利用双螺杆挤压机作为生化反应器制作美拉德反应饲料的研究

豆粕是油脂制取工业的副产品，由于其价格低、蛋白质量分数高(30%～50%)、氨基酸分布相对平衡、成分稳定等优点，被广泛应用于畜禽饲料生产。饲料进入反刍动物的瘤胃后，蛋白质在微生物产生酶的作用下分解成肽和游离氨基酸，并进一步降解为有机酸、氨和二氧化碳。反刍动物排放的气体(氨气、二氧化碳)会加剧地球温室效应。除此之外，饲料蛋白在瘤胃中降解产生氨，其中一部分氨被微生物利用，还有一些被动物吸收转化为尿素，这些尿素大部分会排出体外，只有一小部分尿素可以回到瘤胃再利用，造成一部分蛋白浪费。并且由于反刍动物瘤胃的特殊性，摄入的蛋白质容易被微生物降解利用，导致进入小肠消化吸收的蛋白质数量减少，不利于反刍动物的生长、繁殖以及产奶。因此，降低产氨率和提高饲料过瘤胃蛋白的数量十分重要。

许多学者研究豆粕在瘤胃中的降解率问题，发现在加热情况下发生的美拉德反应能够减少蛋白质在瘤胃中的降解率，从而增加反刍动物日粮中过瘤胃蛋白的数量，其中美拉德反应是羰基化合物(通常是一种还原糖)和氨基化合物(通常是一种氨基酸、肽或蛋白质)之间的反应。王潍波等利用正交实验研究了葡萄糖处理豆粕对奶牛过瘤胃蛋白的影响，随着加热温度、加热时间和葡萄糖添加量的增加，豆粕蛋白质的瘤胃降解率降低。Ca等测定了豆粕和棉籽粕分别发生不同强度的美拉德反应在瘤胃中的降解率，结果表明，美拉德反应确实可以提高过瘤胃蛋白的数量。

传统制备美拉德反应饲料的方法是湿热法，能量消耗大，时间长，在制备过程中虽然易发生美拉德反应，但会使一部分营养物质失活。本研究利用挤压膨化制备美拉德反应饲料，缩短反应时间，且反应过程中仅需少量水分，这有助于提高干燥过程的效率，减少能量耗费。挤压膨化是通过水分、热能、机械剪切和压力等综合作用对物料进行加工的一种技术。挤压过程中可能会发生一些物理化学和营养变化包括脂质氧化、蛋白质变性和交联、淀粉糊化、维生素降解和酶变性、褐变和风味的形成等，这些变化需要高温高压并精确控制停留时间和温度。双螺杆挤压机作为高温食品反应器，可以精确控制停留时间，提供连续加工、混合、温度控制和通风等功能。

本研究以大豆粕为原料，加入葡萄糖，混合均匀后利用双螺杆挤压机进行挤压。测定在不同温度、pH、物料配比和水分等条件下挤出物性质，比较不同配方及挤压机参数设置对挤出物的影响，探究挤压参数与美拉德反应之间的关系。以期在实际生产中可以更好控制美拉德反应，从而降低蛋白饲料在反刍动物瘤胃中的降解率。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

豆粕(含水量9.18%、灰分质量分数5.5%、蛋白干基质量分数47.59%)、葡萄糖；硫酸、盐酸、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠等试剂均为分析纯。

1.2 仪器设备

pHS-3G型pH计，MA45C-000230VI型水分测定仪，UV-1200S紫外可见分光光度计，UV36-40D双螺杆挤压机，S-4800高分辨场发射扫描电子显微镜，F98荧光光谱仪，CR-400美能达色彩色差仪。

1.3 方法

1.3.1 挤压设备

本研究采用的是UV36-40D双螺杆挤压机，其主要技术参数为：螺杆直径36 mm，长径比为40∶1，螺杆转速50～500 r/min，共10节套筒，每节套筒可单独控温，温度误差为±1 ℃，每节套筒均有独立进水口，可精确控制进水速度；体积式固体喂料器，可精确控制固体物料的喂入速度。从喂料端到出口端螺杆配置依次为F1×2、F1.5×2、F1、F1.5×3、F1×2、F0.75×2、B1D90、F1.5、F1×2、B1.5D45×5×2、F1×2、F0.75、B1.5D45×5、B1.5D30×7、F1×2、F0.75×2、B1D90×2、B1D45×5×9、B0.75D60×4×2、B1R45×5、F1×2、F0.75×5。

