不同品种玉米DDGS的饲料加工特性差异分析

■陈 啸 杨 洁 孔丹丹 岳 岩 吕 芳 方 鹏 王红英

（中国农业大学工学院，北京100083）

Distillers Drier Grains with Soluble（玉米 DDGS、干酒糟及其可溶物）是Distillers Drier Soluble（DDS、可溶性干酒糟）与Distillers Drier Grains（DDG,干酒糟）的混合物，是生产乙醇的副产物。玉米等谷物经过发酵，其中的淀粉被转化为乙醇和二氧化碳，获得副产品玉米DDGS。因此，玉米DDGS具有低淀粉、高蛋白、高可消化纤维和高有效磷等许多特点，是优良的蛋白质饲料原料。近年来，随着酒精行业的发展逐渐趋于集约化和规模化，大中型企业向原料主产区转移，产量逐年上升。粗略统计，这些企业每年玉米DDGS的产量基本都在20万吨以上，主要分布在吉林、黑龙江、河南、山东等地区。而近年养殖业的迅猛发展以及生物技术的不断提高促进了玉米DDGS在饲料领域的广泛应用。随着玉米DDGS在畜牧业中的应用愈加广泛，预计未来国内玉米DDGS的需求量还会大幅增长。因此，关于玉米DDGS作为饲用原料的研究对于这一成分的合理利用、配方目标的实现以及动物安全、食品安全的保障有着极其重要的作用。

目前，针对玉米DDGS的试验研究主要集中在玉米DDGS品质影响因素研究，如玉米作为玉米DDGS的主要生产原料，其营养成分的变化将最终导致不同玉米DDGS营养价值产生差异；而玉米DDGS作为DDG及DDS干燥后的混合物，DDG中粗脂肪、粗蛋白、蛋氨酸含量比较高，而DDS中粗灰分、赖氨酸及磷的含量较高，且DDS中含有发酵过程中产生的酵母、糖化曲及未知生长因子，这使得两者的混合比例也会对最终产品的营养成分、色泽等产生一定影响。而畜禽动物养殖生产中的应用是玉米DDGS作为饲料原料的另外一个研究热点：相关学者在家禽、猪、反刍动物等饲养试验中得出了在饲料配方中添加玉米DDGS可降低鸡舍内NH3和H2S等有害气体的排放量、提高反刍动物如奶牛的产奶量等有利结论。

作为饲料重要原料之一的玉米DDGS，加工特性主要包括营养特性、物理特性及热特性。如前所述,玉米DDGS的营养特性研究较为丰富，尤其是针对玉米DDGS作为酒精加工副产物而富含的几种营养成分如粗蛋白、纤维、可消化磷等，这些营养特性会对玉米DDGS在配方中的功能产生影响。而饲料原料的物理特性主要包括粉碎特性、摩擦特性等，同其他饲料原料一样，玉米DDGS物理特性参数的大小会影响粉体物料在饲料设备中的流动情况，影响不同粉体颗粒间结合的过程及结合效果，从而对饲料加工质量和加工效率产生影响，对物理特性的研究可以指导饲料加工过程中存储、粉碎、制粒等多个工段的工艺参数。玉米DDGS的热特性则主要包括热导率、比热等，是饲料加工过程中调质、制粒及冷却等存在热传递阶段进行传热计算的重要参数，对这些参数的测定可以为饲料加工中调制器、冷却器的参数设计及加工工艺参数的优化提供理论依据。基于不同产地、不同品种的玉米DDGS产品的营养特性、物理特性、热特性的基础型数据研究有待发展。

基于玉米DDGS的应用要求，本文在对不同产地、不同品种玉米DDGS作为饲料原料的加工特性进行试验研究的基础上，对包括营养特性、物理特性及热特性的加工特性数据进行差异性分析，旨在建立针对玉米DDGS的饲料加工特性数据库，为饲料行业加工技术的发展和研究提供数据基础和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 主要材料

