膨化制粒和环模制粒工艺对饲料制粒加工质量和凡纳滨对虾生长性能的影响

蔡友旺, 黄翃飞, 李小勤, 冷向军

(水产科学国家级试验教学示范中心,上海海洋大学1,上海 201306)

(农业部鱼类营养与环境生态研究中心,上海海洋大学2,上海 201306)

(水产动物遗传育种中心上海市协同创新中心,上海海洋大学3,上海 201306)

膨化颗粒饲料是将粉状原料送入膨化机内,经过调质、升温、增压、挤出模孔、骤然降压、切粒、干燥等过程所制得的蓬松多孔的颗粒饲料。如果在挤出模孔前予以降压降温处理,则可生产沉性的膨化颗粒饲料,即沉性膨化颗粒饲料。膨化过程中的高温、高压和高剪切力可破坏饲料中的抗营养因子,促进淀粉的糊化与水解,从而提高饲料的利用率。此外,膨化颗粒饲料还具有较好的水中稳定性,易于投喂和管理,能降低水产养殖过程中 N、P的排放。因此膨化颗粒饲料在水产养殖中的应用发展十分迅速。

凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)是中国及至世界较重要的对虾养殖品种。传统的虾料采用环模制粒,主要加工工序包括粉碎、混合、调质、制粒、后熟化、冷却等。环模硬颗粒饲料有体积小、密度大、便于储存和运输、加工成本较低等特点,相比于膨化颗粒饲料,硬颗粒饲料淀粉糊化度较低,营养成分损失较少。膨化颗粒饲料在其特定加工条件下,可能会导致部分蛋白质、还原糖以及维生素等热敏性营养物质的损失。

然而,关于膨化颗粒饲料和硬颗粒饲料作用效果的对比,其结果并不完全一致。在泥鳅(Misgurnusanguillicaudatus)[1]、草鱼(Ctenopharynodonidellus)[2]、哲罗鲑(Huchotaimen)[3]和虹鳟(Oncorhynchusmykiss)[4]的研究中,膨化饲料较硬颗粒饲料显著提高了鱼体生长性能;而在斑点叉尾鮰[5]、湘云鲫[6],膨化饲料在增重和饲料系数上并没有表现出优势。目前,有关膨化颗粒饲料和硬颗粒饲料效果的研究对比大都在鱼类方面开展,而在对虾方面的研究报道较少。

目前有关沉性膨化颗粒饲料在凡纳滨对虾中的研究应用刚开始起步。胡兵等[7]比较了3种蛋白水平下膨化饲料和颗粒饲料对凡纳滨对虾的作用效果,发现在46%粗蛋白水平下,膨化颗粒饲料和颗粒饲料对虾体增重率无显著影响,但在41%和43%蛋白水平下,膨化颗粒饲料组的增重率显著高于颗粒饲料组,但该研究中没有提供饲料系数的数据。在凡纳滨对虾养殖中,沉性膨化颗粒饲料和硬颗粒饲料相比,在生长性能、饲料利用、肝胰腺和肠道组织学等方面,是否存在不同的影响目前均缺乏系统研究。故研究以凡纳滨对虾为对象,在同一配方条件下,采用环模和膨化机制成硬颗粒饲料和沉性膨化颗粒饲料,比较2种加工方式对饲料制粒加工质量和凡纳滨对虾生长性能、饲料利用、肝胰腺和肠道组织学的影响,为沉性膨化颗粒饲料在对虾养殖中的合理应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验设计和饲料生产

基础饲料组成见表1,分别采用环模制粒机和双螺杆膨化机制成硬颗粒饲料和沉性膨化颗粒饲料。

表1 实验饲料水平及营养水平实测值(干质量/g/kg)

硬颗粒饲料在虾料生产线上制作,按每批1 000 kg生产。原料粉碎细度≥80目,调质温度85 ℃,调质时间20 min,环模模孔长径比1∶26,后熟化温度100～110 ℃,后熟化时间为25 min,所生产饲料直径1.2 mm、长3.5 mm。