F1×2表示F1元件数量为2。各代码所对应的元件见表1。

表1 螺杆排列顺序的代码与螺杆元件对照表

1.3.2 挤压实验设计

本实验采用单因素实验设计，一个条件重复3次。用混料器将豆粕和葡萄糖(葡萄糖占豆粕的质量比为1%、2%、3%、4%)混合10 min。确保物料混合均匀，将得到的混合物进行挤压膨化处理。配制pH 6.5的磷酸缓冲溶液根据一定比例(1∶18)加入液体喂料器，固体喂料速度设置为20 kg/h，改变不同操作参数进行挤压实验。挤压温度实验：将挤压机螺杆转速设置为350 r/min，物料含水量为25%，在挤压机机筒温度分别设置为110、120、130、140、150 ℃条件下挤压；挤压物料水分含量实验：将挤压机螺杆转速设置为350 r/min，挤压机机筒温度设置为130 ℃，在此条件下分别将含水量设为15%、20%、25%、30%、35%进行挤压制备；挤压螺杆转速实验：将物料含水量设为25%，挤压机的机筒温度设置为130 ℃，在此条件下将挤压机螺杆转速分别设置为275、300、350、400、450 r/min进行挤压制备。挤出的样品放入到烘箱中在45 ℃下干燥，烘干后粉碎过100目筛，用于后续品质分析。挤压过程中扭矩、模口温度和压力均为软件实时记录，在每次接料前后记录。

1.3.3 挤压系统参数的测定

UV36-40D双螺杆挤压机可以记录扭矩和压力的变化情况，当操作参数达到设定要求后，每15 s记录扭矩和压力的数值，记录多次取平均值。重复7次，测定5 min之内样品的产量，再根据相应时间内的扭矩均值(减去空转扭矩)和螺杆转速根据公式计算比机械能(SME)，结果用均值表示:

SME=2π(n/60)×τ/MFR

式中：n为螺杆转速/r/min；τ为扭矩/N·m；MFR为物料流速/kg/h。

1.3.4 美拉德反应程度的测定

在Diftis等的方法上稍作修改，称取0.5 g样品，加入到0.025 L蒸馏水中，均质1 min，磁力搅拌2 h，离心20 min(离心机设置为8 000 r/min)，离心后所得上清液经滤纸过滤后于4 ℃冰箱保存备用。取0.002 L样品上清液和0.002 L稀释液(10%十二烷基硫酸钠SDS和0.05 mol/L硼砂)，均质1 min，以稀释液做空白，测定混合后液体在420 nm下的吸光值并记录。

1.3.5 色泽的测定

使用色彩色差仪测定挤出样品饲料的色泽。

1.3.6 消化性的测定

消化性采用滤袋法测定24 h粗蛋白和干物质降解率。

1.3.7 数据处理

实验平行3次，所得数据取均值应用SPSS统计软件(IBM SPSS Statistics 21.0)和Origin Pro 2016软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 挤压系统参数分析

2.1.1 机筒温度对系统参数的影响

如图1所示，随着温度升高，模头压力总体下降，SME降低。物料在机筒内流动状态的变化会导致系统参数的变化，提高机筒温度会引起物料熔体温度的升高，导致物料在挤压机内黏度降低，从而降低SEM输入，同时物料的黏度减小会导致物料在输送过程中产生的黏滞阻力减小，所以模头压力变小，这一结果与康立宁和Akdogan的研究结果一致。

随着葡萄糖添加量的提高，压力和SME均呈现降低的趋势。这是由于葡萄糖是小分子物质，小分子物质的增加会增加原料的自由体积，进而降低原料的黏度，物料在设备中黏度降低，也会导致模头压力和SME降低。

2.1.2 物料含水量对系统参数的影响

如图2所示，随着物料含水量的提高，模头压力减小，SME下降；随着葡萄糖添加量的提高，模头压力和SME呈现降低的趋势。根据Michaeli等的研究，ΔPdie=m(Qdie/K’)n，式中：Qdie为物料流速，K’为模孔导率(由于模孔形状及大小固定，所以K’为定值)，m为稠度(黏度)，n为流动指数。由图2可以看出模头压力随着物料水分的升高而降低，当水分含量升高时，剪切作用逐渐减小，SME下降，同时挤压机内物料的黏度下降，进而引起模头的压力下降，这与Pan等的研究结果一致。

