印度家禽趨勢(shì)詳解 || 水分活度作為飼料質(zhì)量控制手段之一

水分活度不只是控制飼料質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，也是各種飼料成分保存和處理的關(guān)鍵參數(shù)。

  食品安全是當(dāng)前的熱點(diǎn)話(huà)題之一。在此之前，食品安全問(wèn)題更多關(guān)注點(diǎn)在于人和寵物食品，與動(dòng)物飼料關(guān)系關(guān)注較少。但隨著時(shí)間的推移，消費(fèi)者不只慢慢意識(shí)到牲畜飼養(yǎng)的質(zhì)量方面，而且也越來(lái)越意識(shí)到用于飼養(yǎng)家禽和牛的攝入食物的質(zhì)量。預(yù)制飼料質(zhì)量的穩(wěn)定性是我們較終食用食品的質(zhì)量穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。

       飼料的物理、化學(xué)或微生物特性的變化可以被認(rèn)為是失去了穩(wěn)定性。水分活度(Aw)是影響家畜飼料穩(wěn)定性的幾個(gè)重要參數(shù)之一。水分活度是衡量食品中自由水分的一個(gè)重要指標(biāo)。被定義為物質(zhì)的水蒸氣壓除以同一溫度下純水的蒸氣壓的熵。

  水分活度等級(jí)從0(極干)到1.0(純凈水) ，但大多數(shù)食物的水分活度等級(jí)從0.2(極干)到0.99(新鮮食物)不等。

      水分活度不應(yīng)與水分含量混淆。水分含量是自由水和結(jié)合水的總量。自由水是指可以參與物理，化學(xué)和生物反應(yīng)的水。

  水分活性對(duì)飼料原料和較終牲畜飼料的微生物穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。細(xì)菌、霉菌和酵母菌的生長(zhǎng)需要水，而且每一種微生物在水下都有它們不會(huì)生長(zhǎng)的較低限度的水活度。

  霉菌可以在水分活度低至0.61的水平下生長(zhǎng)。霉菌的類(lèi)型、溫度和水分活度在決定生長(zhǎng)特性方面起著重要作用，例如羅克福爾青霉菌在25 ℃ 的0.82 Aw、30 ℃ 的0.86 Aw 條件下可以生長(zhǎng)，而在37 ℃條件下則無(wú)法生長(zhǎng)。

  霉菌毒 素的形成還取決于霉菌的類(lèi)型、基質(zhì)和貯存條件，包括 pH 值、溫度和水活度。玉米、小麥等谷物上容易滋生長(zhǎng)菌毒 素，高溫可以殺死霉菌，但不能去除已經(jīng)形成的毒 素。

  在原材料的儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中，霉菌污染也會(huì)發(fā)生。通過(guò)將較終水活度保持在安全水平之下，可以避免在碾磨、貯存或運(yùn)輸原料、較終產(chǎn)品過(guò)程中霉菌污染。

  多年來(lái)，水分含量一直被用作控制糧食、飼料和飼料穩(wěn)定性變質(zhì)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。水分含量，簡(jiǎn)單地說(shuō)，是一種物質(zhì)或材料中存在的水的數(shù)量。它影響產(chǎn)品的物理性能，例如密度、重量、導(dǎo)電性、粘度等 (Jung, Lee and Yoon, 2018)。測(cè)量水含量的方法包括化學(xué)法(Karl Fischer 滴定法)、光譜法、電導(dǎo)率和熱重分析(Zambrana et al., 2019)。在這個(gè)行業(yè)中，熱重分析通常用于測(cè)量水分含量，而水分含量通常是由干燥時(shí)的失重量決定的。然而，在飼料行業(yè)，檢測(cè)水分含量一般會(huì)設(shè)置更高的溫度(120℃-130℃)，這種操作會(huì)使得到的結(jié)果的準(zhǔn)確性降低1-2%(Ahn at al., 2014) 。在此不做討論。

  人們之所以需要引入水分活度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，是因?yàn)橄到y(tǒng)中的水分含量不是飼料顆粒中化學(xué)反應(yīng)和微生物反應(yīng)的可靠指標(biāo)，它只是一種確定飼料中水分總量的定量分析。例如，一種產(chǎn)品可能含有12% 的水分但不變質(zhì)，而另一種只含有10.5% 的水分的產(chǎn)品可能更容易變質(zhì)。