SWFP66×60D锤片式微粉碎机,TDCWF150超微粉碎机,SBTZ33C双轴差速调质器,宜大530制粒机,KB-05C稳定烘干机。

沉性膨化颗粒饲料由浙江海洋大学张月星教授实验室提供,使用62型双螺杆挤压膨化机生产,主要生产环节包括调质、膨化制粒、烘干、后喷涂(油脂)等,所制沉性膨化颗粒饲料直径1.2 mm、长2 mm。

1.2 实验虾及饲养管理

凡纳滨对虾虾苗于实验开始前在上海海洋大学滨海基地使用商品料暂养2个月。选取初始体重为(7.72±0.01)g的规格均匀、健康对虾320尾,随机分为2个处理组,每个处理组4个重复,每个重复40尾对虾,分别置于8个网箱中(1.0 m×1.0 m×1.2 m)。

养殖管理期间,每日按对虾体质量的2%～5%进行投喂,分别在7:00、12:00、17:00和23: 00各投喂1次。每日通过观察对虾摄食和天气的情况,做出相应的调整,使各网箱投喂量基本一致,确保2 h内能够将饲料采食完;昼夜充气,每周吸污1次,将池底残饵和粪便排出后换水1/3。实验期间,水温22～25 ℃、盐度0.5‰～1.0‰、溶氧≥5.6 mg/L、pH 7.8～8.5、氨氮≤0.2 mg/L、亚硝酸盐≤0.05 mg/L,养殖周期共42 d。

按照中国实验动物科学协会制定的实验动物福利规定,所有涉及对虾的实验均由上海海洋大学(中国上海)动物管理和使用委员会(IACUC)批准。

1.3 样本采集

养殖结束前禁食24 h,称量每个网箱对虾的总质量,并记录存活尾数,用于计算生长性能指标;每个网箱随机挑选9尾对虾,其中5尾对虾分别称量体重、体长,并再取肝胰腺和肌肉分别进行称重,用于形态指标(肝体比、肥满度和含肉率)的计算;每3尾对虾肝胰腺合成1个样本,共3个样本,置于-80 ℃保存,用于消化酶活性和糖代谢相关酶活性的测定;每网箱另取2尾虾,采集肝胰腺和肠道用于组织学观察;另取4尾对虾,保存于-20 ℃冰箱中用于全虾体成分分析。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 饲料制粒加工质量指标

硬度(kg):使用GWJ-2谷物硬度计,选取长度一致的30粒饲料,将饲料颗粒径向放到载物台上,转动手轮使顶杆缓慢向上移动加压,饲料破碎瞬间的显示数值为最大硬度值,计算30粒饲料硬度的平均值。

容重(g/L):使用ST128电子容重器,测定单位体积内所容纳饲料的重量,重复测定3次,并取得平均值。

含粉率:每组饲料称取3份,每份600 g饲料,分别使用40目标准筛在ZBSX-92A型振筛机上5 min后,称量粉末质量,计算饲料的含粉率,并取得含粉率平均值。

耐久性指数:每组饲料称取3份,每份600 g饲料,分别使用40目标准筛在ZBSX-92A型振筛机上筛理5 min后,取500 g置于ST136饲料颗粒粉化率测定仪中10 min,再通过振筛机筛理5 min,筛去细粉,计算颗粒饲料耐久性指数,并取得耐久性指数平均值。

溶失率:每组饲料称取5份,每份10 g,先取2份在105 ℃下烘干至恒重。再取3份分别放入自制圆筒形网筛中(孔径0.450 mm,直径6.5 cm,高6.5 cm),在(25±2)℃、水深5.5 cm的容器中浸泡2 h后,上下提3次,使饲料离开网筛底部,将浸泡后的饲料在105 ℃下烘干至恒重,计算饲料的溶失率,并取得溶失率平均值。

淀粉糊化度:饲料淀粉糊化度的测定参照熊易强[8]的方法。该法是根据糊化后的淀粉易被酶解释放出葡萄糖的原理测定的。取4份相同质量的饲料样品,2份加缓冲液,置沸水浴中加热,令其充分糊化,即为全糊化样品。然后与另2份样品在同样的缓冲液和温度下,用淀粉葡萄糖苷酶水解,将糊化的淀粉转化为葡萄糖,再用吸光光度法测定,比较各自的葡萄糖含量,计算淀粉糊化度平均值。

