張嘉琦 楊 潔 秦玉昌 李軍國,3* 李重陽 葛春雨 韓 晴
(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所,北京100081;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所,北京100193;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼料生物技術(shù)重點實驗室,北京100081)
水產(chǎn)膨化飼料具有轉(zhuǎn)化效率高、水中穩(wěn)定性好及環(huán)境污染少等諸多優(yōu)點,已經(jīng)成為水產(chǎn)飼料發(fā)展的主要趨勢,目前在歐洲的許多國家和地區(qū)已經(jīng)形成了以膨化飼料為主流的加工與養(yǎng)殖新模式[1-2]。水產(chǎn)膨化飼料按其在水中的沉浮性分為浮性、沉性和緩沉性三類,目前研究較多的是浮性和沉性水產(chǎn)膨化飼料,有關(guān)緩沉性水產(chǎn)膨化飼料的研究報道很少。緩沉性飼料主要是針對習(xí)慣在中下層攝食的肉食性水產(chǎn)動物(如鱒魚、石斑魚、大菱鲆、江團和海水仔稚魚等),當(dāng)酷暑或寒冬來臨,水面溫度過高或過低,在水面攝食的魚類也會選擇在水體中間攝食,因此緩沉性水產(chǎn)膨化飼料的開發(fā)研究一定會越來越受關(guān)注。緩沉性水產(chǎn)膨化飼料要求飼料在水中緩慢下沉,目前尚未有明確的定義,對評價標(biāo)準(zhǔn)也沒有達(dá)成共識[3-4],有的企業(yè)認(rèn)為緩沉性膨化飼料投入水中之后,應(yīng)50%~60%漂浮在水面、10%~20%懸浮在水中、20%~30%沉入水底,有的企業(yè)規(guī)定膨化飼料在水中的下沉速度應(yīng)低于8 cm/s[5-6]。通過抽樣調(diào)查,我們規(guī)定緩沉性膨化顆粒飼料的沉降速度≤8 cm/s,在10 min內(nèi)下沉率達(dá)到95%以上,本研究以此作為緩沉性膨化飼料的評價標(biāo)準(zhǔn)。
擠壓膨化是一個復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)的過程,配方中各營養(yǎng)成分的種類和含量、生產(chǎn)加工過程中復(fù)雜多變的參數(shù)都對最終的產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響[7-9]。目前浮性和沉性水產(chǎn)膨化飼料有關(guān)加工參數(shù)的研究較多,但兩者的研究是尋找水產(chǎn)膨化飼料質(zhì)量指標(biāo)的極限值,要求100%漂浮或下沉[10-12],而緩沉性水產(chǎn)膨化飼料是尋找兩者之間的中間值或改變值,容重、單位密度和膨化率介于沉性和浮性水產(chǎn)膨化飼料之間,生產(chǎn)過程工藝參數(shù)操作狹窄,穩(wěn)定性較低,加工難度很大[13-17],相關(guān)研究幾乎空白。本試驗采用單因素試驗,在其他參數(shù)保持不變的情況下,研究模板噸料開孔面積、調(diào)質(zhì)后物料水分、膨化機模頭溫度對水產(chǎn)膨化飼料加工質(zhì)量的影響,找到適宜的緩沉性水產(chǎn)膨化飼料的加工參數(shù)范圍,為緩沉性水產(chǎn)膨化飼料的穩(wěn)定生產(chǎn)提供理論支持,對減少原料浪費、降低生產(chǎn)能耗具有重要意義。
1.1.1 試驗材料
試驗飼料配方組成及營養(yǎng)成分見表1。
表1 飼料配方組成及營養(yǎng)成分(風(fēng)干基礎(chǔ),%)
1.1.2 試驗儀器與設(shè)備
