不同品种玉米饲料加工特性分析

■张国栋 杨 洁 孔丹丹 陈 啸 沈 祥 王红英

（中国农业大学工学院，北京 100083）

玉米是世界上分布最广的作物之一，在世界的粮食生产中一直占有很重要的地位，从栽培面积和总产量看，玉米仅次于小麦和水稻，居世界第三位；在我国玉米是仅次于小麦的主要粮食作物，其种植面积和产量居秋粮作物之首。玉米既是高产的粮食作物和人类的口粮，又是畜牧业必不可少的主要饲料来源，饲料工业中每年消耗全球4.6亿吨玉米中的65%以上。玉米淀粉消化率高达90%，粗纤维含量很低，是最优质的能量饲料原料，被称为“饲料之王”，在饲料工业中占有重要地位。目前，全世界玉米总产量的65%用作饲料，我国则高达75%，玉米的供应已经在相当程度上控制着我国饲料工业和养殖业的命脉。可见，玉米对于保障粮食安全、动物安全以及食品安全起着至关重要的作用。

目前，针对玉米的试验研究主要集中于基因遗传育种、食品开发、清洁能源等方面，对玉米关于饲料加工的一系列理化特性研究比较缺乏。本文中玉米的营养成分、物理特性、糊化特性及热特性可对饲料加工过程中清选、粉碎、配料、混合、调质、制粒、冷却工艺参数优化以及颗粒料成型特性与适口性的预测和改善提供理论依据。玉米营养成分的测定，指导饲料配方的营养价值评估与原料存储安全性。物理特性的测定，指导饲料加工过程中的存储、粉碎、制粒等工艺参数，对于提高饲料原料存储安全、优化粉碎机粉碎性能，提高制粒后颗粒质量有重要的意义。糊化特性的测定，指导饲料加工中调制的工艺参数，以改善颗粒料的成型特性。热特性参数的测定，指导饲料加工中调质器、冷却器的设计及加工工艺参数的优化具有理论参考价值，同时热特性参数的变化规律还可作为数学分析或软件模拟中热质传递过程的基础数据。

有研究报道：不同玉米品种制作食品存在着极大的差异，不同类型的玉米由于颜色和容重、硬度、蛋白质、支链淀粉等含量的不同使得玉米粉的加工特性存在较大的差异，在制作食品与饲料时便表现出不同，因此在产业化生产时原料的选择至关重要。同样，建立与研究不同品种玉米饲料加工特性基础数据具有重要的意义。本研究旨在建立不同品种玉米饲料加工特性基础数据的基础上对不同品种玉米的营养成分组成、物理特性、热特性和糊化特性等进行差异性分析，为饲料工业行业加工技术的发展提供理论基础及技术支撑。

1 材料与方法

1.1 主要材料

通过与国内玉米主要种植区的相应负责人联系，共采集来自全国7个省区69个玉米样品，分别为黑龙江省27个、辽宁省14个、河北省10个、山东省7个、吉林省6个、内蒙古自治区3个以及河南省2个，共53个不同玉米品种。用粉碎机粉碎过两种筛片孔径（1.5 mm和2.0 mm）备用。

1.2 试验仪器与方法

1.2.1 玉米营养成分测定

试验仪器：近红外分析仪（Infraxact Lab）。

试验方法：样品采集与分样按照GB5491的规定进行,整理好样品并清除掉杂质。仪器经预热及自检模式后，取适量（不少于样品杯1/2的容积）小麦样品，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1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2次测定。

1.2.2 玉米粉水分测定

试验仪器：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 玉米粉容重测定

试验仪器：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 玉米粉平均粒径及颗粒表面积测定

试验仪器：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：所有玉米样品均采用装有1.5 mm和2.0 mm筛片孔径小型粉碎机粉碎，以得到两种不同粒度的粉料样品。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）。

1.2.5 玉米粉休止角测定

试验仪器：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。

试验方法：Kansas State University推荐方法。

图1 休止角测定装置

1.2.6 玉米粉摩擦系数测定

试验仪器：基于斜面仪法[13]自制滑动摩擦特性试验台，如图2所示；电子天平（0.01g）（PL2002）。

图2 自制滑动摩擦特性试验台

试验方法：在测定滑动摩擦角时，首先在水平放置的镀锌板上（部件3）放上待测试的物料，缓慢摇动手柄（部件1）转动，使镀锌板的倾角逐渐增大。当物料开始下滑或者有下滑的趋势时，停止转动，记录此时钢板的倾斜角度α，即为滑动摩擦角，其正切值即为摩擦系数。

