不同品種玉米粉熱物理特性參數(shù)研究

■王紅英 楊 潔陳 嘯 孔丹丹 方 鵬

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

玉米是世界上最重要的種植作物之一，其種植面積和產(chǎn)量僅次于水稻、小麥，居于第三位。我國玉米產(chǎn)量很大，約占全國糧食總產(chǎn)量的25%。玉米不僅為人類提供了豐富多樣的食品，也是動物最重要的能量飼料之一。據(jù)統(tǒng)計，玉米大約有15%用于生產(chǎn)食品，10%用于生產(chǎn)淀粉、酒精，75%用于生產(chǎn)動物飼料[1]。飼料加工涉及到調(diào)質(zhì)、膨化、冷卻等諸多濕熱加工，物料的溫度將發(fā)生變化，伴隨著熱量的交換和傳遞[2]，而物料的熱物理特性主要用于分析和模擬傳熱過程中的換熱速率和換熱量，是衡量物料傳熱過程的重要參數(shù)，對飼料濕熱加工研究具有很重要的意義。

熱物理特性參數(shù)包括比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱擴散系數(shù)，而目前關(guān)于物料熱物理特性參數(shù)只有一些半理論公式和經(jīng)驗公式，很難進行理論計算，想要獲得物料的熱物理特性參數(shù)主要方法還是依賴實測。國內(nèi)外比熱測定主要采用混合法和量熱法[3]，混合法已經(jīng)測定了稻谷、小麥等農(nóng)產(chǎn)品和食品的比熱[4-7]。雖然混合法是最常見的比熱測定方法，但是測量過程會有熱損失，產(chǎn)生誤差。近年來，差示掃描量熱儀（DSC）開始較為普遍的用于測定物料的比熱[8-12]。熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測量方法分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法的測定需要在恒定的溫度下對被測物體長時間預(yù)熱，所需時間較長，而且為了彌補測試過程的熱損失，裝置做得比較復(fù)雜[13]。瞬態(tài)法是利用在瞬態(tài)傳熱過程中被測材料的溫度隨時間的變化關(guān)系，測定其熱物理特性數(shù)據(jù)，具有測試快捷簡便，測試結(jié)果準確度高，操作方便等特點[14-16]。國內(nèi)外的學(xué)者廣泛用于測定農(nóng)業(yè)物料的熱物理特性方法主要有基于線熱源瞬間模型的熱絲法和熱探針法，這兩種方法具有快速準確的優(yōu)點，在含水量低的理想絕緣體的測量中效果更好[17-19]。目前，關(guān)于玉米粉熱物理特性的研究報道還較少，尤其是品種對其熱物理特性參數(shù)的影響還未見報道，不能滿足生產(chǎn)和科研工作的需要。

本文研究不同品種玉米粉的熱物理特性參數(shù)，用DSC測定比熱，用KD2 Pro熱特性分析儀測定熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱擴散系數(shù)，分析熱物理特性參數(shù)與玉米粉自身化學(xué)組成、平均粒徑的關(guān)系。玉米粉熱物理特性參數(shù)的變化規(guī)律可以作為熱質(zhì)傳遞過程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可用來指導(dǎo)飼料生產(chǎn)中調(diào)質(zhì)器、冷卻器的設(shè)計及加工工藝參數(shù)的優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要材料

本研究選取國內(nèi)廣泛種植的玉米品種10個，每個品種取3份，樣品名稱、產(chǎn)地及播種季節(jié)見表1。2014年采集新鮮玉米均自然干燥到安全水分13%，然后用粉碎機粉碎（采用飼料廠玉米粉碎常用的1.5 mm和2.0 mm篩片）備用。

表1 玉米名稱、產(chǎn)地和播種季節(jié)

1.1.2 主要儀器

Kjeltec 2300凱氏定氮儀：瑞典，F(xiàn)OSS公司；Soxtex 2050全自動索氏抽提系統(tǒng)：丹麥，F(xiàn)oss公司；SRJX-3-9高溫電爐：上海陽光實驗儀器有限公司；Fibertec 2010粗纖維測定儀：瑞典，F(xiàn)OSS公司；DSC-60型差示掃描量熱儀：日本，島津公司；熱特性分析儀KD2 Pro：美國，Decagon公司；電子精密天平：梅特勒-托利多儀器有限公司；GHCS-1000型谷物容重器：鄭州中谷科技有限公司；JFSD-100小型粉碎機：上海嘉定糧油儀器有限公司；PJZ-5A拍擊式振篩機：新鄉(xiāng)市同心機械有限責(zé)任公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 玉米粉主要營養(yǎng)成分含量測定