膨化飼料加工設(shè)備:牧羊SJPS56×2 雙螺桿膨化機,螺桿直徑56 mm,長徑比(L/D)為20∶1,螺桿轉(zhuǎn)速在0~300 r/min 范圍內(nèi)可調(diào),最大處理量為200 kg/h。膨化機螺桿配置如圖1和表2所示。
圖1 牧羊SJPS56×2雙螺桿膨化機螺桿配置
表2 牧羊SJPS56×2雙螺桿膨化機螺桿配置
檢化驗儀器:HH.S-8電熱恒溫水浴鍋(躍進醫(yī)療器械廠)、CR22G 高速離心機(日本日立公司)、FA1004 分析天平(恒平科學(xué)儀器公司)、物性分析儀(TA.XT2,Surrey,England)。
采用單因素試驗,在模板??字睆胶蛿?shù)量、物料調(diào)質(zhì)溫度、膨化機螺桿轉(zhuǎn)速、膨化腔1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)的溫度等參數(shù)保持不變的情況下,分別改變模板噸料開孔面積、調(diào)質(zhì)物料水分含量和模頭溫度進行加工試驗。選用模孔直徑為4 mm、開孔數(shù)量為2個的沉性模板,物料調(diào)質(zhì)溫度100 ℃,膨化機螺桿轉(zhuǎn)速240 r/min,膨化腔1 區(qū)、2 區(qū)、3 區(qū)的溫度分別控制在100、130、130 ℃等參數(shù)保持基本不變,噸料開孔面積、調(diào)質(zhì)物料水分含量、模頭溫度分別設(shè)置5 個水平進行試驗,具體試驗工藝參數(shù)見表3。當(dāng)改變其中一個參數(shù)時,其他加工參數(shù)保持一致,穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。試驗研究的膨化顆粒飼料加工質(zhì)量指標(biāo)包括產(chǎn)品容重、單位密度、膨化率、0 min下沉率、10 min下沉率和下沉速度。
試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院南口中試基地進行。試驗原料按表1的配比(油脂除外)配料混合均勻后,經(jīng)超微粉碎機進行微粉碎,要求混合物料98%過60 目篩,再將超微粉碎的物料進行二次混合,混合過程中噴入2%的油脂。混合后的物料在干燥陰涼處儲藏,物料中水分含量保持在9%±1%范圍內(nèi),為下一步的擠壓膨化試驗做好準(zhǔn)備。
表3 單因素試驗的加工參數(shù)
膨化料加工使用牧羊SJPS56×2 雙螺桿膨化機,配置螺旋喂料器和雙軸差速調(diào)質(zhì)器,噸料開孔面積通過改變喂料器的喂料速度進行調(diào)整,調(diào)質(zhì)溫度和調(diào)質(zhì)后物料的水分通過改變通入調(diào)質(zhì)器中的蒸汽流量和水流量進行調(diào)整,螺桿轉(zhuǎn)速通過變頻器改變主電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整,膨化腔4個區(qū)的溫度分別通過在每段膨化腔夾層中加蒸汽或冷卻水來控制。工藝參數(shù)設(shè)置按試驗設(shè)計方案調(diào)整,當(dāng)每個試驗點的加工參數(shù)滿足試驗要求時,等待膨化機各參數(shù)穩(wěn)定運行15 min后開始取樣,再每隔5 min取樣1次,共取3個樣品,并記錄實際工作參數(shù)。將成品顆粒置于樣品箱中,使用自然風(fēng)干的方法干燥冷卻,待樣品水分降至12%以下時,將樣品裝于干密封袋中用于樣品分析。
1.4.1 水分
水分按直接干燥法(GB/T 6435)[18]測定。
1.4.2 容重
容重按GB/T 5498的規(guī)定執(zhí)行[19]。
1.4.3 單位密度
