不同品種玉米飼料加工特性分析

■張國棟 楊 潔 孔丹丹 陳 嘯 沈 祥 王紅英

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

玉米是世界上分布最廣的作物之一，在世界的糧食生產(chǎn)中一直占有很重要的地位，從栽培面積和總產(chǎn)量看，玉米僅次于小麥和水稻，居世界第三位；在我國玉米是僅次于小麥的主要糧食作物，其種植面積和產(chǎn)量居秋糧作物之首。玉米既是高產(chǎn)的糧食作物和人類的口糧，又是畜牧業(yè)必不可少的主要飼料來源，飼料工業(yè)中每年消耗全球4.6億噸玉米中的65%以上。玉米淀粉消化率高達(dá)90%，粗纖維含量很低，是最優(yōu)質(zhì)的能量飼料原料，被稱為“飼料之王”，在飼料工業(yè)中占有重要地位。目前，全世界玉米總產(chǎn)量的65%用作飼料，我國則高達(dá)75%，玉米的供應(yīng)已經(jīng)在相當(dāng)程度上控制著我國飼料工業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的命脈。可見，玉米對(duì)于保障糧食安全、動(dòng)物安全以及食品安全起著至關(guān)重要的作用。

目前，針對(duì)玉米的試驗(yàn)研究主要集中于基因遺傳育種、食品開發(fā)、清潔能源等方面，對(duì)玉米關(guān)于飼料加工的一系列理化特性研究比較缺乏。本文中玉米的營養(yǎng)成分、物理特性、糊化特性及熱特性可對(duì)飼料加工過程中清選、粉碎、配料、混合、調(diào)質(zhì)、制粒、冷卻工藝參數(shù)優(yōu)化以及顆粒料成型特性與適口性的預(yù)測和改善提供理論依據(jù)。玉米營養(yǎng)成分的測定，指導(dǎo)飼料配方的營養(yǎng)價(jià)值評(píng)估與原料存儲(chǔ)安全性。物理特性的測定，指導(dǎo)飼料加工過程中的存儲(chǔ)、粉碎、制粒等工藝參數(shù)，對(duì)于提高飼料原料存儲(chǔ)安全、優(yōu)化粉碎機(jī)粉碎性能，提高制粒后顆粒質(zhì)量有重要的意義。糊化特性的測定，指導(dǎo)飼料加工中調(diào)制的工藝參數(shù)，以改善顆粒料的成型特性。熱特性參數(shù)的測定，指導(dǎo)飼料加工中調(diào)質(zhì)器、冷卻器的設(shè)計(jì)及加工工藝參數(shù)的優(yōu)化具有理論參考價(jià)值，同時(shí)熱特性參數(shù)的變化規(guī)律還可作為數(shù)學(xué)分析或軟件模擬中熱質(zhì)傳遞過程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

有研究報(bào)道：不同玉米品種制作食品存在著極大的差異，不同類型的玉米由于顏色和容重、硬度、蛋白質(zhì)、支鏈淀粉等含量的不同使得玉米粉的加工特性存在較大的差異，在制作食品與飼料時(shí)便表現(xiàn)出不同，因此在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)時(shí)原料的選擇至關(guān)重要。同樣，建立與研究不同品種玉米飼料加工特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具有重要的意義。本研究旨在建立不同品種玉米飼料加工特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)不同品種玉米的營養(yǎng)成分組成、物理特性、熱特性和糊化特性等進(jìn)行差異性分析，為飼料工業(yè)行業(yè)加工技術(shù)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 主要材料

通過與國內(nèi)玉米主要種植區(qū)的相應(yīng)負(fù)責(zé)人聯(lián)系，共采集來自全國7個(gè)省區(qū)69個(gè)玉米樣品，分別為黑龍江省27個(gè)、遼寧省14個(gè)、河北省10個(gè)、山東省7個(gè)、吉林省6個(gè)、內(nèi)蒙古自治區(qū)3個(gè)以及河南省2個(gè)，共53個(gè)不同玉米品種。用粉碎機(jī)粉碎過兩種篩片孔徑（1.5 mm和2.0 mm）備用。