水分、粗蛋白、粗脂肪和粗灰分分別按照國家標準GB/T 10362-2008、GB/T 50095-2010、GB/T 5512-2008、GB/T 5505-2008方法進行測定；粗淀粉按照NY/T 11-1985農(nóng)業(yè)行業(yè)標準進行測定；中性洗滌纖維的測定按照國家標準GB/T 20806-2006方法進行測定；酸性洗滌纖維按照農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 1459-2007方法進行測定。

1.2.2 玉米粉物理特性參數(shù)測定

玉米粉容重按照ASAE S269.4 DEC1991方法進行測定。

玉米粉的平均粒度按照ANSI/ASAE S319.4方法進行測定。

具體的操作方法為：將100 g樣品放在篩組最上層，用拍擊式振篩機振動10 min。然后分別稱量并記錄各層篩上物料的質(zhì)量，并按式（1）計算物料的對數(shù)幾何平均粒度。

式中：dgw——幾何平均直徑(μm)；

di——第 i層篩的篩孔直徑(μm)；

di+1——比第i層篩孔大的相鄰篩子的篩孔直徑(μm)；

Wi——第i層篩子上物料的質(zhì)量(g)。

1.2.3 玉米粉熱物理特性參數(shù)測定

比熱用差示掃描量熱儀進行測定，原理是采用參比法測量樣品的比熱容，即用一種已知比熱容的標準樣品(藍寶石)作為標準，將樣品的熱量信號與之進行比對，從而確定樣品的比熱值，試驗原理如圖1所示。

圖1 標準樣品與試驗樣品的DSC曲線

通過公式（2）即可計算出樣品在任意測定溫度下的比熱：

式中：CP、Cp..std——分別為試驗樣品和標準樣品在溫度T時的比熱[J/(kg·K)]；

ms、mstd——分別為試驗樣品和標準樣品的質(zhì)量(mg)；

DSCs、DSCstd、DSCb1——分別為試驗樣品曲線、標準樣品曲線和基線在溫度T時的DSC信號值(mW)。

具體做法是先用兩個空白坩堝在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，然后放入標準物藍寶石樣品，在同樣的條件下獲得標準樣品曲線，最后在同樣的條件下測定玉米粉樣品的DSC曲線，玉米粉的取樣量為8 mg。每個樣品至少進行3次試驗，取3次試驗平均值作為最終結(jié)果。

熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴散系數(shù)利用KD2 pro熱特性分析儀進行測定，具體做法是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。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傳導(dǎo)系數(shù)與熱擴散系數(shù)數(shù)值。每個樣品至少進行3次試驗，取3次試驗平均值作為最終結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，利用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進行方差分析，標記字母法表示組間差異顯著性，并進行熱物理特性參數(shù)與營養(yǎng)成分、粉料容重和平均粒徑之間的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米粉主要營養(yǎng)成分含量分析

10個不同品種玉米粉樣品的營養(yǎng)成分分析結(jié)果見表2。由表2可以看出，玉米粉的粗淀粉、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸洗纖維和中洗纖維的平均含量為69.39%、7.85%、3.35%、1.16%、1.79%、7.07%。

整體來看，不同品種玉米粉的營養(yǎng)成分均存在不同程度的差異。粗淀粉、粗蛋白、粗灰分和中洗纖維的變幅較小，分別為68.28%～70.87%、7.44%～8.39%、1.11%～1.21%、6.62%～7.53%。粗脂肪的含量變化為中等變幅，變幅為2.90%～3.84%，其中粗脂肪含量最高和最低的品種分別是1號（3.84±0.21）%和5號（2.90±0.11）%。酸洗纖維含量變幅較大，變幅為1.61%～2.13%，其中酸洗纖維含量最高和最低的品種分別是8號（2.13±0.05）%和3號（1.61±0.06）%。變異系數(shù)由高到低依次為酸洗纖維（10.08%）、粗脂肪（8.58%）、中洗纖維（4.86%）、粗蛋白（3.91%）、粗灰分（2.78%）和粗淀粉（1.32%）。

表2 不同品種玉米粉的主要營養(yǎng)成分(%)

石德權(quán)等[1]對128份玉米樣品進行分析，結(jié)果表明淀粉含量為72.02%，蛋白質(zhì)含量為9.6%，脂肪含量為4.9%。顧曉紅[20]對7 609份玉米進行分析，結(jié)果表明粗蛋白含量為11.92%，粗脂肪含量為4.8%，總淀粉含量為68.31%。趙克明[21]對11個省（市）、自治區(qū)所選育并推廣的88個雜交種的品質(zhì)進行了分析，普通玉米粗淀粉含量為68.16%，粗蛋白質(zhì)為9.72%，粗脂肪為4.4%。本研究結(jié)果和其它研究結(jié)果不盡一致，分析原因可能與樣品不同、分析方法不同有關(guān)。玉米的營養(yǎng)成分一般與品種類型、栽培技術(shù)、種植區(qū)域等有密切關(guān)系。品種是決定玉米營養(yǎng)成分的內(nèi)因，生態(tài)環(huán)境是決定玉米營養(yǎng)成分的外因。國內(nèi)外大量研究結(jié)果明確指出，氣候（以溫度和濕度為主）和土壤是影響玉米營養(yǎng)品質(zhì)的重要因素[22]。

