繆 宏， 葛迅一， 嚴 宇， 夏云帆， 張劍峰， 楊 錚

（1.農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江蘇南京210014；2.揚州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇揚州225000）

農(nóng)作物秸稈一直以來是牛、羊等反芻動物的粗飼料（張杰等，2018；Schlegel等，2016），但因其含有大量粗纖維和木質(zhì)素，質(zhì)地粗糙、堅硬且適口性差，導(dǎo)致家畜對秸稈采食率和消化率較低（Amruta Morone等，2018；黃秋婷等，2009）。研究表明可以通過擠壓膨化作用改變農(nóng)作物秸稈性能，破壞粗纖維和木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，提高秸稈的消化率（Dyna Theng等，2017）。

目前，國內(nèi)外秸稈擠壓膨化研究主要集中在單螺桿，且對飼料中秸稈添加量的相關(guān)研究鮮見報道（Gao等，2018；馮坤等，2011；Yan等，2007），而單螺桿擠壓膨化機存在物料易倒流、螺桿易磨損等問題，雙螺桿擠壓膨化機主要借助兩個嚙合螺桿的強制推動力保證物料向前輸送，克服了單螺桿膨化機的缺點，更適合用于農(nóng)作物秸稈擠壓膨化。

為確定雙螺桿擠壓膨化秸稈飼料的秸稈添加量，本試驗以稻秸稈作為原料，以常見畜牧飼料中易于膨化的玉米粉作為基料，通過對制備飼料的膨化度、各項質(zhì)構(gòu)指標、成型質(zhì)量進行分析，找出秸稈添加量對飼料各質(zhì)量因素的影響規(guī)律，確定膨化飼料的稻秸稈添加量。以期為農(nóng)作物秸稈飼料化加工中秸稈添加量選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗稻秸稈采集自揚州市樸席鎮(zhèn)農(nóng)戶，初始含水率8.73%，纖維素質(zhì)量分數(shù)44.94%，半纖維素質(zhì)量分數(shù)18.25%，木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)14.79%，灰分質(zhì)量分數(shù)6.32%，粉碎過18目篩備用。試驗玉米粉取自紹興科盛飼料有限公司，初始含水率14.23%，淀粉質(zhì)量分數(shù)63.59%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)10.05%，脂肪質(zhì)量分數(shù)2.04%，粒徑＜0.25 mm。

為充分利用稻秸稈，試驗設(shè)置稻秸稈添加量為10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%，每組試驗飼料配制1kg，調(diào)節(jié)物料的含水率為24%，采用DS32-Ⅱ試驗型雙螺桿擠壓膨化機（濟南賽信機械有限公司），根據(jù)林江嬌等（2012）和莊海寧等（2011）的研究并結(jié)合試驗原料及機器實際情況設(shè)置主要參數(shù)：熔體輸送區(qū)溫度為140℃，螺桿轉(zhuǎn)速為100 r/min，喂料速度為20 r/min，螺桿長徑比為18.19，模孔直徑為5 mm。膨化好的飼料采用101-00B型數(shù)顯電熱恒溫干燥箱（紹興市銀河機械儀器有限公司）烘干，設(shè)置溫度為70℃，干燥時間為4 h，干燥后待其冷卻至室溫，裝袋貼標簽保存于4℃冰箱中備用。

1.2 試驗方法 膨化度：常用表示方法有3種：軸向膨化度、徑向膨化度和體積膨化度（畢金峰等，2008），其中徑向膨化度最直觀且容易測量，所以本試驗采用徑向膨化度P表示：

式中：D0為擠壓膨化產(chǎn)品平均直徑，mm；D1為擠壓膨化機?？字睆?，mm。

本試驗采用數(shù)顯千分尺（禾木五金機械設(shè)備公司）測量擠壓膨化飼料樣品，每組樣品隨機測量20粒，去掉其中的最大和最小值，采用算術(shù)平均值作為擠壓膨化產(chǎn)品平均直徑D0結(jié)果，代入上式得到產(chǎn)品膨化度。

質(zhì)構(gòu)特性：可以表達為飼料的硬度、黏附性、內(nèi)聚性、彈性、膠黏性和咀嚼性（黃奕穎，2013；張彥軍等，2012）。每組選取顆粒完整的試驗飼料，采用TMS-PRO食品物性分析儀（美國FTC公司）對飼料進行測試，選取直徑為75 mm的圓盤型探頭，設(shè)置測試條件：觸發(fā)力為0.8 N，測試速率為120 mm/s，壓縮程度為50%，壓力為0.1 N，每種樣品測試3粒，結(jié)果取平均值。

成型質(zhì)量：參照Miao等（2017）、覃莉莉等（2013）和?；赖龋?011）的研究方法，將試驗樣品縱切，取1 mm左右顆粒均勻撒在雙面膠上，在真空中噴涂鈀金，采用Zeiss_Supra55場發(fā)射掃描電鏡（ZEISS公司）以20 kV電子束觀察樣品粒徑大小和表面的微觀形態(tài)并保存飼料的形貌照片。

2 結(jié)果與討論

2.1 稻秸稈添加量對飼料膨化度的影響 每組飼料樣品的平均直徑和膨化度計算結(jié)果如表1所示，隨著稻秸稈添加量的逐漸增大，擠壓膨化產(chǎn)品的膨化度也隨之逐漸降低，當?shù)窘諚U添加量逐漸增大到35%時，飼料膨化度從1.54逐漸下降到1.08，而當?shù)窘諚U添加量超過35%時，飼料基本不膨化。研究表明，稻秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素成分占到70%以上（Oxana Tyapkova等，2016；劉洪風等，2002），木質(zhì)素與半纖維素、纖維素之間以酯鍵和醚鍵連接為主，這類化合物結(jié)構(gòu)很牢固，屬于不易膨化的物質(zhì)，因此隨著稻秸稈含量的增加，飼料膨化度呈線性遞減的變化趨勢，當?shù)窘諚U添加量高于35%時，飼料基本不膨化，已失去研究意義。