1.2 試驗(yàn)儀器與方法

1.2.1 玉米營養(yǎng)成分測定

試驗(yàn)儀器：近紅外分析儀（Infraxact Lab）。

試驗(yàn)方法：樣品采集與分樣按照GB5491的規(guī)定進(jìn)行,整理好樣品并清除掉雜質(zhì)。儀器經(jīng)預(yù)熱及自檢模式后，取適量（不少于樣品杯1/2的容積）小麥樣品，用近紅外分析儀進(jìn)行測定，記錄測定數(shù)據(jù)，每個(gè)樣品測定兩次。第1次測定后的測定樣品應(yīng)與原待測樣品混勻后，再次取樣進(jìn)行第2次測定。

1.2.2 玉米粉水分測定

試驗(yàn)儀器：電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（PHG-9240A）；高速萬能粉碎機(jī)(FW100)；電子天平(0.01 g)(PL2002)。

試驗(yàn)方法：參照烘箱法進(jìn)行測定（GB6435-86）。

1.2.3 玉米粉容重測定

試驗(yàn)儀器：GHCS-1000型谷物容重器：鄭州中谷科技有限公司。

試驗(yàn)方法：參照容重器法進(jìn)行測定（GB 1353-2009）。

1.2.4 玉米粉平均粒徑及顆粒表面積測定

試驗(yàn)儀器：小型粉碎機(jī)（JFSD-100）、十四層標(biāo)準(zhǔn)篩（GB/T6003.1-1997）、拍擊式振篩機(jī)（PZJ-5A）。

試驗(yàn)方法：所有玉米樣品均采用裝有1.5 mm和2.0 mm篩片孔徑小型粉碎機(jī)粉碎，以得到兩種不同粒度的粉料樣品。粉碎粒度用幾何平均直徑（Geometric mean diameter，GMD）表示，參照十四層篩法進(jìn)行測定（ANSI/ASAE S319.4-2008）。

1.2.5 玉米粉休止角測定

試驗(yàn)儀器：基于Kansas State University推薦方法所制作的休止角測定裝置如圖1所示。

試驗(yàn)方法：Kansas State University推薦方法。

圖1 休止角測定裝置

1.2.6 玉米粉摩擦系數(shù)測定

試驗(yàn)儀器：基于斜面儀法[13]自制滑動(dòng)摩擦特性試驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示；電子天平（0.01g）（PL2002）。

圖2 自制滑動(dòng)摩擦特性試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)方法：在測定滑動(dòng)摩擦角時(shí)，首先在水平放置的鍍鋅板上（部件3）放上待測試的物料，緩慢搖動(dòng)手柄（部件1）轉(zhuǎn)動(dòng)，使鍍鋅板的傾角逐漸增大。當(dāng)物料開始下滑或者有下滑的趨勢時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄此時(shí)鋼板的傾斜角度α，即為滑動(dòng)摩擦角，其正切值即為摩擦系數(shù)。

1.2.7 玉米粉熱導(dǎo)率和導(dǎo)溫系數(shù)測定

試驗(yàn)儀器：KD2 Pro熱特性分析儀：美國，Decagon公司。

試驗(yàn)方法：將被測樣品置于直徑25 mm，高35 mm的小燒杯內(nèi)，裝滿后壓實(shí)。并用封口膜和保鮮膜將燒杯口密封。將長30 mm，直徑1.28 mm，間距6 mm的SH-1探針垂直插入樣品中，加熱絲提供一定的熱量，熱電偶不斷測量溫度的變化。經(jīng)過2 min后，讀取儀器顯示屏上的熱導(dǎo)率與導(dǎo)溫系數(shù)數(shù)值。每個(gè)樣品至少進(jìn)行3次試驗(yàn)，取3次試驗(yàn)平均值作為最終結(jié)果。

1.2.8 玉米粉糊化特性測定

試驗(yàn)儀器：快速黏度分析儀（RVA）；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（PHG-9240A）；高速萬能粉碎機(jī)（FW100）；電子天平（0.000 1 g）（PL2002）。

