摘要采用双螺杆膨化机干法工艺对宠物全价粉状饲料进行膨化并制粒，研究所得产品的容重与淀粉糊化度、硬度指标之间的关系，以及设备参数和配方特性对颗粒饲料容重的影响。结果表明：容重与淀粉糊化度、硬度密切相关；设备参数与配方特性均对产品容重有极显著影响；通过容重的测定估测其熟度和硬度具有可行性；可以通过调节喂料速度和膨化玉米比例控制产品容重。
关键词参数关系；干法膨化；设备参数；配方特性；容重
中图分类号 S816.34
Study on the technology parameter relationship for
the pet feed in dry-way extrusion
Shan Dacong, Ji Haifeng, Wang Yamin
Abstract The complete and mealy feed of the pet was extruded and pelletized by the dry-way extrusion with double-screw extruder, to research into the relationship between the bulk weight and the gelatinization of starch, the bulk weight and the hardness of the pelleted feed, and the same time to study the effects of the equipment parameter and the formula feature for the bulk weight of the pelleted feed. The result showed that there were high correlation among the bulk weight, the gelatinization of starch and the hardness.The effects of the equipment parameter and the formula feature is highly significant for the bulk weight.It was permitted to estimat the gelatinization and the hardness by the bulk weight, and to control the products bulk weight by adjusting the feeding rate and the proportion of extruded maize.
Key words parameter relationship；dry-way extrusion；equipment parameter；formula feature；bulk weight
双螺杆膨化机干法膨化工艺相对湿法而言省却了饲料调质器及其附属蒸汽锅炉和管道，设备安全、简单、投资少，适用范围广。该工艺使饲料受热时间短而对热敏营养成分破坏少，是一种极具发展前景的全价饲料膨化制粒生产工艺。对全价宠物饲料膨化制粒可使淀粉糊化、蛋白质变性，消除和钝化抗营养因子、灭活有害微生物，从而提高消化率、改善饲料卫生状况、延长保质期。检验全价颗粒型宠物饲料膨化加工程度和效果的工艺指标有产品的熟度（以淀粉糊化度表示）、容重和硬度，测定熟度和硬度繁琐耗时，而测定容重则简单易行。使用该工艺加工产品时，通过容重估测其熟度和硬度，通过调整设备技术参数和配方定量调控容重，可为产品质量检验和控制提供极大便利。本研究目的是在双螺杆干法膨化工艺条件下验证通过颗粒容重定量估测熟度、硬度指标的可行性；以及明确设备参数和配方中各因素对容重影响的规律。
1 材料和方法
1.1 饲料配方与膨化设备
表1 饲料配方及营养水平（％）
项目 | 一 | 二 | 三 | 四 | 五 | 六 | 七 |
配方组成 玉米 | 54.7 | 49.5 | 42.0 | 35.7 | 52.7 | 50.3 | 49.9 |
大米 | － | 5.2 | 7.4 | 18.9 | 5.3 | 5.2 | 5.2 |
面粉 | － | 3.1 | 3.2 | 6.3 | 4.2 | 3.1 | 3.1 |