  水分活度是飼料質(zhì)量控制的可靠指標(biāo)。水活度曾經(jīng)被定義為產(chǎn)品中“自由”或“可用”水的量，而不是“結(jié)合”水。這個(gè)定義比較容易，但未能界定水活度的概念。問(wèn)題不在于水是“結(jié)合”還是“自由”，而在于它在系統(tǒng)內(nèi)的“結(jié)合”程度。正確的定義應(yīng)該是能量狀態(tài)或樣品中水的逸出傾向的度量。它表明了水在化學(xué)或結(jié)構(gòu)上的結(jié)合程度。產(chǎn)品中總水含量的一部分強(qiáng)烈地結(jié)合在特定的位置，如多糖的羥基或蛋白質(zhì)的羧基和氨基。水分活度表示為:

     它是在完全未受干擾的平衡狀態(tài)下，物質(zhì)中水的蒸汽壓與相同條件下純水的蒸汽壓之比。平衡相對(duì)濕度(% ERH)是指物質(zhì)在特定溫度下既不失去也不獲得水分的周?chē)鄬?duì)濕度。例如，我們假設(shè)顆粒與周?chē)諝膺_(dá)到平衡，那么可以說(shuō)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡將大于或等于吸入冷卻器的空氣的 ERH (%)/100。范圍從0(相對(duì)干燥)到1.0(純凈水)。

  實(shí)驗(yàn)室常用的水活度儀有臺(tái)式水活度儀，飼料廠也常用的便攜式水活度儀。在顆粒飼料生產(chǎn)中，可采集混合機(jī)、冷卻機(jī)和較終包裝的飼料樣品，并測(cè)定水分活度，以確定飼料的安全性和質(zhì)量。

  影響水分活度的因素有很多，比如溫度、溶質(zhì)的存在或兩者的結(jié)合。水的活性與溫度有關(guān)。隨著溫度的降低，大多數(shù)產(chǎn)品的耗氧量都會(huì)降低。因此，在溫度波動(dòng)不大區(qū)域測(cè)量顆粒的水分活度是至關(guān)重要的。系統(tǒng)中存在的糖或鹽等溶質(zhì)也會(huì)影響 aw，因?yàn)樗鼈兣c水緊密結(jié)合，降低能量狀態(tài)或樣品中水的逸出趨勢(shì)。

  水分活度是決定飼料質(zhì)量和安全性的重要參數(shù)之一。這是因?yàn)樗芙饬朔磻?yīng)物，增加了反應(yīng)物在系統(tǒng)中的流動(dòng)性，這兩者都會(huì)導(dǎo)致飼料安全性、貨架期、風(fēng)味、質(zhì)地和氣味更快地惡化。了解飼料的抗腐蝕性對(duì)預(yù)測(cè)微生物生長(zhǎng)、化學(xué)和生化反應(yīng)速率、物理特性等方面的穩(wěn)定性和安全性非常有益。通過(guò)控制水分活度，預(yù)測(cè)潛在的腐爛和污染來(lái)源，保持化學(xué)穩(wěn)定性，控制非酶和酶反應(yīng)速率，優(yōu)化物理特性，如水分遷移，質(zhì)地等。

降解反應(yīng)速率方面的穩(wěn)定性和作為水活度函數(shù)的微生物生長(zhǎng)極限

水分活度和微生物生長(zhǎng)極限的穩(wěn)定性平衡關(guān)系

      雖然 pH 值、溫度和其他因素可以影響生物體在產(chǎn)品中的生長(zhǎng)速度，但水分活度可能是控制腐爛的較重要因素。微生物有一個(gè)限制性的水分活度，低于這個(gè)水分活度微生物就不能生長(zhǎng)，而水分活度是決定微生物生長(zhǎng)所需的可用水的下限的水平。即使在高水分含量，如果水分活度足夠低，微生物就不能利用水來(lái)支持自己的生長(zhǎng)。

不同微生物生長(zhǎng)的水分活度限值

不控制水分活度帶來(lái)的損失

  系統(tǒng)中水的“可用性”影響生化反應(yīng)的速度，如非酶褐變、酶反應(yīng)、脂質(zhì)氧化、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降解、蛋白質(zhì)變性、預(yù)煳化淀粉、淀粉回生和支持微生物生長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)水分活度降低時(shí)，生化反應(yīng)的速率就會(huì)降低。因此，從糧食儲(chǔ)備、飼料生產(chǎn)到畜牧業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)階段，控制水分活動(dòng)都是至關(guān)重要的。

飼料在高溫貯存濕度條件

  在高溫高濕的環(huán)境中，游離的水分子在飼料袋中，水分活度增加到0.7aw，飼料表面的自由水分子凝結(jié)，飼料發(fā)霉，整袋飼料嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。

