6種常用飼料原料平衡水分吸附等溫線(xiàn)研究

郭沁文 任晨茜 龔楊帆 李 翀 齊德生

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070)

水分活度是指一定溫度的密閉容器中，物料的水蒸氣壓與純水蒸氣壓之比[1]。它反映了物料中水分的存在形式及可被微生物利用的程度，是決定產(chǎn)品質(zhì)量的安全性和穩(wěn)定性的最重要因素之一[2,3]。目前，水分活度的概念已廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域[4,5]，在飼料行業(yè)也逐步展開(kāi)應(yīng)用。在我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2018年發(fā)布的20號(hào)文件中，已將水分活度定為評(píng)價(jià)寵物配合飼料的重要質(zhì)檢指標(biāo)[6]。

不同的微生物都有生長(zhǎng)所需的最低水分活度值，一般地，霉菌生長(zhǎng)的水分活度要在0.7以上，水活度低于0.7時(shí)，僅有少數(shù)嗜旱霉菌可以生存，如薛氏曲霉、赤曲霉、阿姆斯特丹曲霉等，而霉菌孢子基本不發(fā)芽。水分活度低于0.6時(shí)，所有霉菌都不能生長(zhǎng)[7-9]。因此，以水分活度值為0.6對(duì)應(yīng)的含水量為飼料絕對(duì)安全含水量，水分活度值為0.7對(duì)應(yīng)的水分含量為飼料相對(duì)安全水分含量[10]?？刂骑暳虾吭诎踩恳韵?，就可以抑制霉菌生長(zhǎng)，從而達(dá)到有效防霉[11]。

在一定溫度下以物料的水分含量對(duì)其水分活度作出的曲線(xiàn)為平衡水分吸附等溫線(xiàn)，又叫吸濕等溫曲線(xiàn)。吸濕等溫曲線(xiàn)對(duì)食品的干燥、混合、貯藏有重要指導(dǎo)作用，根據(jù)曲線(xiàn)擬合方程，可計(jì)算出飼料原料的安全水分[12,13]。在20世紀(jì)早期，Coleman發(fā)現(xiàn)在恒定溫度下谷物的含水量與其水分活度有對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了水分等溫吸附曲線(xiàn)[14]，此后國(guó)外相繼有許多水活度與吸附等溫線(xiàn)的報(bào)道[15]。歐共體的科學(xué)技術(shù)聯(lián)盟聯(lián)合11個(gè)國(guó)家對(duì)玉米、小麥、稻谷等農(nóng)產(chǎn)品的吸附等溫線(xiàn)進(jìn)行研究，繪制了一千多條等溫線(xiàn)[16]。我國(guó)對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品水分等溫吸附研究起步較晚，在20世紀(jì)90年代，文友先等[17]率先對(duì)稻谷的吸附與解吸等溫線(xiàn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)曲線(xiàn)呈反S形，隨后國(guó)內(nèi)陸續(xù)研究了玉米、大豆、小麥、乳清粉等少量農(nóng)產(chǎn)品的吸濕曲線(xiàn)[18-23]。

目前，我國(guó)對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品水分等溫吸附的研究報(bào)道有限，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足飼料生產(chǎn)需要。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)研究6種常用飼料原料在不同溫度下的平衡水分吸附等溫線(xiàn)，利用曲線(xiàn)擬合效果好的數(shù)學(xué)方程計(jì)算出飼料原料的絕對(duì)安全含水量和相對(duì)安全含水量，以便為飼料原料防霉工作提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原料樣品

2018—2019年從我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)收集6種飼料原料，樣品產(chǎn)地、年份及生化指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用飼料原料樣品(生化指標(biāo))/%

1.1.2 儀器設(shè)備

101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱(溫度偏差：±1 ℃)；干燥器：內(nèi)徑240 mm；BS224S電子分析天平(精度：±0.1 mg)；鋁盒：直徑5 cm、厚度2 cm；LabMaster-aw型水分活度測(cè)定儀(溫度范圍：0～50 ℃，精度：±0.003 aw，飽和鹽薄片：氯化鋰，氯化鎂，溴化鈉，氯化鈉，氯化鉀，硫酸鉀)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 飼料原料的準(zhǔn)備

