鱼粉作为水产饲料中主要蛋白质源,近年来价格不断上涨且供不应求,导致饲料配方成本增加[1-2],对水产饲料的降本增效和可持续发展提出了挑战[3-4]。因此,包括植物蛋白、昆虫蛋白和单细胞蛋白等在内的各类新型蛋白质源逐渐在水产膨化饲料中应用[5-6]。植物蛋白相较于动物蛋白具有成本低、来源广泛等优势,除传统的豆粕、大豆浓缩蛋白外,近年来玉米蛋白类产品(玉米蛋白粉、酶解玉米蛋白粉)也逐渐被应用于水产养殖领域,并获得认可[7-9]。但与此同时,由于缺乏对饲料原料理化特性的了解和基础研究,不同蛋白质源替代鱼粉后对饲料物理质量和生产效率的影响不明,产生了配方与工艺参数不匹配导致的产品质量波动、生产效率下降以及原料浪费等问题。因此,在应用新型蛋白质源和替代鱼粉的过程中,除营养特性外,还需要考虑其加工适应性[10-11]。
研究表明,饲料膨化率、耐久性等物理质量主要是由原料种类及其理化特性决定的[12]。Ge等[13]研究发现,饲料颗粒的软化时间随着原料蛋白质分散指数(protein dispersion index,PDI)的升高而降低,饲料膨化率与原料吸油性(oil absorption,OA)呈正相关。Ma等[14]研究发现,与鱼粉相比,乙醇梭菌蛋白具有更高的吸水性和黏度,添加乙醇梭菌蛋白的饲料颗粒具有更高的膨化率、吸油率和水中稳定性。Liu等[2]研究发现,荚膜甲基球菌蛋白具有更高的乳化性(emulsifying activity index,EAI)和起泡性(foaming capacity,FC),添加荚膜甲基球菌蛋白的饲料颗粒具有更高的颗粒耐久性、膨化率和更低的漏油率。另有研究发现,原料的黏度过高会限制膨化过程中多孔结构的产生,降低膨化率,进而导致软化时间和硬度增加,还会增加饲料加工过程中的机械能耗[6,15]。综上所述,原料的理化特性对饲料颗粒的物理质量和加工过程具有重要影响。针对不同类型的蛋白质原料,分析评价其理化特性,对多元化配方下的水产饲料高效低耗加工具有重要意义。
本研究旨在全面揭示玉米蛋白粉、酶解玉米蛋白粉与鱼粉之间的理化特性差异,评价其作为鱼粉替代蛋白质源的加工适应性及应用潜力,为其在水产饲料加工中的高效合理应用提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉均用高速万能粉碎机粉碎,过70目筛后进行指标测定,每个指标每种原料样品测定3次。
1.2 试验仪器
高速万能粉碎机(FW-100,天津市泰斯特仪器有限公司)、分析天平(BS-224S,Sartorious,德国)、鼓风干燥机(DHG-9140A,上海一恒科学仪器有限公司)、全自动凯氏定氮仪(K1100F,济南海能仪器股份有限公司)、全自动脂肪分析仪(XT15I,ANKOM Technology,美国)、高速分散均质机(IKA-ULTRA-TURRAX,IKA Werke GmbH,德国)、Perten快速黏度分析仪(ZM100,波通瑞华科学仪器有限公司)、高速冷冻离心机(CR22N,HITACHI,日本)、酶标仪(power wave xs2,BIOTEK,美国)。
1.3 试验方法
1.3.1 营养成分
粗蛋白质、粗脂肪、粗纤维和粗灰分含量测定参考AOAC(2023)[16]中方法。
1.3.2 物理特性
TBD=(M2-M1 )/V;
FF=arctan(h/r)×(180/π)。
式中:TBD为振实密度(g/L);M1为量筒重量(g);M2为装有原料的量筒重量(g);V为装料体积(L);FF为休止角(°);r为烧杯半径(cm);h为圆锥体高度(cm)。
1.3.3 水合特性
