熟化条件对饲用玉米淀粉结构及糊化特性的影响
2022-08-30
来源:易榕旅网
中国饲料 2017年第3期 DOI:10.15906/j.cnki.cnl1—2975/s.20170304 熟化条件对饲用玉米淀粉结构 及糊化辅J}生的影晌 黄 伟’,杨秀娟 ,曹志勇。,郝欣蔚 ,郭丽华 ,陶琳丽 ,张 曦 ,2 (1.云南农业大学动物科学技术学院,云南昆明650201;2.云南省动物营养与饲料重点实验室.云南昆明650201: 3.云南农业大学基础与信息工程学院,云南昆明650201;4.云南农业大学园林园艺学院,云南昆明650201: 5.云南省保山市动物疫病预防控制中心.云南保山678000) [摘要】熟化条件指饲料熟化过程中的高温、高湿、高压以及时间等,饲料熟化时能杀灭饲料原料中的细菌和病毒 等微生物,降解毒素,使抗营养因子失活,淀粉糊化,蛋白质变性,熟化饲料比普通饲料色、香、味更佳.而且能提高饲 料10%~3()%利用率。本文就熟化务件对饲用玉米淀粉的颗粒大小、形态结构、淀粉直/支比、结晶度以及糊化特性的 影响进行了综述,并阐明饲用玉米熟化温度89~96 0C,水分26%,压力越高效果越好,旨在为饲用玉米熟化条件的 选择提供理论依据和参考 [关键词】熟化;玉米;淀粉结构;糊化特性 [中图分类号]¥816.9 [文献标识码]A [文章编号]1004—3314(2017)03—0012—04 [Abstract]Curing conditions refers to the high temperature,high humidity,high pressure and time in the process of feed maturation.When the feed maturation.it can kill microorganisms such as bacteria and viruses in feed in ̄redients and it can degrade toxins.The curing make the antinutritional factors inactivation.starch gelatinization and protein denaturation. The curing feed are better than ordinary in color,aroma.taste.It can improve the feed utilization rate of 10%~30%There— .fore,this paper reviews the effect of curing conditions on the change of forage—corn starch particle size,morphology of starch,amyl0se/amylopectin ratio,crystallinity and the influence of gelatinization characteristics.It is concluded that in the process of curing.Forage—corn ripening temperature at 89~96℃.26%moisture and the higher pressure the better.Those results provided the theoretical basis for selection and referenee in forage maize curing conditions. [Key words1 curing;COrn;starch stuctrure;gelatinization characteristics 饲料熟化就是饲料通过一定时间的湿热、高 压处理,使其淀粉糊化,蛋白质变性。改善饲料的 适口性、稳定性,提高消化吸收率的过程。在饲料 简体内,饱和蒸汽和物料接触。蒸汽在物料表面凝 结时放出大量的热,被粉料吸收使粉料温度大幅 上升(Murray等,2001)。在热量和水分的共同作 用下,粉料开始吸水膨胀,直至破裂,使淀粉变成 黏性很大的淀粉糊状物,有利于颗粒内部相互黏 结,同时物料中的蛋白质变性,分子成纤维状,肽 键伸展疏松,分子表面积增大,流动滞阻,因而黏 度增加,有利于颗粒成形(Peres等,2002;Marty 等,1995)。淀粉糊化的实质是在加热的作用下破 坏分子间氢键的缔合.淀粉分子由紧密的有序排 列变为散乱的无序排列,更易于被吸收。目前采用 较多的是颗粒成形前进行调质,通过改善调质条 件和调质系统提高淀粉的糊化度,进而提高饲料 消化率(饶应昌,2007)。 