1.4.2 生长性能和形体指标

计算对虾的存活率、增重率、摄食量、饲料系数(FCR)、蛋白质沉积率、肝体指数、肥满度、含肉率。

蛋白质沉积率=

1.4.3 实验饲料、全虾组成分析

饲料和全虾的水分含量在105 ℃下烘干至恒重测定(GB/T 6435—2014)[9];粗蛋白质含量采用自动凯氏定氮仪测定(GB/T 6432—2018)[10];粗脂肪含量采用氯仿甲醇法测定;粗灰分含量是在550 ℃马福炉中灼烧5 h后测得(GB/T 6438—2007)[11]。

1.4.4 肝胰腺消化酶和糖代谢相关酶活性

消化酶活性:将对虾肝胰腺从-80 ℃冰箱取出,4 ℃解冻,用9倍生理盐水匀浆(4 ℃),3 000 r/min离心15 min,取上清液测定相关酶活性。

蛋白酶活力的测定采用福林酚法。蛋白酶单位定义(U/mg prot):1 mg组织蛋白在40 ℃、PH 7.2条件下,1 min水解酪素产生1 μg 酪氨酸定义为1个酶活力单位。淀粉酶活力的测定采用碘-淀粉比色法测定。淀粉酶单位定义(U/mg prot):1 mg组织蛋白在37 ℃与底物作用30 min水解10 mg淀粉定义为1个淀粉酶活力单位。酶液蛋白质浓度采用考马斯亮兰法测定。

糖代谢相关酶活性:丙酮酸激酶(PK,U/g)、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK,U/g)、葡萄糖-6-磷酸酶(G6P,U/g)、磷酸果糖激酶(PFK,U/g)、己糖激酶(HK,U/g)使用试剂盒测定。

1.4.5 肠道和肝胰腺组织学观察

将保存于波恩试液的肠道和肝胰腺组织经过脱水、透明、浸蜡和包埋、切片(5 μm),苏木精伊红(H.E)染色,中性树胶封片。利用Olympus DP71显微镜对切片进行观察与拍照,测量肠道绒毛高度、绒毛宽度及肌层厚度。

1.5 数据处理

实验所得数据以平均数±标准差表示,以SPSS统计软件进行独立样本T检验,P<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 饲料加工质量指标

由表2可见,和硬颗粒饲料相比,沉性膨化颗粒饲料的容重、耐久性指数和淀粉糊化度显著增加(P<0.05),硬度和含粉率显著降低(P<0.05),但二者在溶失率上没有显著差异(P>0.05)。

表2 环模制粒和挤压膨化制粒对虾饲料加工质量的影响

2.2 生长性能

由表3可见,经过6周养殖后,沉性膨化颗粒饲料组的增重率在数值上高于颗粒饲料组,但二者无显著差异(P>0.05);沉性膨化颗粒饲料组的饲料系数显著低于硬颗粒饲料组(P<0.05);二组在摄食量、成活率、蛋白质沉积率、肝体指数、肥满度和含肉率上均无显著差异(P>0.05)。

表3 摄食硬颗粒饲料和沉性膨化颗粒饲料的凡纳滨对虾的生长性能

2.3 全虾体组成

由表4可见,2组对虾在全虾粗蛋白、粗脂肪、粗灰分和水分含量上没有显著差异(P>0.05)。

表4 摄食颗粒饲料和沉性膨化饲料的凡纳滨对虾的体组成(鲜质量/%)

2.4 肝胰腺消化酶和糖代谢相关酶

由表5可见,摄食硬颗粒饲料和沉性膨化颗粒饲料的凡纳滨对虾在肝胰腺蛋白酶、淀粉酶活性方面没有显著差异(P>0.05),在糖代谢相关酶活性方面,包括丙酮酸激酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、葡萄糖-6-磷酸酶、己糖激酶,也没有显著差异(P>0.05)。

