动物营养学报    2019, Vol. 31 Issue (6): 2882-2890    PDF    
维生素预混合饲料加速稳定性试验及微胶囊包被效果评价
朱敏 , 杨攀 , 王华凯 , 马永喜     
中国农业大学动物科技学院, 北京 100193
摘要: 本试验旨在研究饲料行业常用的粉状和微胶囊状维生素预混合饲料在加速试验条件下的稳定性,为高温高湿条件下维生素预混合饲料的精准化使用提供参数,并评价微胶囊化处理对维生素稳定性的效果。将维生素预混合饲料制成2种剂型,即常见的粉状(粉状组)和微胶囊状(微囊组)。将粉状组和微囊组维生素预混合饲料样品储存在(40±2)℃、(75±5)%相对湿度(RH)的恒温恒湿箱内,分别在第0(初始)、30、60、90和180天取出,检测维生素A、维生素D3、维生素E、维生素K3、维生素B1、维生素B2、维生素B6、烟酸和泛酸的含量,计算不同储存时间后各个维生素的存留率。结果显示:1)随着储存时间的延长,粉状组和微囊组中维生素A、维生素D3、维生素E、维生素K3、维生素B1、维生素B2、维生素B6、烟酸和泛酸的存留率均呈现不同程度的下降,但粉状组中维生素D3的存留率和微囊组中维生素E的存留率在不同储存时间下没有显著差异(P>0.05)。2)在各个储存时间时,维生素A和维生素B1的存留率均表现为粉状组极显著大于微囊组(P < 0.01);在储存60、90和180 d时,粉状组中维生素K3和维生素B6的存留率极显著大于微囊组(P < 0.01);在储存90 d时,粉状组中泛酸的存留率显著大于微囊组(P < 0.05);在储存60和90 d时,微囊组中维生素D3的存留率显著或极显著大于粉状组(P < 0.05或P < 0.01);在储存180 d时,微囊组中维生素E的存留率显著大于粉状组(P < 0.05);在储存60 d时,微囊组中烟酸的存留率显著大于粉状组(P < 0.05);在各个储存时间时,粉状组和微囊组中维生素B2的存留率无显著差异(P>0.05)。此外,本试验还给出了2种制剂的维生素预混合饲料中维生素存留率随储存时间变化的回归方程。由此可见,在高温高湿条件下,随着储存时间延长,维生素预混合饲料中多种维生素的含量显著降低,在精准动物营养与饲养中需要予以考虑;微囊化处理对高温高湿储存情况下不同维生素存留率的影响没有一致性规律,需要开展针对性的包被处理和稳定化工艺研究。
关键词: 维生素    稳定性    微胶囊包被    加速试验    存留率    
Accelerated Stability Test for Vitamin Premix and Evaluation of Micro-Encapsulation on Vitamins Stability
ZHU Min , YANG Pan , WANG Huakai , MA Yongxi     
College of Animal Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China
Abstract: This experiment was conducted to study the stability of powdered and micro-encapsulated vitamin premix in feed industry under accelerated conditions, to provide parameters for the precise use of vitamin premix in high temperature and high humidity, and evaluate the micro-encapsulation on vitamin stability. Vitamin premix was prepared into two dosage forms, commonly used powdered vitamin premix (powdered group) and micro-encapsulated vitamin premix (micro-encapsulated group). Vitamin premix samples in two groups were stored in a constant temperature humidity chamber under the conditions of (40±2)℃ and (75±5)% relative humidity (RH). The contents of vitamin A, vitamin D3, vitamin E, vitamin K3, vitamin B1, vitamin B2, vitamin B6, niacin and pantothenic acid were determined after the 0th (initial), 30th, 60th, 90th and 180th day, and the retention rates of them were calculated. The results showed as follows:1) with the prolonged storage time, the retention rates of vitamin A, vitamin D3, vitamin E, vitamin K3, vitamin B1, vitamin B2, vitamin B6, niacin and pantothenic acid in both groups showed different degrees of decrease, while the vitamin D3 retention rate in powdered group and the vitamin E retention rate in micro-encapsulated group did not change significantly during storage (P>0.05). 2) At each storage time, the retention rates of vitamin A and vitamin B1 in powdered group were significantly higher than those in micro-encapsulated group (P < 0.01); the retention rates of vitamin K3 and vitamin B6 in powdered group were significantly higher than those in micro-encapsulated group at 60, 90 and 180 days (P < 0.01); the pantothenic acid retention rate in powdered group was significantly higher than that in micro-encapsulated group at 90 days (P < 0.05); the retention rate of vitamin D3 in micro-encapsulated group was significantly higher than that in powdered group at 60 and 90 days (P < 0.05 or P < 0.01); the retention rate of vitamin E in micro-encapsulated group was significantly higher than that in powdered group at 180 days (P < 0.05); the retention rate of niacin in micro-encapsulated group was significantly higher than that in powdered group at 60 days (P < 0.05); there was no significant difference in the retention rate of vitamin B2 in both groups at each sampling time (P>0.05). And, the regression equations of retention rates of vitamins in powdered and micro-encapsulated groups during storage period were provided. In conclusion, under high temperature and high humidity conditions, with the prolonged storage time, most of vitamins content in the vitamin premix are significantly reduced, which needs to be considered in the precision animal nutrition and feeding; no consistent effect is found on retention rates of vitamins in micro-encapsulated treatment under high temperature and high humidity storage conditions, and it is necessary to carry out more specific coating treatment and stabilization process research.
Key words: vitamin    stability    micro-encapsulation    accelerated test    retention rate    

