производим оборудование и комплексные решения для изготовления кормов и отжима масла

5 апреля 2022 просмотры

Продовольственная безопасность часто обсуждается в ряде глобальных или европейских организаций. Прогнозируемый рост мирового населения к 2050 году составит 9,5 миллиардов человек, в течение которого уровень жизни населения одновременно будет повышаться, приводит к необходимости постоянного увеличения производства продуктов питания. Угроза, создаваемая изменением климата, которое связано с потерей сельскохозяйственных земель и, как следствие, сокращением сельскохозяйственного производства, вынуждает производителей диверсифицировать производство. Неуклонно растущие цены на традиционное фуражное зерно (пшеница) и сою, с одной стороны, и стагнация отпускных цен на мясо, с другой стороны, вынуждают производителей снижать производственные затраты, при этом важна эффективность откорма. В настоящее время ищется ряд способов добиться этого, и технология кормопроизводства является одним из них.

Что такое экструдирование?

Термин экструдирование широко используется более 50 лет. Это процессы, которые включают механическое измельчение, смешивание, нагрев материала под повышенным давлением и последующее прессование через прорезь для достижения механической и термической обработки, включая возможное формование. Экструзию часто называют методом «HTST» (High Temperature Short Time), потому что это кратковременное воздействие высокой температуры (до 200 ° C) на материал. Несмотря на такую ​​высокую температуру, кратковременный эффект экструдирования корма не наносит вреда содержащимся в нем питательным веществам, и, если процесс настроен правильно, потеря питательной энергии и ценности незначительна.

Технологии для «раскрытия» крахмала

Для обработки зерна с целью «раскрытия» крахмала на практике используют различные технологии. Термический способ (например, инфракрасное излучение, обработка горячим воздухом) заключается в использовании таких факторов влияния, как температура и длительность воздействия. При гидротермическом способе (например, тостирование) дополнительно используется влага. Комбинация гидротермических процессов (факторы влияния: температура, влага, длительность воздействия) с механической обработкой (факторы воздействия: давление и срезывающее усилие) представляет собой технологию экструдации.

Принцип экструдации объясняется самим понятием. Глагол «экструдировать» происходит из латинского языка и означает «выдавливать, выталкивать». Материал сминается в экструдерном канале в зависимости от типа устройства посредством одного или двух шнекоподобных валов различной конфигурации (одно- или двухваловые экструдеры) в поступательном движении и выдавливается через маленькие отверстия на завершающей канал. При этом в канале экструдера в зависимости от устройства создаётся высокое давление (возможно до 100 бар). Как только продукт покидает экструдер, возникает внезапное снижение давления и расширение экструдированного материала. Благодаря действию срезывающего усилия и давления, специфичному образовавшемуся во время процесса теплу и эффекту расширения структура материала значительно изменяется и достигается характерная, визуально определимая текстура.

При такой обработке материала может возникнуть высокая температура вплоть до 200°С, хотя время действия очень короткое (несколько секунд). Из-за этого такой процесс экструдации получил аббревиатуру „HTST“ (high temperatur, short time).

Следующее различие заключается в кондиционировании материала перед экструзией и введении влаги под давлением. При «влажной экструдации» с подачей воды и давления через кондиционер – оборудование для увлажнения (до 30% влаги в материале) обязательна сушка материла после экструдации.

Этот шаг обработки, очень затратный по энергии, а значит и по стоимости, до сих пор не был широко распространённым в технологии экструдации при производстве сырья для кормления сельскохозяйственных животных.

Решающим развитием известной технологии экструзии стало появление так называемой технологии opticon®. Эта технология позволяет достичь нацеленного интенсивного изменения структуры аналогично как описанный выше «влажный» процесс экструзии. Но благодаря новой концепции здесь не нужна энергетически затратная сушка обработанного материала – в конце достаточно лишь охладить продукцию. Эта технология позволяет изменять соотношение различных зерновых культур в конечном продукте и, таким образом, экономить на хранении экструдированного зерна разных видов по-отдельности на комбикормовом заводе или на сельскохозяйственном предприятии.

Зачем нужно экструдирование?

Экструдирование и другие гидротермальные методы обработки кормового сырья направлены на улучшение питательных, гигиенических или физико-химических свойств сырья.

Основные преимущества экструзии:

• Радикальное снижение содержания антипитательных веществ и природных токсинов. Такой метод обработки является очень эффективным для расщепления ряда антинутриентов, например, радикальное снижение активности уреазы при переработке сои. Снижение содержания ингибитора трипсина очень положительно для диеты моногастричных животных.
• Стерилизация — температура и давление в экструдере убивают бактерии, плесень и другие нежелательные организмы и вредителей. Прекращается образование плесени и последующее производство микотоксинов, что продлевает срок хранения.
• Желатинизация крахмала — крахмал является распространенным и важным компонентом кормов. Во время экструзии гранулы крахмала повреждаются (так называемая клейстеризация крахмала), что улучшает усвояемость.
• Гомогенизация — в экструдере создается однородная структура из всех компонентов корма, что делает невозможным выборочное поедание животными отдельных составляющих.
• Возможность формования материала — путем формования через матрицу (конечная стадия процесса экструдирования) кормовую массу можно выпускать различной формы и размера (например, для собак и других домашних животных).
• Расширение — из-за быстрого падения давления на выходе из экструдера происходит сильное испарение и, следовательно, разрушение структур клеток. Материал становится объемным, уменьшается его плотность и образуется пористая структура (большая площадь), более благоприятная для ферментативного переваривания в пищеварительном тракте.

