不同品种玉米粉热物理特性参数研究

■王红英 杨 洁陈 啸 孔丹丹 方 鹏

(中国农业大学工学院，北京100083)

玉米是世界上最重要的种植作物之一，其种植面积和产量仅次于水稻、小麦，居于第三位。我国玉米产量很大，约占全国粮食总产量的25%。玉米不仅为人类提供了丰富多样的食品，也是动物最重要的能量饲料之一。据统计，玉米大约有15%用于生产食品，10%用于生产淀粉、酒精，75%用于生产动物饲料[1]。饲料加工涉及到调质、膨化、冷却等诸多湿热加工，物料的温度将发生变化，伴随着热量的交换和传递[2]，而物料的热物理特性主要用于分析和模拟传热过程中的换热速率和换热量，是衡量物料传热过程的重要参数，对饲料湿热加工研究具有很重要的意义。

热物理特性参数包括比热、热传导系数、热扩散系数，而目前关于物料热物理特性参数只有一些半理论公式和经验公式，很难进行理论计算，想要获得物料的热物理特性参数主要方法还是依赖实测。国内外比热测定主要采用混合法和量热法[3]，混合法已经测定了稻谷、小麦等农产品和食品的比热[4-7]。虽然混合法是最常见的比热测定方法，但是测量过程会有热损失，产生误差。近年来，差示扫描量热仪（DSC）开始较为普遍的用于测定物料的比热[8-12]。热传导系数和热扩散系数的测量方法分为两大类：稳态法和瞬态法。稳态法的测定需要在恒定的温度下对被测物体长时间预热，所需时间较长，而且为了弥补测试过程的热损失，装置做得比较复杂[13]。瞬态法是利用在瞬态传热过程中被测材料的温度随时间的变化关系，测定其热物理特性数据，具有测试快捷简便，测试结果准确度高，操作方便等特点[14-16]。国内外的学者广泛用于测定农业物料的热物理特性方法主要有基于线热源瞬间模型的热丝法和热探针法，这两种方法具有快速准确的优点，在含水量低的理想绝缘体的测量中效果更好[17-19]。目前，关于玉米粉热物理特性的研究报道还较少，尤其是品种对其热物理特性参数的影响还未见报道，不能满足生产和科研工作的需要。

本文研究不同品种玉米粉的热物理特性参数，用DSC测定比热，用KD2 Pro热特性分析仪测定热传导系数、热扩散系数，分析热物理特性参数与玉米粉自身化学组成、平均粒径的关系。玉米粉热物理特性参数的变化规律可以作为热质传递过程的基础数据，也可用来指导饲料生产中调质器、冷却器的设计及加工工艺参数的优化。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 主要材料

本研究选取国内广泛种植的玉米品种10个，每个品种取3份，样品名称、产地及播种季节见表1。2014年采集新鲜玉米均自然干燥到安全水分13%，然后用粉碎机粉碎（采用饲料厂玉米粉碎常用的1.5 mm和2.0 mm筛片）备用。

表1 玉米名称、产地和播种季节

1.1.2 主要仪器

Kjeltec 2300凯氏定氮仪：瑞典，FOSS公司；Soxtex 2050全自动索氏抽提系统：丹麦，Foss公司；SRJX-3-9高温电炉：上海阳光实验仪器有限公司；Fibertec 2010粗纤维测定仪：瑞典，FOSS公司；DSC-60型差示扫描量热仪：日本，岛津公司；热特性分析仪KD2 Pro：美国，Decagon公司；电子精密天平：梅特勒-托利多仪器有限公司；GHCS-1000型谷物容重器：郑州中谷科技有限公司；JFSD-100小型粉碎机：上海嘉定粮油仪器有限公司；PJZ-5A拍击式振筛机：新乡市同心机械有限责任公司。