  在高溫低濕的環(huán)境中，水分子會(huì)從飼料中蒸發(fā)出來(lái)。飼料中水分的損失會(huì)導(dǎo)致飼料的收縮，盡管 aw 不會(huì)增加到足以使微生物生長(zhǎng)的0.70。在這個(gè)過(guò)程中，自由水分子也會(huì)作為一種溶劑降解必需的微量營(yíng)養(yǎng)素和脂質(zhì)，損害其化學(xué)穩(wěn)定性。

左圖為 50kg 袋飼料在高溫高濕環(huán)境下儲(chǔ)存，右圖為 50kg 飼料在高溫低濕環(huán)境下儲(chǔ)存。

膨化魚(yú)飼料在潮濕、通風(fēng)條件差的存放

   雙層墊袋不一定能提供更好的飼料質(zhì)量和延長(zhǎng)保質(zhì)期。熱量蒸發(fā)了擠壓飼料中的水分子，雙層袋自由水分被困在袋子里。這些移動(dòng)的自由水分子作為一種溶劑，降解微量營(yíng)養(yǎng)素和脂質(zhì)，損害飼料的營(yíng)養(yǎng)和價(jià)值。飼料中水分的持續(xù)釋放，使飼料中水分活度增加到0.70以上，有利于微生物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致飼料發(fā)霉。

左圖為濕熱貯藏飼料袋通風(fēng)。右圖儲(chǔ)存在雙層內(nèi)襯袋中的膨化魚(yú)飼料

蛋雞飼料

      礦物質(zhì)和維生素在高溫和潮濕的環(huán)境中具有很強(qiáng)的活性。在炎熱的熱帶氣候條件下，混合飼料中的預(yù)混料部分(各種必需微量營(yíng)養(yǎng)素)一旦與其他原料混合，就成為一顆滴答作響的定時(shí)破壞。由于游離水的活動(dòng)，必要的微量營(yíng)養(yǎng)素開(kāi)始降解。蛋雞飼料的化學(xué)穩(wěn)定性受到影響。

  許多人沒(méi)有意識(shí)到混合飼料經(jīng)混合機(jī)后的飼料水分活度指標(biāo)在0.70-0.75之間。當(dāng)混合飼料運(yùn)送到農(nóng)場(chǎng)的倉(cāng)庫(kù)時(shí)，一個(gè)下午熱烈的陽(yáng)光就可以極大地激發(fā)飼料內(nèi)部更多的水分流動(dòng)。這增加的自由水分不斷增加 aw，通?？梢赃_(dá)到0.85時(shí)，飼料到達(dá)飼料槽，甚至在24小時(shí)內(nèi)過(guò)渡到混合器，農(nóng)場(chǎng)筒倉(cāng)。Aw 的增加首先導(dǎo)致必需微量營(yíng)養(yǎng)素的生物降解，生命霉菌的增殖，一旦 aw 達(dá)到0.80就會(huì)激 活微生物的生長(zhǎng)。

  這個(gè)問(wèn)題極大地影響了雞蛋的整體品質(zhì)(蛋殼厚度、蛋殼表皮、蛋黃、蛋清)和蛋雞的腸道消化性能(腸道菌群、蛋白質(zhì)的消化率、氨/濕排泄物問(wèn)題)。

左邊的圖片顯示了從混合機(jī)中收集到的飼料的水分活度。右圖顯示飼料槽收集的飼料麥芽漿的水分活度

  由于水分不受控制的運(yùn)動(dòng)，飼料中的生化反應(yīng)速度加快，降解飼料中所含的維生素、微量礦物質(zhì)和氨基酸等必需微量營(yíng)養(yǎng)素。影響維生素穩(wěn)定性的因素有很多，如溫度、濕度、 pH 值、氧氣、光、催化劑、抑制劑、與其他成分的相互作用、能量和時(shí)間。如果儲(chǔ)存得當(dāng)，大多數(shù)維生素可以穩(wěn)定長(zhǎng)達(dá)三個(gè)月，然而，一旦它們與其他成分混合在一起，例如在搗碎飼料中的氧化微量礦物質(zhì)，當(dāng)它們暴露在水分、空氣和溫度中時(shí)，它們的效力就會(huì)迅速喪失。蛋雞缺乏水溶性維生素的一些主要癥狀是它影響雞蛋的產(chǎn)量、質(zhì)量和孵化能力以及雞的生長(zhǎng)和質(zhì)量。由于母雞缺乏維生素的影響是有害的，維生素很容易被破壞，過(guò)度配方是家禽營(yíng)養(yǎng)的做法。禽類(lèi)育種者根據(jù)不同情況下的遺傳學(xué)要求提出了較佳建議。在過(guò)去，補(bǔ)充這些營(yíng)養(yǎng)素并不需要多少成本。然而，這些必需微量營(yíng)養(yǎng)素補(bǔ)充劑的成本在過(guò)去幾年中一直在增加。但過(guò)量的配方不能保證動(dòng)物對(duì)維生素的生物利用度。