使用海沙置換法測定單位密度。用量筒稱取過100 目且烘干的海沙100 ml(稱取過程中邊放入海沙邊將量筒在振蕩器上震動,直到海沙在100 ml 刻度處不再變化為止),重復(fù)3 次取平均數(shù)記為海沙質(zhì)量m0(g)。取40 g 樣品放入100 ml 量筒中,向量筒中緩慢倒入海沙并在振蕩器上震動,直到海沙將樣品全部覆蓋并在100 ml刻度處保持不變。稱取樣品與海沙總重m1(g),膨化顆粒飼料的單位密度的計算見式(1)。
式中:m0——海沙的重量(g);
m1——樣品與海沙的總重量(g);
ρ樣——樣品的單位密度(g/l);
ρ沙——海沙的單位密度(g/l)。
1.4.4 膨化率
對于圓形???,隨機取20 個膨化飼料顆粒樣品用游標(biāo)卡尺測定其直徑,膨化顆粒飼料的膨化率計算見式(2),取平均值。式中:E——膨化率;
D1——膨化飼料顆粒直徑(mm);D2——模孔直徑(mm)。
1.4.5 0 min下沉率和10 min下沉率
隨機取100顆飼料樣品,置于(26±2) ℃水中,分別在0 min和10 min時,對漂浮顆粒數(shù)計數(shù)R,沉性顆粒飼料下沉率的計算見式(3),測量3次,取平均值。
式中:C——沉水率(%);
R——漂浮顆粒數(shù)(個)。
1.4.6 下沉速度
隨機取50 顆飼料樣品,將顆粒從水面釋放到一個直徑為60 mm、高度為105 cm 的透明管中,其中水面高度100 cm,從顆粒在水面開始下落時計時,測量顆粒降落到管底所用的時間,緩沉性顆粒飼料沉降速度的計算見式(4),取50個樣品的平均值。
式中:V——為下沉速度(cm/s);
H——為水面高度(cm);
T——為顆粒從水面降低到管底所用的時間(s)。
1.4.7 單位機械能(SME)
生產(chǎn)水產(chǎn)膨化飼料的過程中,實時記錄喂料器的喂料速度和膨化機的扭矩,單位機械能(SME)的計算見式(5)。
式中:SME——單位機械能(kJ/kg);
Τ——膨化機主機螺桿扭矩(N·m);
Ns——主機螺桿轉(zhuǎn)速(r/s);
Ftotal——質(zhì)量流量(kg/h)。
1.4.8 噸料開孔面積(THT)
生產(chǎn)水產(chǎn)膨化飼料的過程中,實時記錄產(chǎn)量,并記錄使用模板的開孔數(shù)和開孔面積,噸料開孔面積的計算見式(6)。
式中:THT——噸料開孔面積[mm2/(t/h)];
S——模板開孔面積(mm2);
Q——產(chǎn)量(t/h)。
所有數(shù)據(jù)使用SPSS22.0 進行統(tǒng)計分析。所有數(shù)據(jù)均采用一維方差分析,并通過了方差齊性檢驗。顯著水平設(shè)為P<0.05。試驗數(shù)據(jù)用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示。
表4 單因素試驗結(jié)果
由表4 可知,當(dāng)調(diào)質(zhì)后物料水分為27%,螺桿轉(zhuǎn)速240 r/min,模頭溫度120 ℃時,噸料開孔面積由300 mm2/(t/h)升高到500 mm2/(t/h)對膨化顆粒飼料的加工質(zhì)量有不同程度的影響。隨著噸料開孔面積的增加,容重和單位密度逐漸增加,膨化率隨著噸料開孔面積的增加逐漸降低,產(chǎn)品逐漸由浮性水產(chǎn)膨化飼料轉(zhuǎn)變?yōu)槌列运a(chǎn)膨化飼料。當(dāng)噸料開孔面積增加到450 mm2/(t/h)時,此時容重為504.80 g/l,0 min 下沉率為21.67%,10 min下沉率為52.00%,產(chǎn)品開始從浮性水產(chǎn)膨化飼料向緩沉性水產(chǎn)膨化飼料轉(zhuǎn)變。當(dāng)噸料開孔面積增加到500 mm2/(t/h)時,此時容重為539.27 g/l,0 min下沉率為92.00%,10 min下沉率為100.00%,下沉速度為5.39 cm/s,產(chǎn)品有從緩沉性水產(chǎn)膨化飼料向沉性水產(chǎn)膨化飼料轉(zhuǎn)變的趨勢。因此,當(dāng)物料調(diào)質(zhì)溫度100 ℃,調(diào)質(zhì)后物料水分27%,螺桿轉(zhuǎn)速240 r/min、模頭溫度120 ℃時,生產(chǎn)緩沉性水產(chǎn)膨化飼料的適宜噸料開孔面積范圍應(yīng)該在450~500 mm2/(t/h)之間,此時膨化顆粒飼料的容重為504.80~539.27 g/l、單位密度為919.23~966.25 g/l、膨化率為1.22~1.25。