吸水性(water absorption index,WAI)和水溶性(water solubility index,WSI)参考Singh等[18]的方法稍作调整(以参考方法为基础规定离心温度为4 ℃)进行测定:在50 mL离心管中加入2.5 g原料和30 mL蒸馏水并混合均匀,放置在涡旋振荡仪上在1 500 r/min条件下振荡20 min,随后在离心机中以4 ℃、3 000×g的条件离心10 min,最后将离心后的上清液转移到烘干皿中,在烘箱中以135 ℃烘至恒重,记录样品质量、烘干皿中干物质重量、离心管内胶体质量,根据公式计算吸水性和水溶性。蛋白质分散指数参考AOCS 10—65方法[19]进行测定:在500 mL烧杯中加入20 g原料和300 mL蒸馏水,将烧杯置于高速分散均质机上以10 000 r/min搅拌10 min,随后取40 mL上清液转移到离心管中,750×g离心10 min,最后收集15 mL离心后的上清液在凯氏定氮仪上测定粗蛋白质含量。此外,提前测定原料中粗蛋白质含量,根据公式计算蛋白质分散指数。
WAI=Wg/Wds;
WSI=(Wss/Wds)×100;
PDI=(SPC/RPC)×100。
式中:WAI为吸水性(g/g);WSI为水溶性(%);Wg为离心管内胶体质量(g);Wds为样品质量(g);Wss为烘干皿中干物质重量(g);PDI为蛋白质分散指数(%);SPC为上清液中粗蛋白质含量(%);RPC为原料中粗蛋白质含量(%)。
1.3.4 吸油性和乳化特性
乳化性和乳化稳定性(emulsifying stability,ES)参考Molina等[20]方法稍作调整(以参考方法为基础将溶液油的体积分数由25%改为33%,将样品液提取体积由25 μL改为50 μL)进行测定:在烧杯中加入2 g样品、100 mL蒸馏水,随后加入样品液体积1/3的大豆油,置于高速分散均质机上以10 000 r/min分散30 s,在均质后立刻(记录为0 min)和10 min时,分别在距离烧杯底部固定距离0.5 cm取50 μL样品,将样品与5 mL、0.001 g/mL的十二烷基硫酸钠(SDS)溶液混合,振荡均匀后用分光光度计在500 nm处分别测定其吸光度,记录稀释倍数、蛋白质质量分数、溶液油的体积分数、时间差,根据公式计算乳化性和乳化稳定性。吸油性参考Li等[21]的方法测定:在50 mL离心管中加入1.5 g样品和30 mL大豆油,将离心管置于涡旋振荡器上以2 500 r/min振荡3 min,随后在4 ℃、3 000×g的条件下离心25 min,最后倒出上清液,倒立静置5 min沥干油脂,记录样品重、空离心管重、离心管及管内混合物重,根据公式计算吸油率。
EAI=(2×T×A0×N)/(C×φ×10 000);
ES=(A0×Δt)/(A0-A10);
OA=[(M3-M2-M1)/M1]×100。
式中:EAI为乳化性(m2/g);ES为乳化稳定性(min);T为常数2.303;N为稀释倍数;C为蛋白质质量分数;φ为溶液油的体积分数;Δt为时间差(min);A0为0 min时乳化液的吸光度;A10为10 min时乳化液的吸光度;OA为吸油性(%);M1为样品重(g);M2为空离心管重(g);M3为离心管及管内混合物重(g)。
1.3.5 起泡特性
起泡性和气泡稳定性(foaming stability,FS)参考Lee等[22]的方法进行测定:配制样品和蒸馏水比为1%的样品液,在高速分散均质机中以10 000 r/min搅拌1 min,之后立刻(记录为0 min)和在均质后30 min时记录泡沫体积和样品液体积,根据公式计算起泡性和气泡稳定性。
FC=(V0/V)×100;
FS=(V30/V)×100。
式中:FC为起泡性(%);FS为气泡稳定性(%);V0为0 min时气泡体积(L);V30为30 min时气泡体积(L);V为样品液体积(L)。
1.3.6 黏度特性
黏度特性参考Ma等[14]的方法,使用快速黏度分析仪进行测定:取3.5 g样品和1.5 g面粉置于样品罐中混合并加入25 mL蒸馏水,混合均匀后开始检测,在50 ℃恒定1 min,然后以12 ℃/min的速度将温度升高至95 ℃并保持2.5 min,随后以12 ℃/min的速度将温度降低至50 ℃并保持2 min,桨叶以960 r/min的速度运行10 s以分散样品,在其余测试期间,样品以160 r/min的速度保持恒定状态,记录糊化温度、峰值黏度、保持黏度、最终黏度、崩解值和回升值。