1 熟化对淀粉结构的影响 淀粉是由D一葡萄糖单体组成的高聚物,为植 基金项目:云南省动物营养与饲料重点实验室开放基金 (DYCX2Ol5o03);云南省重大科技专项“高原优质肉鸡产 业T程化技术研发集成与示范推广”(2016ZA008) 通讯作者 物中糖类的主要贮存形式(邹思湘,2011)。淀粉结 构包括淀粉颗粒大小、形态结构、直链淀粉和支链 淀粉、结晶度等(余平等,2011)。熟化过程中的高 压、蒸汽、温度及熟化时间对淀粉结构影响很大, 2017年第3期 中国饲料 进而影响淀粉糊化度。 1.1淀粉颗粒大小 淀粉颗粒大小影响淀粉的熟 化过程以及淀粉的消化吸收.而熟化条件影响淀 粉颗粒大小 Swinkels等(1985)测量了淀粉颗粒直径范 围,结果表明.玉米淀粉的颗粒直径范围在3~26 m。Wang等(2008)采用60、100、140 MPa三种高 压处理匀质玉米淀粉,结果表明,不同压力条件颗 粒大小不同,淀粉的颗粒形状不规则。60 MPa高 压处理,淀粉颗粒保留着原来的形状,有一些很小 的淀粉颗粒黏附大颗粒,表明高压处理后颗粒形 状改变;100 MPa时,部分大淀粉颗粒破裂成小碎 颗粒;140 MPa处理又黏附成大颗粒,有4.8%的 分布在小于4 m的范围内,35.1%分布在大于 30 m的范围。包亚莉等(2014)利用高静压 (HHP)处理糯玉米淀粉,粉水比为1/10、3/10、5/ 10、7/10、l,研究水分含量对淀粉颗粒大小的影 响.结果表明,粉水比为3/10及5/10的样品颗粒 已丧失自身形状,发生变形.另外.水分含量不一 致,颗粒大小也不同。 Franco等(1992)研究表明,挤压膨化可促使 分子间氢键断裂,糊化生成 淀粉,同时可促使 淀粉分子内1,4糖苷键断裂,致使挤压产物的淀 粉含量下降,淀粉颗粒膨胀。但是淀粉颗粒大小 改变到哪种程度更有利于饲料的熟化,值得进一 步探究。 1.2 淀粉形态结构 淀粉形态结构和熟化条件 相互影响。哪种形态结构更利于消化吸收有待进 一步探究。 张斌等(2010)采用偏光显微镜和电镜扫描蜡 质玉米淀粉、普通玉米淀粉、高直链HylonV玉米 淀粉和高直链HylonVII玉米淀粉,结果表明,高支 链玉米淀粉颗粒为多角形,颗粒表面具有多个平 面和棱角,颗粒较大而均匀,中间有脐眼;高直链 玉米颗粒为圆形或椭圆形,颗粒较小.脐眼不明 显。王绍清等(2011)采用电子扫描显微镜分析常 见可食用玉米淀粉颗粒的超微结构。发现玉米淀 粉颗粒呈多面体形,棱角圆滑,部分未成熟颗粒呈 球形,颗粒的表面稍有凹凸不平。有小坑和通向颗 粒中心的细孔。 王潇(2005)研究表明,普通玉米淀粉在扫描电 镜下为表面光滑、大小不一、近圆球型或椭球型颗 粒,颗粒彼此之间界限分明;膨化后淀粉颗粒消逝, 在电镜下看不到任何完整或不完整的颗粒形状, 变成没有任何界限的胶状物。 包亚莉等(2014)研究表明,在高压600 MPa, 粉水比1/10时,颗粒最光滑:粉水比为7/10和1 的样品颗粒发生竞争性吸水,表现出膨胀不均匀 性.且出现很多碎片。 1.3淀粉直链与支链淀粉颗粒由直链淀粉和支 链淀粉两种高聚物堆积而成(邹思湘,201 1;余平 等,2011)。直链淀粉是由 一D一葡萄糖以仅一1,4糖 苷键链接而成,分子质量约为10 一2 ̄10 Da,呈左 手螺旋构象.每6个葡萄糖残基为一个螺旋周期。 不同来源淀粉中直链淀粉的含量和结构有一定的 差异。支链淀粉是由仅一D一葡萄糖分子缩合而成的 高分子聚合物,分子结构中含有许多分支,除了 一 1,4糖苷键,还含有较多的 一1,6一糖苷键,分子质 量约为1 ̄10 ~6 ̄10 Da。支链淀粉易溶于水,而直 链淀粉仅微溶于热水中(李京杰,2011)。 王潇(2005)研究表明。膨化可降低总淀粉、支 链淀粉比例,提高直链淀粉比例,原因可能是膨化 使部分淀粉转化成糊精和一些单糖、双糖和低聚 糖;支链淀粉对膨化更敏感,膨化和普通玉米养分 分析值见表1。李勇(2010)取低直支比、中直支比 和高直支比三种玉米进行研究,结果显示,膨化前 后直/支比变化不明显,但是低直支比、中直支比 组膨化后总淀粉含量增加(干物质基础)。Tester (1999)对蜡质玉米淀粉、普通和高直链玉米淀粉 进行研究,表明热处理后蜡质玉米淀粉(全支链) 和普通玉米淀粉变化很相似,均改善了支链淀粉 的双螺旋结构 表1 膨化和普通玉米养分分析值 直/支比是影响淀粉糊化效果的因素之一。在 饲料熟化过程中,总淀粉含量、快消化淀粉、抗性 淀粉、直支比会发生改变。直链淀粉含量与高温 蒸煮后抗性淀粉的形成呈正相关。支链淀粉对淀 中国饲料 2017年第3期 粉熟化更敏感。 