玉米DDGS样品的采集通过与国内主要饲料生产厂商联系，由其原料供应部门提供。共采集来自全国6个省区及美国共34个玉米DDGS品种，共计来自国内外26家乙醇、饲料原料生产企业。其中吉林省6个、黑龙江省5个、河南省7个、河北省6个、安徽省1个，并采集美国进口玉米DDGS共9个。采集样品后，进行除杂清理并分别装袋储存；物理特性、热特性试验测定前使用实验用小型粉碎机对样品进行粉碎，粉碎筛片孔径分别为1.5 mm及2.5 mm。

1.2 试验仪器与方法

1.2.1 玉米DDGS营养成分测定

实验仪器：近红外分析仪（Infraxact Lab）。

实验方法：样品采集与分样按照GB5491的规定进行，整理样品并清除杂质。仪器经预热及自检模式后，取适量玉米DDGS样品（体积不少于样品容积杯二分之一），用近红外分析仪进行测定，记录测定数据，每个样品测定两次。第一次测定后的测定样品应与原待测样品混匀后，再次取样进行第二次测定。

1.2.2 玉米DDGS粉水分测定

实验仪器：电热恒温鼓风干燥箱(PHG-9240A)；高速万能粉碎机(FW100)；电子天平(0.01 g)(PL2002)。

试验方法：参照烘箱法进行测定（GB6435-86）。

1.2.3 玉米DDGS容重测定

实验仪器：GHCS-1000型谷物容重器：郑州中谷科技有限公司。

试验方法：参照容重器法进行测定（GB 1353-2009）。

1.2.4 玉米DDGS粉碎特性测定

实验仪器：小型粉碎机（JFSD-100）、十四层标准筛（GB/T6003.1-1997）、拍击式振筛机（PZJ-5A）。

试验方法：所有玉米DDGS样品均使用装有筛片孔径分别为1.5 mm和2.5 mm的小型粉碎机粉碎，得到两种不同粒度的粉碎样品。粉碎粒度用几何平均直径（Geometric mean diameter，GMD）表示，参照十四层筛法进行测定（ANSI/ASAE S319.4-2008）：将100 g玉米DDGS粉样品放在筛组的最上层，使用拍击式振筛机作用筛组使其振动10 min，振动完成后分别称量并记录各层筛上物料的质量。并按式（1）计算玉米DDGS的对数几何平均粒径。

式中：Dgw为对数几何平均直径(μm)；

di为第i层筛的筛孔直径(μm)；

di+1为比第i层筛孔大的相邻筛子的筛孔直径(μm)；

Wi为第i层筛子上物料的质量(g)。

1.2.5 玉米DDGS粉休止角测定

休止角指物料堆积层的自由斜面与水平面所形成的最大角，又称堆积角。散粒体物料的休止角越小，说明摩擦力越小，流动性越好。本实验按照国家标准GB/T 5262—1985中规定的注入法原理，采用自主研发的休止角测定装置进行测量。

实验仪器：基于Kansas State University推荐方法所制作的休止角测定装置，如图1所示。

实验方法：Kansas State University推荐方法：将玉米DDGS粉缓慢添加至空间狭长的长方形容器内形成截面接近三角形的堆积体，待堆积体形状稳定后停止添加，然后在截面的轮廓线上找到斜率最大的点，以该点为切点做直线与轮廓线相切，此切线与水平线的夹角即为物料的休止角。

图1 休止角测定装置

1.2.6 玉米DDGS粉摩擦系数测定

滑动摩擦角是衡量散粒体物料散落性能的重要指标，表示每个物料颗粒与斜面材料间的摩擦特性，与物料含水率、粒径、颗粒外壳特性、接触材料表面特性有关。

实验仪器：基于斜面仪法自主研制的测定摩擦角的斜面仪装置，如图2所示；电子天平(0.01 g)(PL2002)。

实验方法：将玉米DDGS粉平铺在斜面仪的平板上，形成薄薄的一层，缓慢转动手动摇杆，逐渐增加平板的倾斜度。当物料开始下滑或者有下滑的趋势时，停止转动，记录平板的倾斜角度α，即为物料的滑动摩擦角，其正切值即物料摩擦系数。