1.4 数据统计分析
采用SPSS 26.0对数据进行统计分析,采用Levene检验进行方差齐性检验,并采用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行差异显著性分析,并对差异显著的质变采用Duncan氏多重比较法进行多重比较。所有数据采用平均值±标准差的形式表示,P<0.05代表有显著性差异。采用GraphPad Prism 9.5进行图形绘制。
2 结果与分析
2.1 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的营养成分比较
由表1可知,鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的各项营养成分均存在显著差异(P<0.05)。其中,鱼粉和酶解玉米蛋白粉的粗蛋白质含量高于60%,鱼粉最高,为67.81%,玉米蛋白粉最低,为59.91%;另外,鱼粉的粗脂肪(7.07%)和粗灰分含量(16.24%)均显著高于玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉(P<0.05);鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的粗纤维含量较少,均低于2%。
表1 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉营养成分(湿重基础)Table 1 Nutritional components of FM, CGM and MCGM (wet weight basis)% |
| 项目 Items | 鱼粉 FM | 玉米蛋白粉 CGM | 酶解玉米蛋白粉 MCGM |
|---|---|---|---|
| 粗蛋白质 Crude protein | 67.81±1.03a | 59.91±0.04c | 65.64±0.35b |
| 粗脂肪 Crude fat | 7.07±7.07a | 1.33±0.16b | 0.48±0.22c |
| 粗灰分 Crude ash | 16.24±0.03a | 1.84±0.09c | 4.60±0.12b |
| 粗纤维 Crude fiber | 0.00±0.00b | 1.86±0.00a | 1.78±0.19a |
同行数据肩标无字母或相同字母表示差异不显著(P>0.05),不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下表同。 | |
In the same row, values with no letter or the same letter superscripts mean no significant difference (P>0.05), while with different small letter superscripts mean significant difference (P<0.05). The same as below. |
2.2 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的物理特性比较
由表2可知,酶解玉米蛋白粉的振实密度最低,仅为387 g/L,显著低于鱼粉(663 g/L)和玉米蛋白粉(646 g/L)(P<0.05);流动性方面,休止角越大流动性越差,数据表明酶解玉米蛋白粉流动性最差,其次为鱼粉,玉米蛋白粉流动性最好,3种原料间存在显著差异(P<0.05)。
表2 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的物理特性Table 2 Physical property of FM, CGM and MCGM |
| 项目 Items | 鱼粉 FM | 玉米蛋白粉 CGM | 酶解玉米蛋白粉 MCGM |
|---|---|---|---|