根據(jù)噸料開孔面積單因素試驗結(jié)果,固定噸料開孔面積為450 mm2/(t/h),模頭溫度為120 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速為240 r/min,研究調(diào)質(zhì)后物料水分由22%升高到27%對膨化飼料質(zhì)量的影響。由表4可知,隨著調(diào)質(zhì)物料水分的增加,容重、單位密度和下沉速度先升高后降低,均在調(diào)質(zhì)物料水分為25%時達(dá)到最大,此時下沉速度為7.03 cm/s,膨化率隨著調(diào)質(zhì)物料水分的升高先降低后升高。膨化飼料產(chǎn)品只有在調(diào)質(zhì)物料水分達(dá)到27%時,產(chǎn)品顆粒出現(xiàn)漂浮的現(xiàn)象,此時容重為507.00 g/l,單位密度為919.37 g/l,膨化率為1.29,0 min下沉率為22.66%,10 min下沉率為68.00%,產(chǎn)品開始由緩沉性水產(chǎn)膨化飼料向浮性水產(chǎn)膨化飼料轉(zhuǎn)變,考慮到物料只有充足的水分,才能保證物料足夠的熟化程度,因此當(dāng)噸料開孔面積為450 mm2/(t/h)、模頭溫度為120 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速為240 r/min 時,生產(chǎn)緩沉性水產(chǎn)膨化飼料的調(diào)質(zhì)物料水分在25%~27%之間,此時膨化顆粒飼料的容重為507.00~559.00 g/l、單位密度為919.37~963.02 g/l、膨化率為1.23~1.29。
根據(jù)噸料開孔面積和調(diào)質(zhì)物料水分的單因素試驗結(jié)果,固定噸料開孔面積為450 mm2/(t/h)、調(diào)質(zhì)物料水分為25%,研究模頭溫度由90 ℃升高到130 ℃對膨化飼料質(zhì)量的影響。隨著模頭溫度的增加,容重和單位密度均逐漸降低,膨化率隨著模頭溫度的升高逐漸升高,當(dāng)模頭溫度在110 ℃及以下時,膨化顆粒飼料0 min 下沉率為100.00%,下沉速度快于8.00 cm/s,為沉性水產(chǎn)膨化飼料;當(dāng)模頭溫度增加到120 ℃時,膨化顆粒0 min下沉率為100.00%,下沉速度為6.10 cm/s,此時產(chǎn)品達(dá)到緩沉性水產(chǎn)膨化飼料要求;當(dāng)模頭溫度為130 ℃時,0 min 下沉率為81.00%,10 min 下沉率為100.00%,下沉速度為5.88 cm/s,也符合緩沉性水產(chǎn)膨化飼料質(zhì)量要求。因此當(dāng)噸料開孔面積為450 mm2/(t/h),調(diào)質(zhì)物料水分為25%時,生產(chǎn)緩沉性水產(chǎn)膨化飼料的模頭溫度適宜在120~130 ℃之間,此時膨化顆粒飼料的容重為529.67~559.00 g/l、單位密度為867.31~964.05 g/l、膨化率為1.23~1.30。