1.2.7 玉米粉热导率和导温系数测定

试验仪器：KD2 Pro热特性分析仪：美国，Decagon公司。

试验方法：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 玉米粉糊化特性测定

试验仪器：快速黏度分析仪（RVA）；电热恒温鼓风干燥箱（PHG-9240A）；高速万能粉碎机（FW100）；电子天平（0.000 1 g）（PL2002）。

试验方法：参照RVA应用手册进行测定。主要步骤如下：①开启RVA，预热30 min；②量取(25.0±0.1)ml蒸馏水，移入新样品筒中;③称量(3.50±0.01)g的玉米粉（按14%湿基校正以称取相应的样品量），并转移到样品筒内的水面上；④将搅拌器置于样品筒中并用搅拌器桨叶在试样中上下剧烈搅动10次，若在水面上仍有团块或黏附搅拌器桨叶上，可重复此步操作；⑤将搅拌器插入样品筒中并将样品筒插接到仪器上，按下塔帽，选定STD-1标准测定程序进行测定；通常，在测试开始时采用高速(960 r/min)混合10 s，使试样充分混匀。然后，在较低的测量速度(160 r/min)下进行测试；⑥导出系统直接生成的试验报告，包括5个黏度特征值：峰值黏度（Peak viscosity，PV）、低谷黏度（Trough viscosity，TV）、衰减值（Breakdown viscosity，BV）、最终黏度（Final viscosity，FV）、回生值（Setback viscosity，SV）。

1.2.9 玉米热特性参数测定

试验仪器：DSC-60型差示扫描热量仪：日本，岛津公司。

试验方法：先用两个空白坩埚在25℃保持5 min，然后以10℃/min的速度升温到130℃，在此温度条件下保持10 min获得基线，然后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，最后在同样的条件下测定大麦样品的DSC曲线，大麦的取样量为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

试验过程中每个样品进行3次试验测定，取3次的平均值作为最终结果。所有试验数据使用Excel 2007对数据进行统计，采用JMP 10统计软件进行统计分析及显著性分析。

2 结果与分析

2.1 玉米主要营养成分分析

表1 不同产地不同品种玉米籽粒营养成分分析（%，干基）

由表1可以看出，淀粉是玉米籽粒的最主要成分，占总量的74.92%～78.30%，粗灰分是玉米籽粒中含量最少的成分，占总量的1.22%～1.39%。淀粉、水分、粗蛋白质、粗脂肪、粗灰分、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维的均值分别为：76.53%、15.11%、8.64%、3.67%、1.30%、2.00%和7.86%。淀粉、粗灰分和粗蛋白质含量为弱变异，说明不同产地不同品种的玉米粗淀粉、粗灰分和粗蛋白质的差异均不明显，酸性洗涤纤维、脂肪和中性洗涤纤维含量为中等变异，但是，水分含量为较大变异，说明不同产地不同品种的玉米籽粒水分的差异非常明显，这可能是由于全国各地的干燥要求不同、运输过程中水分变化等因素造成的。

中国饲料成分及营养价值表（2014年第25版）显示，玉米（成熟，GB/T17890-2008 1级）的淀粉、粗蛋白质、粗脂肪、粗灰分、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量分别为65.40%、8.70%、3.60%、1.40%、2.70%、9.30%（干基）；玉米（成熟，GB/T17890-2008 2级）的淀粉、粗蛋白质、粗脂肪、粗灰分、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量分别为62.60%、7.80%、3.50%、1.30%、2.60%、7.90%（干基）。Feedipedia综合了亚洲和澳洲地区的玉米样品的理化指标得出其淀粉含量为68.8%～74.3%（干基），粗蛋白含量为7.8%～11.3%（干基），粗灰分含量为1.0%～2.6%（干基），酸性洗涤纤维含量3.3%～5.6%（干基），中性洗涤纤维含量约10.4%～20.2%（干基）。而本试验中，玉米淀粉含量为74.92%～78.30%（干基），较以上结果偏高，粗蛋白含量为7.58%～9.78%（干基），与上述研究结果一致，粗灰分含量为1.22%～1.39%（干基），与上述研究结果一致，酸性洗涤纤维含量为1.37%～2.57%（干基）和中性洗涤纤维含量约6.61%～9.96%（干基），较以上研究结果偏低。

2.2 物理特性分析

本试验对粉碎粒度为1.5 mm和2.0 mm的玉米籽粒的物理特性进行试验分析，分析结果如表2、表3所示。

表2 不同产地不同品种玉米籽粒物理特性分析(粒度1.5 mm)

