印度家禽趋势详解 || 水分活度作为饲料质量控制手段之一

印度家禽趋势详解 || 水分活度作为饲料质量控制手段之一

食品安全是当前的热点话题之一。在此之前，食品安全问题更多关注点在于人和宠物食品，与动物饲料关系关注较少。但随着时间的推移，消费者不只慢慢意识到牲畜饲养的质量方面，而且也越来越意识到用于饲养家禽和牛的摄入食物的质量。预制饲料质量的稳定性是我们较终食用食品的质量稳定性的一个重要因素。

印度家禽趋势详解 || 水分活度作为饲料质量控制手段之一  

水分活度不只是控制饲料质量的关键参数，也是各种饲料成分保存和处理的关键参数。  

  食品安全是当前的热点话题之一。在此之前，食品安全问题更多关注点在于人和宠物食品，与动物饲料关系关注较少。但随着时间的推移，消费者不只慢慢意识到牲畜饲养的质量方面，而且也越来越意识到用于饲养家禽和牛的摄入食物的质量。预制饲料质量的稳定性是我们较终食用食品的质量稳定性的一个重要因素。  

       饲料的物理、化学或微生物特性的变化可以被认为是失去了稳定性。水分活度(Aw)是影响家畜饲料稳定性的几个重要参数之一。水分活度是衡量食品中自由水分的一个重要指标。被定义为物质的水蒸气压除以同一温度下纯水的蒸气压的熵。  

  水分活度等级从0(极干)到1.0(纯净水) ，但大多数食物的水分活度等级从0.2(极干)到0.99(新鲜食物)不等。  

      水分活度不应与水分含量混淆。水分含量是自由水和结合水的总量。自由水是指可以参与物理，化学和生物反应的水。  

  水分活性对饲料原料和较终牲畜饲料的微生物稳定性起着至关重要的作用。细菌、霉菌和酵母菌的生长需要水，而且每一种微生物在水下都有它们不会生长的较低限度的水活度。  

  霉菌可以在水分活度低至0.61的水平下生长。霉菌的类型、温度和水分活度在决定生长特性方面起着重要作用，例如罗克福尔青霉菌在25 ℃ 的0.82 Aw、30 ℃ 的0.86 Aw 条件下可以生长，而在37 ℃条件下则无法生长。  

  霉菌毒   素的形成还取决于霉菌的类型、基质和贮存条件，包括 pH 值、温度和水活度。玉米、小麦等谷物上容易滋生长菌毒   素，高温可以杀死霉菌，但不能去除已经形成的毒   素。  

  在原材料的储存和运输过程中，霉菌污染也会发生。通过将较终水活度保持在安全水平之下，可以避免在碾磨、贮存或运输原料、较终产品过程中霉菌污染。  

  多年来，水分含量一直被用作控制粮食、饲料和饲料稳定性变质的计量标准。水分含量，简单地说，是一种物质或材料中存在的水的数量。它影响产品的物理性能，例如密度、重量、导电性、粘度等 (Jung, Lee and Yoon, 2018)。测量水含量的方法包括化学法(Karl Fischer 滴定法)、光谱法、电导率和热重分析(Zambrana et al., 2019)。在这个行业中，热重分析通常用于测量水分含量，而水分含量通常是由干燥时的失重量决定的。然而，在饲料行业，检测水分含量一般会设置更高的温度(120℃-130℃)，这种操作会使得到的结果的准确性降低1-2%(Ahn at al., 2014) 。在此不做讨论。  

  人们之所以需要引入水分活度作为衡量标准，是因为系统中的水分含量不是饲料颗粒中化学反应和微生物反应的可靠指标，它只是一种确定饲料中水分总量的定量分析。例如，一种产品可能含有12% 的水分但不变质，而另一种只含有10.5% 的水分的产品可能更容易变质。  

  水分活度是饲料质量控制的可靠指标。水活度曾经被定义为产品中“自由”或“可用”水的量，而不是“结合”水。这个定义比较容易，但未能界定水活度的概念。问题不在于水是“结合”还是“自由”，而在于它在系统内的“结合”程度。正确的定义应该是能量状态或样品中水的逸出倾向的度量。它表明了水在化学或结构上的结合程度。产品中总水含量的一部分强烈地结合在特定的位置，如多糖的羟基或蛋白质的羧基和氨基。水分活度表示为:  