表5 硬颗粒饲料和沉性膨化颗粒饲料对凡纳滨对虾肝胰腺消化酶和糖代谢相关酶的影响

2.5 肠道和肝胰腺组织学

由表6和图1可见,在硬颗粒饲料组和沉性膨化颗粒饲料组中,对虾的肠道组织结构清晰,绒毛完整,未出现损伤脱落情况,二者在肠道绒毛高度、宽度和肌层厚度上均无显著性差异(P>0.05)。

注:VH为绒毛高度;VW为绒毛宽度;MT为肌层厚度。图1 摄食硬颗粒饲料和沉性膨化颗粒饲料的凡纳滨对虾肠道组织学切片

注:A为基底膜;B为分泌细胞(B细胞);C为星形管腔;R为吸收细胞(R细胞);F为纤维细胞(F细胞)。图2 摄食硬颗粒饲料和沉性膨化颗粒饲料的凡纳滨对虾肝胰腺组织学切片

表6 硬颗粒饲料和沉性膨化颗粒饲料对凡纳滨对虾肠道组织学的影响

在肝胰腺组织学方面(图2),二组对虾肝胰腺组织显微结构均表现正常,肝小体之间连接紧密,基底膜结构完整,星形管腔结构清晰,管腔大小和上皮细胞厚度适中。

3 讨论

在饲料加工质量指标方面,研究测定了饲料的硬度、容重、耐久性指数、含粉率、溶失率和淀粉糊化度。硬度是对外界压力所引起变形的抵抗能力。适当的饲料硬度可以减少饲料粉化率,提高饲料耐水性,但硬度过大会影响饲料的适口性和可消化性。含粉率是指饲料产品中的粉末质量与总质量的百分比;耐久性指数是指饲料抗破碎的能力,耐久性指数越大抗破碎能力越强,饲料质量越好[12]。淀粉糊化度是指饲料中糊化淀粉与全部淀粉量之比的百分数。饲料中淀粉糊化度的提高,有利于提升饲料的水中稳定性[13]。本研究结果表明,沉性膨化颗粒饲料的容重、耐久性指数和淀粉糊化度较颗粒饲料显著增加,含粉率显著降低,这表明了沉性膨化颗粒饲料在制粒加工质量上的提高。对虾属于摄食缓慢的抱食性动物,对于对虾饲料而言,溶失率是最重要的加工质量指标。值得注意的是,实验中尽管沉性膨化颗粒饲料的淀粉糊化度显著提高,但溶失率并没有显著降低,可能是实验中沉性膨化颗粒饲料采用后喷涂工艺,饲料颗粒表面的油脂分布不均匀,在一定程度上抵消了淀粉糊化度提高所带来的溶失率降低。

经6周养殖,凡纳滨对虾的增重率为79.23%～85.94%,饲料系数为1.61～1.75。和本实验室前期在凡纳滨对虾的养殖实验结果相比,表现出增重率偏低和饲料系数偏高。比如,在Zhang等[14]的研究中,以鱼粉质量分数为8%～20%的实用饲料饲喂初质量为2.78 g的凡纳滨对虾8周,增重率为234.43%～267.06%,饲料系数为1.29～1.50。在Yao 等[15]的研究中,以鱼粉质量分数为18%的实用饲料饲喂初重为3.0 g的凡纳滨对虾8周,增重率为653.8%,饲料系数为1.61。和这些实验相比,本实验所用对虾的初始体重较大(7.72 g),其生长强度小于幼虾;且实验开始较迟(9～11月),虽然在后期采取了一定的保温措施,如电加热、覆盖塑料膜等,但总体水温仍较低,只有22～25 ℃,远低于Zhang 等[14]的24～30 ℃和Yao 等[15]的27～32 ℃(养殖实验在7～9月进行);并且,在养殖后期,为避免强寒潮导致的急剧降温,故养殖实验只进行了6周。尽管如此,在同等条件下,比较颗粒饲料和沉性膨化饲料的养殖作用效果,仍然具有现实意义。