1.4 淀粉结晶度 淀粉的结晶度是衡量淀粉结 晶程度的指标,指淀粉中晶体区所占的比例。依据 粉末X一射线衍射波谱。淀粉的颗粒结构分为A 型(高度可消化)、B型(不容易消化)和C型(介于 A和B之间)(刘培玲等,2014;田晓琳,2014;徐斌 等,2012)。 Hizukuri(1985)选取20种不同链长分布的支 链淀粉(11种A型,6种B型,3种C型),研究支 链淀粉的分子结构以及淀粉的晶体结构。A型支 链淀粉分子有较短的链长,短链部分比B类型的 多。C类型的链长居两者中间,并且晶体结构取决 于温度,而A、B型对温度不敏感。Srichuwong (2005)采用l5种不同植物来源的淀粉,研究其结 构特征与消化酶的关系。通过猪胰腺o【一淀粉酶的 消化,不同淀粉的颗粒消化率有显著差异,A型> C型>B型,B型淀粉只有2.5%~7.2%的淀粉能 被水解。王潇(2005)研究膨化对普通玉米淀粉的 影响,发现x一射线衍射波谱峰宽、峰高、峰形发生 一定变化。说明膨化使玉米淀粉的晶体结构受到 明显破坏 直链淀粉含量越高,淀粉结晶度越低。淀粉的 结晶度影响着畜禽的消化吸收。不同淀粉来源,结 晶度不同。 2熟化条件对淀粉糊化特性的影响 淀粉膨化过程中膨胀首先发生在无定形区, 随着水分增加和温度的升高,淀粉颗粒会不断膨 胀爆裂.最终导致淀粉的结晶区被破坏,发生糊 化。糊化特性包括糊化温度、峰值黏度、峰值时间、 衰减值、回生值等。糊化度是表示饲料熟化程度的 一个指标。淀粉糊化的实质是在加热的作用下破 坏结晶或非结晶的淀粉分子间的氢键缔合,淀粉 分子由紧密的有序排列变为散乱的无序排列,更 易于被吸收。糊化度越高,可以认为淀粉的可消化 性越高。 2.1 压力对淀粉糊化特性的影响Liu等(2009) 研究热处理对不同直/支链比例淀粉,蜡质玉米 淀粉0/100,普通玉米淀粉23/77,高直链淀粉I 50/50,高直链淀粉II 80/20的影响。表明热处理 显著提高了高直链玉米淀粉的糊化焓,但是在高 支链淀粉中没有改变。Wang等(2008)对1.0%的 玉米淀粉水悬液。采用60、100、140 MPa三种高 压处理,结果表明,随着压力的升高,淀粉的糊化 开始温度、峰值温度均糊化焓、峰高指数均降低, 但是糊化程度升高。叶怀义等(2000)研究高压对 小麦、玉米、绿豆、藕、木薯、甘薯和土豆淀粉糊化 特性的影响。结果表明.糊化温度的变化趋势与 淀粉种类关系不大,当压力小于150MPa时.随 压力升高糊化温度升高:压力在150~250 MPa 时,糊化温度变化不大;当压力大于250 MPa时, 糊化温度随压力的升高而降低。降低的程度与压 力不呈直线关系,而是压力越高,糊化温度降低 越多。Buekow等(2007)采用不同温度,不同压力 (450、500、550、600、650 MPa)对玉米进行糊化, 结果表明,温度为40、60℃时,压力越高,糊化度 越高。 综上所述.不同研究者在自己特定的试验条 件下研究得出结论,压力越大淀粉的糊化度越高。 2.2 温度对淀粉糊化特性的影响 淀粉糊化度 越高,越有利于畜禽的消化吸收。淀粉的糊化随着 温度的升高而增大。直链淀粉含量越高,所需糊化 温度越高。热处理显著提高了高直链玉米淀粉的 糊化焓。但是高支链淀粉没有改变,说明支链淀粉 对糊化温度不敏感。 张现玲等(2013)、胡彦茹等(2011)、Cowieson 等(2005)用不同温度处理玉米基础日粮,结果表 明。温度为70~90℃时,随着温度升高,糊化度 增加。胡友军等(2002)对玉米进行不同温度处理, 结果表明.温度为88.6 95.8 oC时,淀粉糊化度 最高。玉米基础日粮与单纯玉米熟化温度有一定 的差异(表2)。 表2玉米日粮与玉米最适糊化温度 日粮类型 处理温度/。c 糊化度 资料来源 球豆 70,80,90随 度 彻1) 2.7 4%玉米一杂粕型日粮65、70、75、8O、85、90 90 cc时淀粉糊化度达到38.25%张现玲等(2Ol3) 玉米基础日粮 70 85 温度升高糊化度增大 Cowieson' ̄(2005 玉米 60 120 88.6 95.8℃时糊化度最高 胡友军等(2002) 2_3水分对淀粉糊化特性的影响 水分含量(水 和蒸汽)在熟化的过程中具有重要的作用,对淀粉 的糊化过程有一定的影响。水作为一种增塑剂,可 影响淀粉分子的迁移,决定淀粉分子链间的聚合 速率,对淀粉的糊化和老化特性影响很大。不同淀 粉完全糊化所需的水分含量不同。周国燕等 2017年第3期 中国饲料 (2009)采用差示扫描量热法(DSC)研究水分含量 对大米淀粉热力学行为的影响,结果表明,随着水 分含量的增加,淀粉糊化温度提高.糊化热焓变化 明显,且不同淀粉完全糊化所需的水分含量不同。 