| 振实密度 TBD/(g/L) | 663.19±12.49a | 645.50±2.97a | 386.80±4.24b |
| 流动性(以休止角表示) FF (as angle of repose)/° | 49.31±0.68b | 43.42±0.00c | 54.07±0.00a |
2.3 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的水合特性比较
由表3可知,3种蛋白质原料的水合特性存在较大差异,其中,玉米蛋白粉的吸水性指数(1.62 g/g)最高,且显著高于鱼粉(1.21 g/g)和酶解玉米蛋白粉(1.07 g/g)(P<0.05),同时鱼粉的吸水性指数显著高于酶解玉米蛋白粉(P<0.05);酶解玉米蛋白粉的水溶性指数和蛋白质分散指数均显著高于玉米蛋白粉和鱼粉(P<0.05),其水溶性指数(52.6%)是鱼粉(16.6%)的3.2倍,是玉米蛋白粉(1.0%)的52.6倍,其蛋白质分散指数(71.4%)是鱼粉(20.5%)的3.5倍,玉米蛋白粉(2.76%)的25.8倍。
表3 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的水合特性Table 3 Hydration property of FM, CGM and MCGM |
| 项目 Items | 鱼粉 FM | 玉米蛋白粉 CGM | 酶解玉米蛋白粉 MCGM |
|---|---|---|---|
| 吸水性指数 WAI(g/g) | 1.21±0.04b | 1.62±0.01a | 1.07±0.01c |
| 水溶性指数 WSI/% | 16.55±2.72b | 1.00±0.86c | 52.59±16.62a |
| 蛋白质分散指数 PDI/% | 20.50±0.17b | 2.76±0.16c | 71.43±0.15a |
2.4 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的吸油性和乳化特性比较
由表4可知,鱼粉的吸油性显著高于玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉(P<0.05);酶解玉米蛋白粉的乳化性显著高于玉米蛋白粉(P<0.05),与鱼粉没有显著差异(P>0.05);酶解玉米蛋白粉的乳化稳定性(18.4 min)显著低于鱼粉(32.3 min)和玉米蛋白粉(33.9 min)(P<0.05),鱼粉和玉米蛋白粉的乳化稳定性没有显著差异(P>0.05)。
表4 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的吸油性和乳化特性Table 4 Oil absorption and emulsifying property of FM, CGM and MCGM |
| 项目 Items | 鱼粉 FM | 玉米蛋白粉 CGM | 酶解玉米蛋白粉 MCGM |
|---|---|---|---|
| 吸油性 OA/% | 82.10±3.44a | 71.50±2.59b | 63.07±2.45b |
| 乳化性 EAI/(m2/g) | 1.33±0.11a | 0.33±0.10b | 1.08±0.11a |
| 乳化稳定性 ES/min | 32.27±4.28a | 33.86±6.11a | 18.38±0.22b |
2.5 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的起泡特性比较
由表5可知,玉米蛋白粉基本不具备起泡性,而经过处理的酶解玉米蛋白粉的起泡性(17.86%)和气泡稳定性(3.25%)较玉米蛋白粉显著提高(P<0.05),但依旧显著低于鱼粉(P<0.05),鱼粉的起泡性达到了27.60%,气泡稳定性为17.86%。