花生仁粕 | － | － | － | 9.4 | 5.8 | 5.2 | 5.2 |
大豆粕 | 23.0 | 6.3 | 5.3 | － | － | － | － |
小麦麸 | 3.0 | 2.4 | 2.4 | － | － | － | － |
膨化大豆 | 5.4 | 5.2 | 5.3 | 3.1 | 5.3 | 9.4 | 9.3 |
鱼粉 | 5.0 | 7.8 | 11.1 | 10.5 | 8.4 | 6.3 | 6.2 |
猪肉粉 | 2.5 | 5.2 | 5.3 | 5.2 | 5.3 | 5.2 | 5.2 |
鸡肉粉 | 1.0 | 8.4 | 8.4 | 5.2 | 10.5 | 10.5 | 10.4 |
牛肉骨粉 | － | 2.6 | 2.6 | 2.6 | － | 2.1 | 2.1 |
全蛋粉 | － | － | 3.2 | － | － | － | － |
油脂 | 2.0 | 0.8 | － | － | － | － | 0.8 |
预混料 | 3.4 | 3.5 | 3.8 | 2.9 | 2.5 | 2.6 | 2.6 |
合计 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
营养水平 蛋白质含量 | 22.9 | 25.2 | 28.0 | 25.3 | 25.4 | 25.7 | 25.5 |
无氮浸出物 | 49.5 | 47.7 | 44.3 | 49.4 | 48.2 | 48.5 | 46.1 |
油脂含量 | 6.07 | 6.00 | 6.03 | 4.95 | 5.53 | 6.25 | 6.98 |
TSE65双螺杆干法膨化机，主螺杆直径65 mm，生产率150 kg/h；工作时直接将混合好的饲料加入喂料器即可，无蒸汽加温调质过程；可控参数有主螺杆转速、喂料速度和机筒温度，通过设置交流变频值（Hz）或温度下限值实现调控。
1.2 膨化试验设计
1.2.1 基础参数设置
喂料速度和主螺杆转速均以交流变频器设置值（Hz数）为单位表示。以Hz数为x，喂料速度（kg/h）为y的换算关系式为y=12.82x-0.93，以主螺杆转速（r/min）为y的换算关系式为y=7.58x-5。如无说明则膨化机基础参数设置为：喂料速度13 Hz；主螺杆转速45 Hz；机筒温度，入料段130 ℃、中段160 ℃、出料段180 ℃；模板泄压孔直径为5 mm，2孔；风干饲料加水量22％。如将某参数作为处理因子时则按要求设置。
1.2.2 指标测定的方法
淀粉糊化度采用葡萄糖淀粉酶简化法测定[1]；颗粒容重用2 000 ml量杯和架盘天平测定；颗粒硬度以径向破碎峰值力表示，使用MG20测力计测定（每样品35个重复值）。
1.2.3 处理因子、水平及测定指标
试验均采用双因素设计。试验一，以配方一、二、三的蛋白水平和喂料速度为处理因子的3×5试验设计，测定容重、糊化度和硬度；试验二，使用配方四，以主螺杆转速和喂料速度为处理因子的4×3试验设计，测定容重；试验三，使用配方五、六、七，以油脂水平和膨化玉米粉比例（代替等量普通玉米粉）为处理因子的3×5试验设计，测定容重；试验四，使用配方一，以机筒温度和喂料速度为处理因子的3×5试验设计。其中三组机筒加热温度（℃）下限值组合为：一组130、160、190 ℃；二组160、180、190 ℃；三组190、190、190 ℃。试验数据分析使用Microsoft Excel XP的数据分析功能进行。
2 结果与分析
2.1 喂料速度与配方蛋白质含量对工艺指标的影响（见表2）
表2 喂料速度与配方蛋白质含量对工艺指标的影响
项目 | 配方一 | 配方二 | 配方三 |
| 容重 | 硬度 | 糊化度 | 容重 | 硬度 | 糊化度 | 容重 | 硬度 | 糊化度 |
| （g/l） | （kg） | （％） | （g/l） | （kg） | （％） | （g/l） | （kg） | （％） |
8 HZ | 320.2 | 4.68 | 81.8 | 344.6 | 4.35 | 84.0 | 446.0 | 5.76 | 73.2 |
10 HZ | 330.8 | 3.97 | 74.9 | 395.2 | 4.32 | 82.8 | 463.8 | 5.94 | 70.8 |