Svihus等(2008)认为.淀粉的特性决定糊化温度 和糊化程度.而饲料加工中水分含量较低能够限 制淀粉的糊化程度。程译锋和过世东(2009)探究 工艺参数对配合饲料淀粉糊化度的影响,结果表 明,当水分含量为17%一26%时,随着水分含量 的增大,淀粉糊化度增加,当水分含量为26%一 32%时.随着水分含量的升高.糊化度又有下降的 趋势(傅晓丽等,2012)。当水分含量为26%Et ̄,淀 粉的糊化度较高,效果较好。 压力、温度、水分对淀粉糊化特性影响较大, 此外.作用时间也对淀粉糊化度有一定的影响.若 时间较短可能导致熟化不完全.时间较长又会造 成过度熟化及资源的浪费。 3 小结 通过对饲用玉米进行一定时间的高温、高压、 蒸汽处理,使其淀粉糊化,改善饲料的适口性、稳 定性.完成饲料熟化过程,进而提高饲料的消化吸 收率,但是不同粉碎粒度的玉米所需要的条件不 同。本文综述得出饲用玉米熟化条件为:温度89 96℃,水分26%,压力越高,饲料糊化度越高。为 以后不同淀粉结构和不同粉碎粒度玉米熟化条件 的研究提供了理论依据。 参考文献 [11包亚莉.周海宇,任瑞林,等水分对高静压处理不同类型淀粉微观结构 的影响卟高压物理学报,2014,6:743~752. 【2】程译锋,过世东.膨化参数对饲料淀粉糊化度和蛋白质体外消化率的影 响U】.渔业现代化,2009,36(6):54~59 [3]傅晓丽,王顺喜,龙蕾不同因素对淀粉糊化特性的影响[7]饲料工业, 2012,33(3):54~57. [41胡彦茹,何余涕.陆伟,等不同调质温度对内鸡颗粒饲料加工质量的影 响D】饲料工业,2011.32(23):34~36. [51胡友军,周安国,杨风,等饲料淀粉糊化的适宜加工工艺参数研究Ⅱ1饲 料I业。2002.23(12):5~8 【6】李京杰动物生物化学【M】中国农业大学出版社,2011. 【7】李勇.玉米淀粉结构及膨化和酶制剂影响仔猪日粮消化性研究:[硕士学 位论文]【D】湖北武汉:华中农业大学,2010. 【8]刘培玲,任瑞林,包亚莉,等高静压物理变性处理糯玉米淀粉的糊4 ̄7t_ 重结晶机理研究Ⅱ].高压物理学报,2014,2:247~256. 【9】饶应昌,饲料加工工艺与设备[M】中国农业大学出版社,2007. [1O】田晓琳.高压糊化玉米、糯玉米和糜子淀粉重结晶过程中性质和结构 变化研究:【硕士学位论文]【D]陕西杨凌:西北农林科技大学,2014 『1I1王绍清,王琳琳,范文浩,等.扫描电镜法分析常见可食用淀粉颗粒的 超微形貌[I1食品科学,2011,15:74~79. 【12】王潇.膨化玉米与外源淀粉酶对断奶仔猪淀粉代谢的影响机理研究: 【硕士学位论文]【D】湖北武汉:华中农业大学,2005. 【13】徐斌,满建民,韦存虚粉末X射线衍射图谱计算植物淀粉结晶度方法 的探讨卟植物学报,2012,47(3):278~285 【14】叶怀叉,杨素玲,叶暾昊.高压对淀粉糊化特性的影响U】中国粮油学 报,2000,15(1):10~13 【15】余平,石彦忠淀粉与淀粉制品工艺学【M】中国轻工业出版社,2011. 【16】张斌,罗发兴,黄强,等不同直链含量玉米淀粉结晶结构及其消化性 研究Ⅱ】食品与发酵工业,2010,8:26~3() 【17】张现玲.秦玉昌,李俊,等调质温度对内鸡颗粒饲料质量影响的实验 研究Ⅱ】饲料工业,2013.21:24~28. 【18】周国燕,胡琦玮.李红卫,等水分舍量时淀粉糊化和老化特性影响的差 示扫描量热法研究Ⅱ】.食品科学,2009,30(19):89~92 【19】邹思湘,动物生物化学[M】中国农业大学出版社,2011 【20】Bao W,Dong L,Wang L J,et o1.Effect of high—pressure homogenization on the structure and thermal properties of maize starch[J]j,ournal of Food En— gineering,2008,87(3):436~444 [21]Buckow R,Heinz V,Knorr D High pressure phase transition kinetics of maize starch[J],journal ofFood Engineering,20()7,81(2):469—475 [22】Cowieson A J.Hruby M.Isaksen M F The e髓ct of conditioning temper— ature and exogenous xylanase addition on the viscosity of wheat—based diets and the performance of broiler chickens卟British Poultry Science,2005,46 (6):717~724. 