2.2 玉米粉容重及平均粒徑分析

10個不同品種玉米粉的容重、平均粒徑分析見表3。粉碎過1.5 mm和2.0 mm篩片的玉米粉的平均容重分別為545.05、568.75 g/l，變化范圍分別為520.50～573.50、542.00～597.50 g/l。整體來看，不同品種玉米粉的容重差異顯著（P＜0.05），但變幅較小。

表3 不同品種玉米粉的容重、平均粒徑

粉碎是飼料加工中非常重要的環(huán)節(jié)，通過粉碎可增大單位質(zhì)量原料的總表面積，使飼料養(yǎng)分在動物消化液中的溶解度增加，從而提高動物對飼料的消化率[23]。同時，原料的粉碎粒度對飼料加工工序（如調(diào)質(zhì)制粒等）和成品顆粒料的質(zhì)量都有著重要的影響。粉碎過1.5 mm和2.0 mm篩片玉米粉的平均粒徑分別為527.46、565.25 μm，變化范圍分別為 495.78～571.26、539.91～583.91 μm，變幅較小。徐凱等[24]在養(yǎng)豬生產(chǎn)中提出，飼料的粉碎粒度控制在500～800 μm比較適宜，也叫適宜粒度。王衛(wèi)國等[25]研究發(fā)現(xiàn)，斷奶仔豬在斷奶后15 d以后粉碎粒度以500 μm為宜。綜上所述，粉碎時過1.5 mm和2.0 mm篩片玉米粉的平均粒徑是比較適宜的。

2.3 玉米粉熱物理特性參數(shù)分析

2.3.1 不同品種玉米粉比熱分析

粉碎過1.5 mm和2.0 mm篩片玉米粉的比熱隨溫度變化趨勢見圖2、圖3。圖2、圖3可以看出，玉米粉的比熱隨著溫度的升高而增大，并且所有玉米粉的比熱隨溫度的變化趨勢一致，與王紅英等、Jie Yang等[8-10]的研究結(jié)果相一致。

由表4可以看出，在25℃時，粉碎時過1.5 mm和2.0 mm篩片玉米粉的平均比熱為2 069.9、1 960.3 J/(kg·K)，變化范圍分別為1 910.0～2 192.0、1 841.5～2 238.0 J/(kg·K)。飼料加工時調(diào)質(zhì)溫度一般為70～85℃，可以看出70℃下粉碎時過1.5 mm和2.0 mm篩片玉米粉的平均比熱為3 137.9、3 191.4 J/(kg·K)，變化范圍分別為 2 938.0～3 350.0、3 012～3 399.5 J/(kg·K)；85 ℃下粉碎時過1.5 mm和2.0 mm篩片玉米粉的平均比熱為3 414.4、3 453.3 J/(kg·K)，變化范圍分別為 3 160.5～3 641.0、3 215.5～3 701.0 J/(kg·K)。不同品種玉米粉在不同溫度下的比熱值為中等變異，但差異并不顯著，目前還沒有不同品種玉米粉比熱的相關(guān)研究。

圖2 粉碎過1.5 mm篩片玉米粉的比熱隨溫度變化趨勢

圖3 粉碎過2.0 mm篩片玉米粉的比熱隨溫度變化趨勢

表4 粉碎時過1.5 mm和2.0 mm篩片玉米粉的比熱值[J/(kg·K)]

表4（續(xù)） 粉碎時過1.5 mm和2.0 mm篩片玉米粉的比熱值[J/(kg·K)]

2.3.2 不同品種玉米粉熱傳導(dǎo)系數(shù)分析

圖4 不同品種玉米粉的熱傳導(dǎo)系數(shù)

由圖4可見，粉碎時過1.5 mm和2.0 mm篩片玉米粉的平均熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.090 1、0.084 0 W/(m·K)，變化范圍分別為0.083 0～0.094 0、0.078 5～0.087 0 W/(m·K)。同時可以看出，平均粒徑越大，玉米粉的熱傳導(dǎo)系數(shù)越小。劉情超[26]測定的玉米粉的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.122 W/(m·K)，與本研究結(jié)果有一定的差異，可能是玉米粉成分或粒度不同，熱傳導(dǎo)系數(shù)也不同。程龍等[13]研究在室溫下，水分含量為11的玉米的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.136 2 W/(m·K)，說明玉米粉的熱傳導(dǎo)系數(shù)低于玉米的熱傳導(dǎo)系數(shù)。目前還沒有其他關(guān)于玉米粉熱傳導(dǎo)系數(shù)的報道。

