擠壓水產飼料應用與加工關鍵技術

1擠壓水產飼料應用 1．1擠壓水產飼料優點 水生動物具有與畜禽絕然不同的生活環境、采食習慣，以及不同的消化特性。這些不同使擠壓方式在水產飼料加工中得到更廣泛的應用，擠壓飼料被視為一種極有前途的水產飼料形式。近3年來，擠壓水產飼料加工流線在國內水產飼料廠以前所未有的速率快速增長。 具體而言，擠壓水產飼料與以往常用的硬顆粒水產飼料相比，具有下述長處。 1．1．1良好的耐水性 擠壓過程及物料出模瞬間的“閃蒸”使物料結構重組，形成較為穩定的網絡結構。新結構的形成，大幅度降低了顆粒飼料內部不同組分連接處的內應力差異，產品有能力抵御水的浸泡力而在水中長時間保持原形，不爛不散。不管是沉性料還是浮性料，加工合格的擠壓水產飼料在水中浸泡l 2 h都可保持原形。與其他形式的水產飼料相比，擠壓水產飼料在保持良好養殖水質方面具有明顯的優勢。這一優勢不僅對環境保護貢獻巨大，亦為所養殖水產動物的健康生長提供了良好的條件。 1．1．2更高的可消化性 擠壓飼料加工過程中，強烈的剪切作用、高溫高壓作用引起淀粉、蛋白質變性等物理變化，提高該類營養素的可消化性。有學者測定，虹鱒魚對生淀粉的消化率僅40％左右，而對糊化淀粉的消化率可達6 0％以上。普通硬顆粒水產飼料的淀粉糊化度為4 0％左右，而擠壓水產飼料的淀粉糊化度一般為8 5％以上，由此不難看出，僅淀粉一種營養素，擠壓水產飼料與硬顆粒水產飼料就有差異很大的消化率。 強烈的擠壓作用亦使部分結構緊密的纖維素、角質蛋白等降解，使其由不可消化轉變為可消化或部分可消化。酵母、血漿等原料中的纖維、角蛋白等一旦降解，其包裹的營養物質就得以釋放，消化率由此大幅度提高。 1．1．3適口性得以改良 擠壓水產飼料成品具有的多孔及質構均一兩大特性使其入水變軟無硬芯。對龜、鱉、金槍魚等水產動物而言，這一物理性狀是對應水產飼料必備的條件。對蟹、蝦而言，這一物理性狀提高了采食速度，增加了采食量。 擠壓過程中適宜的高溫作用，促使物料間的化學反應，產生部分香味物質，增加飼料的誘食力，提高水產動物的食欲。 1．1．4拓寬原料利用范圍 食品業、釀造業、藥業、農業等諸多行業的下腳料富含水產動物生長所需的營養素。但這些下腳料中過量的水分、油脂或纖維素常限制它們在其它形式的水產飼料中應用。擠壓設備的高適應能力讓這類物料做到物盡其用，既豐富了飼料資源，又減少了這類物料對環境的壓力。 一些原料在含有營養素的同時含有動物生長抑制因子。擠壓過程的強烈作用常能改變諸多生長抑制因子的分子構型或結構，從而消除抑制因子的不良影響。 1．1．5方便養殖管理 擠壓浮性飼料使養殖者能夠準確了解水產動物的采食狀況，為及時調整投飼量，掌握養殖對象健康狀況提供直觀的依據。 擠壓飼料的使用減小了養殖水質富營養化的危險，在降低換水頻率，減少換水量的同時，亦減小增氧的需求。 1．1．6飼料安全性提高 飼料原料在加工、運輸、儲藏等過程中，難免受致病菌感染，如昆蟲或鼠類使沙門氏菌、霍亂、支原體病等病菌感染庫存中的各種動、植物原料；部分原料本身又可能含有抗胰蛋白酶、硫氨酶等不利于水產動物健康生長的物質。水產飼料的擠壓加工過程含有高強度的水熱作用過程，該過程能有效去除大部分有害因子。擠壓水產飼料比其它形式的水產飼料更為安全。這一安全結果通過物理方法獲得，無不良副作用產生。 1．2擠壓水產飼料應用范圍 1．