     它是在完全未受干扰的平衡状态下，物质中水的蒸汽压与相同条件下纯水的蒸汽压之比。平衡相对湿度(% ERH)是指物质在特定温度下既不失去也不获得水分的周围相对湿度。例如，我们假设颗粒与周围空气达到平衡，那么可以说颗粒的运动轨迹将大于或等于吸入冷却器的空气的 ERH (%)/100。范围从0(相对干燥)到1.0(纯净水)。  

  实验室常用的水活度仪有台式水活度仪，饲料厂也常用的便携式水活度仪。在颗粒饲料生产中，可采集混合机、冷却机和较终包装的饲料样品，并测定水分活度，以确定饲料的安全性和质量。  

  影响水分活度的因素有很多，比如温度、溶质的存在或两者的结合。水的活性与温度有关。随着温度的降低，大多数产品的耗氧量都会降低。因此，在温度波动不大区域测量颗粒的水分活度是至关重要的。系统中存在的糖或盐等溶质也会影响 aw，因为它们与水紧密结合，降低能量状态或样品中水的逸出趋势。  

  水分活度是决定饲料质量和安全性的重要参数之一。这是因为水溶解了反应物，增加了反应物在系统中的流动性，这两者都会导致饲料安全性、货架期、风味、质地和气味更快地恶化。了解饲料的抗腐蚀性对预测微生物生长、化学和生化反应速率、物理特性等方面的稳定性和安全性非常有益。通过控制水分活度，预测潜在的腐烂和污染来源，保持化学稳定性，控制非酶和酶反应速率，优化物理特性，如水分迁移，质地等。  

降解反应速率方面的稳定性和作为水活度函数的微生物生长极限  

水分活度和微生物生长极限的稳定性平衡关系  

      虽然 pH 值、温度和其他因素可以影响生物体在产品中的生长速度，但水分活度可能是控制腐烂的较重要因素。微生物有一个限制性的水分活度，低于这个水分活度微生物就不能生长，而水分活度是决定微生物生长所需的可用水的下限的水平。即使在高水分含量，如果水分活度足够低，微生物就不能利用水来支持自己的生长。  

不同微生物生长的水分活度限值

不控制水分活度带来的损失  

  系统中水的“可用性”影响生化反应的速度，如非酶褐变、酶反应、脂质氧化、营养物质降解、蛋白质变性、预煳化淀粉、淀粉回生和支持微生物生长。一般来说，当水分活度降低时，生化反应的速率就会降低。因此，从粮食储备、饲料生产到畜牧业生产的各个阶段，控制水分活动都是至关重要的。  

饲料在高温贮存湿度条件  

  在高温高湿的环境中，游离的水分子在饲料袋中，水分活度增加到0.7aw，饲料表面的自由水分子凝结，饲料发霉，整袋饲料严重质量问题。  

  在高温低湿的环境中，水分子会从饲料中蒸发出来。饲料中水分的损失会导致饲料的收缩，尽管 aw 不会增加到足以使微生物生长的0.70。在这个过程中，自由水分子也会作为一种溶剂降解必需的微量营养素和脂质，损害其化学稳定性。  

左图为 50kg 袋饲料在高温高湿环境下储存，右图为 50kg 饲料在高温低湿环境下储存。  

膨化鱼饲料在潮湿、通风条件差的存放  

   双层垫袋不一定能提供更好的饲料质量和延长保质期。热量蒸发了挤压饲料中的水分子，双层袋自由水分被困在袋子里。这些移动的自由水分子作为一种溶剂，降解微量营养素和脂质，损害饲料的营养和价值。饲料中水分的持续释放，使饲料中水分活度增加到0.70以上，有利于微生物的生长，导致饲料发霉。

