玉米熱解特性及熱動(dòng)力學(xué)

嚴(yán)云（西昌學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院，四川西昌615013）

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玉米熱解特性及熱動(dòng)力學(xué)

嚴(yán)云
（西昌學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院，四川西昌615013）

摘要：用SHMASZU DTG-60差熱-熱重分析儀器，在靜態(tài)空氣氣氛條件下，對(duì)玉米進(jìn)行熱分析研究。采用Coats-Redfern熱分析獲取動(dòng)力學(xué)參數(shù)的方法計(jì)算玉米粉和玉米皮反應(yīng)的活化能，得到玉米粉和玉米皮的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)比較得出玉米粉的穩(wěn)定性比玉米皮的穩(wěn)定性高。

關(guān)鍵詞：玉米粉；玉米皮；差熱-熱重分析

玉米是世界上產(chǎn)量?jī)H次于水稻的第二大糧食作物，由于其單產(chǎn)高、增產(chǎn)潛力大、所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位［1］。我國(guó)玉米種植主要集中在山東、河南、吉林、四川等一帶［2］。玉米是世界上制造淀粉的主要原料，我國(guó)玉米淀粉的產(chǎn)量約占全國(guó)淀粉總產(chǎn)量的90%左右，玉米（干基）是由胚乳（79%～85%）、胚芽（8%～14%）皮及尖冠（5%～6%）組成［3］。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，玉米深加工生產(chǎn)出來(lái)的玉米淀粉已被廣泛應(yīng)用于食品、藥品和輕工業(yè)的生產(chǎn)［4-5］。在玉米加工生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的下腳料，玉米黃粉和玉米渣，它們的主要成分都是玉米蛋白，但目前對(duì)它們的繼續(xù)加工只停留在初級(jí)階段，即用作飼料［6-7］。目前在玉米的研制和開發(fā)中存在較多的問(wèn)題，如由于烹飪和加工過(guò)程中的加熱使玉米中的活性成分降低等?，F(xiàn)在玉米在食品中的應(yīng)用已經(jīng)深入到加工方式、加工特性及影響機(jī)理方面的研究，但是現(xiàn)代科技手段在玉米的加工中應(yīng)用的較少。

熱分析是在程序控溫和一定氣氛下，測(cè)量試樣的某種物理性質(zhì)與溫度或時(shí)間關(guān)系的一類技術(shù)［8］。熱分析技術(shù)用于研究物質(zhì)在某一特定溫度時(shí)發(fā)生的熱學(xué)等物理參數(shù)的變化，由此進(jìn)一步研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，研究反應(yīng)規(guī)律以及制定工藝條件等［9］。將熱分析運(yùn)用于玉米的熱分解試驗(yàn)中，可以為玉米在加工過(guò)程中提供可靠地科學(xué)參考。本研究將熱分析技術(shù)應(yīng)用于玉米粉和玉米皮的熱解試驗(yàn)中，并用Coats-Redfern法計(jì)算玉米的熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)，研究玉米粉及玉米皮的熱穩(wěn)定性和熱解的關(guān)系。

1　材料與方法

1.1材料

玉米，玉米皮，玉米粉（去除玉米皮后剩余的部分），用蒸餾水洗凈后放在烘箱中于105℃烘干，取出后放入稱量瓶中備用。

1.2儀器與條件

SHMADZU DTG-60差熱-熱重分析儀、DSC-60差示掃描量熱儀：日本島津公司。升溫范圍為20℃～700℃；氣氛為靜態(tài)空氣；參比物為空鋁坩堝。

2　結(jié)果與分析

2.1玉米粉和玉米皮的熱降解過(guò)程

升溫速率對(duì)熱解的影響比較復(fù)雜，研究者認(rèn)為隨著升溫速率的增加，樣品顆粒達(dá)到熱解所學(xué)的溫度時(shí)間縮短，有利于熱解實(shí)驗(yàn)，但是，升溫速率的增加會(huì)使顆粒內(nèi)外的溫差變大，顆粒外層的熱氣來(lái)不及擴(kuò)散要影響內(nèi)部熱解的進(jìn)行［10］。所以本試驗(yàn)測(cè)試了不同升溫速率對(duì)玉米的熱重曲線的影響，試驗(yàn)表明隨著升溫速率的加大，熱重曲線向高溫方向漂移，但是每個(gè)階段的失重率基本保持不變。升溫速率對(duì)玉米皮和玉米粉的影響見(jiàn)圖1和圖2，選取的升溫速率均為10℃/min。