2．1普通魚飼料 國內養殖量最大的四大家魚、鯽魚、團頭魴等都有采用擠壓飼料成功的事例。這類飼料中大多含有較高比例的谷物加工副產品及菜籽粕、棉籽粕等粗纖維含量高的原料。經擠壓后，部分淀粉、蛋白質脫離纖維的束縛而提高了可消化性，部分纖維素被降解，由營養素抑制物轉化為營養素。綜合計算飼料成本和養殖效益，擠壓形式的普通魚飼料正被更多的養殖者接受。 1．2．2特殊魚飼料 香魚、白魚、鱸魚、鱔魚等特殊魚種雖養殖量遠低于普通魚，但 售價高，養殖收益大。這類魚習慣于水面采食，目前普遍采用擠壓浮性飼料。可用多種方式生產浮性飼料，但沒有哪一種生產浮性料的方法可同時在產量和生產成本上與擠壓法相提并論。 1．2．3海水魚飼料 目前國內外海水魚養殖采用網箱的占多數。諸多養殖的海水魚不習慣在水面采食，也無法到海底采食。飼料由水面下沉到網底前，才是魚采食的區間。為延長可供采食的時間，飼料密度需略高于海水。至今為止，在工業化飼料生產設備中，只有擠壓機能較大幅度調節產品的密度。 1．2．4蛙飼料 蛙類的視力特點使其僅能采食活動的食物。飼料沉入水底后位置相對固定，不能被蛙發現。浮于水面的飼料則因隨水波動而被蛙發現和捕食。目前采用硬顆粒飼料喂養牛蛙的成功例子也有，但因引食困難，不便推廣，絕大多數規模化養蛙場采用浮性擠壓飼料。 1．2．5蝦、蟹、貝飼料 蝦、蟹、貝均為底棲性動物，習慣在水底采食。硬顆粒飼料比重大，沉入水底速度快這一特性使其在蝦、蟹、貝養殖中得到應用。至今為止，國內外對蝦飼料以硬顆粒飼料為主。 蝦、蟹、貝的另一個采食習性是“啃食”或“舔食”。這就要求飼料有良好的耐水性并柔軟易食。與硬顆粒飼料相比，擠壓飼料在這一方面優勢明顯。擠壓飼料的某些不良影響被逐步研究解決后，有望全面進入蝦、蟹、貝養殖領域。 1．2．6原料預處理 采用擠壓法進行水產飼料原料預處理通常能起到滅除抗營養因子、提高可消化性、改良儲藏運輸性能等作用。如大豆擠壓、棉籽擠壓、魚品下腳擠壓，可分別滅除抗胰蛋白酶、棉酚、硫氨酶等；小麥擠壓、羽毛粉擠壓、血粉擠壓可分別促使淀粉糊化、二硫鍵斷裂、血球細胞壁破碎；禽下腳擠壓使酯解酶、蛋白酶及某些致病菌失活，并去除多余的水分和脂肪，使鮮濕料能夠長時間保存和運輸。 1．3擠壓水產飼料的不足 1．3．1 制粒成本高 一條時產l Ot的普通魚擠壓飼料生產線，成型工段的設備費用約2 00萬元，而同產量的硬顆粒成型工段為7 O萬左右。 普通魚硬顆粒的成型電耗約25度／t，用氣量約60kg／t，普通魚擠壓飼料的成型電耗則在40度／t以上，部分廠家超過l 00度／t；用氣量通常超過l 00kg／t。 加上擠壓機噸產量易損件費用又高于硬顆粒機，在很多工廠，擠壓飼料的加工成本是硬顆粒的2～3倍。 1．3．2熱敏性營養素破壞嚴重 通常擠壓水產飼料的加工溫度為l 20℃以上，壓力4MPa以上，物料含水率30％左右，并受到強烈的剪切作用。除耐高溫淀粉酶為，極少有飼用酶能在此條件下存活。許多種維生素的活性在此條件下大幅度下降。配方設計師期望的配方平衡性，在最終飼料產品中得不到體現。 1．3．3操作技術要求高 擠壓成品形態多，原料差異大，設備控制參數復雜，加工質量的諸多影響因子相互關聯。擠壓機操作人員需要依據配方、產品特征、設備性能等來選擇適宜的配件、原料水分、轉速、各分段溫度、進料量等加工參數。其中任一參數的改變都需要其它參數的相應配合。