輕微削弱膨脹或沒有影響；,模口形狀對飼料產(chǎn)品外觀的影響,?？谛螤?裝載量 物料容重

11、（g/L) 糊化度 飼料外觀,96.7% 304 92%,70.0% 336 80%,表面光滑致密，圓柱形飼料 多孔狀表面，球形飼料,LL=1.5*die,縱向膨脹,LL=1.0*die,輻射膨脹,真空對產(chǎn)品密度的影響,幾種常見飼料原料平均容重（g/L),烘干/冷卻,烘干/冷卻設備,單層： 對于產(chǎn)量低的生產(chǎn)線較理想 設計簡單，常用做實驗室設備 雙層： 最常用、最流行的設備 膨化產(chǎn)品最理想的干燥設備 干燥/冷卻一體或分體 多層： 對于高品質、高知水產(chǎn)飼料十分合適 干燥/冷卻一體或分體 節(jié)省地面空間,烘干/冷卻設備,*Wenger Dryer,烘干/冷卻（后熟化過程）,產(chǎn)品均勻地散布在移動中的輸送

12、器上，熱空氣一般以1m/s的勻速穿過，作用溫度為100-200； 最初4-6分鐘，物料可承受177-199 的烘干溫度，而不破壞營養(yǎng)價值，之后，空氣溫度應降低，以免發(fā)生美拉德反應； 產(chǎn)品本身決定烘干條件，如淀粉含量高，則不宜太厚，否則影響產(chǎn)品形狀； 2層或多層的烘干機，不僅有效提高烘干面積，還能防止結塊； 飼料形狀及物料厚度決定烘干時間長短，防止產(chǎn)生濕心現(xiàn)象；,Zone 1, 150; Zone 2,3,490 ,Zone 1,Zone 2,Zone 3,Zone 4,現(xiàn)實中的問題： 上層2區(qū)還是3區(qū)？,典型的干燥周期,加熱作業(yè)空氣 新鮮風補入替代排風 加熱空氣由循環(huán) 風機吸入 部分循環(huán)風被排

13、掉 熱空氣施加于產(chǎn)品上 水蒸氣被循環(huán)風帶走 熱空氣將能量傳遞給產(chǎn)品 熱空氣中的熱量蒸發(fā)掉 產(chǎn)品表面的水分,控制干燥工藝的主要變量,操作溫度 以盡可能高的溫度 空氣濕度 盡可能干的空氣，但不 能犧牲整個系統(tǒng)的效率 空氣分配 均勻分配 干燥時間 適當 產(chǎn)品分布 均勻的分布厚度 產(chǎn)品種類 物力、化學性能、形狀、尺寸等,飼料形狀與烘干時間,*Wenger Process Description,高油脂飼料的生產(chǎn),盡量利用飼料原料中的油脂，主機中可處理12%油脂，其余部分需要后加工； 加壓調制器 真空或常壓后噴涂機,油脂及熱敏性物質的后添加技術,先噴涂水溶性熱敏物質，后噴涂油脂 烘干之后冷卻之前噴涂油脂

14、，可促進動物油脂吸收。,常壓噴涂后,真空噴涂后,返工料 （開機廢品和細粉回料）,返工物料為混合料總量活干料喂入量的5%，不得超過10%,返工料對飼料成品的影響,顏色加深 膨脹減小，增加容重 熟化度提高，可能過度熟化 外形輪廓更分明 蛋白原料的功能性下降 如連續(xù)2批之間，一批加返工料，另一批未加，產(chǎn)品性能區(qū)別較大，需調整擠壓機參數(shù) 沉性飼料可以適當提高添加量，但飼料水中穩(wěn)定性會降低,包裝與貯存 較為徹底殺滅細菌、病毒等有害微生物 高壓下，還可殺死耐熱性很強的芽孢 飼料水分控制8%以下，可以較普通硬顆粒保存更長時間。 帶內襯的牛皮紙袋包裝 保證烘干均勻，沒有濕心，水分10% 對于半濕飼料，保證水分