图2 斜面仪装置

1.2.7 玉米DDGS粉热导率和导温系数测定

实验仪器：KD2 Pro热特性分析仪：美国，Decagon公司。

实验方法:将被测样品置于直径25 mm、高35 mm的小烧杯内，装满后压实。并用封口膜和保鲜膜将烧杯口密封。将长30 mm、直径1.28 mm、间距6 mm的SH-1探针垂直插入样品中，加热丝提供一定的热量，热电偶不断测量温度的变化。经过2 min后，读取仪器显示屏上的热导率与导温系数数值。每个样品至少进行3次试验，取3次试验平均值作为最终结果。

1.2.8 玉米DDGS粉热特性参数测定

实验仪器：DSC-60型差式扫描热量仪：日本，岛津公司。

实验方法：将两个空白坩埚在25℃保持5 min，并以10℃/min的速度升温到130℃，在此温度条件下保持10 min获得基线；放入标准物蓝宝石样品，在同样的条件下获得标准样品曲线；在同样的条件下测定玉米DDGS样品的DSC曲线，玉米DDGS样品取样量为8 mg。每个样品至少进行3次试验，取3次试验平均值作为最终结果。

1.3 数据处理

所有试验数据使用Microsoft Excel 2007进行整理分析，并使用SPSS 20.0及MATLAB R2010b进行统计分析及差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 玉米DDGS主要营养成分分析

表1 不同产地不同品种玉米DDGS原料营养成分分析（%，干基）

由表1数据可以看出，中性洗涤纤维为玉米DDGS的主要成分，占总量的23.19%～37.70%；其次为粗蛋白质，占总量的20.29%～30.81%；而磷和硫为玉米DDGS中占比例最小的两种成分，分别只占0.63%～1.13%和0.55%～1.21%。其余营养成分主要包括粗脂肪（含量均值7.99%）、粗灰分（含量均值5.37%）、纤维（含量均值7.05%）、酸性洗涤纤维（含量均值9.09%）。而水分含量均值为10.05%，范围为6.63%～12.90%。从变异程度方面分析可以发现，除去粗蛋白质含量变异程度（8.20%）为中等外，其余8种营养成分含量变异程度皆属于强变异，其中粗脂肪变异程度达到了33.99%，其次的酸性洗涤纤维也达到了28.62%，说明不同品种、不同产地的玉米DDGS样品的各个营养成分差异比较明显，这可能是由于各个生产企业的乙醇生产工艺、干燥工艺不同及所使用玉米原料的差异性导致的。

根据中国饲料成分及营养价值表(2014年第25版),玉米DDGS（中国饲料号5-11-0007）粗蛋白含量为27.5%、粗脂肪含量10.1%、纤维含量6.6%、粗灰分含量5.1%、中性洗涤纤维含量27.6%、酸性洗涤纤维含量12.2%、磷含量0.71%，与本文所测数据比较，处于最值范围内；与本文各营养成分指标均值相比，除粗蛋白含量、粗脂肪含量、酸性洗涤纤维含量较本文数据偏高外，其余几项皆相对偏低。

2.2 玉米DDGS物理特性分析

本节对粉碎粒度为1.5 mm和2.5 mm（即粉碎机筛片孔径分别为1.5 mm及2.5 mm）的玉米DDGS样品的物理特性进行实验分析，分析结果如表2、表3所示。

表2 不同产地不同品种玉米DDGS粉料物理特性分析（粒度1.5 mm）

表3 不同产地不同品种玉米DDGS粉料物理特性分析（粒度2.5 mm）

未粉碎玉米DDGS样品容重情况如下：最大值为613 g/l，最小值为322 g/l，平均值为(517.43±63.75)g/l，变异系数为12.32%。

由表2可以发现，粉碎粒度为1.5 mm的玉米DDGS的平均粒径、颗粒表面积、水分、休止角、摩擦系数和容重均值分别为：355.51 μm、151.79 cm2、9.21%、39.10°、1.63和493.26 g/l。通过比较各物理特性参数的变异系数发现，只有休止角处于中等变异水平；平均粒径、颗粒表面积、水分、容重等指标变异程度则集中在10%～20%区间，说明玉米DDGS样品的这几项指标受品种、产地的影响具有相似的变化规律。而摩擦系数的变异系数达到了51.42%，表现出在粉碎粒度为1.5 mm条件下，不同玉米DDGS样品间摩擦特性差异极为显著。K.A.Rosentrater研究发现，未粉碎状态下玉米DDGS样品休止角范围处于26.5～34.2°之间，与本研究结果相比偏低，这应主要是因为粉碎后样品粒度降低，导致需要更大的角度使其相互之间达到平衡，即休止角有一定程度的上升。