有學者將擠壓機操作稱為“藝術”，而非單純的“技術”，由此表達擠壓機操作的不確定性。 1．3．4部分擠壓水產飼料養殖效果不理想的原因分析 使用擠壓水產飼料成功的例子不勝枚舉，但采用擠壓水產飼料養殖效果不理想的個案也不少見。有關擠壓水產飼料的以下幾點與養殖效果緊密相關。 最終飼料營養素失衡。熱敏性營養素的損失量估計不足，未足量補充相應營養素是失衡的原因之一。過高估計擠壓對部分原料消化性能的提高值，過量使用低值原料是失衡的另一原因。 采食量下降。擠壓水產飼料吸水性強，水產動物采食飼料的同時吞入大量水分，在飼料食入不足時就產生飽腹感。如不調整投飼頻率，則影響營養素在動物體內的積存速率。 飼喂動物不適應。要讓飼喂動物適應擠壓水產飼料，通常需經由訓喂過程。某些水產動物訓喂很方便，很快就能適應擠壓飼料。而有些水產動物的訓喂時間很長，訓喂期間動物生長受到嚴重影響。雖最終能接受擠壓飼料，但因訓喂時期的長期營養不良，影響整個養殖過程的生長速率。 2擠壓水產飼料原料要求 2．1原料種類 魚粉和大豆餅粕都是魚蝦飼料的常用蛋白質原料。曾采用單螺桿擠壓機考察魚粉與濃縮大豆粉的膨化性能，得表l結果。 由表1可知，雖3配方的蛋白含量相似，當飼料中含過多的魚粉時，膨化就較困難。濃縮大豆粉含量高的飼料易于膨化，得益于大豆蛋白易于組織化，也得益于除蛋白外，濃縮大豆粉中的其它成分易于膨化。 2．2粉碎粒度 2．2．1保證飼料養分均勻性 由數理統計理論可得，某組份在各份飼料中的粒子數大于等于2 0顆時，營養偏差才不至于很大。也就是說，飼料產品的均勻與否，不僅僅由混合設備而定，如某一組分的粒子數不足，該組份是難以分布均勻的。 當某一組分在飼料中占有的配比確定后，這一組份在每份飼料中的平均粒子數取決于兩個因素：每份料的重量和該組份的粒度。 考慮動物對營養組分的利用和調節能力，在飼料均勻度評定中，通常以每一動物個體，每日的采食量為每份飼料的重量。因種類和生長期的不同，水產動物的日采食量有很大的變動范圍。成年青魚和草魚的日采食量可達3 O g以上，而幼蝦的日采食量僅幾m g。某一組分，如以同樣的粒度和配比分別出現在成年青魚飼料和幼蝦飼料中，則每份成年青魚料中該組分的粒子數就是幼蝦料中的數千倍。該組份在成年青魚料中分布均勻毫不困難，而在幼蝦料中就有可能無法分布均勻。 幼小魚蝦體型小，日采食量僅數毫克或幾十毫克。而在每一份日糧中又包含著幾十種飼料組分。只有當這些組分的粒度足夠小時，它們才可能被幼小魚蝦均勻地采食。 2．2．2改良成型質量 擠壓成形質量與成形前的調質質量密切相關。調質是水和熱對原料的作用過程。 由于水傳遞的滯后性，僅當原料粒度足夠小時，才能保證短時間的調質起到應有的作用。 原料粒子大小不同，出模瞬間的膨化度亦不同。由此造成產品表面坑洼不平，增加碎粒或畸形粒。 當原料中含有粒徑大干模孔直徑1／3的粉粒時，擠壓過程因模孔堵塞而被迫中斷生產的幾率將大幅度增加。 2．3調質強度 2．3．1調質對擠壓過程的貢獻 世界上最大的擠壓機生產廠家曾介紹， 沒有調質器的發展，今日仍難以造出大干時產20t的飼料擠壓機。調質通過蒸汽提高物料溫度，軟化物料，降低物料摩擦阻力，由此降低擠壓能耗，提高產量，也延長擠壓機各部件的使用壽命。 2．3．2調質要點 水產飼料調質質量取決于調質時間、蒸汽質量和料、汽分布3點。 