試驗(yàn)方法：參照RVA應(yīng)用手冊(cè)進(jìn)行測定。主要步驟如下：①開啟RVA，預(yù)熱30 min；②量取(25.0±0.1)ml蒸餾水，移入新樣品筒中;③稱量(3.50±0.01)g的玉米粉（按14%濕基校正以稱取相應(yīng)的樣品量），并轉(zhuǎn)移到樣品筒內(nèi)的水面上；④將攪拌器置于樣品筒中并用攪拌器槳葉在試樣中上下劇烈攪動(dòng)10次，若在水面上仍有團(tuán)塊或黏附攪拌器槳葉上，可重復(fù)此步操作；⑤將攪拌器插入樣品筒中并將樣品筒插接到儀器上，按下塔帽，選定STD-1標(biāo)準(zhǔn)測定程序進(jìn)行測定；通常，在測試開始時(shí)采用高速(960 r/min)混合10 s，使試樣充分混勻。然后，在較低的測量速度(160 r/min)下進(jìn)行測試；⑥導(dǎo)出系統(tǒng)直接生成的試驗(yàn)報(bào)告，包括5個(gè)黏度特征值：峰值黏度（Peak viscosity，PV）、低谷黏度（Trough viscosity，TV）、衰減值（Breakdown viscosity，BV）、最終黏度（Final viscosity，F(xiàn)V）、回生值（Setback viscosity，SV）。

1.2.9 玉米熱特性參數(shù)測定

試驗(yàn)儀器：DSC-60型差示掃描熱量儀：日本，島津公司。

試驗(yàn)方法：先用兩個(gè)空白坩堝在25℃保持5 min，然后以10℃/min的速度升溫到130℃，在此溫度條件下保持10 min獲得基線，然后放入標(biāo)準(zhǔn)物藍(lán)寶石樣品，在同樣的條件下獲得標(biāo)準(zhǔn)樣品曲線，最后在同樣的條件下測定大麥樣品的DSC曲線，大麥的取樣量為8 mg。每個(gè)樣品至少進(jìn)行3次試驗(yàn)，取3次試驗(yàn)平均值作為最終結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)過程中每個(gè)樣品進(jìn)行3次試驗(yàn)測定，取3次的平均值作為最終結(jié)果。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用JMP 10統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米主要營養(yǎng)成分分析

表1 不同產(chǎn)地不同品種玉米籽粒營養(yǎng)成分分析（%，干基）

由表1可以看出，淀粉是玉米籽粒的最主要成分，占總量的74.92%～78.30%，粗灰分是玉米籽粒中含量最少的成分，占總量的1.22%～1.39%。淀粉、水分、粗蛋白質(zhì)、粗脂肪、粗灰分、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維的均值分別為：76.53%、15.11%、8.64%、3.67%、1.30%、2.00%和7.86%。淀粉、粗灰分和粗蛋白質(zhì)含量為弱變異，說明不同產(chǎn)地不同品種的玉米粗淀粉、粗灰分和粗蛋白質(zhì)的差異均不明顯，酸性洗滌纖維、脂肪和中性洗滌纖維含量為中等變異，但是，水分含量為較大變異，說明不同產(chǎn)地不同品種的玉米籽粒水分的差異非常明顯，這可能是由于全國各地的干燥要求不同、運(yùn)輸過程中水分變化等因素造成的。