Как экструдирование влияет на конверсию крахмала?

Крахмал является основным источником энергии в большинстве полноценных кормовых смесей. В процессе экструзии крахмал желатинизируется и, таким образом, улучшается его усвояемость. Исследование, проведенное Farmet в сотрудничестве с Чешским сельскохозяйственным университетом, подтвердило позитивное влияние процесса экструдирования на кормовую ценность пшеницы.

Так, использование экструдированных зерновых в комбикормах для бройлеров повышает доступность энергии из быстро усваиваемого крахмала, что приводит к более быстрому повышению уровня глюкозы в крови и, следовательно, меньшему потреблению корма. Это улучшает усвояемость питательных веществ и тем самым снижает потребление энергии.

Поскольку с возрастом бройлеров количество энергии на килограмм корма увеличивается, этот эффект экструзии играет важную роль в повышении питательной ценности скармливаемого корма.

В рамках исследования влияния экструзии на кормовую ценность пшеницы были проведены испытания на откорме бройлеров ROSS 308. В эксперимент включили цыплят возрастом 1 день, и общая продолжительность опыта составляла 35 дней. Опытной группе давали смесь, содержащую экструдированную пшеницу, контрольную группу кормили смесью того же состава, но только зерно пшеницы было измельчено.

Забойный вес тушки составил около 2 кг для обеих групп, и не было обнаружено статистически значимой разницы. Однако, что касается конверсии корма, различия были значительными в пользу опытной группы. Результаты, представленные в таблице ниже, показывают, что для всей группы откорма с экструдированной пшеницей конверсия была на 68 г ниже.

Таблица 1 — Сравнение конверсии корма у цыплят-бройлеров (кг корма на кг привеса) в зависимости от возраста цыплят

Таблица 1 — Сравнение конверсии корма у цыплят-бройлеров (кг корма на кг привеса) в зависимости от возраста цыплят

Наука плюс производство

Классические кормовые культуры (такие, как ячмень, пшеница, рожь, овес и прочие) животные получают в чистом виде (цельное, смолотое, плющенное зерно) или в составе кормовых смесей либо комбинированных кормов. Метод экструзии для производства кормов относят к одному из ресурсосберегающих и перспективных направлений развития животноводства.

До начала переработки сырье проходит дополнительную очистку от сорной, минеральной и других примесей.

Такие трудно перевариваемые элементы, как клетчатка, подвергаются интенсивному измельчению, что дает возможность увеличить ее перевариваемость и усвояемость. Снижается влияние присутствующих антипитательных компонентов. За счет кратковременности обработки сохраняются ценные элементы: аминокислоты, жиры, витамины и прочие.

Зачастую фермеры используют экструдированный корм при откорме молодняка, высокопродуктивных животных и племенного скота. В технологии производства используют как чистое зерно, так и зерносмесь, подготовленные должным образом для переработки. Это позволяет сбалансировать рацион конкретной группы животных и достичь максимальных показателей продуктивности.

Читать по теме: Ученые КазАТУ производят удобрения из отходов птицефабрики

Производство экструдированного корма осуществляется на специальных машинах — экструдерах. Приобрести, установить линию экструдирования, подготовить специалиста — только половина дела, далее необходима разработка собственной технологии производства. Здесь и подключается наука.

Ученые Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина и научные сотрудники ТОО «NFT-KATU» ведут разработку ресурсосберегающих технологий производства полифункциональных кормов и кормовых добавок для повышения продуктивности животных и птиц и получения от них качественной и безопасной продукции. Таким образом, современные технологии внедряются в производство с научным сопровождением.

Как экструдирование влияет на конверсию белка?

Основными источниками белка в кормах для животных являются масличные и бобовые культуры, особенно соя и рапс. Технология экструдирования масличных семян в сочетании с прессами предлагает чисто механическую обработку с высоким выходом масла без использования химических растворителей.

При этом изменение температурного профиля может повлиять на перевариваемость белков в тракте жвачных животных. Конверсию белковых фракций можно оценить с помощью системы CNCPS. В этой системе белок разделяют на следующие фракции:

• А1 — аммиак,
• А2 — белковые фракции и другие азотистые вещества, которые полностью разлагаются в рубце,
• В1 — медленно расщепляющаяся белковая фракция в рубце, частично переходящая в тонкий кишечник,
• В2 — не разлагается в рубце и полностью поступает в тонкий кишечник,
• С-непродуктивная — неперевариваемая фракция.