表5 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的起泡特性Table 5 Foaming property of FM, CGM and MCGM% |
| 项目 Items | 鱼粉 FM | 玉米蛋白粉 CGM | 酶解玉米蛋白粉 MCGM |
|---|---|---|---|
| 起泡性 FC | 27.60±2.30a | 0.00±0.00c | 17.86±2.30b |
| 气泡稳定性 FS | 17.86±2.30a | 0.00±0.00b | 3.25±0.00b |
2.6 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的黏度特性比较
表6 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的糊化特征值Table 6 Characteristic values of gelatinization of FM, CGM and MCGM |
| 项目 Items | 鱼粉 FM | 玉米蛋白粉 CGM | 酶解玉米蛋白粉 MCGM |
|---|---|---|---|
| 糊化温度 Pasting temperature/℃ | 92.85±0.00a | 88.80±0.07b | |
| 峰值黏度 Peak viscosity/cP | 334.50±4.95b | 604.50±0.71a | 142.50±3.54c |
| 保持黏度 Through viscosity/cP | 224.00±4.24b | 425.00±2.83a | 70.50±3.54c |
| 最终黏度 Final viscosity/cP | 618.00±11.31b | 767.00±1.41a | 77.00±4.24c |
| 崩解值 Breakdown/cP | 110.50±0.71b | 179.50±2.12a | 72.00±0.00c |
| 回生值 Setback/cP | 394.00±7.07a | 342.00±4.24b | 6.50±0.71c |
3 讨论
3.1 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的营养成分比较
饲料原料中粗蛋白质、粗脂肪、粗纤维等营养成分的作用不仅在于满足动物的营养需求,也在很大程度上决定了其加工适应性,并且最终对饲料产品质量产生影响[23]。蛋白质在高温高湿的条件下分子结构发生改变,主要包括分子链的展开、结合、聚集、降解和氧化交联等,以此影响溶解度、黏度等功能特性,进而影响膨化饲料产品的物理质量[24-25]。Chen等[25]研究发现,蛋白质中的氨基酸会在膨化加工过程中通过美拉德反应与糖类物质中的羟基作用,产生不溶性的高分子化合物,从而改变蛋白质的理化特性,如流变特性、黏度特性等。此外,不同类型蛋白质由于其独特的氨基酸组成和分子结构,导致其在饲料加工过程中对产品质量的影响也不尽相同[2,13,26]。一般认为植物性蛋白属于功能性蛋白,具有更好的加工适应性,有助于膨化饲料加工,而动物性蛋白属于非功能性蛋白,对饲料加工性能的改善作用有限[27]。本试验中玉米蛋白粉虽然粗蛋白质含量最低,但相较于鱼粉具有更好的黏度性质,这与其自身的蛋白质种类和结构有关。而虽然同为植物性蛋白,酶解玉米蛋白经过酶解加工,其蛋白质内部结构、分子间作用力均产生了显著变化,溶解度虽然提高但体现加工性能的黏度性质急剧下降,可能会对其在膨化饲料加工中的应用起到负面作用[27]。因此,在配方中应用酶解玉米蛋白粉时需注意补充淀粉或黏合剂以保证饲料的成型率和膨化率。脂肪不仅是饲料中的能量来源,也是一种润滑剂和增塑剂[28]。少量添加脂肪可以降低制粒和挤压膨化过程中的摩擦,促进物料流动,进而减少机械能耗[29],但超过5%的脂肪会造成过度的润滑作用,导致产品膨胀效果显著降低[30],若再进一步提高脂肪添加量还会显著降低颗粒耐久性[31]。