表3 不同产地不同品种玉米籽粒物理特性分析(粒度2.0 mm)

由表2可知，粉碎粒度为1.5 mm的玉米籽粒的平均粒径、颗粒表面积、水分、休止角、摩擦系数、热导率、容重和硬度指数均值分别为：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、热导率和平均粒径为较小变异，说明不同产地不同品种的玉米籽粒粉碎粒度为1.5 mm时休止角、容重、热导率和平均粒径的差异均显著不明显。硬度指数、颗粒表面积和水分为中等变异系数，但是，摩擦系数为较大的变异系数，说明不同产地不同品种的玉米籽粒粉碎粒度为1.5 mm时摩擦系数差异比较明显。

由表3可知，粉碎粒度为2.0 mm的玉米籽粒的平均粒径、颗粒表面积、水分、休止角、摩擦系数、热导率、容重和硬度指数均值分别为：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、容重和平均粒径为较小变异，说明不同产地不同品种的玉米籽粒粉碎粒度为2.0 mm时休止角、容重和平均粒径的差异均不明显。硬度指数、颗粒表面积、摩擦系数、热导率和水分为中等变异系数。

综合表2、表3分析可知，玉米籽粒的容重、硬度指数与粉碎粒度无关，玉米籽粒粉碎粒度为1.5 mm与粒粉碎粒度为2.0 mm的水分、热导率差异不显著（P＜0.05）,玉米籽粒粉碎粒度为1.5 mm与粒粉碎粒度为2.0 mm的平均粒径、颗粒表面积、休止角和摩擦系数的差异是显著的（P＜0.05）。其中，玉米籽粒粉碎粒度为1.5 mm比粒粉碎粒度为2.0 mm的平均粒径小，而玉米籽粒粉碎粒度为1.5 mm比粒粉碎粒度为2.0 mm的颗粒表面积、休止角与摩擦系数要大，与Zhang Guodong(2015)、Fei Peng(2014)等研究报道的结论一致。曹康,庞声海等报道，摩擦系数是反映原料对压模磨损影响的参数，摩擦系数大，表示压模压制该种原料的使用寿命，因此，减小物料的粉碎粒度能够降低对压膜的磨损，延长压膜的使用寿命。

2.3 热特性分析

热特性参数是饲料加工中调质制粒、冷却过程中传热计算的重要参数。比热是单位质量的物质温度每升高或降低1℃（K）所吸收或放出的热量，是物料传热特性的重要参数。本试验对粉碎粒度为1.5 mm和2.0 mm的玉米籽粒的热特性进行试验分析，分析结果如表4、表5所示。

表4 不同产地不同品种玉米热特性分析[J/(g·K)，粒度1.5 mm]

由表4、表5综合分析可知，玉米的比热随着温度的升高而增大，玉米的变异系数也是随着温度的升高而增大，与粒度无关。不同品种玉米在不同温度下的比热值均为中等变异（粉碎粒度为1.5 mm的玉米在35℃时比热变异系数为4.949 9，在误差允许的范围之内）。每个温度值下，玉米粉碎粒度为2.0 mm的比热均值均比粉碎粒度为1.5 mm的比热均值大（P＜0.05）（除25℃外）。王红英等研究报道，随着粉碎粒度的增加，玉米比热随之减小。

表5 不同产地不同品种玉米热特性分析[J/(g·K)，粒度2.0 mm]

2.4 糊化特性分析

测定了玉米籽粒粉碎通过两种筛片孔径（1.5 mm和2.0 mm）的RVA黏度参数值，包括峰值黏度、低谷黏度、衰减值、最终黏度和回生值，其中，峰值黏度、低谷黏度、最终黏度是测定值，衰减值、回生值为计算值。测得结果如表6、表7所示。

表6 不同产地不同品种玉米籽粒糊化特性分析（cP，粒度1.5 mm）

表7 不同产地不同品种玉米籽粒糊化特性分析（cP，粒度2.0 mm）

由表6可知，玉米籽粒粉碎粒度为1.5 mm时，峰值黏度、低谷黏度、衰减值、最终黏度和回生值的均值分别为653.06、555.55、97.84、1 543.00 cP和987.77 cP。峰值黏度、低谷黏度、衰减值、最终黏度和回生值都属于较大变异，变异系数均在20%以上，说明不同产地不同品种的玉米籽粒的糊化特性具有显著的差异。