噸料開孔面積是指單位產(chǎn)量(t/h)對應(yīng)的模板開孔面積(mm2),不僅反映了膨化腔內(nèi)物料的充盈程度,也在一定程度上反映了物料在出模前的壓力大小,計算方法見公式(6)。噸料開孔面積的大小與模板開孔面積呈正相關(guān)關(guān)系,與單位產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在單位產(chǎn)量不變的情況下,隨著模板開孔面積的增加,膨化腔內(nèi)的充盈程度降低,物料在膨化腔內(nèi)受到的壓力減小,導(dǎo)致膨化效果降低,膨化顆粒飼料的容重逐漸增大。模板開孔面積不變,隨著單位產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)的提高,膨化腔內(nèi)的充盈程度增加,物料在膨化腔內(nèi)受到的壓力增加,導(dǎo)致膨化效果增強,膨化顆粒飼料的容重應(yīng)逐漸減小,但喂料速度增加過多,會導(dǎo)致膨化腔內(nèi)壓力過大,物料不能及時出模,對膨化機主機造成巨大的負(fù)擔(dān),嚴(yán)重時會導(dǎo)致堵機。Ding等(2005)[20]研究結(jié)果顯示,喂料速度和調(diào)質(zhì)物料水分對擠出物的膨脹具有顯著影響,提高喂料速度將影響填充和停留時間的程度,引起支鏈淀粉網(wǎng)絡(luò)的降解,并改變?nèi)荏w流變學(xué)特性,從而導(dǎo)致更大的彈性效應(yīng)和產(chǎn)品膨化的變化。實際生產(chǎn)中,浮性水產(chǎn)膨化飼料的噸料開孔面積為200~250 mm2/(t/h),沉性水產(chǎn)膨化料為550~600 mm2/(t/h)。本文中通過降低單位產(chǎn)量來提高噸料開孔面積,噸料開孔面積在300~400 mm2/(t/h)范圍內(nèi)變化時,產(chǎn)品的容重由416.36 g/l增加到485.33 g/l,屬于浮性水產(chǎn)膨化飼料,噸料開孔面積在450~500 mm2/(t/h)范圍內(nèi)變化時,產(chǎn)品的容重由504.80 g/l 增加到539.27 g/l,此時逐漸出現(xiàn)越來越多的下沉顆粒,屬于緩沉性水產(chǎn)膨化飼料。相較于模頭溫度和螺桿轉(zhuǎn)速,噸料開孔面積對水產(chǎn)膨化飼料的影響更為明顯,這與前人的研究結(jié)果基本一致。本文結(jié)果顯示當(dāng)使用4 mm 的沉性模板時,緩沉性水產(chǎn)膨化飼料的最佳噸料開孔面積為450~500 mm2/(t/h)。
調(diào)質(zhì)物料水分是指物料在經(jīng)調(diào)質(zhì)過程之后進入膨化腔之前物料的水分含量,包括物料本身所含的水分、調(diào)質(zhì)過程中物料吸收的蒸汽水分和調(diào)質(zhì)過程中添加的水分。調(diào)質(zhì)物料水分對擠壓過程有重要的影響,在擠壓膨化機內(nèi)起增塑劑的作用,其含量的多少會影響物料熔融狀態(tài)的流變學(xué)特性,過多的調(diào)質(zhì)物料水分會降低熔體黏度,影響膨化腔內(nèi)螺桿機械能的輸入[21],過少的調(diào)質(zhì)物料水分易使物料焦化導(dǎo)致堵機,影響膨化效果,進而影響產(chǎn)品的沉浮性。Stojceska 等(2009)[22]和Singh 等(2007)[23]分別使用雙螺桿膨化機對不同水平的調(diào)質(zhì)物料水分(12%~17%)、(18%~24%)的稻米混合物進行膨化,結(jié)果表明增加物料含水量會降低產(chǎn)品的膨化率。Meng 等(2010)[24]的結(jié)果顯示調(diào)質(zhì)物料水分的增加(16%~18%)會降低熔體黏度,在恒定的喂料速度情況下模頭壓力與熔體黏度正相關(guān),因此會降低膨化效果。