印度家禽趨勢詳解 || 水分活度作為飼料質量控制手段之一

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

  食品安全是當前的熱點話題之一。在此之前，食品安全問題更多關注點在于人和寵物食品，與動物飼料關系關注較少。但隨著時間的推移，消費者不只慢慢意識到牲畜飼養(yǎng)的質量方面，而且也越來越意識到用于飼養(yǎng)家禽和牛的攝入食物的質量。預制飼料質量的穩(wěn)定性是我們較終食用食品的質量穩(wěn)定性的一個重要因素。

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

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

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

  水分活性對飼料原料和較終牲畜飼料的微生物穩(wěn)定性起著至關重要的作用。細菌、霉菌和酵母菌的生長需要水，而且每一種微生物在水下都有它們不會生長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。霉菌的類型、溫度和水分活度在決定生長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，而在37 ℃條件下則無法生長。

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

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

  多年來，水分含量一直被用作控制糧食、飼料和飼料穩(wěn)定性變質的計量標準。水分含量，簡單地說，是一種物質或材料中存在的水的數量。它影響產品的物理性能，例如密度、重量、導電性、粘度等 (Jung, Lee and Yoon, 2018)。測量水含量的方法包括化學法(Karl Fischer 滴定法)、光譜法、電導率和熱重分析(Zambrana et al., 2019)。在這個行業(yè)中，熱重分析通常用于測量水分含量，而水分含量通常是由干燥時的失重量決定的。然而，在飼料行業(yè)，檢測水分含量一般會設置更高的溫度(120℃-130℃)，這種操作會使得到的結果的準確性降低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準，是因為系統(tǒng)中的水分含量不是飼料顆粒中化學反應和微生物反應的可靠指標，它只是一種確定飼料中水分總量的定量分析。例如，一種產品可能含有12% 的水分但不變質，而另一種只含有10.5% 的水分的產品可能更容易變質。

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

     它是在完全未受干擾的平衡狀態(tài)下，物質中水的蒸汽壓與相同條件下純水的蒸汽壓之比。平衡相對濕度(% ERH)是指物質在特定溫度下既不失去也不獲得水分的周圍相對濕度。例如，我們假設顆粒與周圍空氣達到平衡，那么可以說顆粒的運動軌跡將大于或等于吸入冷卻器的空氣的 ERH (%)/100。范圍從0(相對干燥)到1.0(純凈水)。

  實驗室常用的水活度儀有臺式水活度儀，飼料廠也常用的便攜式水活度儀。在顆粒飼料生產中，可采集混合機、冷卻機和較終包裝的飼料樣品，并測定水分活度，以確定飼料的安全性和質量。

  影響水分活度的因素有很多，比如溫度、溶質的存在或兩者的結合。水的活性與溫度有關。隨著溫度的降低，大多數產品的耗氧量都會降低。因此，在溫度波動不大區(qū)域測量顆粒的水分活度是至關重要的。系統(tǒng)中存在的糖或鹽等溶質也會影響 aw，因為它們與水緊密結合，降低能量狀態(tài)或樣品中水的逸出趨勢。

  水分活度是決定飼料質量和安全性的重要參數之一。這是因為水溶解了反應物，增加了反應物在系統(tǒng)中的流動性，這兩者都會導致飼料安全性、貨架期、風味、質地和氣味更快地惡化。了解飼料的抗腐蝕性對預測微生物生長、化學和生化反應速率、物理特性等方面的穩(wěn)定性和安全性非常有益。通過控制水分活度，預測潛在的腐爛和污染來源，保持化學穩(wěn)定性，控制非酶和酶反應速率，優(yōu)化物理特性，如水分遷移，質地等。

降解反應速率方面的穩(wěn)定性和作為水活度函數的微生物生長極限

水分活度和微生物生長極限的穩(wěn)定性平衡關系

      雖然 pH 值、溫度和其他因素可以影響生物體在產品中的生長速度，但水分活度可能是控制腐爛的較重要因素。微生物有一個限制性的水分活度，低于這個水分活度微生物就不能生長，而水分活度是決定微生物生長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支持自己的生長。