关于挤压(膨化)颗粒饲料和硬颗粒饲料的对比,在水产动物上已有一些报道,但结果却呈现出较大差异。在克氏原螯虾(Procambarusclarkii)的研究中,在32%饲料粗蛋白的条件下,摄食膨化料(沉性)的克氏原螯虾的饲料系数为1.08,显著低于颗粒料组的1.31,并且前者具有更高的产量和回捕率[16]。摄食膨化饲料(粗蛋白27.95%)的草鱼,较摄食颗粒饲料(粗蛋白为30.12%)的草鱼,具有更高的增重率和更低的饲料系数(1.65)[2]。在虹鳟[4]、泥鳅[1]、哲罗鲑[3]的研究中也发现,与硬颗粒饲料相比,膨化饲料提高了生长性能,或(和)降低了饲料系数。然而,在湘云鲫[6],以膨化原料制成的颗粒饲料和常规颗粒相比,在增重和饲料系数上没有表现出优势;在斑点叉尾鮰[5],在不同的投饲率上,膨化饲料和硬颗粒饲料在生长性能和饲料系数上也没有显著差异。在凡纳滨对虾上,膨化料的优势在中、低蛋白水平(41%和43%)下表现明显,但在高蛋白饲料(46%粗蛋白)中,膨化料和颗粒料对虾体增重率无显著影响[7]。出现不同的结果,与养殖品种、配方组成、营养水平和加工工艺等因素有关。在研究中,沉性膨化颗粒饲料组的增重率在数值上高于硬颗粒饲料组(P>0.05),饲料系数则显著低于硬颗粒饲料组(P<0.05),表明沉性膨化颗粒饲料具有更高的饲料利用效率,这可能是因为沉性膨化颗粒饲料有更好的淀粉糊化度,一些蛋白质和脂肪等营养物质的长链结构变为短链结构,促进了对虾对沉性膨化颗粒饲料的消化吸收[17]。由于养殖实验的水温较低,在一定程度上影响了采食量和生长速度,使得增重率上的差异不显著;如果采用较小的初重规格和较高的养殖水温,沉性膨化颗粒饲料的优势可能会较硬颗粒饲料更为明显。

在饲料生产过程中,挤压膨化饲料具有更高的温度、压力和水分,使得挤压膨化饲料的淀粉糊化度和蛋白质变性程度显著提高。沉性膨化颗粒饲料的淀粉糊化度显著高于硬颗粒饲料(表2),这可能是沉性膨化颗粒饲料组饲料系数降低(饲料效率提高)的重要原因。值得注意的是,在挤压膨化加工过程中,由于高温高压和高水分,会导致一些营养成份的损失,比如,热敏性的维生素也易在高温下被破坏,赖氨酸和还原糖会发生美拉德反应,降低饲料赖氨酸的有效性[18],温度、压力越高,这些损失就越大。这些都是影响挤压(膨化)饲料作用效果的不利因素。

由于挤压沉性料淀粉糊化度的提高,可能会对相关消化酶和代谢酶活性产生影响。然而,摄食硬颗粒饲料和沉性膨化颗粒饲料的凡纳滨对虾在肝胰腺消化酶(蛋白酶、淀粉酶)和糖代谢相关酶(丙酮酸激酶、己糖激酶等)活性方面并没有表现出显著差异,这可能与采样时间有关,经过24 h的饥饿后,对虾消化道内缺少食物的刺激,体内代谢也处于较低的水平,故没有观察到相关酶活性的差异。今后,应当在摄食状态下采样,沉性膨化颗粒饲料对相关消化酶和代谢酶活性的影响可能会表现的更明显。

肝胰腺组织学和肠道组织学,是衡量对虾健康和消化功能的重要指标。2组对虾的肠道和肝胰腺均结构清晰完整,没有明显损伤。实验所用配方是在商业配方上略作修改而成,且加工条件均为商业生产条件,无论是饲料营养水平,还是加工质量,均能满足市场需要,使养殖对虾健康生长,故在肝胰腺组织学和肠道组织学上没有表现出差异。

4 结论

沉性膨化颗粒饲料较硬颗粒饲料具有更优的加工性能和更高的饲料利用效率(更低的饲料系数),二者对于凡纳滨对虾肝胰腺消化酶、糖代谢相关酶活性和肝胰腺、肠道组织学方面具有基本一致的影响。