由表7可知，玉米籽粒粉碎粒度为2.0 mm时，峰值黏度、低谷黏度、衰减值、最终黏度和回生值的均值分别为 650.67、567.86、83.10、1419.50 cP 和 851.94 cP。峰值黏度、低谷黏度、衰减值、最终黏度和回生值都属于较大变异，变异系数均在20%以上，说明不同产地不同品种的玉米籽粒的糊化特性具有显著的差异。

综合表6、表7分析可知，粉碎过2.0 mm筛片孔径的玉米粉样品黏度参数值明显低于1.5 mm的（P＜0.05），可见粉碎粒度对玉米粉的黏度特性的影响较大，且粉碎粒度越高，淀粉越难糊化，进而黏度值越低。有报道称，由粗颗粒制成的颗粒饲料质量较差是由粗颗粒中低糊化淀粉造成的，高淀粉糊化可被用来改善颗粒耐久性。综上所述，在饲料加工中，可以通过适当地减小玉米的粉碎粒度来增加其在调质过程中的糊化程度，以改善颗粒料的成型特性。

由于测试条件包括加热和转速、冷却速率、浓度、保持时间等都会影响黏度参数的数值，故对于欲进行比较的结果，必须采用标准化的方法。本文中玉米的RVA黏度参数值与采用相同测试条件的李志伟等人报道的玉米粉黏度参数值相比，最大值偏低，但变幅介于报道中玉米粉黏度参数变幅之内。张海艳等研究了不同类型玉米发育过程中的淀粉糊化特性，得出不同来源玉米淀粉的黏度曲线有差异的结论，与本研究的结论一致。

3 讨论

①不同产地，不同品种的玉米营养成分、物理特性、糊化特性及热特性均存在不同程度的差异。玉米的糊化特性较玉米的营养成分、物理特性、热特性差异更明显。

②不同产地不同品种的玉米粗淀粉、粗灰分和粗蛋白质的差异均不明显，不同产地不同品种的玉米酸性洗涤纤维、脂肪、中性洗涤纤维含量差异略明显，但是不同产地不同品种的玉米籽粒水分的差异非常明显，这可能是由于全国各地的干燥要求不同、运输过程中水分变化等因素造成的。

③不同产地不同品种的玉米粉休止角、容重、热导率和平均粒径的差异均不明显；不同产地不同品种的玉米粉硬度指数、颗粒表面积和水分差异略明显；不同产地不同品种的玉米粉摩擦系数差异比较明显。

④不同产地不同品种玉米在不同温度下比热均为中等变异系数，差异略不明显。

⑤峰值黏度、低谷黏度、衰减值、最终黏度和回生值都属于较大变异，变异系数均在20%以上，说明不同产地不同品种的玉米籽粒的糊化特性具有非常大的差异。

⑥粉碎粒度对玉米的物理特性、糊化特性及热特性均存在不同程度的影响。粉碎粒度为1.5 mm与粉碎粒度为2.0 mm的玉米粉样品的平均粒径、颗粒表面积、休止角和摩擦系数的差异是显著的（P＜0.05）。其中，粉碎粒度为1.5 mm比粉碎粒度为2.0 mm的玉米粉样品的平均粒径小，而粉碎粒度为1.5 mm比粉碎粒度为2.0 mm的玉米粉样品的颗粒表面积、休止角与摩擦系数要大。因此，玉米的粉碎粒度越小摩擦系数越大，对制粒系统的磨损越是严重。每个温度值下，粉碎粒度为1.5 mm的比热均值均显著小于粉碎粒度为2.0 mm的玉米粉样品的比热均值（P＜0.05）。在调制过程中，可以适当地减小玉米粉的粉碎粒度来提高调制温度，提高调制质量。粉碎过1.5 mm筛片孔径的玉米粉样品黏度参数值明显高于2.0 mm的（P＜0.05），可见粉碎粒度对玉米粉的糊化特性的影响较大，这可能与颗粒表面积的变化有关，且粉碎粒度越大，淀粉越难糊化，进而黏度值越低。在饲料加工中，可以通过适当地减小玉米的粉碎粒度来增加其在调质过程中的糊化程度，以改善颗粒料的成型特性。

对不同品种玉米的营养成分、物理特性、糊化特性及热特性测定，可对其作为饲料原料，指导饲料加工过程中清选、粉碎、配料、混合、调质、制粒、冷却工艺参数优化以及颗粒料成型特性与适口性的预测和改善提供理论依据。

（参考文献24篇，刊略，需者可函索）