擠壓處理在飼料工業上的應用

壹、緒論

        加熱擠壓處理在食品及飼料界的使用，這幾年愈來愈普遍。簡單的分析擠壓機具，主要是一具基本的馬達轉軸，當食品或飼料在其中遭受到熱力、壓力及高剪力時，內容物被強烈的壓迫，進而改變產品的結構。最初加熱擠壓處理是應用在食品的製作上，自從1960年代，當全黃豆開始利用在動物生產時，即開始運用簡單的加熱擠壓機具以改進黃豆作為精料的營養價值。由於生黃豆內含許多生物性的抗營養分因子，這會影響到動物的生產及健康，因此造成生黃豆無法大量的利用在非反芻動物的飼料。黃豆有多種重要的抗營養物質，其中最為人注意的是蛋白質酵素抑制因子(trypsin及chymotrypsin)和haemagglutinins。黃豆也包含外源凝集素、尿素脢、皂角甘、甲狀腺腫源、含佝僂病因子、過敏因子及金屬螯合因子等，這些物質都會對動物生長有負面影響。幸運的，許多抗營養因子對熱不安定，在擠壓艙中由於磨擦及剪力的作用產生熱度及機械壓力，此種機器運作所提供的適中操作溫度達到138℃~150℃，這種溫度和壓力的混合作用已足夠使黃豆中的抗營養因子變性，而能應用於動物飼料中；另外是擠壓軸的磨擦運作也能藉著攆破細胞壁的方式提升營養價值，而使產品增加生物利用性。因此，在算計完熱處理的價值效應之後，生物質的營養潛力從開啟。

貳、擠壓處理的種類

        擠壓處理一般而言分為兩類，一者為乾式擠壓，一者為濕式擠壓。乾式擠壓最初是應用在全黃豆的處理過程。於此操作上，由於黃豆內含的高量油脂成分本身即是良好的潤滑劑，因此擠壓過程中添加水汽變得沒有必要，因此就有這種乾式的操作。乾式擠壓機一般是一具單螺旋軸的機器，物料直接進入擠壓機的螺旋軸內，經磨擦生熱產生高溫高壓，而後由較尖的出口(表面裝置篩孔)噴出。擠壓艙中的溫度在140℃以上，物料通過時間約25秒。由於沒有加水潤濕的緣故，雖然有物料本身的油脂，乾式擠壓所產生的溫度還是較高，而且所需的動力較大，並容易因為溫度控制不當而易使物料損失營養分。但因為減少調質及乾燥的過程，所以操作較為簡便且投資成本較少。

        擠壓技術如今發展不僅僅在黃豆擠壓上，更利用在許多種含水高的原物料及大部份混合產品的生產上，比如雞雜粉、水產飼料及寵物食品。基於這些綜合產品，在擠壓過程中加入外來的水分(液態或水蒸汽)再重新調質就變得需要，這就是濕式擠壓方式。濕式擠壓先把磨碎物料注入水蒸汽以調整水分及溫度，再進入擠壓機的螺旋軸，利用磨擦產生高溫高壓(水產飼料還會在螺旋軸中加入水蒸汽)，再由較尖的出口篩孔噴出，而擠壓出後尚需要乾燥產品。物料在擠壓艙中短時間受到120℃以上的溫度，由於水分含量較高因此溫度較乾式擠壓低，較容易控制溫度以保持物料的養分，但設備較多、成本較高。