一般认为,脂肪含量越低,则有助于产生更好的膨化效果,因此在实际生产过程中,针对一些肉食性鱼类低淀粉浮性饲料配方,为了保障良好的膨化率和漂浮率,脂肪添加量应保持最低,并采用后喷涂方式进行补充。本试验中,鱼粉的粗脂肪含量显著高于玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉,在加工过程中应该考虑其添加后混合物料总体脂肪含量,避免因脂肪含量过高而引起的膨化效果下降问题。鱼类无法消化纤维,因此饲料中纤维含量也需要保持较低水平,但是有研究表明纤维在改善饲料品质上具有一定作用,水溶性纤维可以进入饲料内部,填补饲料空隙,进而增加颗粒的硬度和颗粒耐久性[29,32]。Refstie等[33]研究发现,高纤维的羽扇豆粉所制成的饲料比低纤维的蛋白粉制成的饲料颗粒耐久性和硬度要高。而本研究中3种原料的粗纤维含量均低于2%,因此对饲料加工产生的影响有限。粗灰分中主要含有钾、钠、钙等的氧化物和矿物盐类等物质,对膨化饲料尤其是微颗粒饲料加工可能会产生负面影响,因为过多的粗灰分可能会导致其堵塞膨化机或制粒机模板,造成非计划停机而影响生产效率[27]。本试验中鱼粉的粗灰分含量显著高于玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉,玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉替代鱼粉可以降低饲料配方的粗灰分含量,从而一定程度上减少由粗灰分过多而引起的堵塞情况。
3.2 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的振实密度及流动性比较
振实密度表征原料在压实状态下的质量,与原料的粉碎粒度,粒径分布等直接相关[34]。振实密度也取决于水分、蛋白质、纤维等主要营养成分含量,进而影响饲料加工参数及成品物理质量。一般来说,富含淀粉或蛋白质的原料,在适当的条件下,颗粒可能较为紧实,振实密度较高[12]。而富含纤维的原料振实密度较低,因为纤维具有疏松的结构,占据较大的空间,也会对制粒饲料成品的成型率和耐久性产生一定负面影响[27]。本研究中3种原料的粗蛋白质含量均高达59%~68%,而粗纤维含量均较低,属于高蛋白质饲料原料,但其中经过酶解处理的玉米蛋白粉的振实密度却极显著降低,这与其内部分子结构和分子间作用力发生巨大变化有关,酶解会将玉米蛋白的大分子分解成较小的肽段或氨基酸等产物[15]。随着蛋白质分子被分解,物质的分子间结构变得更为松散,分子间的间隙可能增大,整体的空间结构更为疏松,这种结构上的变化往往会使酶解后的产物密度相对降低[15]。在饲料加工过程中,振实密度的降低可能导致颗粒饲料容重的降低,进而影响膨化率、漂浮率等[35]。在饲料加工过程中,振实密度的差异可能导致颗粒饲料容重的变化,同时也需要对应改变喂料器频率以保证喂料速度的稳定。流动性是指粉体在重力或外力作用下发生流动的难易程度,是反映饲料原料理化性质的重要指标,流动性主要受到原料种类、颗粒形状、粉碎粒度、水分含量等因素的影响,一般以休止角表示,休止角越大则流动性越差,反之流动性越强[36]。在饲料加工中,原料与原料的摩擦、原料与接触面的摩擦均会导致物料在转运过程中出现结拱,较好的流动性能够很好地缓解这一问题[37]。Samuelsen等[12]研究发现,原料流动性和饲料加工过程的机械能呈正相关,很可能是由于较高流动性的物料具有更细的颗粒结构,在膨化腔中互相挤压摩擦的接触面积更大,导致机械能的升高。本试验中,酶解玉米蛋白粉流动性最差,玉米蛋白粉流动性最好。各类原料均在相同粉碎机和筛片孔径下进行粉碎处理,因此粉碎粒度对流动性产生的影响较小,但由于本试验所用的3种原料的类型及水分含量不同,粉碎后微粒形态和粒度分布也存在差异,导致其流动性依旧存在显著差异。
3.3 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的水合特性比较