15、活度（Aw)在0.65以內，可以抑制大部分微生物生長,膨化工藝對微生物菌群的影響,標準平板計數(shù)法 (CFU/G),酵母 & 霉菌,配方 2,200,000 74,000 膨化* 3,700 10,* 沙門氏菌呈現(xiàn)陰性,飼料中防止微生物生長的措施 最大限度降低加工后污染的可能性； 加工過程中控制水分活度(Aw)，而不僅僅是水分含量； 避免在加工后提高水分活度的條件的存在； 添加防霉劑,措施1：降低加工后污染可能性,空氣 衛(wèi)生 水分 設備 人 原料 包裝,措施2：加工過程中控制產(chǎn)品的水分活度,干飼料中微生物生長有水分含量，或更確切地說是由水分活度決定的。,水分活度定義（Aw),水分活度表示微生物生

16、長所需水分的數(shù)量指標： Aw=Pb/Pf =相對濕度/100 Pb:試樣表面水分壓 Pf:敞開水面水分壓 實驗室儀器可以在5min內測定水分活度,幾種微生物生長最低Aw需求,無微生物 生長區(qū),0,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,除耐干燥種類 之外的酵母 和霉菌,大部分麥霉 及酵母,噬鹽性菌,大部分青霉 及耐受力較 低的酵母,大部分酵母 菌、霉菌 和青霉,大部分G+菌,沙門氏菌及 大部分G-菌,控制產(chǎn)品水分活度的途徑,配方及營養(yǎng)成分分析數(shù)據(jù)基于水分值； 飼料加工過程中盡量減少變量，特別是在干燥過程中。,措施3：盡量減少加工后水分活度提高的條件,避免大型包裝暴露在高濕度環(huán)境中 避免由于溫度

17、變化而造成的水分重新分配,措施4：添加防霉劑,當其它措施出現(xiàn)問題時，防霉劑可以提供保證； 防霉劑不能替代其它措施，也不能完全抑制霉菌生長。 優(yōu)化防霉劑性能 最佳劑量和施用點； 如果添加量適當并完全分散，不會影響適口性。,不同材料包裝飼料的生霉情況,* + 嚴重生霉； +中毒生霉； +輕微生霉； （+）極輕微生霉 * PB, 15.9kg強度防油紙襯里袋； PL, 75號聚丙烯襯里袋（Stone Container) 保存環(huán)境：38/90%RH,聚丙烯襯里袋包裝的寵物飼料從38/90%RH轉到23/50%RH后的水分變化(%),雙螺桿擠壓機特點,可加工高油脂飼料，油脂含量可大于17%； 可加工添

18、加有鮮肉漿或其它水分含量超過30%的高水分物料； 可加工小顆粒水產(chǎn)飼料（0.8-1.0mm)； 加工特定形狀/尺寸的產(chǎn)品； 物料在機內滯留時間分布范圍較窄，物料溫度較易控制，能量利用充分，產(chǎn)量和質量均很穩(wěn)定； 投資大，單螺桿擠壓機的1-1.5倍。,雙螺桿與單螺桿擠壓機比較,單螺桿擠壓機,雙螺桿擠壓機,水分水平 油脂水平 纖維水平 蛋白質水平 機械能輸入 產(chǎn)量 耐磨損性,擠壓機的選擇,選擇什么類型的擠壓機取決于： 所用原材料的種類； 制作什么樣的產(chǎn)品； 單位產(chǎn)量； 投資費用； 運轉費用。,水產(chǎn)膨化飼料的原料選擇和配方技術,膨化工藝的優(yōu)點,適應性 (可調節(jié)飼料的漂浮性) 飼料性狀 (外形,顏色,