左图为湿热贮藏饲料袋通风。右图储存在双层内衬袋中的膨化鱼饲料  

蛋鸡饲料  

      矿物质和维生素在高温和潮湿的环境中具有很强的活性。在炎热的热带气候条件下，混合饲料中的预混料部分(各种必需微量营养素)一旦与其他原料混合，就成为一颗滴答作响的定时破坏。由于游离水的活动，必要的微量营养素开始降解。蛋鸡饲料的化学稳定性受到影响。  

  许多人没有意识到混合饲料经混合机后的饲料水分活度指标在0.70-0.75之间。当混合饲料运送到农场的仓库时，一个下午热烈的阳光就可以极大地激发饲料内部更多的水分流动。这增加的自由水分不断增加 aw，通常可以达到0.85时，饲料到达饲料槽，甚至在24小时内过渡到混合器，农场筒仓。Aw 的增加首先导致必需微量营养素的生物降解，生命霉菌的增殖，一旦 aw 达到0.80就会激  活微生物的生长。  

  这个问题极大地影响了鸡蛋的整体品质(蛋壳厚度、蛋壳表皮、蛋黄、蛋清)和蛋鸡的肠道消化性能(肠道菌群、蛋白质的消化率、氨/湿排泄物问题)。  

左边的图片显示了从混合机中收集到的饲料的水分活度。右图显示饲料槽收集的饲料麦芽浆的水分活度

  由于水分不受控制的运动，饲料中的生化反应速度加快，降解饲料中所含的维生素、微量矿物质和氨基酸等必需微量营养素。影响维生素稳定性的因素有很多，如温度、湿度、 pH 值、氧气、光、催化剂、抑制剂、与其他成分的相互作用、能量和时间。如果储存得当，大多数维生素可以稳定长达三个月，然而，一旦它们与其他成分混合在一起，例如在捣碎饲料中的氧化微量矿物质，当它们暴露在水分、空气和温度中时，它们的效力就会迅速丧失。蛋鸡缺乏水溶性维生素的一些主要症状是它影响鸡蛋的产量、质量和孵化能力以及鸡的生长和质量。由于母鸡缺乏维生素的影响是有害的，维生素很容易被破坏，过度配方是家禽营养的做法。禽类育种者根据不同情况下的遗传学要求提出了较佳建议。在过去，补充这些营养素并不需要多少成本。然而，这些必需微量营养素补充剂的成本在过去几年中一直在增加。但过量的配方不能保证动物对维生素的生物利用度。  

在饲料储存和加工过程中导致维生素损失的因素  

在散装仓库中储存豆粕  

      水分活动可能影响物理特性，如水分迁移，纹理等。  

    当系统处于平衡状态时，水分迁移发生在组件之间或与周围环境之间的规律性差异。多组分产品中的水分迁移可能导致不良的结构变化。水从 aw 值高的地区迁移到 aw 值低的地区，直到 aw 值达到平衡，但迁移速度取决于结构或扩散过程。湿气迁移对 aw 的影响可以在下图所示的湿度收附等温线中进行说明。下图显示了在平衡相对湿度和恒定温度下，当水被吸附到产物中并被解吸时，aw 的变化情况。在实践中，这种湿度收附等温线可能不切实际的使用，因为它是复杂和独特的每个产品。此外，水分含量与水分活度的关系随温度的变化而变化，当材料组成发生任何变化时，水分活度也发生变化。  

一个吸附等温线的示意图

  水分活度影响产物的生化反应和物理性质。豆粕贮藏过程中的失控腐蚀会引起加工过程中的非酶褐变反应和贮藏过程中的水分迁移。由于水分迁移，使豆饼在贮藏过程中结块。此外，水的活性有能力影响非酶褐变反应的速度和颜色，这也被称为美拉德反应。美拉德反应(MR)是还原糖和氨基酸之间的生化反应，形成美拉德反应产物(MRP) ，进一步发展为晚期糖基化终产物(AGEs)。甚至在室温下也能发生，但是速度要慢一些。在湿度为40-70% 时，反应速率随时间和温度的增加而增加。先生对蛋白质质量的恶化负有主要责任，特别是赖氨酸是较敏感的氨基酸。在炎热潮湿的热带条件下，SBM 很容易受到过度储存的伤害。SBM 含有大量赖氨酸、精氨酸、半胱氨酸和色氨酸，它们很容易与还原糖发生反应，导致氨基酸的降解。由于豆粕是饲料配方中很多使用的饲料原料，湿热饲料制粒过程中不可避免地会遇到先入先出的问题。饲喂麦芽糊化饲料和颗粒饲料的鸡的性能不一致，这主要是由于豆粕的质量。一个很好的指标，以确定的程度是颜色变化的产品。一般来说，当水分活度接近0.70时，美拉德反应增加。当 aw 高于0.70时，反应物被过多的游离水稀释，美拉德反应减慢。  