參、擠壓處理對物料組成的影響

        在考慮飼料產品將以擠壓處理進行製造之前，先了解擠壓處理作用於生原料或飼料中主要組成的影響是必需的。

        一、對澱粉質的影響

        得自於穀類及根莖植物的生澱粉常發生分子的顆粒凝聚作用，這些顆粒本身會在室溫下吸收附近的些少許水分。然而，在擠壓處理下澱粉顆粒因為受到剪切力及水分的加入，而使其中的直鏈澱粉分解破裂，澱粉顆粒故而膨脹並分子重排，這些作用類似水和作用。澱粉顆粒即呈現均質的凝膠結構，且有良好的吸水性。這種從生澱粉型態到改變成膠狀的過程即為膠質化。膠質化的進行熱力是必要的，而水和作用雖然必需含水，但若在高剪力情況下，則較沒有關係。膠化澱粉具備強大的結合能力而可以黏住其他成分以形成制式的成品。另外，膠化作用所增加的大量吸水力可以改善飼料轉換率，並因為組織結構改變使酵素分解更容易，因此膠化澱粉傾向於比生澱粉有更好的消化性，如此內含澱粉之產品的營養價值即可以因為擠壓過程而提高。另一個關於澱粉的部分是糊化作用，這是超膠化作用的階段，於此階段澱粉分子被打斷而形成更短分子的糊精樣物質。而糊精化澱粉對水分的吸收力很差。正常的擠壓處理在適中的壓力及水蒸汽下，可以得到理想的膠化程度且糊化作用較低。如果溫度逐漸提高且水分含量降低，則膠化作用及糊化作用都會開始增加。如果溫度提高及降低濕氣持續進行，將會達到一轉折點，而後澱粉分子繼續被打斷成糊精及其他更小分子，糊化作用轉強且膠化澱粉總數開始減少。在達到轉折點之前，水分吸收能力及溶解力會隨擠壓處理時的溫度提高及濕度減少而呈線性增加，過了此點溶解力繼續上升但水分吸收力則開始下降。理想的操控澱粉擠壓，必需避免過度糊化，以影響成品製成。

        二、對蛋白質的影響

        有些蛋白質在擠壓之前即因進行過度的加熱處理，使得蛋白質部分變性，因此擠壓作用無法發揮更大的效果(如萃取黃豆粉)。而一般物料中的蛋白質在確實的擠壓處理下，這些蛋白質也能如同澱粉一般的膠化，溶解力及吸水力會增加。另外，蛋白質結構之適度打斷可以增進消化率。除了以上增強消化作用的影響外，擠壓處理也能把一些會抑制正常的消化或降低產品的儲存時間的蛋白質結構變性。比如說，尿素脢這種存於大豆中的不受歡迎的成分，便可以藉著擠壓處理使之不活化。其他的酵素諸如米糠中的脂肪酵素也是不受歡迎的，因為此酵素會加速米糠中油脂的腐敗進行，脂肪酵素也可以利用擠壓處理而變性。當然過度的加熱會使蛋白質因為過度變性而反使胺基酸消化率下降，但不同程度的處理可進行不同目標，因為一些商品化的過瘤胃蛋白質即是以適當的變性蛋白質進行保護，以避免優良蛋白質在瘤胃中先被微生物所利用。

        三、對脂肪的影響

        擠壓處理對脂肪有一些效果，當與碳水化合物相混的脂肪被擠壓，脂肪傾向於形成一種鬆散的混合物，此種結構將降低脂肪在乙醚中的溶解度。但是，脂肪在擠壓過程裡主要的物理功能，是因為脂肪可以作為潤滑劑而且有限制膨脹的傾向。

       四、對纖維的影響

        擠壓處理對纖維有一些效果。然而大部份的纖維密度似乎會因為擠壓處理而有提升的趨勢。這可能是擠壓處理打斷並壓縮纖維束之機械作用的結果。

        五、對礦物質及維生素的影響

        大部分的礦物質對擠壓過程反應遲鈍。維生素A、C、塞胺及菸鹼酸是熱敏感性的，而且大部分通過擠壓機的維生素都會被破壞。這種缺失必需以在擠壓處理前額外添加(礦物質、維生素)或在擠壓處理後再添加(礦物質、維生素)來克服。

        六、對飼料添加物的影響

        許多飼料添加物諸如香精、防霉劑、及其他安定劑都對擠壓處理具敏感性。例如為了生產不同味道的香精添加，在擠壓製作過程中即被打斷，而且許多香精在蒸汽瞬間作用下自機器中揮發出去。

肆、擠壓處理的應用

        擠壓機是極度多用途的機器。一般應用如下所述。

        一、油籽及豆類的處理

        許多生油籽及生豆類都內含一些營養抑制成分，因此阻礙作為飼糧的利用效率。在這些油籽及豆類作為飼料組成時，乾式擠壓處理就成為剋制抑制成分的良好手段。這種效應主要是由於抑制成分對熱變性的感受性。能以乾式擠壓法有效處理的油籽及豆類包括：黃豆、亞麻籽、花生、菜籽、田豆、莞豆、扁豆等。另外米糠能夠經由擠壓過程來抑制其本有脂肪酵素作用所生成的惡臭。這允許物質在傳統萃油過程前先進行儲存，且降低油脂品質惡化的危險。黃豆的擠壓處理也相似，黃豆油的品質能有效的增進。