表3数据显示，2.5 mm粒度下玉米DDGS样品的平均粒径、颗粒表面积、水分、休止角、摩擦系数和容重 均 值 分 别 为 ：388.47 μm、139.11 cm2、9.54% 、39.47°、1.47和497.03 g/l。与粉碎粒度为1.5 mm相比，从均值角度看，玉米DDGS样品物理特性指标除反映粉碎特性的平均粒径、颗粒表面积有一定变化外，其余几项指标变化相对较小。从变异系数角度分析可以发现，与粉碎粒度为1.5 mm时相似，休止角处于中等变异程度，平均粒径、颗粒表面积、水分和容重的变异程度则比较接近，处于10%～20%的强变异水平。而摩擦系数的变异系数仍较高，达到了49.58%，说明玉米DDGS的品种、产地差异对样品摩擦特性存在极为显著的影响。

综合表2、表3数据，使用SPSS 20.0中单因素方差分析可知，不同粉碎粒度下，除平均粒径外(差异显著性P=0.009＜0.05)及颗粒表面积（P=0.011＜0.05），其余几项指标包括水分（P=0.383）、休止角（P=0.585）、摩擦系数（P=0.387）、容重（P=0.791），这表明粉碎粒径的差异只对粉碎工艺相关的平均粒径及颗粒表面积指标产生了显著性影响，而对其他几项物理特性参数的影响并不是显著的（P＞0.05）。同时，1.5 mm孔径筛片粉碎后的玉米DDGS样品相对2.5 mm孔径筛片粉碎样品平均粒径更低，颗粒表面积更大，这从粉碎粒度的角度考虑是符合常理的。摩擦系数是衡量物料与设备间摩擦程度的参数，在饲料加工中可以反映饲料原料与制粒设备如环模及压辊的摩擦情况，从而可以考察设备的磨损情况及寿命。曹康等、庞声海研究报道，随着物料摩擦系数的上升，环模、压辊等制粒设备的使用寿命有逐渐下降的趋势。本研究发现，1.5 mm粒度玉米DDGS样品的摩擦系数高于2.5 mm粒度下样品，因此考虑物料对设备磨损情况应相应调整粉碎工艺，提高设备使用寿命。

2.3 玉米DDGS热特性分析

农业物料的热特性参数主要包括比热、热导率、导温系数、对流换热系数等，在饲料加工中是调质、制粒、冷却等热传递过程中进行传热计算的重要参数。比热是食品及农产品热特性的重要工程参数之一，指单位质量物质温度每升高（或降低）1 K所增加（或减少）的能量，由式（2）表示：

式中：C——比热[J/(g·K)]；

Q——热量（J）；

m——质量（kg）；

△t——温差（K）。

本文对1.5、2.5 mm两个粉碎粒度下的玉米DDGS样品的比热、热导率进行了测定，测定及分析结果见表4、表5、表6。

表4 不同产地不同品种玉米DDGS粉料热特性分析[J/(g·K)，粒度1.5 mm]

表5 不同产地不同品种玉米DDGS粉料热特性分析[J/(g·K)，粒度2.5 mm]

表6 不同产地不同品种玉米DDGS粉热导率分析[w/(m·K)]

由表4数据可以发现，玉米DDGS样品的比热值随着温度的升高而增大，从起始的25℃（室温）的2.279 4 J/(g·K)（均值），最终达到了4.431 1 J/(g·K)（100℃）。而从变异系数看，室温时不同样品的比热值之间变异系数较大，达到了13.98%，为强变异；而随着温度的逐渐升高，变异系数基本稳定在9%～10%的水平，属于中等变异；而随着温度继续上升，样品比热值的变异系数在90℃之后再次超过10%。这些现象说明在1.5 mm粉碎粒度下，玉米DDGS样品比热值受温度、产地、品种的影响较为复杂。