12 HZ | 346.4 | 3.78 | 81.5 | 454.9 | 6.01 | 80.5 | 490.6 | 6.14 | 67.1 |
14 HZ | 365.6 | 3.73 | 56.3 | 461.6 | 6.10 | 76.4 | 501.8 | 6.16 | 57.9 |
16 HZ | 388.2 | 2.69 | 53.8 | 481.7 | 7.54 | 77.4 | 521.9 | 6.29 | 52.0 |
均值 | 350.2 | 3.77 | 69.7 | 427.6 | 5.66 | 80.8 | 484.8 | 5.86 | 62.8 |
以配方为单元纵向分析表2中的三个指标之间关系得知，不同配方处理中，容重与淀粉糊化度均呈高度负相关（r1=-0.886 6，r2=-0.901 2，r3=-0.952 1；P<0.05），以容重估测糊化度的线性回归斜率（B）和截距(A)分别为-0.443 9、-0.052 6、-0.282 7（均为P<0.05）和225.13、102.73、201.27；三种配方处理中容重与硬度均有高度相关（r1=-0.936 8，P<0.05；r2= 0.908 0，P<0.05；r3=0.987 8，P<0.01）,但方向不同，容重与硬度的线性回归斜率(B)和截距（A）分别为：-0.024 5（P<0.01）、0.021 8（P<0.05）、0.006 8（P<0.01）和12.36、-3.66、2.75。不同配方处理中的相关方向出现不同，回归斜率出现不同方向和较大的差值，说明配方因素(蛋白含量及其来源)对三个指标之间关系的显著作用。
喂料速度对容重有极显著影响(P<0.01)，二者高度正相关（r1=0.990 8，P<0.01；r2=0.953 2，P<0.05；r3=0.994 1， P<0.01），以喂料速度估测容重的线性方程式分别为：①y=8.54x+247.76（R2=0.981 6）、②y=17.03x+223.24（R2=0.908 7）、③y=9.49x+370.94（R2=0.988 2）；喂料速度对糊化度有显著影响（P<0.05），呈较高负相关（r1= -0.864 8，P>0.05；r2=-0.878 1，P<0.05；r3=-0.975 3，P<0.01）；喂料速度在三个配方中对颗粒硬度的影响没有表现出一致性，差异不显著（P>0.05），但在同一配方中却存在密切的相关(r1=-0.935 2，P<0.05；r2=0.951 0，P<0.05；r3=0.971 3，P<0.01），说明喂料速度对硬度的影响受到配方因素的强烈互作。
以喂料速度水平为单元横向分析表2，配方蛋白质含量对容重有极显著影响（P<0.01），为正相关，五个喂料速度水平中的相关系数（r）分别为0.960 7、0.999 2、0.942 1、0.958 1、0.959 8；配方蛋白质含量对淀粉糊化度存在极显著影响（P<0.01），但表现为非线性相关；蛋白质含量对硬度有显著影响（P<0.05），也表现为非线性相关。
2.2 主螺杆转速和喂料速度对容重的影响（见表3）
表3主螺杆转速和喂料速度对容重的影响（g/l）
项目 | 主螺杆转速 |
30 HZ | 35 HZ | 40 HZ | 45 HZ | 平均 |
10 HZ | 345.8 | 329.3 | 296.0 | 266.0 | 309.3 |
13 HZ | 609.5 | 554.5 | 400.5 | 276.0 | 460.1 |
16 HZ | 634.5 | 634.5 | 614.5 | 383.0 | 566.6 |
平均值 | 529.9 | 506.1 | 437.0 | 308.3 | 445.3 |
由表3可知，主螺杆转速对颗粒容重有显著影响（P<0.05），三个不同喂料速度时，二者均呈较高负相关(r1=-0.991 2，P<0.01；r2=-0.985 1，P>0.05；r3=-0.814 4，P>0.05)；喂料速度对容重具有极显著影响（P<0.01）。四个主螺杆转速时，二者均呈较高正相关(r1=0.902 5，r2=0.964 3，r3= 0.980 9，r4=0.902 0)。
2.3 油脂含量和膨化玉米比例对容重的影响（见表4）
表4 油脂含量和膨化玉米比例对容重的影响（g/l）
项目 | 配方膨化玉米替代比例 |