Исследование Farmet, посвященное рапсу и технологии его экструдирования, показало, что во время экструдирования доли фракций B1 и B2 увеличиваются по сравнению с фракцией A2. По мере повышения температуры эта тенденция усиливается, то есть увеличивается так называемый обходной белок, который увеличивает ценность белков для жвачных животных.

Пример влияния температуры экструзии на увеличение содержания фракций B1 и B2 показан на рисунке ниже (для масличного рапса). Такое же влияние (увеличение доли байпасного протеина) технология экструдирования имеет на все источники растительного протеина (например, соя, люпин, горох).

Рисунок 1. Зависимость роста белковых фракций B1 + B2 от температуры экструдирования

Разрушение молекулярной структуры

Для того, чтобы понять, как происходит «раскрытие крахмала» в зерне, необходимо взглянуть на его морфологию и химическую структуру. Зерновые содержат в зависимости от вида от 40 до 60 процентов крахмала. Чисто химически можно разделить крахмал на амилозу и амилопектин.

Амилоза (от 20 до 30% общего крахмала в зерновых культурах) состоит из связанных молекул глюкозы, которые в этих соединениях образуют длинные извилистые цепи спиралевидной формы.

Амилопектин (от 70 до 80% крахмала) – это разветвлённый полисахарид, в котором связаны от 2 000 до 200 000 молекул глюкозы.

Соотношение амилозы к амилопектину, длина цепей и степень разветвления цепей глюкозы значительно влияют на технические свойства различных видов зерновых и переваримость крахмала.

В эндосперме зерновки крахмал находится в форме отдельных гранул, чья величина составляет от 2 до 200μм. Эти зёрна крахмала очень хорошо различимы под электронным микроскопом (1000-кратное увеличение) (см. фотографию внизу слева). Они являются довольно стабильными благодаря внутренним водородным связям.

Разветвлённые молекулярные цепи амилопектина могут создавать в этих гранулах месте с неразветвленными молекулами амилозы полукристаллические и кристаллические области. Эти жесткие органические структуры не расщепляются в воде и в природной, неизмельчённой форме имеют значительное сопротивление расщеплению посредством энзимов.

Благодаря интенсивной механически-гидротермической обработке зерновых эти структуры изменяются до молекулярного уровня, крахмал «раскрывается». Главный эффект – это значительно увеличение поверхностной площади гранулы крахмала и обширное расщепление амилопектина и амилозы. Изменение структуры тоже очень хорошо видно под микроскопом. Типичные зёрна крахмала после обработки разрушаются и по большей части сплавляются в плоские, напоминающие растопленный пластик ареалы (см. фото снизу справа).

Для кормления поросят очень важно, чтобы наряду с размером и формой крахмальных зёрен можно было бы варьировать их внутренним строением (кристаллические, аморфные, желеподобные области) и видом зерновых – пшеницей, ячменем и кукурузой. Здесь всё большее влияние имеет обработка зерновых после сбора урожая.

Так исследования в области изучения зерновых показывают, что в зёрнах кукурузы во время сушки происходит изменение структуры крахмала. Кукурузу, по причине значительно более высокого процента влаги в зерне во время сбора урожая по сравнению с пшеницей и ячменем, приходится сушить гораздо интенсивнее. Крахмал из-за этого приобретает ещё худшие свойства для переваривания посредством действия энзимов. Это, наряду с другими, является причиной, почему необработанный кукурузный крахмал плохо переваривается молодыми поросятами, по сравнению, например, с необработанным крахмалом из пшеницы. Следовательно, техническое «раскрытие» играет большую роль особенно для повышения переваримости крахмала кукурузы.

Выводы

Текущая тенденция к увеличению конверсии кормового сырья и снижению цен на энергоносители говорит в пользу гидротермальной обработки кормов (которая также включает экструдирование).

Оптимизация всего процесса предлагает способ снизить потребление энергии и улучшить качество конечного продукта, что приведет к снижению эксплуатационных расходов и пути к успеху.

В последние годы развитие экструдирования добилось больших успехов, особенно в области автоматизации управления и оптимизации энергопотребления процесса. Оптимизация процесса с точки зрения питательной ценности экструдата (с целью увеличения эффективности) по-прежнему предлагает много возможностей для повышения эффективности и будет предметом исследований в будущем.

Автор статьи: По материалам компании Farmet: Дипл. Инж. Михал Кавалек, доктор философии, Farmet A.G. ; Дипл. Инж. Владимир Плахи, доктор философии, Чешский сельскохозяйственный университет в Праге. Перевод Елены Бабенко специально для soft-agro.com.

С нетерпением жду отзывы и комментарии. Большое Вам спасибо!

Нашли этот материал полезным? Поделитесь с коллегами в соцсетях или отправьте ссылку прямо на почту!

Подписывайтесь на наш телеграм-канал, чтобы первыми получать уведомления о выходе новых материалов.

Telegram-канал →

Facebook В Контакте LinkedIn На почту