随着环境保护和畜牧业集约化程度的发展,养殖成本升高和利润空间的降低推动精准营养研究前行。精准动物营养研究主要集中在有效能和氨基酸方面,较少涉及维生素。维生素是畜禽必需微量养分[1-2],其稳定性受诸多因素影响[3-5]。在高温高湿储存条件下,维生素的破坏程度会明显加快,但是还缺乏相应的数据。为了提升维生素的稳定性,近年来出现了一些饲料添加剂后处理技术,微胶囊包被[6]是其中之一,但是这种剂型改变能否改善维生素在高温高湿储存条件下的稳定性,还有待进一步研究。因此,本试验在加速试验条件[(40±2) ℃和(75±5)%相对湿度(RH)]下,测定粉状和微胶囊状的维生素预混合饲料在储存0、30、60、90和180 d后各种维生素的含量,以评价高温高湿环境下不同储存时间后维生素的存留率,为维生素的精准营养提供参数,同时考察微胶囊化对维生素稳定性的有效性。

1 材料与方法 1.1 试验材料

试验所用维生素预混合饲料由太原市威尔潞威科技发展有限公司提供,其组成及营养水平见表 1

表 1 维生素预混合饲料组成及营养水平 Table 1 Composition and nutrient levels of the vitamin premix
1.2 试验设计

本试验采用单因素试验设计,将维生素预混合饲料制成2种剂型,设5个检测时间点,每个时间点设6个重复,每个重复测定2个平行样品。维生素预混合饲料的2种剂型分别为市场中常见的粉状(粉状组)和经过微胶囊包被后的微胶囊状(微囊组)。其中,微胶囊包被的成分有硬脂酸、脂肪和羟丙基纤维素等。微胶囊包被的过程主要是先形成乳液,然后通过喷雾干燥或冷冻干燥减小粒度,从而形成最终的颗粒。2种剂型的维生素预混合饲料采用相同的聚乙烯袋密封保存,各30袋,每袋重约50 g。根据加速试验的要求[7],放置在(40±2) ℃、(75±5)%RH的恒温恒湿箱(赛伯乐HWS-70B,北京)内,分别在试验开始后的第0(试验起始)、30、60、90和180天,从每个组随机抽取6袋,检测9种维生素含量,并计算各个维生素的存留率。

1.3 维生素含量测定

维生素A(GB/T 17817—2010)、维生素D3(GB/T 17818—2010)、维生素E(GB/T 17812—2008)、维生素K3(GB 7294—2017)、维生素B1(DB37/T 2140—2012)、维生素B2(DB37/T 2140—2012)、维生素B6(GB/T 14702—2002)、烟酸(GB/T 17813—1999)和泛酸(GB/T 18397—2014)的测定使用高效液相色谱(HPLC)法。