圖1　 玉米皮的差熱-熱重曲線Fig.1　The TG-DTG curve of corn skin

圖2　 玉米粉的差熱-熱重曲線Fig.2　The TG-DTG curve of corn powder

從圖中可以看出，玉米粉和玉米皮在加熱過(guò)程中有3個(gè)明顯的失重過(guò)程，第一階段從室溫到200℃左右，TG曲線幾乎成一條直線，只有微小的波動(dòng)，失重的百分率分別為6.008%和3.008%，這是物質(zhì)發(fā)生解聚及“玻璃化轉(zhuǎn)變”現(xiàn)象的一個(gè)緩慢的過(guò)程，這是釋放出小分子的化合物如：H2O，CO2等物質(zhì)。第二個(gè)階段200℃～400℃左右，是玉米粉和玉米皮熱解的主要階段，失重的百分率為67.958%和78.243%，研究表明這個(gè)階段玉米皮有纖維素和半纖維素大量分解及木質(zhì)素軟化分解導(dǎo)致大部分揮發(fā)物質(zhì)的生成，所以失重的比例最大。第三階段是從400℃到試驗(yàn)結(jié)束，發(fā)生的分解非常緩慢，是殘留物質(zhì)緩慢分解的過(guò)程，產(chǎn)生的失重率很小［11］。表1的數(shù)據(jù)可以看出失重的百分率的比值。玉米的熱解失重特征數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　玉米的熱解失重特征數(shù)據(jù)Table 1　The pyrolysis characteristics data of corn

從表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出玉米粉在主要的第二失重階段的比列小于玉米皮，而且殘留量大于玉米皮，失重的峰頂溫度小于玉米皮，說(shuō)明玉米的穩(wěn)定性較玉米皮的穩(wěn)定相高。

2.2熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)的確定——活化能的計(jì)算

為了進(jìn)一步探究玉米的穩(wěn)定性，對(duì)玉米粉和玉米皮的活化能進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)處理時(shí)，采用Coats-Redfern積分法［12］，此方法已經(jīng)被廣泛用于熱分解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析中，能夠很好地反應(yīng)熱解反應(yīng)的機(jī)理。相關(guān)方程如下：

表2　 玉米的熱分解動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)Table 2　The thermal decomposition kinetics data of corn

圖3　Coats-Redfern法中玉米粉的In［F（α）］和1/T的關(guān)系Fig.3　The relationship between In［F（α）］and 1/T of corn powder in Coats-Redfern

圖4　Coats-Redfern法中玉米皮的In［F（α）］和1/T的關(guān)系Fig.4　The relationship between In［F（α）］and 1/T of corn skin in Coats-Redfern

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)玉米粉和玉米皮的熱分析圖譜，得到如下結(jié)論：

1）玉米粉和玉米皮的熱解過(guò)程主要分成3個(gè)階段，每個(gè)階段對(duì)應(yīng)不同的物理化學(xué)變化及不同的熱效應(yīng)。玉米粉在200℃～400℃，玉米皮在170℃～350℃是試樣熱解的主要階段，玉米粉在400℃，玉米皮在352℃失重率最大。

2）用Coats-Redfern積分法計(jì)算了玉米粉和玉米皮的活化能，從計(jì)算結(jié)果可以看出玉米皮的活化能低于玉米粉的活化能，玉米粉的穩(wěn)定性相對(duì)玉米皮的穩(wěn)定性高。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.11.006

基金項(xiàng)目：四川省教育廳科研項(xiàng)目（13ZB0172；13ZB0298）

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)云（1980—），女（漢），講師，碩士，主要從事環(huán)境化學(xué)方面的研究。

收稿日期：2015-04-29

Kintic Analysis of Corn

YAN Yun

（Department of Agriculture，Xichang College，Xichang 615013，Sichuan，China）

Abstract：The thermogravimetric differential thermal analysis instrument of SHMASZU DTG-60 was studied of the thermal stability of corn in the static air.The activation energy of decomposition reaction of corn cob powder and corn skin was calculated by using the Coats-Redfern integral method according to the thermal analysis of the experimental data，the first order reaction kinetics model of corn powder and corn skin was obtained.The re

sults showed that the stability of corn powder was higher than the corn skin.

Key words：corn powder；corn skin；TG-DTA