飼料原料經(jīng)40目篩粉碎，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，105 ℃干燥至恒重，取出置于干燥器中冷卻后將樣品分置于8個(gè)自封袋中，將自封袋中的飼料原料中兌水至預(yù)期所需的含水量(分別為5%、7.5%、10%、12.5%、15%、17.5%、20%以及該飼料原料基本含水量)，待樣品在干燥器中水分平衡24 h以上備用。

1.2.2 樣品水分活度的測(cè)定

分別使樣品在LabMaster-aw型水分活度測(cè)定儀樣品盒中平衡到15、25、35 ℃，測(cè)定不同水分梯度樣品的水分活度，每個(gè)含水量的樣品做3個(gè)平行樣，取平均值作為該點(diǎn)的水分活度。

1.2.3 樣品實(shí)際水分含量的測(cè)定

按照GB/T 6435—2014方法進(jìn)行飼料含水量的測(cè)定，每個(gè)水分含量的樣品取2份平行樣進(jìn)行測(cè)定，取平均值作為飼料原料的實(shí)際含水量。

1.2.4 水分等溫吸附曲線(xiàn)數(shù)學(xué)模型

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)所選的飼料原料種類(lèi)及成分，選擇了5種農(nóng)產(chǎn)品常用的平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程：修正Halsey(MHAE)、修正 Henderson(MHE)、修正Chung-Pfost(MCPE)、修正3參數(shù)GAB(MGAB)、修正Oswin(MOE)，其表達(dá)式及參數(shù)見(jiàn)表2[24]。

表2 農(nóng)產(chǎn)品常用的平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥粉平衡水分吸附等溫線(xiàn)

運(yùn)用Origin 9.1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，小麥粉在不同條件下平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程的方程參數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，MGAB方程在15和35 ℃擬合效果最好，MHE方程在25 ℃時(shí)擬合最好。將常數(shù)項(xiàng)帶入最佳擬合方程，計(jì)算出小麥粉在15、25和35 ℃下的絕對(duì)安全含水量為12.43%、12.29%、11.48%，相對(duì)安全含水量為14.24%、14.14%、13.60%。

表3 小麥粉平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程參數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)

2.2 米糠平衡水分吸附等溫線(xiàn)

運(yùn)用Origin 9.1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，米糠在不同條件下平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程的方程參數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，MOE方程在15、25、35 ℃時(shí)擬合效果均為最好。將常數(shù)項(xiàng)帶入最佳擬合方程，計(jì)算出米糠在15、25、35 ℃下的絕對(duì)安全含水量為9.14%、8.83%、8.45%，相對(duì)安全含水量為10.76%、10.55%、10.33%。

表4 米糠平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程參數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)

2.3 棉粕平衡水分吸附等溫線(xiàn)

運(yùn)用Origin 9.1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，棉粕在不同條件下平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程的方程參數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，MOE方程在15、25 ℃時(shí)擬合效果最好，MGAB方程在35 ℃時(shí)擬合最好。將常數(shù)項(xiàng)帶入最佳擬合方程，計(jì)算出棉粕在15、25和35 ℃下的絕對(duì)安全含水量為10.53%、10.34%、10.00%，相對(duì)安全含水量為12.57%、12.63%、12.56%。

表5 棉粕平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程參數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)

2.4 芝麻粕平衡水分吸附等溫線(xiàn)

運(yùn)用Origin 9.1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，芝麻粕在不同條件下平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程的方程參數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)見(jiàn)表6。由表6可見(jiàn)，MOE方程在15、35 ℃時(shí)擬合效果最好，MHAE方程在25 ℃時(shí)擬合最好。將常數(shù)項(xiàng)帶入最佳擬合方程，計(jì)算出芝麻粕在15、25和35 ℃下的絕對(duì)安全含水量為8.84%、8.27%、8.18%，相對(duì)安全含水量為10.73%、10.12%、10.36%。

表6 芝麻粕平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程參數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)

2.5 玉米蛋白粉平衡水分吸附等溫線(xiàn)