1.4 维生素存留率的计算
1.5 数据处理及统计分析

试验数据用Excel 2013进行处理,采用SAS 9.1统计软件中的ANOVA过程进行单因素方差分析,多重比较采用Duncan氏法进行,P < 0.01为差异极显著,P < 0.05为差异显著。同时,根据各个检测时间点维生素的存留率,采用SPSS 21.0统计软件中的曲线估计(curve estimate)模块对储存时间与维生素存留率进行回归分析,优化得出二次回归方程[9]

2 结果 2.1 脂溶性维生素存留率

表 2可知,在加速试验条件下,储存时间对粉状组和微囊组中维生素A的存留率均产生了极显著影响(P < 0.01),维生素A含量随储存时间延长而持续降低,储存180 d时,粉状组中维生素A的存留率为71.01%,而微囊组中维生素A的存留率仅为14.26%。储存30、60、90和180 d时,粉状组中维生素A的存留率均极显著高于微囊组(P < 0.01)。

表 2 储存期间维生素预混合饲料中维生素A的存留率 Table 2 Vitamin A retention rate of vitamin premix during storage period

表 3可知,在180 d的储存期内,粉状组中不同储存时间时维生素D3存留率的变化不显著(P>0.05),储存180 d时维生素D3存留率为83.13%。对于微囊组中的维生素D3而言,储存30、60和90 d时,其存留率的变化不显著(P>0.05),均在94%以上,但储存到180 d时,维生素D3的存留率降到83.05%,与其他储存时间相比差异显著(P < 0.05)。储存60和90 d时,粉状组和微囊组中维生素D3存留率存在显著或极显著差异(P < 0.05或P < 0.01),微囊组中维生素D3更稳定;储存30和180 d时,粉状组和微囊组中维生素D3的存留率差异不显著(P>0.05)。

表 3 储存期间维生素预混合饲料中维生素D3的存留率 Table 3 Vitamin D3 retention rate of vitamin premix during storage period

表 4可以看出,随着储存时间的延长,粉状组中维生素E存留率缓慢地降低,储存至180 d时,粉状组中维生素E的存留率降至83.71%,与储存30、60 d时存在显著差异(P < 0.05)。而微囊组中维生素的E存留率随着储存时间的延长没有发生显著的变化(P>0.05)。储存30、60和90 d时,粉状组和微囊组中维生素E的存留率没有显著差异(P>0.05);储存180 d时,粉状组和微囊组中维生素E的存留率存在显著差异(P < 0.05),微囊组中维生素E更稳定。

表 4 储存期间维生素预混合饲料中维生素E的存留率 Table 4 Vitamin E retention rate of vitamin premix during storage period

表 5可知,随着储存时间的延长,维生素K3的存留率快速地下降,不管是粉状组还是微囊组。储存至180 d时,粉状组中维生素K3的存留率降至19.59%,微囊组中维生素K3的存留率降至4.90%。在储存30 d时,粉状组和微囊组中维生素K3的存留率没有显著差异(P=0.05);在储存60、90和180 d时,粉状组和微囊组中维生素K3的存留率存在极显著差异(P < 0.01),粉状组中维生素K3更稳定。

表 5 储存期间维生素预混合饲料中维生素K3的存留率 Table 5 Vitamin K3 retention rate of vitamin premix during storage period
2.2 水溶性维生素的存留率

表 6可知,随着储存时间的延长,不管是在粉状组中和还是在微囊组中,维生素B1的存留率都快速地下降。在储存180 d时,粉状组和微囊组中维生素B1的存留率分别降到了55.34%和8.75%。在储存30、60、90和180 d时,粉状组和微囊组中维生素B1的存留率均存在极显著差异(P < 0.01),微囊组中维生素B1的损失更为严重。

表 6 储存期间维生素预混合饲料中维生素B1的存留率 Table 6 Vitamin B1 retention rate of vitamin premix during storage period

表 7可知,随着储存时间的延长,粉状组和微囊组中维生素B2的存留率均缓慢地下降,储存至180 d时其存留率分别为83.83%和80.70%。在储存30、60、90和180 d时,粉状组和微囊组中维生素B2的存留率均没有显著差异(P>0.05)。