2.1.3 螺杆转速对系统参数的影响

如图3所示，提高螺杆转速，模头压力降低，SME增加。由于食品原料是假塑性流体，随着螺杆转速的提高，剪切率增大，黏度降低，因此模头压力会下降。同时螺杆转速的增大会使套筒中物料填充部分的长度缩短，物料的温度提高，也会引起的黏度下降，导致扭矩降低，但扭矩下降速度对SME的影响远低于螺杆转速提高速度对SME的影响，因此总体上SME是增加的。在同一螺杆转速条件下，由于对系统影响复杂，随葡萄糖添加量的改变，操作参数变化的规律性不强。

2.2 美拉德反应影响因素的分析

通过对反应产物颜色的测定与分析可以了解美拉德反应的程度。美拉德反应生成类黑色素物质，类黑色素生成量与美拉德反应呈正比。用吸光值表征类黑色素，吸光值越大，生成的类黑色素越多，褐变程度越大，则美拉德反应程度越大；反之吸光值越小，代表生成的类黑色素物质越少，褐变程度越小，美拉德反应的程度也越小。美拉德反应程度受温度、水分、底物浓度、pH等因素影响。

2.2.1 含水量对美拉德反应程度的影响

美拉德反应程度与物料含水量成反比，物料含水量越高，美拉德反应程度越小。当样品的含水量在15%～25%之间时，容易发生褐变。含水量越低，反应程度越大，但当样品完全干燥时，褐变难以进行。如图4所示，随着含水量的增加，吸光值越来越小，说明生成的类黑色素逐渐减少，褐变程度变小，美拉德反应程度变小，这与侯建设等[23]的观点一致。此外，当加入不同浓度的葡萄糖时，具有相同含水量的样品吸光值不同，说明底物浓度不同，美拉德反应速率也不同。

图1 机筒温度对系统参数的影响

图2 物料含水量对系统参数的影响

图3 螺杆转速对系统参数的影响

图4 物料含水量对吸光值的影响

2.2.2 温度对美拉德反应程度的影响

温度升高有利于加速美拉德反应。温度每变化10 ℃，美拉德反应的速度可能相差3～5倍。如图5所示，吸光值随温度的升高而增大，表明类黑色素的生成量增加，褐变程度增加，美拉德反应的程度变大，这与张汆和李凡姝等研究的结果一致。从变化的趋势线可以看出，美拉德反应受水分的影响程度要大于受温度的影响。当加入不同浓度的葡萄糖时，样品在相同温度下的吸光值不同，物料中葡萄糖质量分数为1%时，挤出样品的吸光值最低，说明生成的类黑色素较少，美拉德反应程度小。

图5 温度对吸光值的影响

2.2.3 螺杆转速对美拉德反应的影响

如图6所示，随着螺杆转速的增加，样品的吸光值变化不明显，说明螺杆转速的改变对美拉德反应影响不大，提高或降低螺杆转速不能显著改变美拉德反应的程度。

图6 螺杆转速对吸光值的影响

2.2.4 pH对美拉德反应程度的影响

如图7所示，在相同的水分、温度、螺杆转速和底物浓度条件下，样品的吸光值随着pH的增加而增大。加入磷酸盐缓冲溶液pH 6.5时的样品的吸光值大于加入磷酸盐缓冲溶液pH 6.0时的样品的吸光值，大于未加入磷酸缓冲溶液的样品的吸光值，这是因为pH在3～9之间，美拉德反应速度随着pH值的升高而加快，反应速度加快，类黑色素生成量增多，吸光值高，这与李凡姝等的研究结果一致。

图7 pH对吸光值的影响

2.3 色差分析

颜色在一定程度上反映了美拉德反应的程度。色差计可以客观、准确地反映出挤出物的色泽。本实验对挤出物的色泽进行测定，以标准白色瓷板的L*、a*、b*值为标准计算出各挤出物的色差ΔE*，与白色对比的综合色差值ΔE*越大，说明挤出物颜色越深，褐变程度越大；ΔE*越小，说明挤出物颜色越浅，类黑色素少，美拉德反应程度小。

2.3.1 机筒温度对挤出物色差的影响

如图8所示，随着机筒温度升高，ΔE*逐渐增大，样品的颜色变深，这说明随着温度的升高，美拉德反应加剧，产生类黑色素，使挤出物的颜色逐渐变深。美拉德反应受温度的变化影响很大，这与林莹的研究结果一致。

图8 温度对色差的影响

在相同温度、螺杆转速和含水量条件下，物料葡萄糖质量分数为1%时，样品色泽最浅，随着葡萄糖添加量的提高，样品色泽总体来说呈现加深趋势，说明底物浓度会影响样品色泽，这是由于葡萄糖含量提高，褐变反应加剧，美拉德反应程度加深，样品的色泽变深。

