沉性膨化飼料在水產(chǎn)養(yǎng)殖上具有特別的優(yōu)勢(shì)，如飼料熟化程度高、耐水性好、飼料浪費(fèi)少、對(duì)水質(zhì)污染小等，對(duì)于蝦蟹等在水底采食較慢的動(dòng)物，具有很好的適應(yīng)性。國(guó)內(nèi)很多飼料廠有單螺桿擠壓機(jī)，常用來(lái)生產(chǎn)浮性水產(chǎn)飼料，而生產(chǎn)沉性水產(chǎn)飼料就有困難。為此，本課題研究以單螺桿擠壓機(jī)來(lái)生產(chǎn)沉性膨化飼料的工藝條件。
    三門峽富通新能源生產(chǎn)環(huán)模式顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)等機(jī)械設(shè)備。
1、材料和方法
1.1主要設(shè)備
    單螺桿擠壓機(jī)：螺桿轉(zhuǎn)速可調(diào)，機(jī)筒溫度可調(diào)；高速錘式粉碎機(jī)。
1.2試驗(yàn)物料
    按河蟹飼料配方如下：魚粉30%，豆粕30%，菜粕8%，棉粕5%，小麥22%，米糠5%。
    配方成分：粗蛋白40. 6%，粗脂肪3.1%，粗纖維3. 8%。
1.3擠壓工藝
    按如下工藝進(jìn)行：原料→配料→粉碎→微粉碎→混合→蒸汽調(diào)質(zhì)→擠壓膨化→干燥冷卻。原料微粉碎用篩孔Ø0. 8rnm篩片。
1.4測(cè)定指標(biāo)和方法
    對(duì)于沉性膨化飼料主要考察以下幾個(gè)指標(biāo)。
1.4.1沉降速度
    飼料顆粒在水中下沉的平均速度。取一直徑60mm，長(zhǎng)1020mm的透明管，一端封閉，裝水深1000mm，豎直放置。取飼料顆粒1粒，從水面釋放，用秒表計(jì)時(shí)飼料顆粒降落到管底的時(shí)間。測(cè)定隨機(jī)抽取20個(gè)飼料顆粒的沉降時(shí)間，計(jì)算平均速度。
1.4.2糊化度
    用酶法水解，測(cè)定葡萄糖含量來(lái)計(jì)算。
1.4.3耐水時(shí)間
    飼料顆粒在水中有半數(shù)顆粒開(kāi)始潰散的時(shí)間。取幾個(gè)250ml燒杯，分別加入水200ml，置恒溫水浴器內(nèi)25℃恒溫，分別投入20個(gè)飼料顆粒，計(jì)下時(shí)間。過(guò)一段時(shí)間后，在一個(gè)燒杯中用鑷子小心鑷取1個(gè)飼料顆粒，用力程度以不使顆粒掉下為限，慢慢提出水面，觀察顆粒潰散情況。取出的顆粒棄去不用。逐個(gè)鑷取其它19個(gè)顆粒。在不同的間隔時(shí)間，當(dāng)一個(gè)燒杯中鑷出水面時(shí)潰散的顆粒數(shù)達(dá)到10個(gè)時(shí)，則記下這個(gè)燒杯中飼料顆粒的浸泡時(shí)間，作為這種飼料的耐水時(shí)間。
1.4.4水浸干物質(zhì)損失率
    飼料顆粒浸泡在水中一定時(shí)間，測(cè)定干物質(zhì)的損失率。取飼料顆粒3份，每份10g。先取1份（對(duì)照樣）在烘箱內(nèi)烘干(130℃，2h)，稱其質(zhì)量m。將另外兩份樣（試驗(yàn)料）作平行試驗(yàn)，分別放在邊長(zhǎng)100×100mm的12目篩網(wǎng)(篩孔1. 4mm，飼料顆粒直徑>2mm)上，置于恒溫水浴器內(nèi)，水面能浸沒(méi)飼料顆粒，水溫25℃，靜置1h。然后提出篩網(wǎng)，斜放瀝干，再進(jìn)烘箱烘干(130℃，2h)，稱其質(zhì)量m，計(jì)算干物質(zhì)損失率C如下：C=（m₀-m）/m₀
2、結(jié)果與討論
2.1  調(diào)質(zhì)后水分對(duì)膨化顆粒性能的影響
按1.3的工藝，調(diào)整調(diào)質(zhì)后物料水分為17%～32%，每3%為一水分梯度，擠壓條件：螺桿轉(zhuǎn)速150r/min;調(diào)質(zhì)后料溫92℃；揉合區(qū)機(jī)筒（中段）溫度125℃；熟化區(qū)（出料段）機(jī)筒溫度40℃擠壓飼料顆粒的指標(biāo)如圖1、圖2、圖3所示，顆粒耐水時(shí)間均大于24h。
 
2.1.1沉降速度從圖1中看出，隨水分增加，飼料顆粒沉降速度增大。沉降速度主要反映飼料顆粒的密度，沉性飼料的密度要大于水，沉降速度必須大于零。