根据表5数据可知，相似于1.5 mm粉碎粒度，2.5 mm粉碎粒度下玉米DDGS样品的比热值随温度升高而增大，从2.183 4 J/(g·K)(室温25℃)最终达到了4.418 4 J/(g·K)(100℃)；而横向比较两个粉碎粒度的玉米DDGS样品热特性可以发现，相同温度点的比热值基本一致，各点均值差异最大只有0.104 5 J/(g·K)。与更细的粉碎粒度下的样品相比，2.5 mm粒度的样品变异程度有所降低。除去25℃下玉米DDGS样品比热值变异系数达到11.11%，属于强变异，其与温度点比热值的变异系数皆低于10%，变异程度为中等。结合1.5 mm粉碎粒度情况，这说明不同产地、品种的玉米DDGS样品的比热值变异情况受一定程度的粉碎粒度变化的影响。

在两种粉碎粒度下，分别测定了不同产地、不同品种玉米DDGS样品的热导率，两个粒度下热导率均值分别为0.066 w/（m·K）（1.5 mm）和0.067 w/（m·K）(2.5 mm)，变异程度处于中等水平。由表6数据可以发现，两个粒度下热导率均值基本相同，说明粒度差异并未产生较大程度影响，而通过SPPS 20.0单因素方差分析也可以印证这一点（热导率差异显著性水平P=0.135＞0.05）。同时，变异系数显示两个粒度下的热导率皆属于中等变异，说明品种和产地对这一热特性指标产生了一定影响。K.A.Rosentrater研究显示，原粮状态下的玉米DDGS样品热导率范围为0.06～0.08 w/(m·K)，基本与本文所测数据相符。这也进一步说明粉碎与否对玉米DDGS样品热导率影响不大。

3 结论

3.1 不同产地、不同品种的玉米DDGS营养成分、物理特性、热特性均存在不同程度的差异。其中，营养成分、物理特性指标差异较热特性更为明显。

3.2 通过分析玉米DDGS样品主要营养成分可以发现，来自不同产地、不同品种的样品除粗蛋白质为中等变异外，其余几种营养成分都达到了强变异程度。其中粗脂肪变异程度达到了33.99%。这应该是因为不同生产厂商的乙醇生产工艺、干燥过程及原材料玉米品质的差异，导致玉米DDGS作为副产品其营养成分表现出的较大的差异现象。

3.3 玉米DDGS样品物理特性指标显示，两个粉碎粒度下（1.5、2.5 mm），休止角的变异程度较低，不同样品的摩擦系数变异程度较高，差异较为明显；平均粒径、颗粒表面积、水分和容重的变异系数比较接近，相对摩擦系数差异并不明显。

3.4 对不同产地、不同品种玉米DDGS样品的热特性（比热、热导率）进行了研究，比热值皆随温度的上升而增加；而在不同粒度下，室温下（25℃）样品比热值为最高值，而随着温度的升高变异程度逐渐趋于稳定，并处于中等变异程度。

3.5 进行了两个粉碎粒度下不同产地、不同品种玉米DDGS样品的物理特性、热特性的比较分析。物理特性方面，可以发现不同粒度下反映粉碎特性的平均粒径、颗粒表面积指标表现出显著差异（P＜0.05），而其余物理特性指标包括水分、休止角、摩擦系数、容重等并未受到粉碎粒度变化的显著影响（P＞0.05）；粉碎粒度为1.5 mm的玉米DDGS粉样品的平均粒径显著地低于粉碎粒度为2.5 mm的样品，而其颗粒表面积则显著地高于粉碎粒度为2.5 mm的样品。热特性方面，横向比较两个粉碎粒度下，各个温度点下的比热值差别不大，其均值差最大只有0.104 5 J/(g·K)，并且两个粉碎粒度下热导率差别亦不明显，相关文献也证明了这一结论。

本文对不同品种、不同产地玉米DDGS的营养成分、物理特性及热特性进行了测定和分析，比对了不同粉碎粒度对各指标的影响。本文数据及结论可对其作为饲料原料在配方中发挥相应作用，饲料加工过程如粉碎、调质、制粒、冷却的加工工艺参数优化，以及颗粒饲料成型特性的预测和产品质量的改善提供理论依据。

（参考文献20篇，刊略，需者可函索）