25（％） | 30（％） | 35（％） | 40（％） | 45（％） |
5.5％ | 489.8 | 450.6 | 411.6 | 321.8 | 321.5 |
6.3％ | 544.5 | 506.2 | 417.5 | 379.9 | 338.3 |
7.0％ | 552.8 | 559.5 | 509.5 | 456.5 | 428.6 |
由表4可知，油脂含量和膨化玉米比例对颗粒容重具有极显著影（P<0.01）。在5个膨化玉米比例中油脂含量与容重的相关系数分别为r1=0.934 6、r2=0.999 7、r3=0.873 6、r4=0.993 1、r5=0.914 8；在3个不同的油脂含量水平上，容重与膨化玉米比例之间的相关系数分别为r1=-0.969 7、r2=-0.988 0、r3=-0.960 0，均为极显著相关(P>0.01)。在3个油脂水平中以膨化玉米比例估测容重的线性方程式分别为：①y=-930.8x+24.84，R2=0.940 4；②y=-1 077.4x+814.37，R2=0.976 2；③y=-702.8x+747.36，R2= 0.921 6。可见，通过改变膨化玉米在配方中的比例控制容重是准确有效的方法。
2.4 加热温度下限设置值组合和喂料速度对容重的影响（见表5）
项目 | 机筒加热温度 | 均值 |
一组 | 二组 | 三组 |
8 HZ | 349.3 | 314.8 | 316.7 | 326.9 |
10 HZ | 357.4 | 327.5 | 323.9 | 336.2 |
12 HZ | 374.0 | 338.6 | 350.1 | 354.2 |
14 HZ | 407.8 | 371.2 | 367.9 | 382.3 |
16 HZ | 448.0 | 454.7 | 388.1 | 430.2 |
均值 | 387.3 | 361.3 | 349.3 | 366.0 |
由表5可见，随温度设置值的提高颗粒容重降低，前两组之间差异显著(P<0.05)，但从二组到三组差异不显著(P>0.05)，原因是第三组超出了设备加热能力，实际显示的出料口温度并没有达到设置值(随喂料速度改变的波动范围在150～170 ℃)。随喂料速度的提高容重明显提高，不同喂料速度之间的容重差异极显著(P<0.01)，喂料速度可以明显影响膨化饲料的容重或熟度。
3 讨论
3.1 容重与熟度、硬度指标的关系
颗粒型宠物全价饲料的容重与其熟度（淀粉糊化度）之间存在高度负相关，可以使用容重定量估测产品的熟度；容重与硬度之间的相关性较前者稍低，并且在不同的配方中表现不同，使用容重估计硬度应在同一配方内进行。应指出的是，配方特性对三者之间的关系具有显著影响，并与设备参数存在互作，所以具体准确的估测应建立在确定的设备参数和配方特性前提下测定的回归方程式。以试验一中配方二为例，通过容重估测熟度和硬度的线性方程分别为y=102.73-0.052 6x和y=-3.66+0.021 8x，其中344.7≤x≤481.7。
3.2 设备可控参数对膨化颗粒容重的影响
喂料速度对容重均存在极显著影响（P<0.01），为正相关，以试验一中配方二为例，通过喂料速度调整容重的线性方程式为y=223.24+17.03x；主螺杆转速对容重有显著影响（P<0.05），为负相关；加热温度设置下限值组合对容重存在显著影响（P<0.05），与容重负相关。尽管主螺杆转速和温度设置对产品容重也有显著影响，但喂料速度是设备参数中控制产品容重最有效和最方便的方法。
3.3 配方特性对膨化颗粒容重有极显著影响
配方蛋白质、油脂、膨化玉米含量或比例均对产品容重存在极显著影响（P<0.01）。蛋白质和油脂含量与容重正相关，膨化玉米比例（代替等量普通玉米）与容重负相关。以试验三中配方六的中等油脂含量为例，通过改变膨化玉米比例调整产品容重的线性方程式为y=-1 077.4x+814.37。配方特性中的三个参数以膨化玉米比例为控制产品容重最方便和有效的手段，可一定程度弥补干法膨化工艺中热能供给量偏低的缺陷，而获得适合的产品容重和熟度。
应指出的是，本文是在特定设备和配方条件下进行的，研究结果中容重、糊化度和硬度之间的相关关系、设备参数和配方特性对产品容重的影响应有普遍意义，但具体的定量关系则存在局限性。使用不同的设备进行特定配方的膨化宠物颗粒饲料加工时，应具体测定其定量关系式。