中國飼料成分及營養(yǎng)價(jià)值表（2014年第25版）顯示，玉米（成熟，GB/T17890-2008 1級(jí)）的淀粉、粗蛋白質(zhì)、粗脂肪、粗灰分、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量分別為65.40%、8.70%、3.60%、1.40%、2.70%、9.30%（干基）；玉米（成熟，GB/T17890-2008 2級(jí)）的淀粉、粗蛋白質(zhì)、粗脂肪、粗灰分、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量分別為62.60%、7.80%、3.50%、1.30%、2.60%、7.90%（干基）。Feedipedia綜合了亞洲和澳洲地區(qū)的玉米樣品的理化指標(biāo)得出其淀粉含量為68.8%～74.3%（干基），粗蛋白含量為7.8%～11.3%（干基），粗灰分含量為1.0%～2.6%（干基），酸性洗滌纖維含量3.3%～5.6%（干基），中性洗滌纖維含量約10.4%～20.2%（干基）。而本試驗(yàn)中，玉米淀粉含量為74.92%～78.30%（干基），較以上結(jié)果偏高，粗蛋白含量為7.58%～9.78%（干基），與上述研究結(jié)果一致，粗灰分含量為1.22%～1.39%（干基），與上述研究結(jié)果一致，酸性洗滌纖維含量為1.37%～2.57%（干基）和中性洗滌纖維含量約6.61%～9.96%（干基），較以上研究結(jié)果偏低。

2.2 物理特性分析

本試驗(yàn)對(duì)粉碎粒度為1.5 mm和2.0 mm的玉米籽粒的物理特性進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析結(jié)果如表2、表3所示。

表2 不同產(chǎn)地不同品種玉米籽粒物理特性分析(粒度1.5 mm)

表3 不同產(chǎn)地不同品種玉米籽粒物理特性分析(粒度2.0 mm)

由表2可知，粉碎粒度為1.5 mm的玉米籽粒的平均粒徑、顆粒表面積、水分、休止角、摩擦系數(shù)、熱導(dǎo)率、容重和硬度指數(shù)均值分別為：524.18 μm、105.79 cm2、10.2%、44.35°、1.08、0.09 w/(m·K)、742.55 g/l和68.32。其中，休止角、容重、熱導(dǎo)率和平均粒徑為較小變異，說明不同產(chǎn)地不同品種的玉米籽粒粉碎粒度為1.5 mm時(shí)休止角、容重、熱導(dǎo)率和平均粒徑的差異均顯著不明顯。硬度指數(shù)、顆粒表面積和水分為中等變異系數(shù)，但是，摩擦系數(shù)為較大的變異系數(shù)，說明不同產(chǎn)地不同品種的玉米籽粒粉碎粒度為1.5 mm時(shí)摩擦系數(shù)差異比較明顯。

由表3可知，粉碎粒度為2.0 mm的玉米籽粒的平均粒徑、顆粒表面積、水分、休止角、摩擦系數(shù)、熱導(dǎo)率、容重和硬度指數(shù)均值分別為：563.90 μm、99.40 cm2、10.01%、42.31°、0.89、0.08 w/(m·K)、742.55 g/l和68.32。其中，休止角、容重和平均粒徑為較小變異，說明不同產(chǎn)地不同品種的玉米籽粒粉碎粒度為2.0 mm時(shí)休止角、容重和平均粒徑的差異均不明顯。硬度指數(shù)、顆粒表面積、摩擦系數(shù)、熱導(dǎo)率和水分為中等變異系數(shù)。

綜合表2、表3分析可知，玉米籽粒的容重、硬度指數(shù)與粉碎粒度無關(guān)，玉米籽粒粉碎粒度為1.5 mm與粒粉碎粒度為2.0 mm的水分、熱導(dǎo)率差異不顯著（P＜0.05）,玉米籽粒粉碎粒度為1.5 mm與粒粉碎粒度為2.0 mm的平均粒徑、顆粒表面積、休止角和摩擦系數(shù)的差異是顯著的（P＜0.05）。其中，玉米籽粒粉碎粒度為1.5 mm比粒粉碎粒度為2.0 mm的平均粒徑小，而玉米籽粒粉碎粒度為1.5 mm比粒粉碎粒度為2.0 mm的顆粒表面積、休止角與摩擦系數(shù)要大，與Zhang Guodong(2015)、Fei Peng(2014)等研究報(bào)道的結(jié)論一致。曹康,龐聲海等報(bào)道，摩擦系數(shù)是反映原料對(duì)壓模磨損影響的參數(shù)，摩擦系數(shù)大，表示壓模壓制該種原料的使用壽命，因此，減小物料的粉碎粒度能夠降低對(duì)壓膜的磨損，延長壓膜的使用壽命。

