玉米热解特性及热动力学

严云（西昌学院农业科学学院，四川西昌615013）



玉米热解特性及热动力学

严云
（西昌学院农业科学学院，四川西昌615013）

摘要：用SHMASZU DTG-60差热-热重分析仪器，在静态空气气氛条件下，对玉米进行热分析研究。采用Coats-Redfern热分析获取动力学参数的方法计算玉米粉和玉米皮反应的活化能，得到玉米粉和玉米皮的一级反应动力学模型，通过比较得出玉米粉的稳定性比玉米皮的稳定性高。

关键词：玉米粉；玉米皮；差热-热重分析

玉米是世界上产量仅次于水稻的第二大粮食作物，由于其单产高、增产潜力大、所以在工农业生产中占有重要的地位［1］。我国玉米种植主要集中在山东、河南、吉林、四川等一带［2］。玉米是世界上制造淀粉的主要原料，我国玉米淀粉的产量约占全国淀粉总产量的90%左右，玉米（干基）是由胚乳（79%～85%）、胚芽（8%～14%）皮及尖冠（5%～6%）组成［3］。随着科学技术的发展，玉米深加工生产出来的玉米淀粉已被广泛应用于食品、药品和轻工业的生产［4-5］。在玉米加工生产过程中产生了大量的下脚料，玉米黄粉和玉米渣，它们的主要成分都是玉米蛋白，但目前对它们的继续加工只停留在初级阶段，即用作饲料［6-7］。目前在玉米的研制和开发中存在较多的问题，如由于烹饪和加工过程中的加热使玉米中的活性成分降低等。现在玉米在食品中的应用已经深入到加工方式、加工特性及影响机理方面的研究，但是现代科技手段在玉米的加工中应用的较少。

热分析是在程序控温和一定气氛下，测量试样的某种物理性质与温度或时间关系的一类技术［8］。热分析技术用于研究物质在某一特定温度时发生的热学等物理参数的变化，由此进一步研究物质的结构和性能之间的关系，研究反应规律以及制定工艺条件等［9］。将热分析运用于玉米的热分解试验中，可以为玉米在加工过程中提供可靠地科学参考。本研究将热分析技术应用于玉米粉和玉米皮的热解试验中，并用Coats-Redfern法计算玉米的热动力学参数，研究玉米粉及玉米皮的热稳定性和热解的关系。

1　材料与方法

1.1材料

玉米，玉米皮，玉米粉（去除玉米皮后剩余的部分），用蒸馏水洗净后放在烘箱中于105℃烘干，取出后放入称量瓶中备用。

1.2仪器与条件

SHMADZU DTG-60差热-热重分析仪、DSC-60差示扫描量热仪：日本岛津公司。升温范围为20℃～700℃；气氛为静态空气；参比物为空铝坩埚。

2　结果与分析

2.1玉米粉和玉米皮的热降解过程

升温速率对热解的影响比较复杂，研究者认为随着升温速率的增加，样品颗粒达到热解所学的温度时间缩短，有利于热解实验，但是，升温速率的增加会使颗粒内外的温差变大，颗粒外层的热气来不及扩散要影响内部热解的进行［10］。所以本试验测试了不同升温速率对玉米的热重曲线的影响，试验表明随着升温速率的加大，热重曲线向高温方向漂移，但是每个阶段的失重率基本保持不变。升温速率对玉米皮和玉米粉的影响见图1和图2，选取的升温速率均为10℃/min。

图1　 玉米皮的差热-热重曲线Fig.1　The TG-DTG curve of corn skin

图2　 玉米粉的差热-热重曲线Fig.2　The TG-DTG curve of corn powder

从图中可以看出，玉米粉和玉米皮在加热过程中有3个明显的失重过程，第一阶段从室温到200℃左右，TG曲线几乎成一条直线，只有微小的波动，失重的百分率分别为6.008%和3.008%，这是物质发生解聚及“玻璃化转变”现象的一个缓慢的过程，这是释放出小分子的化合物如：H2O，CO2等物质。第二个阶段200℃～400℃左右，是玉米粉和玉米皮热解的主要阶段，失重的百分率为67.958%和78.243%，研究表明这个阶段玉米皮有纤维素和半纤维素大量分解及木质素软化分解导致大部分挥发物质的生成，所以失重的比例最大。第三阶段是从400℃到试验结束，发生的分解非常缓慢，是残留物质缓慢分解的过程，产生的失重率很小［11］。表1的数据可以看出失重的百分率的比值。玉米的热解失重特征数据见表1。

表1　玉米的热解失重特征数据Table 1　The pyrolysis characteristics data of corn

从表中的试验数据可以看出玉米粉在主要的第二失重阶段的比列小于玉米皮，而且残留量大于玉米皮，失重的峰顶温度小于玉米皮，说明玉米的稳定性较玉米皮的稳定相高。

2.2热解动力学参数的确定——活化能的计算

为了进一步探究玉米的稳定性，对玉米粉和玉米皮的活化能进行计算。在进行动力学数据处理时，采用Coats-Redfern积分法［12］，此方法已经被广泛用于热分解反应的动力学分析中，能够很好地反应热解反应的机理。相关方程如下：

表2　 玉米的热分解动力学数据Table 2　The thermal decomposition kinetics data of corn

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

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

3　结论

通过对玉米粉和玉米皮的热分析图谱，得到如下结论：

1）玉米粉和玉米皮的热解过程主要分成3个阶段，每个阶段对应不同的物理化学变化及不同的热效应。玉米粉在200℃～400℃，玉米皮在170℃～350℃是试样热解的主要阶段，玉米粉在400℃，玉米皮在352℃失重率最大。

2）用Coats-Redfern积分法计算了玉米粉和玉米皮的活化能，从计算结果可以看出玉米皮的活化能低于玉米粉的活化能，玉米粉的稳定性相对玉米皮的稳定性高。

参考文献：

［1］敬姗姗，刘晓兰，郑喜群.玉米蛋白研究进展［J］.食品与机械，2012，28（1）：259-261

［2］杨忠红.我国玉米深加工业现状和发展［J］.粮食与油脂，2007（6）：39-40

［3］江贵林，汪超，兰晶，等.玉米淀粉的粉体综合特性研究［J］.食品研究与开发，2009，30（9）：11-13

［4］蔡同一，赵文娟.玉米深加工及综合利用［J］.食品科学，2000，21（1）：6-8

［5］黄强，王婵，罗发兴.玉米淀粉的热力学性质与消化性［J］.华南理工大学学报，2011，39（9）：7-10

［6］林谦，戴求仲，蒋桂韬，等.玉米及其加工副产品的营养价值评定［J］.中国饲料，2013（4）：18-21

［7］杨志强，于涛，张春泓.玉米淀粉液化工艺研究［J］.食品研究与开发，2014，35（23）：76-79

［8］周传佩，刘义，沈雪松，等.热分析技术在药物研究中的应用［J］.分析科学学报，2001，1（5）：430-437

［9］朱静平.荞麦的热分析研究［J］.食品研究与开发，2012，33（4）：41-43

［10］王昶，徐敬，贾青竹.植物类生物质热解特性及动力学研究［J］.天津科技大学学报，2007，22（1）：8-12

［11］李永玲，吴占松.桔杆热解特性及热解动力学研究［J］.热力发电，2008，37（7）：1-5

［12］Coats A W，Redfern J P.Kinetic parameters from thermogravimetric data［J］.Nature，1964，201（4）：68-69

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.11.006

基金项目：四川省教育厅科研项目（13ZB0172；13ZB0298）

作者简介：严云（1980—），女（汉），讲师，硕士，主要从事环境化学方面的研究。

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