水分、熱量在料中的擴散、滲透需要時間，物料的軟化、變性需要時間。在單軸調質器中，物料的軸向前進速度為0．1～O．2m／S。要獲得足夠的調質時間就需增長調質器的長度。在雙軸調質器中，物料以“8”字形行走，總調質時間可調至2min左右。目前擠壓機采用雙軸調質器的更多。 飽和度與壓力是蒸汽的兩項重要質量指標。同等壓力下，飽和度越高，蒸汽的熱焓越高。水分在物料中易于分布均勻。安裝好蒸汽管道的走向及位置、蒸汽進入調質器之前，進行汽水分離及減壓等措施，均可提高蒸汽的飽和度。在保證蒸汽流量的前提下，采用較低蒸汽壓力有利于水分和熱量在料中的均勻分布。 調質器槳葉偏轉角度決定了物料的軸向行走速度，及在調質器腔內的分布狀態，進而影響蒸汽在物料中的分布均勻性。通過調節槳葉角度，讓物料前進速度有快一慢一快的變化，使物料在調質腔中部積聚，增加物料與物料間的穿插、阻擋蒸汽外竄、同時亦增強槳葉對物料的攪拌作用。 3水產飼料擠壓參數選擇 3．1機型選擇 可把擠壓機粗略地分成單螺桿擠壓機和雙螺桿擠壓機2種機型。在單螺桿擠壓機中又分長螺桿和短螺桿等數種。曾用3種較典型的擠壓機進行浮性水產飼料生產實驗。3種擠壓機參數如表2。 以魚粉、濃縮大豆粉、小麥粉、土豆淀粉為主要原料，用以上3種擠壓機生產高蛋白質含量的水產飼料，得以下結果(表3)。 一般而言，短單螺桿擠壓機常用于品種單一的原料預處理及對加工質量要求不高的某些普通與飼料加工。其對物料變化、產品要求變化等的適應能力較差。較大規模水產飼料生產所用的擠壓機，其螺桿的長徑比通常大干1 0：l。長徑比大，擠壓機適應能力的可調范圍就寬。 與單螺桿擠壓機相比，雙螺桿擠壓機的使用范圍更寬。由于兩個螺桿的協助作用，擠壓過程中物料的走向得到較理想的控制，避免了單螺桿擠壓機中出現的逆向隙流，使物料受力均衡，機內停留時間一致，產品均一。即使原料水分大干40％，油脂含量大干17％，仍能制得成型率高的產品。雙螺桿擠壓機無需設置機膛內壁阻力槽，加上兩個螺桿工作時相互清理粘附于螺桿的物料，機內物料殘留很少，為改換品種和停機前的清理帶來很大便利。 然而，雙螺桿擠壓機結構復雜，價格相對較高。特別是進口雙螺桿擠壓膨化機價格約為同產量單螺桿擠壓機的1．5～2倍。但隨著國產雙螺桿擠壓機技術和制造水平的提高，其生產技術性能指標已接近進口產品水準，而價格僅有進口產品的l／3，也僅稍高于國產優質單螺桿擠壓機產品價格，具有良好的性價比，一些看重加工質量的水產飼料廠或一些經常使用高水分或高油脂原料的飼料廠，往往樂意作較大的投入而選用雙螺桿擠壓機。 3．2原料入機水分確定 原料入機水分指進入擠壓腔時的物料水分。該參數對產量、電耗、產品質量、設備使用壽命及擠壓機的工作平穩性等都有影響。 物料水分提高，蒸汽成本和干燥成本相應增加。而水分的提高，可促使物料軟化，降低物料對設備的摩擦阻力，從而降低對螺桿的驅動力要求，并減小易損件的磨損。另一方面，通過蒸汽來提高物料溫度所需的費用遠遠低于由機械能通過摩擦產生熱量所需的費用。因此，當物料水分含量低于20％時，增加水分使系統操作費呈直線下降趨勢。當物料水分達到2 5％后，增加水分對驅動能耗及磨損不再有明顯的影響，系統操作費趨于穩定。 將飼料產品的粉化率、耐水性、營養成分保留率、加工中對原料組成變化的適應性及設備生產能力等歸結成量化指標“產品特性”。產品特性亦與物料水分密切相關。 