2.3.2 螺杆转速对色差的影响

如图9所示，螺杆转速对挤出物色泽的影响不太明显，螺杆转速的增大会使熔融填充部分的剪切速率增大，导致更高熔体温度和更高的熔体膨胀进而影响挤出物色泽。

图9 螺杆转速对色差的影响

2.3.3 物料含水量对色差的影响

物料含水量对挤出物色泽影响最大，当物料含水量在15%～20%之间时，产品颜色较深，随着物料含水量的增加，挤出物颜色逐渐变浅。如图10所示，物料含水量在15%时，ΔE*值最高，样品颜色最深；随着物料水分含量逐渐升高，样品的颜色越来越浅，物料含水量为35%时，ΔE*值最低。在相同含水量、温度和螺杆转速条件下，添加葡萄糖量为1%时，样品色泽最亮白，随着葡萄糖添加量的提高，样品颜色逐渐加深，说明底物浓度对样品色泽具有一定的影响，葡萄糖含量高，美拉德反应的程度就深，色泽也会变深。

图10 物料含水量对色差的影响

2.3.4 样品的色泽、吸光度、挤压系统参数相关性分析

样品的吸光度与样品色泽之间存在复杂的相关关系，见表2。样品的吸光度与L*值呈显著负相关，与ΔE*呈显著正相关。因此，可以通过测定L*和ΔE*来快速判断挤出产品美拉德反应的程度，达到快速检测产品质量是否合格的目的。

样品的吸光度与系统参数之间存在相关关系，见表2。样品的吸光度与模头压力呈极显著正相关，与SME和扭矩呈显著正相关。由于螺杆转速对美拉德反应没有显著影响，所以在生产中可以提高螺杆转速并增加喂料速度来提高生产率，虽然这会使SME下降(喂料速度的提高大于螺杆转速对SME的影响)，但可以通过降低水分的方式来提高SME的值，进而保持美拉德反应的程度，从而达到提高生产率的目的。此外，SME能直接影响挤压产品的质量，是工厂生产挤压产品的一个重要考虑因素[27,28]。通过对比比机械能和挤出物吸光值进行分析可以得到SME(x)对吸光度(y)的回归方程为：

y=938.936 54exp(-x/9.096 08)+938.936 54exp(-x/11.117 43)+0.278 62

在实际生产的过程中应用SME对美拉德反应程度进行预测与分析，根据不同产品的需求，对美拉德反应进行控制，力求达到更好的生产效果。

表2 样品特性指标间的相关系数表

2.4 过瘤胃蛋白消化率分析

选取葡萄糖质量分数为4%、套筒温度130 ℃、pH 6.5、螺杆转速为350 r/min，不同含水量条件下(20%、30%、40%)的挤出样品饲料，测定其在瘤胃内12、24 h的蛋白降解率和干物质降解率(见表3)。

由表3可以看出，经过12～24 h培养后，在20%含水量下加工的豆粕在瘤胃中的蛋白降解率明显低于未经过处理豆粕的蛋白质降解率，这是因为在其他条件一致的情况下，较低水分处理的挤出样品饲料发生美拉德反应的程度大，由于美拉德反应可以保护蛋白质不被瘤胃降解，所以20%含水量的挤出样品饲料在瘤胃中的蛋白降解率最低。此外，豆粕在瘤胃中的干物质降解率明显高于未经过处理豆粕的降解率，说明经过挤压后豆粕中碳水化合物(纤维素复合物、淀粉、多糖)的利用率有所提高，提高了12.5%。这些证明了可以利用双螺杆挤压机作为生化发应器来制备过瘤胃不被降解的美拉德反应蛋白饲料。

表3 不同条件下的挤出样品饲料在不同时间点 的蛋白降解率和干物质降解率/%

3 结论

本实验将双螺杆挤压机作为生化反应器使不同梯度的葡萄糖与豆粕中的蛋白质发生美拉德反应，结果表明，螺杆转速对美拉德反应没有显著的影响，可提高实际生产过程中美拉德反应饲料的产量。挤出物的色泽和美拉德反应呈正相关，通过色彩色差计测定产品色泽，可检测产品的美拉德反应程度。通过对挤压机操作参数与系统参数进行相关性分析，发现可以通过改变操作参数来预估系统参数，建立操作参数与目标产品的联系，控制挤出物品质。

作者：肖 彤， 肖志刚， 张恺容， 解铁民