運(yùn)用Origin 9.1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，玉米蛋白粉在不同條件下平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程的方程參數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)見(jiàn)表7。由表7可見(jiàn)，MHE方程在15 ℃時(shí)擬合效果最好，MCPE方程在25 ℃時(shí)擬合最好，MOE方程在35 ℃時(shí)擬合最好。將常數(shù)項(xiàng)帶入最佳擬合方程，計(jì)算出玉米蛋白粉在15、25和35 ℃下的絕對(duì)安全含水量為9.48%、9.05%、8.49%，相對(duì)安全含水量為10.91%、10.54%、9.96%。

表7 玉米蛋白粉平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程參數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)

2.6 DDGS平衡水分吸附等溫線(xiàn)

運(yùn)用Origin 9.1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，DDGS在不同條件下平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程的方程參數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)見(jiàn)表8。由表8可見(jiàn)，MGAB方程在15 ℃時(shí)擬合效果最好，MOE方程在25、35 ℃時(shí)擬合效果最好。將常數(shù)項(xiàng)帶入最佳擬合方程，計(jì)算出DDGS在15、25和35 ℃下的絕對(duì)安全含水量為9.29%、8.95%、8.60%，相對(duì)安全含水量為11.96%、11.62%、11.31%。

續(xù)表7

表8 DDGS平衡水分吸附等溫線(xiàn)擬合方程參數(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)

3 討論

3.1 不同飼料原料對(duì)水分的吸附性

由于飼料本身的理化性質(zhì)差異，對(duì)水分的吸附能力不同，用以描述曲線(xiàn)的最佳擬合方程也不盡相同。在本實(shí)驗(yàn)選取的吸濕方程中，MHAE方程對(duì)高油脂、高蛋白類(lèi)農(nóng)產(chǎn)品吸濕曲線(xiàn)擬合較好，MOE方程適于描述蛋白質(zhì)類(lèi)和淀粉類(lèi)食品，MCPE方程和MHE方程適于擬合大麥、小麥等淀粉類(lèi)谷物及富含纖維的物料，MGAB方程提供單層水分含量，對(duì)確定食品儲(chǔ)藏能力, 尤其是脫水食品的最佳水分含量最有用[25-28]。因此，對(duì)不同的飼料原料繪制平衡水分吸附等溫線(xiàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)飼料的化學(xué)組成選擇合適的吸濕模型進(jìn)行擬合。

3.2 溫度對(duì)飼料水分活度的影響

在一定含水量范圍內(nèi)，水分活度隨溫度升高而增大。這是由于溫度變化會(huì)引起飼料原料理化性質(zhì)的改變。隨著溫度升高，物料對(duì)水的親和活性點(diǎn)減少，分子的激發(fā)態(tài)及分子間引力發(fā)生改變，水分子的活性增強(qiáng)，導(dǎo)致飼料對(duì)水分吸附力下降，游離水增多[29,30]。因此，“安全水分”是相對(duì)的，在不同的季節(jié)和地區(qū)，由于氣溫不同，同一飼料原料的安全水分含量不同。

3.3 飼料原料吸濕等溫曲線(xiàn)的形狀

Brunauer根據(jù)形狀將吸附等溫線(xiàn)歸納為5類(lèi)[31]，本研究中6種飼料原料的吸濕曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本一致呈S形，屬于Ⅱ類(lèi)型等溫線(xiàn)，與大多數(shù)食品相符[24]。S形曲線(xiàn)前段上升緩慢，后半段上升趨勢(shì)變強(qiáng)。這是由于隨著水分活度增大，水分進(jìn)入飼料原料膨脹的間隙，發(fā)生多層吸附。隨著水分子層加厚逐漸形成球面結(jié)構(gòu)，飼料原料孔隙所受壓力減小，對(duì)水分吸附能力增強(qiáng)[32]。一般地，水分活度值大于0.65時(shí)進(jìn)入曲線(xiàn)的顯著上升區(qū)段，飼料原料吸附水分的能力變強(qiáng)，極易發(fā)生霉變，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制飼料原料的水分在安全含水量之內(nèi)。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究小麥粉、米糠、棉粕、芝麻粕、玉米蛋白粉、DDGS的平衡水分吸附等溫線(xiàn)，選擇擬合效果最佳的模型方程，計(jì)算出了這6種飼料原料的絕對(duì)安全水分和相對(duì)安全水分，為其儲(chǔ)藏和防霉工作提供了科學(xué)指導(dǎo)。