本文中隨著調(diào)質(zhì)物料水分從22%增加到25%,容重從545.83 g/l增加到559.00 g/l,下沉速度從5.62 cm/s增快到7.03 cm/s,屬于緩沉性水產(chǎn)膨化飼料,當(dāng)調(diào)質(zhì)物料水分增加至27%,容重降為507.00 g/l,產(chǎn)品顆粒中出現(xiàn)大量漂浮的現(xiàn)象,此時產(chǎn)品開始向浮性水產(chǎn)膨化飼料轉(zhuǎn)變。與Stojceska 等(2009)和Singh等(2007)的研究結(jié)果相比,飼料比稻米混合物的成分更為復(fù)雜,吸水性差,因此需要更高的調(diào)質(zhì)物料水分,同時調(diào)質(zhì)物料水分較低時,會影響物料的流動,增加螺桿扭矩和物料在膨化腔內(nèi)的停留時間,這不利于物料的凝膠化和膨脹,進而影響產(chǎn)品的沉浮性和沉降速度。綜合以上考慮,本文結(jié)果顯示,當(dāng)使用4 mm沉性模板,噸料開孔面積為450 mm2/(t/h)時,緩沉性水產(chǎn)膨化飼料的推薦調(diào)質(zhì)物料水分為25%~27%。
當(dāng)物料從膨化機中擠出,模頭處需要保持一定的溫度才能保證水分閃蒸和物料膨化。足夠高的溫度可以提高淀粉糊化度,降低膨化腔內(nèi)的物料黏度,利于物料的膨化,但過高的模頭溫度易使物料焦化導(dǎo)致堵機。Badrie 等(2010)[25]的研究顯示,當(dāng)模頭溫度較高時,會使淀粉分子之間的氫鍵斷裂,有助于淀粉的糊化,降低熔融狀態(tài)時的表觀黏度,這都會有利于物料的膨化。Faubion 等(1982)[26]和Launay(1983)[27]分別研究了模頭溫度對面粉和淀粉膨化的影響,結(jié)果均顯示隨著模頭溫度的提高,產(chǎn)品的膨化效果越好。目前企業(yè)中認(rèn)為,生產(chǎn)沉性料時,主要靠螺桿和機筒對物料進行剪切糅合等作用,促進物料熟化、提高塑性;模頭處應(yīng)對機筒進行冷卻(100 ℃以下),降低已經(jīng)熟化的塑性物料所具有的能量,降低物料中水分的過飽和狀態(tài)。生產(chǎn)浮性料時,模頭溫度控制在150 ℃以上,盡可能增大模頭內(nèi)外的溫度差,使水分在物料出模時迅速揮發(fā),利于膨脹。本文中隨著模頭溫度從90 ℃增加到110 ℃,容重從608.17 g/l降低到566.33 g/l,下沉速度均快于8 cm/s,此時產(chǎn)品屬于沉性水產(chǎn)膨化飼料。隨著模頭溫度從120 ℃增加到130 ℃,容重從559.00 g/l降到529.67 g/l,沉降速度從6.10 cm/s減慢到5.88 cm/s,同時0 min時出現(xiàn)少量顆粒漂浮的現(xiàn)象,此時產(chǎn)品屬于緩沉性水產(chǎn)膨化飼料。這與前人的研究結(jié)論基本一致,本文結(jié)果顯示,當(dāng)使用4 mm的沉性模板時,噸料開孔面積為450 mm2/(t/h),調(diào)質(zhì)物料水分為25%時,緩沉性水產(chǎn)膨化飼料的最佳模頭溫度為120~130 ℃。
本文在模板模孔直徑和數(shù)量、物料調(diào)質(zhì)溫度、膨化機螺桿轉(zhuǎn)速、膨化腔1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)的溫度等保持不變的情況下,研究了模板噸料開孔面積、調(diào)質(zhì)物料水分含量和模頭溫度等主要工藝參數(shù)對緩沉性水產(chǎn)膨化飼料的影響。通過3個單因素試驗研究得出,當(dāng)使用4 mm 的沉性模板生產(chǎn)緩沉性水產(chǎn)膨化飼料時,適宜的加工參數(shù)范圍為:噸料開孔面積450 mm2/(t/h)、調(diào)質(zhì)物料水分25%、模頭溫度在120~130 ℃之間,此時膨化顆粒飼料的容重為529.67~559.00 g/l、單位密度為867.31~964.05 g/l、膨化率為1.23~1.30,下沉率和下沉速度滿足緩沉性水產(chǎn)膨化飼料要求。