2.1.2糊化度圖2中顯示，糊化度隨物料調(diào)質(zhì)后水分的增高而提高。物料中淀粉的糊化與物料溫度、水分和調(diào)質(zhì)時(shí)間密切相關(guān)。在其它條件一定的情況下，較高的水分，有利于淀粉團(tuán)粒迅速吸收水分，從而使糊化度較高。
2.1.3耐水時(shí)間擠壓制得的飼料顆粒的耐水時(shí)間均在24h以上。說(shuō)明在此條件下，物料得到了充分的熟化，彼此揉和交織在一起，耐水時(shí)間已遠(yuǎn)大于6h的要求。
2.1.4水浸后干物質(zhì)散失率圖3顯示，隨物料水分提高，顆粒的水浸干物質(zhì)散失率降低。這可能有兩方面的原因：一是從顆粒的緊密程度來(lái)看。物料水分高，物料塑性好，顆粒膨脹度小，密度大，水滲透到顆粒內(nèi)部的時(shí)間長(zhǎng)，顆粒內(nèi)的可溶性物質(zhì)溶解到水中的時(shí)間也長(zhǎng)。所以在相同時(shí)間內(nèi)，水分高的顆粒損失率較小。二是從物料的降解方面考慮。物料在水分較低的情況下，物料的摩擦系數(shù)較大，受到的剪切作用較強(qiáng)，在較高溫度下，淀粉部分降解，小分子物質(zhì)在水浸泡下較易散失到水中。
2.1.5膨化料在水中浸泡后干物質(zhì)損失的情形與硬顆粒不同在試驗(yàn)中觀察到，膨化顆粒的耐水時(shí)間可達(dá)24h，即使浸泡時(shí)間較長(zhǎng)，顆粒形狀還保持完整，而且水還是較清的。這說(shuō)明顆粒中的物料微粒在調(diào)質(zhì)及擠壓過(guò)程中經(jīng)過(guò)揉和、糊化、變性等作用粘結(jié)到了一起，不易受水的浸蝕而散失。而散失的干物質(zhì)部分應(yīng)是物料中的可溶性成分，如水溶性蛋白、降解的淀粉、礦物質(zhì)、水溶性維生素等。
2.2揉和區(qū)機(jī)筒溫度對(duì)膨化顆粒性能的影響
    按1.3的工藝，控制揉和區(qū)機(jī)筒溫度90～140℃，每10℃為一溫度梯度，擠壓條件：螺桿轉(zhuǎn)速150r/min；調(diào)質(zhì)后料溫92℃；物料調(diào)質(zhì)后水分22.4%；熟化區(qū)機(jī)筒溫度40℃擠壓飼料顆粒的指標(biāo)如圖4、圖5、圖6、圖7所示，顆粒耐水時(shí)間均大于24h。

2.2.1沉降速度從圖4中看到，沉降速度隨揉和區(qū)機(jī)筒溫度升高而降低，表明顆粒密度趨向于減小。試驗(yàn)中觀察到，溫度在130℃時(shí)，已有少部分顆粒呈浮性；在140℃時(shí)，顆粒都已為浮性飼料。
2.2.2糊化度從圖5中看出，糊化度隨揉和區(qū)機(jī)筒溫度升高而增加，但在此條件下還沒(méi)有完全糊化。
2.2.3耐水時(shí)間從圖6中看到，揉和區(qū)機(jī)筒溫度在90～100℃時(shí)，顆粒耐水時(shí)間較低為18～21h，而在110℃以上時(shí)，耐水時(shí)間則都在24h以上。所以揉和區(qū)機(jī)筒溫度應(yīng)在110℃以上。
2.2.4水浸后干物質(zhì)散失率從圖7中看到，隨揉和區(qū)機(jī)筒溫度升高，干物質(zhì)散失率降低。主要是溫度提高后糊化度提高了，物料間的粘結(jié)作用發(fā)揮更充分，使散失率降低。
 
2.3熟化區(qū)機(jī)筒溫度對(duì)膨化飼料顆粒性能的影響
按1.3的工藝，控制熟化區(qū)機(jī)筒溫度為30～100℃，每10℃為一溫度梯度，擠壓條件：螺桿轉(zhuǎn)速150r/min；調(diào)質(zhì)后料溫92℃；物料調(diào)質(zhì)后水分22. 4%；揉和區(qū)機(jī)筒溫度125℃。擠壓飼料顆粒的指標(biāo)如圖8～圖11所示。耐水時(shí)間則都在24h以上。
2.3.1沉降速度如圖8所示，熟化區(qū)機(jī)筒溫度越低，沉降速度越大。為保證飼料都是沉性的，熟化區(qū)機(jī)筒溫度應(yīng)保持在50℃以下，若80℃以上則為浮性飼料。
2.3.2糊化度從圖9中看出，隨著熟化區(qū)溫度的提高，糊化度也提高。淀粉在擠壓過(guò)程中的糊化是在低水分條件下的糊化。當(dāng)水分較低時(shí)，淀粉顆粒不能吸收足夠的水分，糊化的進(jìn)行相當(dāng)慢。當(dāng)溫度提高時(shí)，分子能量增加，淀粉團(tuán)粒間的氫鍵破壞，糊化反應(yīng)的速度加快，在短時(shí)間內(nèi)糊化度就較高。