19、質地等.) 高產(chǎn)及自動化控制 高品質 提高蛋白（變性）和淀粉（糊化）的消化率 破壞抗營養(yǎng)因子:胰蛋白酶抑制因子, 棉酚等. 增加脂肪等液體物質的添加空間,水產(chǎn)膨化飼料的優(yōu)點,密度控制 漂浮料 懸浮料 慢沉性料 快沉性料 原料來源更廣 原料成本更低,水產(chǎn)膨化飼料的優(yōu)點,產(chǎn)量更高 水中穩(wěn)定性增強 減少對養(yǎng)殖水體的污染 降低死亡率 減少有害微生物的繁殖 飼料轉化率提高 (10-20%) 提高飼料消化率 降低飼料消耗,沉性飼料 蝦 黃尾鰤 鮭魚 牙鲆 鯛 鱒魚 鱸魚 鰈 鱈魚 Moi Maimai 大菱鲆,浮性飼料 羅非魚 鰻鱺 鯰魚 遮目魚 鯉科魚,膨化擠壓在飼料行業(yè)中的應用 廣泛的適用性 各種養(yǎng)殖

20、方式：工廠化、池塘、 網(wǎng)箱等 各類吃食性養(yǎng)殖品種：魚、蝦、蟹、龜?shù)?寵物食糧及觀賞性魚類飼料,概 述 特點 綜合水、壓力、溫度和機械剪切的作用 溫度：90-200 延續(xù)時間：2-30s 物理、化學變化,蛋白質 高溫、高壓、高剪切力，使得蛋白質適度變性，蛋白酶更易進入蛋白質內部，消化率提高，彈性增強，可溶性物質與淀粉間質相溶和 蛋白可塑性增強，提高制粒效率，降低粉化率 適度的熱處理，鈍化抗營養(yǎng)因子如抗胰蛋白酶因子、棉酚、毒蛋白等，提高植物蛋白利用價值，降低配方成本,蛋白質擠壓過程中的蛋白質結構變化,變性,締合,加熱或剪切導致部分或全部締合物破裂而形成濃縮溶液或熔化相,高溫下可能形成的一些共價鍵,

21、冷卻時形成的非共價鍵和二硫鍵,在足夠低的水分條件下非晶體區(qū)向玻璃態(tài)轉化,動物蛋白綜合特征,氮溶解指數(shù)（NSI)低 功能性差（吸水性和粘合特性） 氨基酸結構平衡，一般動物生長會超過高植物蛋白飼料 低溫干燥動物蛋白的質量最佳 新鮮的原料和噴霧干燥加工后，會具有很高的粘合性,植物蛋白綜合特征,氮溶解指數(shù)（NSI)高 功能性（吸水性和粘合特性）好 一般缺乏某種或某幾種氨基酸 未榨油原料是很好的能量原料 小麥面筋粉是膨脹型最好的植物蛋白,水產(chǎn)飼料中植物蛋白的作用,制作浮性飼料有更大的膨脹潛力； 提高粘合性，增進顆粒持久性； 降低原料成本； 外涂作業(yè)時有較高吸油水平； 灰分含量低，在螺桿和壓模上的白色礦物

22、沉積少,大豆蛋白在熱處理中的分子變化,擠壓的主要影響是將蛋白質拆散而后又重新連接在一起，NSI下降，吸水性和膨脹性提高。,不同擠壓溫度下大豆分離蛋白的溶解性能,生產(chǎn)組織蛋白溫度一般為140-160，水分20-40%，若產(chǎn)品要求較好的溶解度，則溫度可低一些。,非酶褐變美拉德反應,過度膨化-異味、消化率下降、Lys損失嚴重 還原糖與游離氨基酸之間的一種反應，對導致氨基酸，特別是賴氨酸的損失，并形成有色化合物而影響擠壓物的外觀； 擠壓熟化過程中的高溫和低水分有利于美拉德反應； 提高溫度會增加損失，增加物料水分、加快喂料速度可顯著減少損失； 提高螺桿轉速可縮短滯留時間，本應減輕褐變，但提高螺桿轉速會加