由系統操作費和產品特性的變化規律可得出，物料水分22％～31％是擠壓機的適宜操作參數。制取擠壓水產顆粒飼料時，這一參數同時適用于大多數單螺桿擠壓機和雙螺桿擠壓機。 入機水分的高低，同時影響產品的密度，即產品的沉浮性。 3．3產品密度控制 3．3．1密度控制機理 擠壓水產飼料的密度小于養殖水的密度，飼料浮于水面。飼料密度比水密度大的幅度越高，飼料下沉的速度越快。 擠壓水產飼料密度受內因和外因兩方面控制。內因即物料本身性質。原料中難以形成網絡結構的成分含量越高，產品密度越大。外因即擠壓過程，特別是擠壓機近出口處提供的條件。物料進入模板前，溫度越低，壓力越小，產品密度越高。 擠壓水產飼料密度控制，就是通過多種途徑來調節此內、外兩個因素。 3．3．2配方要求 淀粉既為動物提供能量又是飼料產品必要的成型和保型材料。不管是生產沉性飼料還是浮性飼料都少不了淀粉原料。而淀粉經糊化后極易形成網絡結構，使產品密度下降。因而通過改變淀粉含量能較大幅度調節產品密度。對目前性能較好的單螺桿擠壓機而言，生產浮性飼料時，原料中的淀粉含量不宜低于l 8％，而生產沉性飼料，原料中的淀粉含量不易高于20％。對質量較好的雙螺桿擠壓機而言，上述淀粉含量還可放寬。 蛋白質因來源不同，成為網絡結構的難易程度變化很大。未變性的蛋白質一般較變性后的蛋白質易于成為網絡結構，植物蛋白較動物蛋白易于成為網絡結構。因而，生產浮性飼料可多采用低溫豆粕，生產沉性飼料則需多采用魚粉。 一定范圍內，原料中油脂、礦物質、及纖維素的增加均使產品密度有增加的趨勢。 3．3．3加工要求 擠壓過程中的外因調節主要為：水分、溫度、模孔面積和螺桿轉速四方面。 擠壓顆粒內的孔穴因物料出模孔瞬間水分汽化體積膨脹而留下。孔穴的大小與多少與原料水分相關，生產浮性飼料需要原料的合適含水量。但另一方面，原料中的水分降低物料對螺桿和機膛內壁的摩擦力，從而降低近模板處物料的壓力和溫度，減少出模瞬間水分的汽化程度，使產品密度增高。調節原料水分成為調節產品密度的重要措施之一。 如近模板處螺膛溫度可調，則加溫促使水分汽化，產品密度下降；用冷卻水降溫，減少汽化強度，產品密度增高。 所有物料通過模孔成為產品，模孔是物料的最后通道。通道面積大，物料在較低壓力小就可通過，模板內外壓差小，物料汽化程度低。生產沉性飼料選用模孔較多的模板，生產浮性飼料則選用模孔少的模板。模孔面積的量化推薦值如表4。 擠壓機螺桿轉速增加，對物料施加的機械能就增加，從而影響產品的密度。采用同一臺擠壓機，并固定時產量，發現螺桿轉速與產品容重的關系隨著螺桿轉速的增加，產品容重減小。即生產沉性飼料時選用較低的螺桿轉速有利于增加顆粒密度。然而，高轉速的螺桿對物料有更強的作用力。降低螺桿轉速，在增加產品密度的同時，有削弱糊化度的趨勢。 3．3．4密度控制裝置 現有兩種控制擠壓產品密度的機械裝置。一種為泄壓裝置，安裝在套筒的中后部。物料運行至該部段時得到減壓，物料中的部分水氣化揮發，并帶走熱量使料溫降低。物料再經隨后的螺桿擠壓推進通過模孔成形。由于物料中易于氣化的游離水已被氣化，加之物料的壓力、溫度都在減壓段降低，使過模孔后物料的體積不再大幅度膨大。為使產品密度有更寬的調節范圍，將泄壓裝置與真空泵連接。物料經由該負壓段后，更多的汽化水從泄壓口排出，壓力和溫度也可在更大范圍內下降。