2.3 熱特性分析

熱特性參數(shù)是飼料加工中調(diào)質(zhì)制粒、冷卻過程中傳熱計(jì)算的重要參數(shù)。比熱是單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度每升高或降低1℃（K）所吸收或放出的熱量，是物料傳熱特性的重要參數(shù)。本試驗(yàn)對(duì)粉碎粒度為1.5 mm和2.0 mm的玉米籽粒的熱特性進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析結(jié)果如表4、表5所示。

表4 不同產(chǎn)地不同品種玉米熱特性分析[J/(g·K)，粒度1.5 mm]

由表4、表5綜合分析可知，玉米的比熱隨著溫度的升高而增大，玉米的變異系數(shù)也是隨著溫度的升高而增大，與粒度無關(guān)。不同品種玉米在不同溫度下的比熱值均為中等變異（粉碎粒度為1.5 mm的玉米在35℃時(shí)比熱變異系數(shù)為4.949 9，在誤差允許的范圍之內(nèi)）。每個(gè)溫度值下，玉米粉碎粒度為2.0 mm的比熱均值均比粉碎粒度為1.5 mm的比熱均值大（P＜0.05）（除25℃外）。王紅英等研究報(bào)道，隨著粉碎粒度的增加，玉米比熱隨之減小。

表5 不同產(chǎn)地不同品種玉米熱特性分析[J/(g·K)，粒度2.0 mm]

2.4 糊化特性分析

測定了玉米籽粒粉碎通過兩種篩片孔徑（1.5 mm和2.0 mm）的RVA黏度參數(shù)值，包括峰值黏度、低谷黏度、衰減值、最終黏度和回生值，其中，峰值黏度、低谷黏度、最終黏度是測定值，衰減值、回生值為計(jì)算值。測得結(jié)果如表6、表7所示。

表6 不同產(chǎn)地不同品種玉米籽粒糊化特性分析（cP，粒度1.5 mm）

表7 不同產(chǎn)地不同品種玉米籽粒糊化特性分析（cP，粒度2.0 mm）

由表6可知，玉米籽粒粉碎粒度為1.5 mm時(shí)，峰值黏度、低谷黏度、衰減值、最終黏度和回生值的均值分別為653.06、555.55、97.84、1 543.00 cP和987.77 cP。峰值黏度、低谷黏度、衰減值、最終黏度和回生值都屬于較大變異，變異系數(shù)均在20%以上，說明不同產(chǎn)地不同品種的玉米籽粒的糊化特性具有顯著的差異。

由表7可知，玉米籽粒粉碎粒度為2.0 mm時(shí)，峰值黏度、低谷黏度、衰減值、最終黏度和回生值的均值分別為 650.67、567.86、83.10、1419.50 cP 和 851.94 cP。峰值黏度、低谷黏度、衰減值、最終黏度和回生值都屬于較大變異，變異系數(shù)均在20%以上，說明不同產(chǎn)地不同品種的玉米籽粒的糊化特性具有顯著的差異。

綜合表6、表7分析可知，粉碎過2.0 mm篩片孔徑的玉米粉樣品黏度參數(shù)值明顯低于1.5 mm的（P＜0.05），可見粉碎粒度對(duì)玉米粉的黏度特性的影響較大，且粉碎粒度越高，淀粉越難糊化，進(jìn)而黏度值越低。有報(bào)道稱，由粗顆粒制成的顆粒飼料質(zhì)量較差是由粗顆粒中低糊化淀粉造成的，高淀粉糊化可被用來改善顆粒耐久性。綜上所述，在飼料加工中，可以通過適當(dāng)?shù)販p小玉米的粉碎粒度來增加其在調(diào)質(zhì)過程中的糊化程度，以改善顆粒料的成型特性。