不同微生物生長的水分活度限值

不控制水分活度帶來的損失

  系統(tǒng)中水的“可用性”影響生化反應的速度，如非酶褐變、酶反應、脂質氧化、營養(yǎng)物質降解、蛋白質變性、預煳化淀粉、淀粉回生和支持微生物生長。一般來說，當水分活度降低時，生化反應的速率就會降低。因此，從糧食儲備、飼料生產到畜牧業(yè)生產的各個階段，控制水分活動都是至關重要的。

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，飼料發(fā)霉，整袋飼料嚴重質量問題。

  在高溫低濕的環(huán)境中，水分子會從飼料中蒸發(fā)出來。飼料中水分的損失會導致飼料的收縮，盡管 aw 不會增加到足以使微生物生長的0.70。在這個過程中，自由水分子也會作為一種溶劑降解必需的微量營養(yǎng)素和脂質，損害其化學穩(wěn)定性。

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

膨化魚飼料在潮濕、通風條件差的存放

   雙層墊袋不一定能提供更好的飼料質量和延長保質期。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。這些移動的自由水分子作為一種溶劑，降解微量營養(yǎng)素和脂質，損害飼料的營養(yǎng)和價值。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，導致飼料發(fā)霉。

左圖為濕熱貯藏飼料袋通風。右圖儲存在雙層內襯袋中的膨化魚飼料

蛋雞飼料

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

  許多人沒有意識到混合飼料經混合機后的飼料水分活度指標在0.70-0.75之間。當混合飼料運送到農場的倉庫時，一個下午熱烈的陽光就可以極大地激發(fā)飼料內部更多的水分流動。這增加的自由水分不斷增加 aw，通?？梢赃_到0.85時，飼料到達飼料槽，甚至在24小時內過渡到混合器，農場筒倉。Aw 的增加首先導致必需微量營養(yǎng)素的生物降解，生命霉菌的增殖，一旦 aw 達到0.80就會激 活微生物的生長。

  這個問題極大地影響了雞蛋的整體品質(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、蛋白質的消化率、氨/濕排泄物問題)。

左邊的圖片顯示了從混合機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動，飼料中的生化反應速度加快，降解飼料中所含的維生素、微量礦物質和氨基酸等必需微量營養(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、能量和時間。如果儲存得當，大多數維生素可以穩(wěn)定長達三個月，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，當它們暴露在水分、空氣和溫度中時，它們的效力就會迅速喪失。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量、質量和孵化能力以及雞的生長和質量。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，過度配方是家禽營養(yǎng)的做法。禽類育種者根據不同情況下的遺傳學要求提出了較佳建議。在過去，補充這些營養(yǎng)素并不需要多少成本。然而，這些必需微量營養(yǎng)素補充劑的成本在過去幾年中一直在增加。但過量的配方不能保證動物對維生素的生物利用度。

在飼料儲存和加工過程中導致維生素損失的因素

在散裝倉庫中儲存豆粕

      水分活動可能影響物理特性，如水分遷移，紋理等。

    當系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，水分遷移發(fā)生在組件之間或與周圍環(huán)境之間的規(guī)律性差異。多組分產品中的水分遷移可能導致不良的結構變化。水從 aw 值高的地區(qū)遷移到 aw 值低的地區(qū)，直到 aw 值達到平衡，但遷移速度取決于結構或擴散過程。濕氣遷移對 aw 的影響可以在下圖所示的濕度收附等溫線中進行說明。下圖顯示了在平衡相對濕度和恒定溫度下，當水被吸附到產物中并被解吸時，aw 的變化情況。在實踐中，這種濕度收附等溫線可能不切實際的使用，因為它是復雜和獨特的每個產品。此外，水分含量與水分活度的關系隨溫度的變化而變化，當材料組成發(fā)生任何變化時，水分活度也發(fā)生變化。

