环境温度与调质温度对制粒过程水分添加、工艺效率及酶活性的交互影响研究

《Journal of Applied Poultry Research》：Interaction of Ambient Temperature and Conditioning Temperatures on Moisture Addition throughout Pelleting, the Pelleting Process, and Enzyme Activity.

本研究针对低温环境易导致饲料制粒过程中出现环模打滑堵塞、蒸汽质量不稳定及外源酶活性受损等问题，系统探讨了环境温度(-1°C vs. 16°C)与蒸汽调质温度(66°C, 74°C, 82°C)的交互作用。结果表明，提高调质温度可增加物料水分、改善颗粒质量(PDI)、降低制粒机电机负载(Amperage)，但会降低木聚糖酶(Xylanase)活性；16°C环境下的蒸汽能更高效地传递水分(每11.8°C温升添加1%水分)，提升生产速率，但对热敏感酶活性的负面影响更显著。该研究为饲料厂在不同环境温度下优化制粒工艺、平衡生产效率和营养保留提供了重要依据。

　　

在现代化家禽养殖中，颗粒饲料因其便于运输、减少饲料浪费和提高饲喂效率而被广泛采用。然而，饲料制粒是一个涉及热、水分和机械压力的复杂过程，其核心环节——蒸汽调质（Steam Conditioning）——在促进淀粉糊化（Gelatinization）和蛋白质凝胶化（Gelation），从而改善颗粒粘结质量的同时，也带来了两大挑战。首先，添加的热量和湿度可能降解在混合机中添加的对热敏感的外源酶制剂（Exogenous Feed Enzymes），如植酸酶（Phytase）和木聚糖酶（Xylanase），尽管这些酶通常经过包埋或造粒以提高热稳定性，但降解仍无法完全避免。其次，饲料厂在实际生产中发现，在环境温度（Ambient Temperature）较低的条件下进行制粒时，更容易出现环模打滑（Die Slips）和堵塞（Plugging）等问题，这被认为与为了达到目标调质温度而需要注入更多蒸汽，从而导致物料水分过高、环模与压辊间摩擦力降低有关。蒸汽质量，即饱和蒸汽（Saturated Steam）的比例，对制粒效率至关重要，而环境温度可能通过影响蒸汽管道系统的辐射热损失（Radiative Heat Loss）来影响蒸汽质量，但相关科学研究较为缺乏。因此，厘清环境温度与调质温度如何交互影响制粒过程中的水分添加、工艺参数以及酶活性，对于指导饲料厂在不同季节和环境条件下优化生产、同时兼顾生产效率和营养品质具有重要的现实意义。为此，西弗吉尼亚大学的研究团队在《Journal of Applied Poultry Research》上发表了他们的最新研究成果。

研究人员为开展本研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，试验采用裂区设计（Split-Plot Design），以环境温度（-1°C 和 16°C）作为主区（Whole-Plot），调质温度（66°C, 74°C, 82°C）作为副区（Sub-Plot），在西弗吉尼亚大学 pilot feed mill 的试验饲料厂进行饲料制备。其次，使用配备了可编程逻辑控制系统（Programmable Logic Control, PLC）的制粒生产线（包括喂料器、调质器、环模制粒机）进行精确的蒸汽控制和工艺参数记录。第三，在制粒过程的不同阶段（混合后、调质后、热颗粒、冷却颗粒）系统采集样品，并采用标准方法测定水分含量、颗粒耐久性指数（Pellet Durability Index, PDI）、生产速率（Production Rate）和制粒机电机负载（Motor Amperage）。最后，将样品送至商业实验室，通过标准比色法测定植酸酶和木聚糖酶的活性。