        黃豆中有70％的水溶性蛋白質存在於GLYCININ及β─CONGLYCININ的結構中，這種結構不但是造成過敏的抗原，也使水溶性蛋白質無法利用(stanley 1989)。另外胰蛋白酵素抑制因子也使動物消化道中的酵素無法作用，這些不良成分利用擠壓處理的高剪力及熱力即可以加以破壞。表一所示即為黃豆產品經過擠壓處理可以降低黃豆中本有的不良因子，所以相較之下擠壓產品的不良成分就比非擠壓產品低。

表一、擠壓處理對黃豆產品品質的影響

(FRIESEN ET AL., 1993)       

        二、提高飼料組成的營養價值

        一些年幼動物對飼料的消化利用不如成長動物來得成熟，因此除了飼料配方較為精細之外，提高原有飼料原料本身的營養利用性也是必要的手段，擠壓處理就可以提高一般飼料原料組成的營養價值。RODHOUSE在1992年針對40頭仔豬的迴腸末端裝置T型管，以研究擠壓處理對仔豬之蛋白質與胺基酸的消化影響。表二為擠壓處理黃豆粉與一般黃豆粉在仔豬迴腸末端及糞便之消化率結果，可以發現擠壓處理的黃豆粉確實比一般黃豆粉有更優良的胺基酸消化。而表三則顯示擠壓處理的黃豆粉與離胺酸添加都可以提高仔豬腸道的氮吸收與能量的利用。因此一些仔豬人工乳等的仔畜飼料利用擠壓處理的原料來配製。

表二、擠壓處理在仔豬迴腸末端及糞便之必需胺基酸表面消化率

以*記號表示迴腸末端的消化率與糞便消化率有顯著差異。(RODHOUSE ET AL., 19992)

表三、不同離胺酸來源對仔豬腸道中氮及能量的利用

(RODHOUSE ET AL., 1992)

        三、濕性有機副產物的再利用

        擠壓處理之殺菌及氫化的性能可以運用在物質的循環再利用，諸如魚廢料、家禽廢料、羽毛、肉屑、及乾酪廢料等。擠壓處理不但可以殺滅廢棄物原有的生菌，更賦予其利用價值，減少廢棄物與浪費。

        TADTIYANANT在1993年的報告即是分別利用死雞、羽毛粉(有水解及無水解)、蛋殼、及孵化產廢棄物，以玉米粉或黃豆粉調整其含水量，再進行擠壓處理形成原物料配合入飼料中所作的試驗。表四是餵飼0~3週齡肉雞的飼養成績，可以發現在體重的數據及在飼料轉換率上，擠壓的產品普遍較對照組的玉米─黃豆粉飼糧來得高，餵飼以擠壓原料的雞隻，除了餵飼未經酵素處理之羽毛粉外，其他組都有較好的生長傾向，顯示羽毛粉的應用尚需要酵素的配合。雖然部份統計上沒有顯著的差異，但至少增加了一些可利用的原物料。TADTIYANANT(1993)並認為此種較好的成績是因為擠壓家禽廢棄物的添加提高了營養的平衡。

表四、擠壓家禽廢料對肉雞體重及飼料轉換率的影響1

1. 數據  為每欄十羽、四欄肉雞的平均值。

2. 擠壓原物料為25％濕原料(死禽或羽毛)混入75％黃豆粉後進行擠壓處理而得。

        (TADTIYANANT ET AL., 1993)        

        在蛋雞的餵飼試驗則是運用蛋殼粉、孵化場固態廢棄物、孵化場混合廢棄物及機械去骨的雞雜等混入適當玉米粉調整含水量之後再擠壓形成原物料，以此原物料配合成完全飼料作蛋雞的餵飼。表五為試驗的成績，由試驗三的數據所顯示，採食配合飼料中含有擠壓處理廢料的蛋雞比對照組(採食玉米黃豆飼糧)有較佳的產卵率，而蛋重雖較輕，但經濟卵重也有較重的傾向，在飼料轉換率上也比對照組稍佳。不過相同的試驗四所得的數據卻與試驗三相異，但是這兩組試驗數據所作的統計都沒有顯著的差異，這表示經過適當處理的擠壓廢棄物可以得到相當於一般玉米黃豆粉飼料的飼養成績(TADTIYANANT ET AL., 1993)。而且以上四個試驗在擠壓前生物料所作的生菌數測定，從每克生原料一百億到數萬單位，而當擠壓結束後作立即測定卻沒發現有微生物，因此以擠壓處理可以清淨原物料。