2.3.3耐水時(shí)間從圖10上來(lái)看，顆粒的耐水時(shí)間都在18h以上，也能滿足養(yǎng)殖要求。
2.3.4水浸后干物質(zhì)散失率從圖11中看出，隨著熟化區(qū)機(jī)筒溫度的升高，顆粒水浸后干物質(zhì)散失率降低，但變化不是很劇烈，平均每升高10℃，損失率降低0.55%。原因主要是當(dāng)熟化區(qū)溫度較高時(shí)，有利于糊化的繼續(xù)進(jìn)行，物料中各種微粒相互揉和、粘結(jié)得更充分，使得顆粒以后浸泡時(shí)不易被水浸蝕。
2.4螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)膨化顆粒性能的影響
    按1.3的工藝，控制螺桿轉(zhuǎn)速130～250r/min，每20r/min為一轉(zhuǎn)速梯度，擠壓條件：調(diào)質(zhì)后料溫92℃；物料調(diào)質(zhì)后水分26%；揉和區(qū)機(jī)筒溫度120℃；熟化區(qū)機(jī)筒溫度40℃。擠壓飼料顆粒的指標(biāo)如圖12～圖14所示，耐水時(shí)間均大于24h。
2.4.1沉降速度根據(jù)圖12，沉降速度隨螺桿轉(zhuǎn)速提高而減小。螺桿轉(zhuǎn)速提高，物料獲得的機(jī)械能增加，物料受到的壓力也越大，通過(guò)模孔后，物料的膨脹度會(huì)更大，因而顆粒的沉降速度減小。

2.4.2糊化度由圖13中看出，增加螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)于提高糊化度有較顯著的作用。在擠壓過(guò)程中糊化度的影響因素除溫度、水分、時(shí)間外，剪切作用也是很重要的因素。剪切作用可通過(guò)對(duì)淀粉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械破裂而引起糊化，在較低水分下，物料有較高的粘滯性，螺桿的旋轉(zhuǎn)會(huì)造成大量的剪切應(yīng)力，這種剪切應(yīng)力的存在會(huì)緩和低水分蒸煮的糊化抑制效應(yīng)。
    剪切作用和物料水分在熱力學(xué)基礎(chǔ)上有可交換之處，即用高剪切低水分和低剪切高水分應(yīng)都能將物料擠壓出來(lái)，但兩種方法的作用及結(jié)果是不同的。高剪切、低水分?jǐn)D壓對(duì)淀粉分子的破碎作用較強(qiáng)，使物料膨脹更大，這種方式常用于擠壓浮性飼料；而低剪切、高水分?jǐn)D壓的作用方式較溫和，它不會(huì)或者很少引起淀粉分子的降解，沉性膨化料應(yīng)采用這種方式。
    從圖13中還看到，在螺桿轉(zhuǎn)速較高的部分，糊化度并沒(méi)有明顯增高甚至有降低的趨勢(shì)。分析原因推測(cè)是螺桿轉(zhuǎn)速提高后物料在機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間減少了，這就部分抵消了螺桿轉(zhuǎn)速提高的作用。
2.4.3耐水時(shí)間在本試驗(yàn)條件下，測(cè)得的各種顆粒機(jī)生產(chǎn)的顆粒飼料的耐水時(shí)間都在24h以上，耐水時(shí)間都能滿足河蟹飼料要求。
2.4.4水浸后干物質(zhì)散失率  圖14中干物質(zhì)散失率隨螺桿轉(zhuǎn)速提高而降低，這對(duì)顆粒的水穩(wěn)定性是有利的。其原因是由于轉(zhuǎn)速增加后，物料中淀粉糊化和蛋白變性的作用加強(qiáng)，提高了物料的粘結(jié)性。從干物質(zhì)散失率來(lái)看，沉性料的擠壓應(yīng)采用盡量高的螺桿轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速限制以不產(chǎn)生浮性料為限。
2.5擠壓條件的優(yōu)化
進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)條件。在前面試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，揉和區(qū)和熟化區(qū)機(jī)筒溫度根據(jù)其對(duì)沉降速度和干物質(zhì)散失率的影響分別選用125℃和40℃。選擇對(duì)顆粒有較大影響的調(diào)質(zhì)后物料水分和螺桿轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素。另外配方原料中選用了生大豆粉，以期能降低顆粒成品的水浸干物質(zhì)散失率。選擇的試驗(yàn)因素和水平如表1所示，并按正交試驗(yàn)表L34確定試驗(yàn)如表2。試驗(yàn)中不同植物蛋白源的試驗(yàn)料配方如表3所示。
 