在环模制粒或挤压膨化工艺中,调质过程合理的水分含量是决定饲料加工稳定性及产品成型率、颗粒耐久性等物理质量的关键因素,因此蛋白质原料的水合特性对于评价其加工特性以及指导工艺参数调整具有重要意义[35]。吸水性反映的是原料与水分结合并将其绑定的能力,水溶性反映了物质的分子或离子与水分子之间相互作用后均匀分散在水中的能力。很多吸水性强的原料具有良好的黏度特性,主要是这类物质的相对分子质量普遍较高,能将水分吸收并包裹在结构内部,降低了水分在物质间的润滑作用[13]。相反,一般经过水解或分子质量较低的蛋白质具有更好的水溶性。本研究中酶解玉米蛋白粉就属于这一类原料,天然的玉米蛋白粉具有紧密的立体结构,主要由醇溶蛋白(60%)和谷蛋白(22%)组成,二者水溶性差,经过酶解处理后增加了酸溶蛋白和小肽的比例,分子质量降低,提高了其水溶性[38]。本研究中,玉米蛋白粉吸水性最强且黏度最高,鱼粉次之,酶解玉米蛋白的吸水性最低,而水溶性和蛋白质分散指数与之呈现相反的规律。Ge等[13]研究发现,膨化饲料颗粒的膨化率和孔隙面积随原料吸水性的升高而升高,硬度随水溶性的升高而降低。Ma等[39]研究也发现,膨化饲料颗粒硬度与原料吸水性呈正相关,与原料水溶性呈负相关;原料水溶性与吸油率呈负相关,与漏油率呈正相关。因此,具有更高吸水性的玉米蛋白粉对饲料物理质量可能具有更好的改善作用。尽管如此,反映原料中水溶性蛋白含量的蛋白质分散指数却并非越低越好。研究表明,过度热处理和营养质量差的蛋白质原料其蛋白质分散指数普遍较低,而具有较高的蛋白质分散指数的原料一般具有良好的与脂肪和水结合的能力,因此更有利于蛋白质结构的稳定[40]。蛋白分散指数也可以用于表征蛋白质美拉德反应的高低,蛋白质分散指数过低说明蛋白质可能变性严重,分子内部的疏水基团外漏,使其溶解度降低[39]。Andreas等[41]研究发现,水溶性高的蛋白质在加工过程中具有类似水分的塑化作用,能够减少机械能耗。Ge等[13]研究发现,软化时间随蛋白质分散指数的升高而降低,在一定程度上有助于提高饲料物理质量。在本试验中,酶解玉米蛋白粉的蛋白质分散指数是鱼粉的3.5倍,是玉米蛋白粉的25.8倍,在饲料配方中添加酶解玉米蛋白粉可能对于机械能耗和软化时间的降低有一定作用。
3.4 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的吸油性及乳化特性比较
原料的吸油性、乳化性、乳化稳定性等也是表征其加工特性的主要指标,会在饲料加工过程中影响颗粒的最终物理质量。Wang等[27]研究发现,原料吸油性与饲料吸油率、软化时间呈正相关,即具有良好吸油性的物质能够吸收并保留油脂,使其容纳在自身的结构中,因此会提高加工成饲料产品后颗粒的油脂保持能力,减少油脂渗漏,而由于油水的不互溶性,吸油性也可以在一定程度上反映原料的疏水性情况[21]。而乳化性则是代表物质能使油、水在同一体系内稳定共存的能力,乳化稳定性反映混合体系维持稳定状态的能力[42]。膨化水产饲料一般会在加工成型后经过油脂后喷涂工艺,最终投喂到水中后被动物采食,因此乳化稳定性可能与饲料在水中的软化速度和油脂散失过程相关。有研究发现,较高的乳化性和乳化稳定性能够更好地维持油水界面的稳定性,从而提高饲料颗粒的持油能力[2],但缺乏进一步的深入全面研究。本试验中,酶解玉米蛋白粉的吸油性显著低于鱼粉和玉米蛋白粉,而鱼粉与酶解玉米蛋白粉的乳化特性接近。这主要是其蛋白质种类和自身内部结构差异所致,玉米蛋白粉本身具有一定的乳化性,但由于其分子内和分子间存在较强的疏水相互作用和二硫键等因素,乳化性相对较弱[43]。酶解玉米蛋白的乳化性明显优于玉米蛋白粉,是因为酶解过程使玉米蛋白粉中蛋白质的大分子结构被降解,生成了具有更小分子质量的肽段。这些肽段具有更好的水溶性且更多的亲水、亲油基团暴露,能够更快速地吸附到油水界面,使油滴能够更均匀地分散在水相中,提高乳化性能[42,44]。
3.5 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的起泡特性比较