1.2 试验方法

1.2.1 玉米粉主要营养成分含量测定

水分、粗蛋白、粗脂肪和粗灰分分别按照国家标准GB/T 10362-2008、GB/T 50095-2010、GB/T 5512-2008、GB/T 5505-2008方法进行测定；粗淀粉按照NY/T 11-1985农业行业标准进行测定；中性洗涤纤维的测定按照国家标准GB/T 20806-2006方法进行测定；酸性洗涤纤维按照农业行业标准NY/T 1459-2007方法进行测定。

1.2.2 玉米粉物理特性参数测定

玉米粉容重按照ASAE S269.4 DEC1991方法进行测定。

玉米粉的平均粒度按照ANSI/ASAE S319.4方法进行测定。

具体的操作方法为：将100 g样品放在筛组最上层，用拍击式振筛机振动10 min。然后分别称量并记录各层筛上物料的质量，并按式（1）计算物料的对数几何平均粒度。

式中：dgw——几何平均直径(μm)；

di——第 i层筛的筛孔直径(μm)；

di+1——比第i层筛孔大的相邻筛子的筛孔直径(μm)；

Wi——第i层筛子上物料的质量(g)。

1.2.3 玉米粉热物理特性参数测定

比热用差示扫描量热仪进行测定，原理是采用参比法测量样品的比热容，即用一种已知比热容的标准样品(蓝宝石)作为标准，将样品的热量信号与之进行比对，从而确定样品的比热值，试验原理如图1所示。

图1 标准样品与试验样品的DSC曲线

通过公式（2）即可计算出样品在任意测定温度下的比热：

式中：CP、Cp..std——分别为试验样品和标准样品在温度T时的比热[J/(kg·K)]；

ms、mstd——分别为试验样品和标准样品的质量(mg)；

DSCs、DSCstd、DSCb1——分别为试验样品曲线、标准样品曲线和基线在温度T时的DSC信号值(mW)。

具体做法是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玉米粉样品的DSC曲线，玉米粉的取样量为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。

热传导系数和热扩散系数利用KD2 pro热特性分析仪进行测定，具体做法是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传导系数与热扩散系数数值。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。

1.3 数据处理

使用Excel 2007对数据进行统计分析，利用SPSS 16.0统计软件进行方差分析，标记字母法表示组间差异显著性，并进行热物理特性参数与营养成分、粉料容重和平均粒径之间的相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 玉米粉主要营养成分含量分析

10个不同品种玉米粉样品的营养成分分析结果见表2。由表2可以看出，玉米粉的粗淀粉、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸洗纤维和中洗纤维的平均含量为69.39%、7.85%、3.35%、1.16%、1.79%、7.07%。

整体来看，不同品种玉米粉的营养成分均存在不同程度的差异。粗淀粉、粗蛋白、粗灰分和中洗纤维的变幅较小，分别为68.28%～70.87%、7.44%～8.39%、1.11%～1.21%、6.62%～7.53%。粗脂肪的含量变化为中等变幅，变幅为2.90%～3.84%，其中粗脂肪含量最高和最低的品种分别是1号（3.84±0.21）%和5号（2.90±0.11）%。酸洗纤维含量变幅较大，变幅为1.61%～2.13%，其中酸洗纤维含量最高和最低的品种分别是8号（2.13±0.05）%和3号（1.61±0.06）%。变异系数由高到低依次为酸洗纤维（10.08%）、粗脂肪（8.58%）、中洗纤维（4.86%）、粗蛋白（3.91%）、粗灰分（2.78%）和粗淀粉（1.32%）。

表2 不同品种玉米粉的主要营养成分(%)

石德权等[1]对128份玉米样品进行分析，结果表明淀粉含量为72.02%，蛋白质含量为9.6%，脂肪含量为4.9%。顾晓红[20]对7 609份玉米进行分析，结果表明粗蛋白含量为11.92%，粗脂肪含量为4.8%，总淀粉含量为68.31%。赵克明[21]对11个省（市）、自治区所选育并推广的88个杂交种的品质进行了分析，普通玉米粗淀粉含量为68.16%，粗蛋白质为9.72%，粗脂肪为4.4%。本研究结果和其它研究结果不尽一致，分析原因可能与样品不同、分析方法不同有关。玉米的营养成分一般与品种类型、栽培技术、种植区域等有密切关系。品种是决定玉米营养成分的内因，生态环境是决定玉米营养成分的外因。国内外大量研究结果明确指出，气候（以温度和湿度为主）和土壤是影响玉米营养品质的重要因素[22]。