由于測試條件包括加熱和轉(zhuǎn)速、冷卻速率、濃度、保持時(shí)間等都會(huì)影響?zhàn)ざ葏?shù)的數(shù)值，故對(duì)于欲進(jìn)行比較的結(jié)果，必須采用標(biāo)準(zhǔn)化的方法。本文中玉米的RVA黏度參數(shù)值與采用相同測試條件的李志偉等人報(bào)道的玉米粉黏度參數(shù)值相比，最大值偏低，但變幅介于報(bào)道中玉米粉黏度參數(shù)變幅之內(nèi)。張海艷等研究了不同類型玉米發(fā)育過程中的淀粉糊化特性，得出不同來源玉米淀粉的黏度曲線有差異的結(jié)論，與本研究的結(jié)論一致。

3 討論

①不同產(chǎn)地，不同品種的玉米營養(yǎng)成分、物理特性、糊化特性及熱特性均存在不同程度的差異。玉米的糊化特性較玉米的營養(yǎng)成分、物理特性、熱特性差異更明顯。

②不同產(chǎn)地不同品種的玉米粗淀粉、粗灰分和粗蛋白質(zhì)的差異均不明顯，不同產(chǎn)地不同品種的玉米酸性洗滌纖維、脂肪、中性洗滌纖維含量差異略明顯，但是不同產(chǎn)地不同品種的玉米籽粒水分的差異非常明顯，這可能是由于全國各地的干燥要求不同、運(yùn)輸過程中水分變化等因素造成的。

③不同產(chǎn)地不同品種的玉米粉休止角、容重、熱導(dǎo)率和平均粒徑的差異均不明顯；不同產(chǎn)地不同品種的玉米粉硬度指數(shù)、顆粒表面積和水分差異略明顯；不同產(chǎn)地不同品種的玉米粉摩擦系數(shù)差異比較明顯。

④不同產(chǎn)地不同品種玉米在不同溫度下比熱均為中等變異系數(shù)，差異略不明顯。

⑤峰值黏度、低谷黏度、衰減值、最終黏度和回生值都屬于較大變異，變異系數(shù)均在20%以上，說明不同產(chǎn)地不同品種的玉米籽粒的糊化特性具有非常大的差異。

⑥粉碎粒度對(duì)玉米的物理特性、糊化特性及熱特性均存在不同程度的影響。粉碎粒度為1.5 mm與粉碎粒度為2.0 mm的玉米粉樣品的平均粒徑、顆粒表面積、休止角和摩擦系數(shù)的差異是顯著的（P＜0.05）。其中，粉碎粒度為1.5 mm比粉碎粒度為2.0 mm的玉米粉樣品的平均粒徑小，而粉碎粒度為1.5 mm比粉碎粒度為2.0 mm的玉米粉樣品的顆粒表面積、休止角與摩擦系數(shù)要大。因此，玉米的粉碎粒度越小摩擦系數(shù)越大，對(duì)制粒系統(tǒng)的磨損越是嚴(yán)重。每個(gè)溫度值下，粉碎粒度為1.5 mm的比熱均值均顯著小于粉碎粒度為2.0 mm的玉米粉樣品的比熱均值（P＜0.05）。在調(diào)制過程中，可以適當(dāng)?shù)販p小玉米粉的粉碎粒度來提高調(diào)制溫度，提高調(diào)制質(zhì)量。粉碎過1.5 mm篩片孔徑的玉米粉樣品黏度參數(shù)值明顯高于2.0 mm的（P＜0.05），可見粉碎粒度對(duì)玉米粉的糊化特性的影響較大，這可能與顆粒表面積的變化有關(guān)，且粉碎粒度越大，淀粉越難糊化，進(jìn)而黏度值越低。在飼料加工中，可以通過適當(dāng)?shù)販p小玉米的粉碎粒度來增加其在調(diào)質(zhì)過程中的糊化程度，以改善顆粒料的成型特性。

對(duì)不同品種玉米的營養(yǎng)成分、物理特性、糊化特性及熱特性測定，可對(duì)其作為飼料原料，指導(dǎo)飼料加工過程中清選、粉碎、配料、混合、調(diào)質(zhì)、制粒、冷卻工藝參數(shù)優(yōu)化以及顆粒料成型特性與適口性的預(yù)測和改善提供理論依據(jù)。

（參考文獻(xiàn)24篇，刊略，需者可函索）