在飼料儲(chǔ)存和加工過(guò)程中導(dǎo)致維生素?fù)p失的因素

在散裝倉(cāng)庫(kù)中儲(chǔ)存豆粕

      水分活動(dòng)可能影響物理特性，如水分遷移，紋理等。

    當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，水分遷移發(fā)生在組件之間或與周?chē)h(huán)境之間的規(guī)律性差異。多組分產(chǎn)品中的水分遷移可能導(dǎo)致不良的結(jié)構(gòu)變化。水從 aw 值高的地區(qū)遷移到 aw 值低的地區(qū)，直到 aw 值達(dá)到平衡，但遷移速度取決于結(jié)構(gòu)或擴(kuò)散過(guò)程。濕氣遷移對(duì) aw 的影響可以在下圖所示的濕度收附等溫線中進(jìn)行說(shuō)明。下圖顯示了在平衡相對(duì)濕度和恒定溫度下，當(dāng)水被吸附到產(chǎn)物中并被解吸時(shí)，aw 的變化情況。在實(shí)踐中，這種濕度收附等溫線可能不切實(shí)際的使用，因?yàn)樗菑?fù)雜和獨(dú)特的每個(gè)產(chǎn)品。此外，水分含量與水分活度的關(guān)系隨溫度的變化而變化，當(dāng)材料組成發(fā)生任何變化時(shí)，水分活度也發(fā)生變化。

一個(gè)吸附等溫線的示意圖

  水分活度影響產(chǎn)物的生化反應(yīng)和物理性質(zhì)。豆粕貯藏過(guò)程中的失控腐蝕會(huì)引起加工過(guò)程中的非酶褐變反應(yīng)和貯藏過(guò)程中的水分遷移。由于水分遷移，使豆餅在貯藏過(guò)程中結(jié)塊。此外，水的活性有能力影響非酶褐變反應(yīng)的速度和顏色，這也被稱(chēng)為美拉德反應(yīng)。美拉德反應(yīng)(MR)是還原糖和氨基酸之間的生化反應(yīng)，形成美拉德反應(yīng)產(chǎn)物(MRP) ，進(jìn)一步發(fā)展為晚期糖基化終產(chǎn)物(AGEs)。甚至在室溫下也能發(fā)生，但是速度要慢一些。在濕度為40-70% 時(shí)，反應(yīng)速率隨時(shí)間和溫度的增加而增加。先生對(duì)蛋白質(zhì)質(zhì)量的惡化負(fù)有主要責(zé)任，特別是賴(lài)氨酸是較敏感的氨基酸。在炎熱潮濕的熱帶條件下，SBM 很容易受到過(guò)度儲(chǔ)存的傷害。SBM 含有大量賴(lài)氨酸、精氨酸、半胱氨酸和色氨酸，它們很容易與還原糖發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氨基酸的降解。由于豆粕是飼料配方中很多使用的飼料原料，濕熱飼料制粒過(guò)程中不可避免地會(huì)遇到先入先出的問(wèn)題。飼喂麥芽糊化飼料和顆粒飼料的雞的性能不一致，這主要是由于豆粕的質(zhì)量。一個(gè)很好的指標(biāo)，以確定的程度是顏色變化的產(chǎn)品。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)水分活度接近0.70時(shí)，美拉德反應(yīng)增加。當(dāng) aw 高于0.70時(shí)，反應(yīng)物被過(guò)多的游離水稀釋?zhuān)览路磻?yīng)減慢。

左邊的圖片顯示了儲(chǔ)存在一個(gè)單位倉(cāng)庫(kù)的 SBM 中的結(jié)塊問(wèn)題。右圖顯示了不同階段的美拉德反應(yīng)在 SBM 中的作用。

集裝箱裝運(yùn)玉米蛋白粉

      為了監(jiān)測(cè)從美國(guó)運(yùn)往環(huán)太平洋地區(qū)的玉米蛋白粉(CGM)中水分遷移和aw的影響，進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn)。

  如下圖(左)所示，水分的移動(dòng)在粉狀材料上產(chǎn)生粘性、結(jié)塊和流動(dòng)性問(wèn)題。然而，當(dāng) aw 被控制時(shí)，玉米面筋粉有一個(gè)非常不同的自由流動(dòng)特性，如下圖所示(右)。