另一種擠壓產品密度控制裝置將擠壓機切刀安裝在壓力可調范圍為0～350kPa的外部密度控制腔(EDC)內(圖1)。剛出模孔的顆粒首先在此經由一次壓力緩沖，釋放部分熱能后再進入常壓空間。這種逐步減壓系統抑制了顆粒料進入常壓空間時的瞬時汽化。通過調節EDC中壓力的大小，可人為地調整產品的密度。泄壓裝置和 EDC的聯合使用，可使顆粒產品容重從400 g／1增加到700g／1。 4水產飼料擠壓后處理 4．1干燥 由以上分析可知，大多數擠壓水產飼料的入機水分在2 5％以上。離開擠壓機后的顆粒飼料必須干燥去除部分水分。擠壓飼料的干燥通常分熱風干燥和冷風干燥兩步進行。 與小型擠壓機配套使用的熱風干燥設備可選用“振動流化床”。振動流化床能耗少、干燥均勻、設備價格低，但產量小。大、中型擠壓機采用箱式環流干燥機進行熱風干燥。擠出后的顆粒料在箱式環流干燥機內停留時間長，干燥強度可調范圍寬，干燥過程中顆粒的破碎少。 適宜的熱風溫度為120℃～130℃，該溫度范圍內干燥效率高，且物料不易焦化。熱風干燥使物料水分降至14％～1 8％。顆粒小選大值，顆粒大選小值；密度大選小值，密度小選大值。干燥后產品的水分一方面取決于干燥前水分、形狀與大小、密度等物料特性，另一方面取決于風溫、風速、熱風濕度、干燥床前進速度及料層厚度等操作參數。研究者使用箱式環流干燥機進行浮性水產飼料干燥試驗，在加熱空氣為 l 2 0℃的操作條件下，出擠壓機后的顆粒由輸送機送入干燥機，在輸送過程中物料被冷卻，溫度下降到約7 0℃。進干燥機后的第一分鐘內，物料中水分揮發所帶走的熱量大干熱風傳導給物料的熱量，料溫繼續下降至約60℃。隨著顆粒水分揮發量的減少，顆粒獲得的熱量接近于水分揮發帶走的熱量，料溫變化速度緩慢。當物料水分低于l 8％后，顆粒獲得的熱量大于水分揮發帶走的熱量，料溫快速上升。料溫快速上升初，物料的水分含量被稱為干燥過程中的“臨界水分”。 熱風干燥后的料溫約8 0℃左右，隨之采用冷風干燥和冷卻。使產品溫度高出車間溫度4℃～5℃，水分在10％～11％間。 4．2外涂 4．2．1外涂內容 以往將飼料的外圖稱為油脂外涂。外涂內容局限于油脂。擠壓過程中過量的油脂會影響產品加工質量。油脂是外涂的內容之一。但隨著飼料研究的發展與養殖水準的提高，對擠壓產品而言，種類繁多的熱敏性物質還需通過外涂方式進入飼料。有學者作過試驗，采用較溫和的擠壓條件，各種維生素的損失率如表5。 酶制劑在水產飼料中的在被逐步揭示，應用前景看好。除少量淀粉酶能耐高溫外，絕大多數飼用酶在擠壓過程中的損失率大于90％。 被用于水產飼料的熱敏性物質種類在擴大，數量在增加。維生素、酶制劑等熱敏性物料在擠壓過程中如此高的損失率，使外涂逐步成為水產飼料擠壓加工的必要配套工段。 4．2．2外涂設備 外涂設備分常壓外涂和負壓外涂兩種。 常壓外涂設備結構簡單，產量大，目前有轉盤式、滾筒式及箱板式幾種。 負壓外涂有利于外涂液滲透到顆粒的各個部位。現有的負壓外涂機均為間歇操作，操作周期較長，產量受到限制。 4．2．3外涂要求 與畜禽飼料相似，水產飼料外涂要求外涂液與顆粒的配比準確、分布均勻、耐儲藏。此外，水產飼料要求外涂物在水中不流失，不影響適口性。這些要求的滿足，不僅需要外涂設備和外涂工藝的改良，進一步研究和改良外涂液的物理、化學性能也將是充分發揮外涂作用的必要過程。 新飼料，2007（2 ） 江南大學食品學院＼過世東