23、強剪切，提高溫度，反而可能導致褐變加重。,碳水化合物 淀粉(糊化與碎化） 淀粉發(fā)生糊化（-化），高分子結構斷裂，變成低分子物質，易于消化吸收，同時還起到重要的粘合作用，保持水中穩(wěn)定性，降低飼料散失，減少工業(yè)合成粘合劑的添加，無毒性。 轉化成葡萄糖、麥芽糖等碎化多糖，產(chǎn)生甜味增加適口性 纖維素 經(jīng)擠壓后，可溶性膳食纖維的量增加，保健作用 葡萄糖、蔗糖等 影響淀粉的糊化，與蛋白質發(fā)生反應，飼料效率降低。,淀粉,碳水化合物能量來源 有利于飼料的膨脹 提高飼料的粘合性和穩(wěn)定性 以兩種形式存在 直鏈淀粉 支鏈淀粉,-淀粉： 淀粉粒有許多淀粉分子排列成放射狀微晶束構成。這種微晶束系直鏈、支鏈淀粉分子相互平

24、行且彼此間以氫鍵結合而成。水分子在熱作用下進入淀粉粒內微晶束間隙與淀粉分子中游離基團結合。溫度繼續(xù)升高，一部分直鏈淀粉被水溶解和滲出，使更多的水分子進入淀粉粒內部，從而使微晶束分離，形成一種間隙大且不規(guī)則的立體網(wǎng)狀結構，中間充滿水或溶液，處于這種糊化狀態(tài)的淀粉稱-淀粉。,常見能量飼料原料的淀粉含量,浮性飼料需要至少18-20%的淀粉含量,淀粉的糊化過程,調制器 30%-化,環(huán)模造粒 40%,環(huán)形間隙膨脹機 60%,單螺桿膨化機85% 雙螺桿膨化機 100%,淀粉糊化度 擠壓溫度 物料水分 剪切力 螺桿結構 在機腔內滯留時間,高水分、低溫擠壓使淀粉部分糊化 低水分、高溫擠壓有利于提高淀粉的糊化度

25、,脂 肪 使原料中微生物分解的脂肪酶完全失活，提高飼料的貯藏性能 使油脂從顆粒內部滲透到表面，使飼料產(chǎn)生特殊的香味，提高飼料適口性和外觀效果 網(wǎng)狀結構能夠吸附更過的脂肪，冷水性魚類科利用高達40%脂肪的高能飼料，減少氮污染 形成蛋白-脂肪復合物，這部分脂肪仍然可以被魚類正常利用，但索氏抽提法不適用于膨化飼料，應采用酸水解法， 三高條件下，甘油三酯會部分水解，與直鏈淀粉絡合，影響膨化效果，淀粉的溶解性和消化率降低。,熱敏性物質在膨化過程中的損失 維生素 反應敏感 依次為維生素K3, C, D3, A, E 反應不敏感 其他B族維生素 酶制劑 完全失活 活菌制劑 120乳酸桿菌、鏈球菌、酵母、芽孢

26、桿菌全部失活,維生素在膨化過程中的損失,維生素保留取決于： 原料配方 溫度 水分 滯留時間,維生素在膨化過程中的穩(wěn)定性（保存率%）,選擇熱穩(wěn)定劑型：交聯(lián)反應型VA微粒膠囊、微囊型VE醋酸酯、高穩(wěn)性VC磷酸酯，蝦青素10-15%的損耗,根據(jù)保存率，超量添加！,蝦青素在加工過程中的損失,加魚油,注:噴涂魚油的“稀釋”作 用導致蝦青素含量下降。,礦物質 反應不敏感，報道較少 植物蛋白中的植酸可能同鋅、錳等絡合，降低效價 糊化淀粉對礦物質的包被作用，可使礦物質的氧化還原、吸濕返潮等向著有利的方向發(fā)展,膨化擠壓影響虹鱒對幾種原料表觀養(yǎng)分消化率（%）,*擠壓溫度稍高，蛋白質部分褐變，消化率降低,虹鱒對不同加工后的全脂大豆的表觀消化率（%）,膨化擠壓影響虹鱒對幾種原料礦物質利用率（%）,擠壓熟化對菜籽大豆混合料（重量1：1）中芥子甙總含量的影響（mol