【23】Franco C M L,Preto S J D R,Ciacco C F.Factors that Affect the Enzy— matic Degradation of Natural Starch Granules— Effect of the Size of the Gran— ules[J].Starch—Staerke(Germany),1992,44(11):422~426. 【24】Hizukuri S.Hizukuri s Relationship between the distirbution of the chain length of amylopectin and the crystalline structure of starch granules[J].Carbo- hydrate Research,1985,141(2):295~306 【25】Liu H,Yu L,Simon G,et o1.Effect of annealing and pressure on mi— crostructure of cornstarches with diferent amylose/amylopectin ratios[J]Car- bohydrate Research.2009,344(3):350~354 [26]Lund D Influence oftime,temperature,moisture,ingredients,and process— ing conditions on starch gelafinization卟Critical Reviews in Food Science& Nutrition,1984,20(4):249~273 【27】Maryt B J,Chavez E R.nea1d es6bilities and urinayr losses of amino acids in pigs fed heat processed soybean products卟Livestock Production Science, 1995.43(1):37—48 【28】Murray S M,Flickinger E A,Patil A R.et o1.In vitro fermentation char— acteristics of native and processed cereal grains and potato starch using ilealchyme from dogsO].Journal ofAmmal Science,2001,79(2):435~44 [29]Peres H,Oliva—Teles A Utilization of raw and gelatinized starch by Euro— pean sea bass( )juveniles[J]Aquaculture,2002,205(3~4) 287~299 [30】Srichuwong s,Sunarti T C,Mishima T,et ol Starches from diferent botani— cal sources I:Contirbution of amylopectin fine structure to thermal properties and enzyme digestibility[J].Carbohydrate Polymers.2005,60(4):529~538 【31】Svihus B,Uhlen A K,Harstad O M Effect of starch granule structure,as— sociated components and processing on nutritive value of cereal starch:A re— view[J].Animal Feed Science&Technology,2005.122(3~4):303~320 【32】Swinkels J J M.Sources of starch,its chemistyr and physicsJ[]1985 [33]Tester R F,Debon S J J,Sommerville M DAnnealing ofmaize starch[J] Carbohydrate Polymers,2()00,42(3):287~299.●