表1 不同稻秸稈添加量下飼料膨化度

2.2 稻秸稈添加量對飼料質(zhì)構(gòu)特性的影響 結(jié)合上述膨化度分析結(jié)果，去除秸稈添加量35%和40%的試驗組，對剩余5組飼料樣品的質(zhì)構(gòu)指標平均計算結(jié)果如表2所示，當?shù)窘斩捥砑恿繛?0%～15%時，飼料的硬度由125 N增加到144.7 N，之后便隨著稻秸稈添加量的增加而不斷降低，考慮到畜牧動物采食率，飼料硬度不宜過高，因此從飼料硬度考慮最好選擇30%左右的稻秸稈添加量；飼料的黏附性即飼料表面黏性，數(shù)值小可保證飼料咀嚼不黏牙，試驗飼料黏附性隨稻秸稈添加量的增大而不斷增大，但稻秸稈添加量在10%時，飼料黏附性只有0.12 m，數(shù)值過小導(dǎo)致口感沙化影響采食率，因此從飼料黏附性考慮最好選擇15%左右的稻秸稈添加量；當秸稈添加量為10%～20%時，飼料內(nèi)聚性穩(wěn)定在0.07 Ratio，當秸稈添加量為20%～30%時，飼料內(nèi)聚性升至0.12 Ratio，數(shù)值越大說明飼料內(nèi)部結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，因此從飼料內(nèi)聚性考慮最好選擇30%左右的稻秸稈添加量；當?shù)窘斩捥砑恿繛?0%～15%時，飼料彈性由0.99 mm降到0.94 mm，當?shù)窘斩捥砑恿繛?5%～20%時，飼料彈性基本保持不變，當?shù)窘斩捥砑恿砍^20%時，飼料彈性緩慢下降，畜牧飼料彈性只要不是太大對采食率基本無影響，因此從飼料彈性考慮可選擇15%～30%的稻秸稈添加量；當?shù)窘斩捥砑恿繛?0%～20%時，飼料膠黏性基本保持不變，當?shù)窘斩捥砑恿砍^20%時，飼料膠黏性逐漸上升，飼料膠黏性表示將半固體飼料破裂成吞咽時的穩(wěn)定狀態(tài)的力，因此從飼料膠黏性考慮可選擇10%～20%的稻秸稈添加量；飼料咀嚼性表示將半固體樣品咀嚼成吞咽時的穩(wěn)定狀態(tài)所需的能量，在試驗飼料組中其波動情況與膠黏性相似，因此從飼料咀嚼性考慮可選擇10%～20%的稻秸稈添加量。

表2 稻秸稈添加量對飼料質(zhì)構(gòu)指標的影響

2.3 稻秸稈添加量對飼料成型質(zhì)量的影響 去除秸稈添加量35%和40%的試驗組，對剩余5組稻秸稈添加量飼料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行掃描電鏡觀測。圖1a、1b為稻秸稈粉和玉米粉SEM參照組，圖1c、1d中，因為稻秸稈添加量比較少，糊狀玉米粉將稈顆粒完全包裹，說明稻秸稈和玉米粉混合均勻，從圖1d中飼料斷層內(nèi)部秸稈顆粒情況可以看出稻秸稈纖維已降解、細化；圖1e中，隨著秸稈添加量的增大，糊化玉米粉雖也將稈顆粒完全包裹，但與圖1c、1d相比飼料顆粒表面已經(jīng)不光滑；圖1f、1g中，稻秸稈纖維也已撕裂、破碎，糊化玉米粉分布不均勻?qū)е碌窘斩捓w維表面凹凸不平，圖1g中顆粒狀結(jié)構(gòu)是還沒有糊化的玉米粉，表明當?shù)窘斩捥砑恿吭?0%左右時，飼料在雙螺桿擠壓腔均化輸送段淀粉糊化、蛋白質(zhì)變性、纖維撕裂降解等物化反應(yīng)不充分。成型質(zhì)量變化反映到宏觀飼料表面質(zhì)量如圖2所示，當?shù)窘斩捥砑恿繛?0%～20%時，飼料外表較為均勻且直徑較大，當?shù)窘斩捥砑恿坷^續(xù)增大時，飼料外表變粗糙且直徑減小，說明飼料膨化效果變差。

圖1 不同稻秸稈添加量飼料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖（10μm）

圖2 不同稻秸稈添加量對應(yīng)飼料表面質(zhì)量

3 結(jié)論

在稻秸稈飼料雙螺桿擠壓加工中，單從膨化度考慮，稻秸稈添加量越小，試驗飼料膨化效果越好。綜合考慮試驗飼料各項質(zhì)構(gòu)指標情況，最好選擇20%左右的稻秸稈添加量，此時試驗飼料各項質(zhì)構(gòu)指標都能保證在較優(yōu)區(qū)間內(nèi)。若只是保證試驗飼料有較好的成型質(zhì)量，可選擇10%～20%的稻秸稈添加量。為保證畜牧飼料產(chǎn)品質(zhì)量較優(yōu)，綜合考慮膨化度、質(zhì)構(gòu)指標、成型質(zhì)量，最終選取稻秸稈添加量為20%，此時稻秸稈添加飼料成型質(zhì)量最好，飼料膨化度和各項質(zhì)構(gòu)指標也能有較優(yōu)表現(xiàn)。