同時也可以看出，不同品種玉米粉的熱傳導(dǎo)系數(shù)差異顯著，這可能是因為不同玉米粉品種的營養(yǎng)成分存在差異。同時玉米粉的熱傳導(dǎo)系數(shù)也比較復(fù)雜，不但與組成成分有關(guān)，也與組織結(jié)構(gòu)，孔隙大小等有關(guān)。

2.3.3 不同品種玉米粉熱擴散系數(shù)分析

圖5 不同品種玉米粉的熱擴散系數(shù)

由圖5可見，粉碎時過1.5 mm和2.0 mm篩片玉米粉的平均熱擴散系數(shù)為0.080 3、0.076 1 m2·s-1·10-6，變化范圍分別為0.067 4～0.091 0、0.058 9～0.085 3 m2·s-1·10-6。同時可以看出，平均粒徑越大，玉米粉的熱擴散系數(shù)越小。Kazarian等[27]研究發(fā)現(xiàn)了玉米熱擴散系數(shù)隨水分的方程式，計算得出常溫下，13%水分含量的玉米的熱擴散系數(shù)為0.091 8 m2·s-1·10-6，說明玉米粉的熱擴散系數(shù)小于玉米的熱擴散系數(shù)。目前，還沒有玉米粉熱擴散系數(shù)的相關(guān)報道。

2.4 不同品種玉米粉主要營養(yǎng)成分和熱物理特性參數(shù)的相關(guān)性分析

通過不同品種玉米粉營養(yǎng)成分和熱物理特性參數(shù)的相關(guān)性分析,可以了解它們之間存在的內(nèi)在聯(lián)系。表5顯示10種玉米粉的營養(yǎng)成分與熱物理特性參數(shù)的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)性分析表明，熱傳導(dǎo)系數(shù)與粗淀粉含量之間呈顯著正相關(guān)（r=0.648*），與粗脂肪含量之間呈顯著負相關(guān)（r=-0.763*）；熱擴散系數(shù)與粗淀粉含量之間呈顯著正相關(guān)（r=0.710*），與粗脂肪含量之間呈極顯著負相關(guān)（r=-0.773**），與粉料容重之間呈顯著負相關(guān)（r=-0.756*）。

表5 不同品種玉米粉主要營養(yǎng)成分和熱物理特性參數(shù)的相關(guān)性分析

表5（續(xù)） 不同品種玉米粉主要營養(yǎng)成分和熱物理特性參數(shù)的相關(guān)性分析

玉米粉的熱物理特性不僅與溫度和水分相關(guān)，還與其自身的化學(xué)組成、組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于玉米粉本身的特點，營養(yǎng)成分含量可以反映玉米粉的化學(xué)組成，而容重可以反映組織結(jié)構(gòu)。通過對玉米粉熱物理特性與其生理生化指標的內(nèi)在關(guān)系分析，可以為加工提供可靠的理論數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

①在營養(yǎng)組分方面：玉米粉的粗淀粉、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸洗纖維和中洗纖維的平均含量為69.39%、7.85%、3.35%、1.16%、1.79%、7.07%。不同品種玉米粉的營養(yǎng)成分均存在不同程度的差異。其中粗淀粉、粗蛋白、粗灰分和中洗纖維的含量變幅較小，粗脂肪的含量變化為中等變幅，酸洗纖維含量變幅較大。

②在熱物理特性方面：玉米粉的比熱隨著溫度的升高而增大，并且所有玉米粉比熱隨溫度的變化趨勢一致。不同品種玉米粉在不同溫度下的比熱值為中等變異，差異并不顯著。在25℃時，粉碎時過1.5 mm和2.0 mm篩片玉米粉的比熱平均值為2 069.9、1 960.3 J/(kg·K)，熱傳導(dǎo)系數(shù)平均值為0.090 1、0.084 0 W/(m·K)，熱擴散系數(shù)平均值為0.080 3、0.076 1 m2·s-1·10-6。

③相關(guān)性分析表明：熱傳導(dǎo)系數(shù)與粗淀粉含量之間呈顯著正相關(guān)（r=0.648*），與粗脂肪含量之間呈顯著負相關(guān)（r=-0.763*）；熱擴散系數(shù)與粗淀粉含量之間呈顯著正相關(guān)（r=0.710*），與粗脂肪含量之間呈極顯著負相關(guān)（r=-0.773**），與粉料容重之間呈顯著負相關(guān)（r=-0.756*）。

玉米粉熱物理特性參數(shù)的測定，對其作為飼料原料，指導(dǎo)飼料加工中調(diào)質(zhì)器、冷卻器的設(shè)計及加工工藝參數(shù)的優(yōu)化具有理論參考價值，同時熱物理特性參數(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)。