左邊的圖片顯示在玉米面筋粉結(jié)塊，而右邊的圖片顯示自由流動(dòng)玉米面筋粉

  較糟糕的是，隨著自由水分的流動(dòng)，aw顯著增加，物質(zhì)到達(dá)港口時(shí)發(fā)霉。下圖(左)。經(jīng)過(guò)處理的 CGM 防止自由水分的移動(dòng)，因此將AW控制在安全水平，從而在裝載點(diǎn)保持新鮮度和原始質(zhì)量，如下圖(右)

(左圖)玉米蛋白粉中的外殼和霉菌。(右)圖為容器內(nèi)自由流動(dòng)的玉米蛋白粉。

棕櫚仁顆粒的質(zhì)量完整性

      這項(xiàng)試驗(yàn)是為了調(diào)查從馬來(lái)西亞運(yùn)往日本和韓國(guó)的集裝箱產(chǎn)品陳舊的投訴。將來(lái)自同一生產(chǎn)批次的2噸新鮮產(chǎn)品與1噸控制PKE顆粒一起袋裝，并將另一個(gè)經(jīng)過(guò)處理的1噸PKE顆粒裝袋。所有袋子都堆放在顆粒上，并在生產(chǎn)中較熱的區(qū)域儲(chǔ)存90天，以模擬挑戰(zhàn)。

  90天后，結(jié)果令人吃驚。下圖清楚地顯示了控制和治 療之間的區(qū)別。對(duì)照組(圖左)看起來(lái)變色，有陳腐的外觀，沒(méi)有香氣的聚酮酮。測(cè)試組(圖右)有一個(gè)非常新鮮的外觀，保持其原有的質(zhì)量，并仍然有一個(gè)強(qiáng)大的聚酮酮類(lèi)藥物的氣味。

  這是水分運(yùn)動(dòng)和活化aw的另一個(gè)經(jīng)典案例，損害了產(chǎn)品的化學(xué)穩(wěn)定性。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和脂質(zhì)降解，這解釋了對(duì)照組質(zhì)量差的原因。

圖(左)為未經(jīng)處理的對(duì)照組，圖(右)為實(shí)驗(yàn)組

家禽顆粒飼料加工過(guò)程中的水分活度和含水量

       飼料試驗(yàn)進(jìn)行了調(diào)查添加和捕捉水對(duì)加工顆粒飼料質(zhì)量，淀粉蒸煮/糊化，數(shù)據(jù)如圖所示。為了展示一個(gè)捕捉水的程序的效果，比如從混合器中加入的水中得到水分，再加上從蒸汽中得到的微小水分進(jìn)入飼料化學(xué)中。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“陽(yáng)性糖化”(這只只是為了淀粉顆粒膨脹和足夠程度的蛋白質(zhì)變性)。這個(gè)結(jié)果隨后被預(yù)煳化淀粉成像捕捉到。

  使用處理進(jìn)料時(shí)，請(qǐng)注意在攪拌機(jī)上加水后aw上的尖峰。有趣的是，處理組的成品飼料具有較高的水分含量，但與對(duì)照組相比，水活性較低。為了淀粉糊化目的捕獲水分，這反過(guò)來(lái)又鎖定了淀粉膨脹/烹飪過(guò)程中使用的水解水，這表明了飼料加工的積極化學(xué)變化。

丸粒飼料試驗(yàn)的飼料質(zhì)量參數(shù)記錄

左邊的圖片是對(duì)照組，aw 為0.68，水分含量為10.14%，右圖為處理組 aw 值為0.59，水分含量為10.86%

總結(jié)

       水分活度是控制飼料和飼料成分質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)樗腔瘜W(xué)反應(yīng)和微生物反應(yīng)的可靠指標(biāo)和預(yù)警指標(biāo)。這就是我們?nèi)绾喂芾砗涂刂萍Z食儲(chǔ)存，飼料的運(yùn)輸，飼料加工的顆粒飼料和擠壓飼料，以及處理的醪飼料。這將決定我們?nèi)绾蚊鎸?duì)挑戰(zhàn)，保持糧食質(zhì)量過(guò)度儲(chǔ)存，加工飼料在后期生產(chǎn)。建立了行之有效的管理和控制法律的方法，并取得了行之有效的結(jié)果。用防霉劑來(lái)解決發(fā)霉問(wèn)題就像試圖用滅火器來(lái)拯救著火的建筑一樣，但這座建筑物仍然被燒毀和破壞。