左边的图片显示了储存在一个单位仓库的 SBM 中的结块问题。右图显示了不同阶段的美拉德反应在 SBM 中的作用。  

集装箱装运玉米蛋白粉  

      为了监测从美国运往环太平洋地区的玉米蛋白粉(CGM)中水分迁移和aw的影响，进行了一项试验。  

  如下图(左)所示，水分的移动在粉状材料上产生粘性、结块和流动性问题。然而，当 aw 被控制时，玉米面筋粉有一个非常不同的自由流动特性，如下图所示(右)。  

左边的图片显示在玉米面筋粉结块，而右边的图片显示自由流动玉米面筋粉

  较糟糕的是，随着自由水分的流动，aw显着增加，物质到达港口时发霉。下图(左)。经过处理的 CGM 防止自由水分的移动，因此将AW控制在安全水平，从而在装载点保持新鲜度和原始质量，如下图(右)  

(左图)玉米蛋白粉中的外壳和霉菌。(右)图为容器内自由流动的玉米蛋白粉。  

棕榈仁颗粒的质量完整性  

      这项试验是为了调查从马来西亚运往日本和韩国的集装箱产品陈旧的投诉。将来自同一生产批次的2吨新鲜产品与1吨控制PKE颗粒一起袋装，并将另一个经过处理的1吨PKE颗粒装袋。所有袋子都堆放在颗粒上，并在生产中较热的区域储存90天，以模拟挑战。  

  90天后，结果令人吃惊。下图清楚地显示了控制和治    疗之间的区别。对照组(图左)看起来变色，有陈腐的外观，没有香气的聚酮酮。测试组(图右)有一个非常新鲜的外观，保持其原有的质量，并仍然有一个强大的聚酮酮类药物的气味。  

  这是水分运动和活化aw的另一个经典案例，损害了产品的化学稳定性。营养物质和脂质降解，这解释了对照组质量差的原因。  

图(左)为未经处理的对照组，图(右)为实验组  

家禽颗粒饲料加工过程中的水分活度和含水量  

       饲料试验进行了调查添加和捕捉水对加工颗粒饲料质量，淀粉蒸煮/糊化，数据如图所示。为了展示一个捕捉水的程序的效果，比如从混合器中加入的水中得到水分，再加上从蒸汽中得到的微小水分进入饲料化学中。这个过程被称为“阳性糖化”(这只只是为了淀粉颗粒膨胀和足够程度的蛋白质变性)。这个结果随后被预煳化淀粉成像捕捉到。  

  使用处理进料时，请注意在搅拌机上加水后aw上的尖峰。有趣的是，处理组的成品饲料具有较高的水分含量，但与对照组相比，水活性较低。为了淀粉糊化目的捕获水分，这反过来又锁定了淀粉膨胀/烹饪过程中使用的水解水，这表明了饲料加工的积极化学变化。  

丸粒饲料试验的饲料质量参数记录  

左边的图片是对照组，aw 为0.68，水分含量为10.14%，右图为处理组 aw 值为0.59，水分含量为10.86%  

总结  

       水分活度是控制饲料和饲料成分质量的关键参数，因为它是化学反应和微生物反应的可靠指标和预警指标。这就是我们如何管理和控制粮食储存，饲料的运输，饲料加工的颗粒饲料和挤压饲料，以及处理的醪饲料。这将决定我们如何面对挑战，保持粮食质量过度储存，加工饲料在后期生产。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结果。用防霉剂来解决发霉问题就像试图用灭火器来拯救着火的建筑一样，但这座建筑物仍然被烧毁和破坏。