水分添加通过制粒

提高调质温度显著增加了调质后物料（Conditioned Mash）和热颗粒（Hot Pellet）的水分含量，而环境温度本身对这两个指标没有显著影响。然而，由于在-1°C环境温度下，制粒前物料的基础温度显著低于16°C环境温度（约低4.5°C），研究人员计算了在不同环境温度下，每增加1%水分所需的温升。结果显示，在16°C环境条件下，蒸汽每使物料升温11.8°C即可添加1%水分，而在-1°C环境下则需要升温12.6°C。这表明在较温暖环境下产生的蒸汽具有更高的水分传递效率。此外，用于控制蒸汽注入的Masoneilan阀门的开度在16°C时显著低于-1°C，意味着达到相同调质效果所需的蒸汽量更少。冷却后颗粒（Cooled Pellet）的水分含量受到环境温度和调质温度交互作用的影响，在-1°C环境下，其随调质温度升高而递增，但在16°C环境下则无此变化趋势，作者认为这可能与温暖环境下空气持水能力更强、颗粒冷却效率更高有关。

饲料制造

提高调质温度导致热颗粒温度呈阶梯式上升，这与蒸汽阀门开度增大和水分增加一致。颗粒生产速率受到环境温度和调质温度交互作用的显著影响。在-1°C环境温度下，生产速率在不同调质温度间没有变化；然而，在16°C环境温度下，当调质温度从74°C升至82°C时，生产速率提高了约3%。制粒机电机负载随着调质温度的升高而显著降低，并且在16°C环境温度下制粒时呈现出降低的趋势。这些数据表明，16°C环境下产生的、水分传递效率更高的蒸汽，可能与调质温度升高共同提供了额外的润滑作用，从而在特定条件下显著提高了生产速率。环境温度对颗粒耐久性指数没有影响，但提高调质温度可逐步显著改善颗粒耐久性，这归因于更多的热量和水分促进了淀粉糊化和蛋白质凝胶化，增强了颗粒间的粘结。

酶活性

在混合后物料中，16°C环境温度下的植酸酶和木聚糖酶活性均高于-1°C环境，这可能是由于批次间添加酶的微小误差所致。提高调质温度对调质后物料中的植酸酶活性没有显著影响，但显著降低了木聚糖酶活性。经过制粒和冷却后，冷却颗粒中的植酸酶活性未受到调质温度或环境温度的显著影响（保留率在97%至80%之间），表明本研究使用的植酸酶对涉及的热处理条件具有较好的耐受性。与之相反，冷却颗粒中的木聚糖酶活性随着调质温度的升高和环境温度的升高（16°C vs. -1°C）而显著降低（保留率从100%急剧下降至27%）。这表明本研究所用的木聚糖酶对调质及制粒模具中摩擦热和压力带来的热量和湿度增加更为敏感。作者推测，在较温暖环境温度下，蒸汽动力学可能发生变化（例如可能存在莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost Effect）或调质器内水分闪蒸（Flash-off）减少），导致实际添加到物料中的热量和水分更多，从而加剧了对热敏感酶活性的破坏。

综上所述，本研究得出结论：提高调质温度能有效增加制粒过程中的水分含量，改善颗粒质量，降低制粒能耗，但会损害热敏感酶（如木聚糖酶）的活性。环境温度通过影响蒸汽质量（水分传递效率）而介入这一过程：较温暖的环境（16°C）有助于产生水分传递效率更高的蒸汽，从而在特定条件下提升制粒生产速率，但同时也可能加剧对酶活性的负面影响。讨论部分强调，本研究揭示了环境温度和调质温度对制粒工艺和营养组分具有交互影响，其背后可能涉及复杂的蒸汽动力学和热质传递过程。这些发现具有重要意义，它们提示饲料生产商在设定工艺参数时，不仅要考虑调质温度，还需将环境温度作为一个重要变量加以考量。在寒冷环境下，制粒困难可能更多源于物料基础温度较低，而非蒸汽质量的绝对下降。为了在追求最佳生产效率和保证饲料营养价值（特别是外源酶活性）之间取得平衡，需要根据具体环境条件精细化调整蒸汽注入和调质策略。该研究为饲料工业在不同气候条件下实现高效、优质的饲料生产提供了宝贵的科学数据和实践指导。