表 7 储存期间维生素预混合饲料中维生素B2的存留率 Table 7 Vitamin B2 retention rate of vitamin premix during storage period

表 8可知,随着储存时间的延长,粉状组和微囊组中维生素B6的存留率均缓慢地下降,储存至180 d时其存留率分别降到78.61%和47.39%。在储存30 d时,粉状组和微囊组中维生素B6的存留率没有显著差异(P>0.05);在储存60、90和180 d时,粉状组中维生素B6更稳定,其维生素B6的存留率极显著高于微囊组(P < 0.01)。

表 8 储存期间维生素预混合饲料中维生素B6的存留率 Table 8 Vitamin B6 retention rate of vitamin premix during storage period

表 9可知,储存30、60和90 d时,粉状组和微囊组中烟酸的存留率均没有显著差异(P>0.05),但是储存至180 d时,粉状组中烟酸的存留率降至74.93%,跟前几个储存时间相比差异显著(P < 0.05),微囊组中烟酸的存留率降至77.85%,与储存30和60 d时相比差异显著(P < 0.05)。微囊组中烟酸的存留率在储存30、90、60和180 d时在数值上均高于粉状组(P>0.05),但仅储存60 d时的差异达到显著水平(P < 0.05)。

表 9 储存期间维生素预混合饲料中烟酸的存留率 Table 9 Niacin retention rate of vitamin premix during storage period

表 10可知,随着储存时间的延长,粉状组和微囊组泛酸的存留率均持续下降,在储存180 d时分别降至64.31%和55.79%。在储存90 d时,泛酸的存留率在粉状组显著高于微囊组(P < 0.05);在储存30、60和180 d时,泛酸的存留率在粉状组和微囊组中差异不显著(P>0.05),但是从数值上看,粉状组泛酸的存留率要高于微囊组。

表 10 储存期间维生素预混合饲料中泛酸的存留率 Table 10 Pantothenic acid retention rate of vitamin premix during storage period
3 讨论

稳定性试验的目的是考察饲料添加剂的性质在温度、湿度、光照等条件的影响下随时间变化的规律,其中加速试验[7]是在超常条件下进行的,目的是通过加快饲料添加剂的化学或物理性质变化速度来考察其稳定性,对饲料添加剂在运输、储存过程中可能会遇到的短暂超常条件下的稳定性进行模拟考察。加速试验一般取3批样品进行,选择(40±2) ℃和(75±5)%RH条件下进行6个月试验,在试验的第0(起始)、30、60、90和180天取样检测考察指标。

本试验的结果表明,在加速试验条件下,储存时间对维生素的存留率有一定影响。即使是储存30 d,也会导致维生素一定程度的损失,在储存180 d时,粉状组和微囊组中的维生素存留率下降的种类和范围存在相当大的变异,损失率的范围分别是16.17%(维生素B2)~80.41%(维生素K3)和10.98%(维生素E)~95.10%(维生素K3)。前人研究结果也说明储存时间对维生素的存留率有一定的影响。例如,Frias等[10]研究表明,水活度为0.44的配方奶粉,在30 ℃条件下贮存6个月后,维生素A的含量降低58.43%;Deboer等[9]研究表明,奶粉在21、26和32 ℃下储存4个月,维生素A的存留率分别为80%、72%和62%;Vidal-Valverde等[11]研究表明,奶粉中维生素E在40 ℃下储存1、2和3个月后,存留率依次为89%、90%和81%;有研究表明,不含氯化胆碱的维生素预混料在25 ℃、60%RH的条件下储存1年,维生素K3的存留率为80%[12];El-Sayed等[13]研究结果显示,超高温消毒牛奶在室温条件下储存5个月,维生素B2的存留率为96.5%,与Choe等[14]的研究结果类似;相关研究显示,肉鸡鸡胸在20 ℃条件下储存至第1、2和5个月时,维生素B6的存留率依次为15%、23%和23%[15];Zhuge等[16]研究表明,鸡预混合饲料分别在25和43 ℃条件下储存27周,其中烟酸存留率分别为91.2%和96.3%。同时,较高的温度也会加速维生素的损失。彭启华[17]研究显示,3种不同的奶粉,在常温下储存6个月,其维生素B1的存留率分别为98.73%、98.25%和99.73%,高于本试验结果;张晓雷[18]报道,2种不同种类的乳粉,在常温下储存6个月,其维生素E的存留率分别为90.02%和93.29%,高于本试验的结果。但是,维生素D3在不同的温度下比较稳定[19]。Upreti等[20]研究表明,巴氏杀菌的奶酪,在21~29 ℃下加工后冷藏(4~6 ℃)9个月,其中的维生素D3损失不显著,类似本试验中粉状组的研究结果。另有研究表明,在室温黑暗的条件下,意大利面储存3个月,其中烟酸的存留量变化不显著,第1、2和3个月时的存留量分别为56.8、56.3和56.6 mg/kg[21],与本试验结果类似。