表五、擠壓處理的蛋雞廢棄物對蛋雞的飼養效益1

1. 每組六十羽產蛋雞作統計。

2. 粉碎玉米：蛋殼粉(混態)為25：75混合比例，再進行擠壓處理。

3. 粉碎玉米：孵化場固態廢棄物為40：60混合比例，再進行擠壓處理。

4. 粉碎玉米：孵化場混合廢棄物為25：75混合比例，再進行擠壓處理。

5. 粉碎玉米：機械去骨雞雜(濕態)為25：75混合比例，再進行擠壓處理。

    (TADTIYANANT ET AL., 1993)

        上項的作法是先把家禽廢棄物擠壓處理後再與其他原物料混合而後進行飼養，另一種作法是把廢棄家禽先磨粉乾燥再與其他原物料混合，最後再把完全飼料進行擠壓處理。HAQUE在1991年的報告就是利用磨碎淘汰母雞、家禽副產物、羽毛粉等混合其他原物料後再擠壓處理這些完全料所進行的試驗。表六為試驗的結果，在試驗一顯示採食混有全雞粉的擠壓日糧之肉雞有明顯較重的體重及較好的飼料效率，而其他處理組的飼養成績也都比對照組優良，雖然大多數據都沒有顯著的統計差異，卻也可看出擠壓處理的日糧都比非擠壓組日糧有較好的飼養成績。但是在試驗二卻有不相同的飼養成績，除了混有全雞粉的擠壓飼料依然保持明顯的最佳飼養成績外，有些處理組反比對照組差些，而且飼養成績擠壓日糧也比非擠壓日糧差。不過除了混入羽毛粉的擠壓飼糧外，其他組與對照組沒有顯著統計上的差異。試驗一與試驗二結果上的不同有一種可能，就是擠壓溫度的差異，因為試驗一的擠壓溫度是132℃，而試驗二的擠壓溫度為140℃，或許溫度差別不大，但很可能已對試驗二的擠壓日糧組成造成一些損害或產生變性物質，使得適口性變差並採食量下降，因為試驗二的飼料效率擠壓處理組與非擠壓處理組之間並沒有顯著差異(反而家禽副產物擠壓飼料的飼料效率比不經擠壓處理者更好)。當然兩組試驗也顯示擠壓處理可以殺滅飼料中原有的微生物。由這兩組試驗顯示了含有全雞粉的擠壓飼料可以提供更好的飼養成績。

表六、擠壓及非擠壓處理的家禽廢棄物對0~3週齡肉雞的飼養效果

1. 飼糧中含有9.3％全雞粉再進行擠壓處理。

2. 飼糧中含有8.8％PBM＝家禽副產物粉及0.5％FM＝粉碎羽毛粉。

3. 飼糧中含有9.3％家禽副產物粉。

4. 飼糧中含有2.5％粉碎羽毛粉，羽毛粉並無酵素處理。

    (HAQUE ET AL., 1991)

        四、反芻動物精料的運用

        擠壓處理的全脂黃豆粉除了可以作為反芻動物及單胃動物良好的蛋白質來源外，近幾年所提倡的過瘤胃蛋白質也可以利用擠壓處理來製作。由於反芻動物的瘤胃微生物能夠利用劣質蛋白質及非蛋白氮合成自家菌體蛋白，而後反芻動物再籍以利用菌體蛋白合成體組織，換句話說如果餵飼以高品質蛋白質給予反芻動物，即有大部分先讓微生物處理了才轉到動物本身，這意味對高品質蛋白質而言造成浪費。對經濟性的產乳反芻動物比如乳牛及乳羊而言，當其產量愈高則對氮的需求愈高，因此適度補充質優的蛋白質即成為業者的主張，而要達此目的就要先能使蛋白質避開微生物的襲擊，不經發酵作用即通過瘤胃進入皺胃，因此擠壓處理製成的過瘤胃蛋白質即是在此要求下發展的成品。