    沉降速度為測(cè)定的多個(gè)飼料顆粒的平均沉降速度。單個(gè)飼料顆粒之間的沉降速度會(huì)有差異。據(jù)觀察，試驗(yàn)中平均速度小于0. 05m/s時(shí)，有時(shí)會(huì)有少數(shù)飼料呈浮性。因此，做沉性飼料時(shí)，平均沉降速度應(yīng)保持在0. 05m/s以上，以保證飼料顆粒是沉性的，沉降速度也不必很大。
    飼料顆粒水浸干物質(zhì)散失率是水產(chǎn)飼料的重要指標(biāo)，下面對(duì)其進(jìn)行極差分析。

    從表4極差R值的大小來(lái)看，影響飼料顆粒水浸1h后干物質(zhì)散失率的主要因素為螺桿轉(zhuǎn)速，其次為物料水分，再次為配方中大豆粉的含量。
    即影響因素主次順序?yàn)椋阂蛩谺螺桿轉(zhuǎn)速>因素A物料水分>因素C配方中生大豆含量。從干物質(zhì)散失率來(lái)看，損失率越小越好。根據(jù)K值，最佳條件為A383C3，即水分29%、螺桿轉(zhuǎn)速190r/min，配方中用生大豆粉作植物蛋白原料。在此條件下擠壓得飼料顆粒沉降速度5. 46×0.01m/s．水浸1h干物質(zhì)損失率9. 32%，耐水時(shí)間大于24h，糊化度97. 12%。
    從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，似乎可以采用更高的水分和螺桿轉(zhuǎn)速。但當(dāng)物料水分大于29%，擠壓時(shí)物料的輸送性不太好，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)物料輸送不進(jìn)機(jī)筒的情況；或者改善螺桿的輸送性能后，可取較高的物料水分。而當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速高于190r/min時(shí)，可能就會(huì)產(chǎn)生浮性飼料了。
    試驗(yàn)中測(cè)得的顆粒耐水時(shí)間和糊化度都已達(dá)到較高的數(shù)值，應(yīng)都能滿足養(yǎng)殖要求。
3、結(jié)論
    采用單螺桿擠壓機(jī)，通過(guò)控制物料水分、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度等條件，可以生產(chǎn)出合適的沉性膨化飼料。
    生產(chǎn)沉性膨化飼料需要適合的物料水分為23～29%。提高水分有利于淀粉糊化和提高顆粒的水穩(wěn)定性。但水分過(guò)高(29%以上)的物料在擠壓機(jī)中的輸送性能較差；物料水分過(guò)低，則容易產(chǎn)生浮性飼料，以及顆粒的水穩(wěn)定性降低。
    擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)沉性料有較大影響。適宜的螺桿轉(zhuǎn)速為150～190r/min。過(guò)高的螺桿轉(zhuǎn)速將產(chǎn)生浮性飼料，而轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)降低顆料的糊化度和水穩(wěn)定性。
    擠壓機(jī)機(jī)筒的溫度控制對(duì)于生產(chǎn)沉性膨化飼料也很重要。生產(chǎn)沉性料時(shí)熟化區(qū)需要冷卻，控制溫度在40～60℃。溫度過(guò)高將產(chǎn)生浮性飼料，溫度過(guò)低會(huì)降低顆粒的糊化度和水穩(wěn)定性。飼料配方原料中使用生大豆粉，對(duì)提高顆粒的水穩(wěn)定性有利，但幅度有限。
    三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、木屑顆粒機(jī)、飼料顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料機(jī)械設(shè)備。