在加速试验条件下,维生素稳定性的破坏可能与美拉德反应(Maillard reaction)[22]、水解反应、油脂自动氧化、芬顿型(Fenton-type)诱导氧化和微生物的诱导氧化[23]等有关。其过程可能有:1)有些维生素,例如维生素B1和维生素B6有游离的氨基,能发生美拉德反应,形成生物学上无活性的产物;2)包被用的油脂在高温高湿或者微生物存在的条件下,自身发生氧化反应形成氢过氧化物,然后发生芬顿反应,使维生素形成无活性的产物;3)具有被化学修饰的羟基的维生素A、维生素E和维生素C,在高温高湿或者微生物存在的条件下,发生水解反应,生成羟基自由基,然后发生芬顿反应,使维生素形成无活性的产物。因此,为了实现精准化养殖生产,要尽量减少饲料原材料的储存时间,同时使储存环境的温度和湿度处在适宜的范围。根据本试验结果,得出加速试验条件下储存时间与维生素存留率的回归方程(表 11),可为维生素在高温高湿条件下的精准使用提供参考。如果储存在高温高湿条件下,可以根据具体情况额外添加1种或者是几种维生素。

表 11 加速试验条件下储存时间与维生素存留率的回归方程 Table 11 Regression equations about retention rates of vitamins and storage time under accelerated conditions

微囊化是将生物活性化合物用生物聚合物包封,从而保护其免受氧、水、光或其他条件影响,以改善其稳定性[24],并防止其过度降解[25],这样就能更好地定向递送养分[26]。本研究结果显示,在加速试验条件下,储存60、90 d时,微囊组中维生素D3在粉状组更稳定。胡晓文等[27]研究表明,微囊化的维生素D3在加速试验条件下储存3个月,其存留率为88.50%,接近于本试验的测定值,这说明采用微胶囊化后处理工艺,对于提升维生素D3的稳定性有效。但是跟粉状组相比,微囊化加速对维生素A、维生素K3、维生素B1和维生素B6等的破坏。有研究报道,大米在40 ℃和100%RH的条件下储存20周,其中微囊大米中的维生素B1的存留率(54%)要小于没有包被过的大米(85%)[8]。微囊化对泛酸的稳定性仅限于某些时间点起破坏作用,对维生素E和烟酸等的稳定性仅限于某个时间点起保护作用。跟粉状组中维生素B2的稳定性相比,微囊化对维生素B2的稳定性影响不大。微囊化对部分维生素起副作用的原因可能是[28-31]:1)微胶囊材料的物理、化学性质的影响;2)维生素自身的物理化学性质的影响;3)微胶囊包被技术的影响。例如,有研究显示,3种不同类型微囊化的维生素A,在50 ℃的条件下储存4周后,维生素A的存留率分别为56.9%、45.7%和32.2%[32]。因此,根据研究结果,在中国南方夏季的环境条件下,畜禽饲料要合理选用维生素的剂型。

4 结论

① 在高温高湿条件下,随着储存时间延长,维生素预混合饲料中多种维生素的含量显著降低,在精准动物营养与饲养中需要予以考虑。

② 微囊化处理对高温高湿储存情况下不同维生素存留率的影响没有一致性规律,需要开展针对性的包被处理和稳定化工艺研究。

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