        在KO於1992年對羔羊所作的試驗，就是以黃豆分別經過125℃、135℃、及145℃擠壓處理30秒，混合成TMR飼料進行餵飼，由於在羔羊的瘤胃及皺胃分別裝入蔞管，因此可以測定出飼料消化情形。表七為試驗結果，其中可以看出每日流通到皺胃中的氮量因為擠壓處理而增加，並且不是氨量的增加，也不是菌體氮增加而是來自日糧中所含氮的增加。這顯示出日糧中所含氮之流通到皺胃的速度，當黃豆經過擠壓處理後會有加快的傾向，而且與125℃到145℃的擠壓溫度有正相關。在總胺基酸流通到皺胃的量方面也有相似的趨勢，這可以證明擠壓處理能夠減少蛋白質在瘤胃中的降解，而增加腸道的胺基酸供應，亦即擠壓處理可以保護蛋白質免受微生物的發酵作用，直接通過到皺胃消化由腸道利用。

表七、餵飼擠壓處理黃豆對羔羊瘤胃到皺胃中氮流通的影響

(KO ET AL., 1992)

        在其他的報告也指出擠壓或高溫處理的黃豆在瘤胃中傾向於低的蛋白質降解。表八為ANNEXSTAD在1987年對乳牛所作的試驗結果，可以發現經過擠壓處理的黃豆在瘤胃中的氮處理速率及蛋白質降解率都比生黃豆低。在STERN(1985)的報告就提到全黃豆經過149℃擠壓處理後，在瘤胃中的降解率就比黃豆粉差。這種事實對反芻動物的利弊各家說法不一，ANNEXSTAD(1987)的報告認為擠壓處理黃豆對乳牛的乳產量沒有任何幫助，反而略有下降傾向；但是RUEGSEGGER and SCHULTZ在1985年的試驗卻發現採食熱處理的黃豆能增加乳產量；BLOCK(1981)的報告指出熱擠壓處理黃豆每天的餵飼量超過6kg才會不適當；另外有幾篇報告則認為餵飼擠壓處理黃豆的乳產量與餵飼黃豆粉的生產成績沒有差異；還有報告(MIELKE ET AL., 1981)指出乳牛採食擠壓黃豆後乳中的長鏈脂肪酸增加並降低短鏈脂肪酸。由於乳牛的試驗變因很多，所以報告間的差異也不小，因此只能說擠壓處理也提供了過瘤胃蛋白質這種產品，至於過瘤胃的好處非本文討論的範圍。

表八、餵飼擠壓處理黃豆對乳牛瘤胃中氮及蛋白質的影響

(ANNEXSTAD ET AL., 1987)

五、其他

        擠壓處理的用途是很多的，水產飼料、小動物飼料、寵物食品等等多樣化的特殊飼料都是利用擠壓的技術完成成品。人們的早餐穀類食品、結構性蔬菜蛋白點心等也都可以運用擠壓過程來製造。另外在工業上的利用，如擠壓膠化澱粉能用來作紙類黏著物、煤球黏合劑、濃厚劑、及飼料打粒黏著劑。擠壓處理也可以用在釀造工業，以增加澱粉的發酵物並生產擴大生物降解的內容物質。

伍、擠壓處理與一些飼料處理的簡單比較

        各種飼料處理技術都有其獨到的地方以因應不同的飼養手段，表九只是就全脂黃豆粉的製造針對表面代謝能及氮繫留所作的比較，當然這些不同的處理過程對產品的營養有不同的影響，並且對抗營養物質的破壞程度也不同，使用的取決應視動物飼料的需要與價格進行考量。表十為節錄自擠壓處理水產飼料的比較表，因為擠壓處理和打粒處理有一些相似的機械原理，兩者都具備壓力和熱度的運作，不過由表十可看出擠壓處理不但在製作水產飼料有其特出的優良性，就是在其他飼料的製造也比打粒處理有更寬廣的運用。

表九、對全脂黃豆粉施以不同處理方式，其能量質及氮繫留之比較

(J. Wiseman Feed International. February 14,1984)

表十、擠壓處理及打粒在水產飼料製造的比較

陸、結語

        擠壓處理可以增加飼料的營養效益、可以提高加工副產物的價值，並可以減少廢棄物料的產生，實為飼料工業優良的機具。在考量飼料生產的成本、飼料販售的收益、與飼料飼養的成績等因素後，可以決定擠壓處理的應用。

飼料營養雜誌(p.18∼32)─呂政錡．九五年第八期

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