一個吸附等溫線的示意圖

  水分活度影響產物的生化反應和物理性質。豆粕貯藏過程中的失控腐蝕會引起加工過程中的非酶褐變反應和貯藏過程中的水分遷移。由于水分遷移，使豆餅在貯藏過程中結塊。此外，水的活性有能力影響非酶褐變反應的速度和顏色，這也被稱為美拉德反應。美拉德反應(MR)是還原糖和氨基酸之間的生化反應，形成美拉德反應產物(MRP) ，進一步發(fā)展為晚期糖基化終產物(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，反應速率隨時間和溫度的增加而增加。先生對蛋白質質量的惡化負有主要責任，特別是賴氨酸是較敏感的氨基酸。在炎熱潮濕的熱帶條件下，SBM 很容易受到過度儲存的傷害。SBM 含有大量賴氨酸、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，導致氨基酸的降解。由于豆粕是飼料配方中很多使用的飼料原料，濕熱飼料制粒過程中不可避免地會遇到先入先出的問題。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量。一個很好的指標，以確定的程度是顏色變化的產品。一般來說，當水分活度接近0.70時，美拉德反應增加。當 aw 高于0.70時，反應物被過多的游離水稀釋，美拉德反應減慢。

左邊的圖片顯示了儲存在一個單位倉庫的 SBM 中的結塊問題。右圖顯示了不同階段的美拉德反應在 SBM 中的作用。

集裝箱裝運玉米蛋白粉

      為了監(jiān)測從美國運往環(huán)太平洋地區(qū)的玉米蛋白粉(CGM)中水分遷移和aw的影響，進行了一項試驗。

  如下圖(左)所示，水分的移動在粉狀材料上產生粘性、結塊和流動性問題。然而，當 aw 被控制時，玉米面筋粉有一個非常不同的自由流動特性，如下圖所示(右)。

左邊的圖片顯示在玉米面筋粉結塊，而右邊的圖片顯示自由流動玉米面筋粉

  較糟糕的是，隨著自由水分的流動，aw顯著增加，物質到達港口時發(fā)霉。下圖(左)。經過處理的 CGM 防止自由水分的移動，因此將AW控制在安全水平，從而在裝載點保持新鮮度和原始質量，如下圖(右)

(左圖)玉米蛋白粉中的外殼和霉菌。(右)圖為容器內自由流動的玉米蛋白粉。

棕櫚仁顆粒的質量完整性

      這項試驗是為了調查從馬來西亞運往日本和韓國的集裝箱產品陳舊的投訴。將來自同一生產批次的2噸新鮮產品與1噸控制PKE顆粒一起袋裝，并將另一個經過處理的1噸PKE顆粒裝袋。所有袋子都堆放在顆粒上，并在生產中較熱的區(qū)域儲存90天，以模擬挑戰(zhàn)。

  90天后，結果令人吃驚。下圖清楚地顯示了控制和治 療之間的區(qū)別。對照組(圖左)看起來變色，有陳腐的外觀，沒有香氣的聚酮酮。測試組(圖右)有一個非常新鮮的外觀，保持其原有的質量，并仍然有一個強大的聚酮酮類藥物的氣味。

  這是水分運動和活化aw的另一個經典案例，損害了產品的化學穩(wěn)定性。營養(yǎng)物質和脂質降解，這解釋了對照組質量差的原因。

圖(左)為未經處理的對照組，圖(右)為實驗組

家禽顆粒飼料加工過程中的水分活度和含水量

       飼料試驗進行了調查添加和捕捉水對加工顆粒飼料質量，淀粉蒸煮/糊化，數據如圖所示。為了展示一個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入飼料化學中。這個過程被稱為“陽性糖化”(這只只是為了淀粉顆粒膨脹和足夠程度的蛋白質變性)。這個結果隨后被預煳化淀粉成像捕捉到。

  使用處理進料時，請注意在攪拌機上加水后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，但與對照組相比，水活性較低。為了淀粉糊化目的捕獲水分，這反過來又鎖定了淀粉膨脹/烹飪過程中使用的水解水，這表明了飼料加工的積極化學變化。

丸粒飼料試驗的飼料質量參數記錄

左邊的圖片是對照組，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

       水分活度是控制飼料和飼料成分質量的關鍵參數，因為它是化學反應和微生物反應的可靠指標和預警指標。這就是我們如何管理和控制糧食儲存，飼料的運輸，飼料加工的顆粒飼料和擠壓飼料，以及處理的醪飼料。這將決定我們如何面對挑戰(zhàn)，保持糧食質量過度儲存，加工飼料在后期生產。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果。用防霉劑來解決發(fā)霉問題就像試圖用滅火器來拯救著火的建筑一樣，但這座建筑物仍然被燒毀和破壞。