2.2 玉米粉容重及平均粒径分析

10个不同品种玉米粉的容重、平均粒径分析见表3。粉碎过1.5 mm和2.0 mm筛片的玉米粉的平均容重分别为545.05、568.75 g/l，变化范围分别为520.50～573.50、542.00～597.50 g/l。整体来看，不同品种玉米粉的容重差异显著（P＜0.05），但变幅较小。

表3 不同品种玉米粉的容重、平均粒径

粉碎是饲料加工中非常重要的环节，通过粉碎可增大单位质量原料的总表面积，使饲料养分在动物消化液中的溶解度增加，从而提高动物对饲料的消化率[23]。同时，原料的粉碎粒度对饲料加工工序（如调质制粒等）和成品颗粒料的质量都有着重要的影响。粉碎过1.5 mm和2.0 mm筛片玉米粉的平均粒径分别为527.46、565.25 μm，变化范围分别为 495.78～571.26、539.91～583.91 μm，变幅较小。徐凯等[24]在养猪生产中提出，饲料的粉碎粒度控制在500～800 μm比较适宜，也叫适宜粒度。王卫国等[25]研究发现，断奶仔猪在断奶后15 d以后粉碎粒度以500 μm为宜。综上所述，粉碎时过1.5 mm和2.0 mm筛片玉米粉的平均粒径是比较适宜的。

2.3 玉米粉热物理特性参数分析

2.3.1 不同品种玉米粉比热分析

粉碎过1.5 mm和2.0 mm筛片玉米粉的比热随温度变化趋势见图2、图3。图2、图3可以看出，玉米粉的比热随着温度的升高而增大，并且所有玉米粉的比热随温度的变化趋势一致，与王红英等、Jie Yang等[8-10]的研究结果相一致。

由表4可以看出，在25℃时，粉碎时过1.5 mm和2.0 mm筛片玉米粉的平均比热为2 069.9、1 960.3 J/(kg·K)，变化范围分别为1 910.0～2 192.0、1 841.5～2 238.0 J/(kg·K)。饲料加工时调质温度一般为70～85℃，可以看出70℃下粉碎时过1.5 mm和2.0 mm筛片玉米粉的平均比热为3 137.9、3 191.4 J/(kg·K)，变化范围分别为 2 938.0～3 350.0、3 012～3 399.5 J/(kg·K)；85 ℃下粉碎时过1.5 mm和2.0 mm筛片玉米粉的平均比热为3 414.4、3 453.3 J/(kg·K)，变化范围分别为 3 160.5～3 641.0、3 215.5～3 701.0 J/(kg·K)。不同品种玉米粉在不同温度下的比热值为中等变异，但差异并不显著，目前还没有不同品种玉米粉比热的相关研究。

图2 粉碎过1.5 mm筛片玉米粉的比热随温度变化趋势

图3 粉碎过2.0 mm筛片玉米粉的比热随温度变化趋势

表4 粉碎时过1.5 mm和2.0 mm筛片玉米粉的比热值[J/(kg·K)]

表4（续） 粉碎时过1.5 mm和2.0 mm筛片玉米粉的比热值[J/(kg·K)]

2.3.2 不同品种玉米粉热传导系数分析

图4 不同品种玉米粉的热传导系数

由图4可见，粉碎时过1.5 mm和2.0 mm筛片玉米粉的平均热传导系数为0.090 1、0.084 0 W/(m·K)，变化范围分别为0.083 0～0.094 0、0.078 5～0.087 0 W/(m·K)。同时可以看出，平均粒径越大，玉米粉的热传导系数越小。刘情超[26]测定的玉米粉的热传导系数为0.122 W/(m·K)，与本研究结果有一定的差异，可能是玉米粉成分或粒度不同，热传导系数也不同。程龙等[13]研究在室温下，水分含量为11的玉米的热传导系数为0.136 2 W/(m·K)，说明玉米粉的热传导系数低于玉米的热传导系数。目前还没有其他关于玉米粉热传导系数的报道。