原料具有起泡性主要是由于蛋白质原料通过自身结构特性降低了液体表面张力,当液体中有气体进入时,液体表面的这些物质分子会包围气体,形成一个稳定的薄膜,从而产生气泡[45-46],起泡性和乳化性的形成过程都与表面活性剂(或具有表面活性的物质)密切相关,因此许多乳化剂同时也具有起泡性,因为它们都具有降低表面张力的能力[46-47]。这也与本研究中鱼粉和酶解玉米蛋白粉的乳化性、起泡性均高于玉米蛋白粉的结果相符。玉米蛋白质分子具有复杂的结构,主要由醇溶蛋白和谷蛋白组成,分子中存在较多的疏水区域和二硫键。这些疏水区域使得蛋白质在水中的溶解性相对较低,而二硫键使蛋白质分子的结构较为紧密,这种紧密的结构限制了蛋白质分子在气-液界面的展开和吸附能力,因此起泡能力相对较弱。而酶解后的玉米蛋白粉分子质量降低且具有更多的肽段,内部疏水基团暴露后促进了蛋白质分子快速迁移到气-水界面吸附和重排,加强了疏水残基的相互作用,并伴随巯基氧化形成二硫键,导致进一步聚集和交联,从而提高起泡性和气泡稳定性[38,45]。Ge等[13]研究表明,单细胞蛋白斐康(FeedKind®)具有良好的起泡性,将其与面粉混合进行膨化加工的产品表面具有明显的气泡形成,膨化率较高,进一步将其应用于混合配方中,以4%比例添加后显著提高了饲料膨化率并改善了饲料质量,可能与其具有的良好起泡性相关。本试验中,经过酶解的玉米蛋白粉起泡性和气泡稳定性都显著高于玉米蛋白粉,但显著低于鱼粉。
3.6 鱼粉、玉米蛋白粉和酶解玉米蛋白粉的黏度特性比较
在饲料加工中,淀粉和蛋白质是2类重要加工功能性物质,一般认为淀粉在挤压膨化和制粒过程中通过糊化作用产生黏度,是保证颗粒饲料具有良好膨化效果和耐久性的重要因素,而通过快速黏度分析仪检测物料在加热、冷却和剪切过程中黏度的变化,是表征淀粉糊化程度的有效方法[6,48]。糊化温度是指淀粉糊化所需的最低温度,此温度越低则代表淀粉越容易糊化并产生黏结效应;峰值黏度反映物料在加热过程中与水结合并产生黏度的能力;最终黏度反映淀粉在熟化并冷却后形成黏糊或凝胶的能力;崩解值是最终黏度和保持黏度之间的差值,崩解值越大代表原料抗剪切性越差;回生值则反映淀粉的老化回生能力[6,12,26]。不同类型蛋白质与淀粉之间的相互作用是较为复杂的,对淀粉糊化过程和熔体黏度的影响不尽相同[49]。因此,蛋白质黏度的量化可以通过使用蛋白质和淀粉混合物进行测量。由于黏度是代表物质在外力作用下的内部摩擦力或称为黏滞阻力,因此吸水能力越强、分子体积越大的蛋白质聚集物,其内部黏滞阻力越大[50]。这可能也是本研究中酶解玉米蛋白粉相较鱼粉和玉米蛋白粉具有高水溶性和极低黏度的主要原因。Ma等[14]研究表明,加入乙醇梭菌蛋白替代鱼粉后混合物料的黏度升高是其饲料膨化率增加的重要因素。Ge等[13]研究发现,昆虫蛋白在水产饲料中逐步完全替代鱼粉后显著增加了混合物料的黏度,而饲料膨化率呈先升高后下降的趋势,软化时间和硬度随黏度的升高而升高。原料黏度过高导致饲料膨化率下降,可能是因为高黏度物料具有更强的刚性结构,在出模过程中限制其了膨胀作用以及多孔结构的产生。本试验中,酶解玉米蛋白粉的糊化时间、峰值黏度和保持黏度等指标均显著低于鱼粉和玉米蛋白粉,因此,在饲料配方中适量添加酶解玉米蛋白粉可能会降低饲料颗粒的软化时间和硬度,较低的黏度特性和良好的水溶性也会减少物料与机械的摩擦,进而降低加工过程中的机械能消耗,但可能也会对膨化率产生一定的负面影响。
4 结论
本研究比较了鱼粉及其替代物玉米蛋白粉、酶解玉米蛋白粉的理化特性差异,评价了其对饲料加工质量存在的潜在影响。其中,玉米蛋白粉的吸水性和与面粉混合后的黏度高且流动性好,可能有利于提高饲料膨化率并缓解原料结拱问题,但其蛋白质分散指数、乳化性、起泡性和气泡稳定性显著低于鱼粉和酶解玉米蛋白粉,较低的水溶性蛋白含量限制了其营养价值和加工适应性;酶解玉米蛋白粉的水溶性及蛋白质分散指数最高,这对改善饲料内部结构强度、提高颗粒耐久性可能具有积极作用,但其流动性差,且吸水性和与面粉混合后的黏度均显著低于鱼粉和玉米蛋白粉,可能会降低饲料膨化效果,因此在使用酶解玉米蛋白粉替代鱼粉进行加工时应重点关注混合物料的黏度变化,根据产品质量需求进行配方和工艺参数调整。