同时也可以看出，不同品种玉米粉的热传导系数差异显著，这可能是因为不同玉米粉品种的营养成分存在差异。同时玉米粉的热传导系数也比较复杂，不但与组成成分有关，也与组织结构，孔隙大小等有关。

2.3.3 不同品种玉米粉热扩散系数分析

图5 不同品种玉米粉的热扩散系数

由图5可见，粉碎时过1.5 mm和2.0 mm筛片玉米粉的平均热扩散系数为0.080 3、0.076 1 m2·s-1·10-6，变化范围分别为0.067 4～0.091 0、0.058 9～0.085 3 m2·s-1·10-6。同时可以看出，平均粒径越大，玉米粉的热扩散系数越小。Kazarian等[27]研究发现了玉米热扩散系数随水分的方程式，计算得出常温下，13%水分含量的玉米的热扩散系数为0.091 8 m2·s-1·10-6，说明玉米粉的热扩散系数小于玉米的热扩散系数。目前，还没有玉米粉热扩散系数的相关报道。

2.4 不同品种玉米粉主要营养成分和热物理特性参数的相关性分析

通过不同品种玉米粉营养成分和热物理特性参数的相关性分析,可以了解它们之间存在的内在联系。表5显示10种玉米粉的营养成分与热物理特性参数的相关系数。相关性分析表明，热传导系数与粗淀粉含量之间呈显著正相关（r=0.648*），与粗脂肪含量之间呈显著负相关（r=-0.763*）；热扩散系数与粗淀粉含量之间呈显著正相关（r=0.710*），与粗脂肪含量之间呈极显著负相关（r=-0.773**），与粉料容重之间呈显著负相关（r=-0.756*）。

表5 不同品种玉米粉主要营养成分和热物理特性参数的相关性分析

表5（续） 不同品种玉米粉主要营养成分和热物理特性参数的相关性分析

玉米粉的热物理特性不仅与温度和水分相关，还与其自身的化学组成、组织结构有关。由于玉米粉本身的特点，营养成分含量可以反映玉米粉的化学组成，而容重可以反映组织结构。通过对玉米粉热物理特性与其生理生化指标的内在关系分析，可以为加工提供可靠的理论数据。

3 结论

①在营养组分方面：玉米粉的粗淀粉、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸洗纤维和中洗纤维的平均含量为69.39%、7.85%、3.35%、1.16%、1.79%、7.07%。不同品种玉米粉的营养成分均存在不同程度的差异。其中粗淀粉、粗蛋白、粗灰分和中洗纤维的含量变幅较小，粗脂肪的含量变化为中等变幅，酸洗纤维含量变幅较大。

②在热物理特性方面：玉米粉的比热随着温度的升高而增大，并且所有玉米粉比热随温度的变化趋势一致。不同品种玉米粉在不同温度下的比热值为中等变异，差异并不显著。在25℃时，粉碎时过1.5 mm和2.0 mm筛片玉米粉的比热平均值为2 069.9、1 960.3 J/(kg·K)，热传导系数平均值为0.090 1、0.084 0 W/(m·K)，热扩散系数平均值为0.080 3、0.076 1 m2·s-1·10-6。

③相关性分析表明：热传导系数与粗淀粉含量之间呈显著正相关（r=0.648*），与粗脂肪含量之间呈显著负相关（r=-0.763*）；热扩散系数与粗淀粉含量之间呈显著正相关（r=0.710*），与粗脂肪含量之间呈极显著负相关（r=-0.773**），与粉料容重之间呈显著负相关（r=-0.756*）。

玉米粉热物理特性参数的测定，对其作为饲料原料，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，同时热物理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。