不同品种小麦理化特性及热物性参数研究

■杨 洁 陈 啸 孔丹丹 方 鹏 王红英

(中国农业大学工学院，北京100083)

随着人们生活水平的逐渐提高，对肉、蛋、奶的需求量不断增加，而对碳水化合物类如小麦等的需求量相对下降。小麦的价格基本上常年处于稳定状态，同时玉米资源相对短缺，玉米的价格一路暴涨，又容易发生霉变，产生霉菌毒素，对动物生长有很大危害，因此小麦在饲料产业中的应用比例逐年上升[1-2]。众多研究表明，只要在饲料中合理使用小麦，就可以带来非常好的经济效益[3-5]。但随着饲料市场竞争的日趋激烈，颗粒饲料的质量也越来越受到重视。颗粒质量涉及饲料配方和原料品质，饲料加工工艺及设备等诸多方面。因此，如何提高颗粒品质同时降低成本、在高产量、低成本以及高质量三者之间寻求最佳平衡点已成为生产企业最为关注和急盼解决的问题之一[6]。

开展小麦作为饲料资源研究具有较好的经济效益和社会效益，但小麦品种、来源及贮藏环境的不同会造成小麦营养组分、物理特性的不同，从而影响小麦在饲料工业中的应用。目前对于小麦的加工特性研究主要集中在食品方面，对于小麦在饲料加工方面相关的理化特性国内外研究较少，并且对于小麦的热物性参数主要参照国外数据，品种对小麦热物性参数的影响还未见报道，导致小麦作为饲料资源尚未得到充分、有效利用。如果能掌握小麦的理化特性及热物性参数，就可以有效地控制饲料生产的整个过程，尤其是调质过程中热量的供给，将对实际生产中确定适宜的加工设备、加工参数起到重要作用。因此，对国内主要小麦样品进行粉碎、混合、调质制粒、冷却等加工工艺相关的理化特性及热物性参数的研究分析显得尤为重要。

本研究从国内小麦产区收集了12个代表性小麦样品，涉及4个产区省份（河北、河南、山东、新疆），测定了小麦的基本营养组分、物理特性及热物性参数指标，并分析了不同指标之间的内在关系，对不同来源的小麦样品进行比较分析，旨在为小麦作为饲料原料提供理论数据基础，从而加速小麦作为饲料原料资源的研究开发，同时对于缓解我国十分紧缺的玉米资源，丰富我国饲料原料种类具有十分重要的意义。

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小麦品种12个，每个品种取3份，样品品种及来源见表1。2014年采集新鲜小麦（冬小麦）均自然干燥到水分为12%，然后用粉碎机（过1.5 mm筛片）粉碎备用。

表1 试验所用小麦品种及来源

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)；TU-1901双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)；DSC-60型差示量热扫描仪(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)；电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；GHCS-1000型谷物容重器(郑州中谷科技有限公司)；小麦硬度指数测定仪(上海赛霸精密仪器有限公司)；PJZ-5A拍击式振筛机(新乡市同心机械有限责任公司)；JFSD-100小型粉碎机(上海嘉定粮油仪器有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 小麦主要营养成分含量测定

水分、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分别按照国家标准GB/T 21305—2007、GB/T 6432—1994、GB/T 5512—2008、GB/T 5505—2008方法进行测定；中性洗涤纤维的测定分别按照国家标准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；磷和植酸磷分别按照GB/T 6437—2002、分光光度法进行测定。

1.2.2 小麦物理特性参数测定

容重按照国家标准GB/T 5498—2013方法进行测定；硬度指数按照国家标准GB/T 21304—2007方法进行测定；粉碎粒度按照ANSI/ASAE S319.4方法进行测定。

休止角用基于Kansas State University推荐方法，由自主研制的休止角测定装置进行测定，测定装置见图1（专利号：201320101172.9）。将小麦粉放置于漏斗中，使样品自然下落至长方体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

摩擦系数用基于斜面仪法，由自主研制的斜面仪装置进行测定，测定装置见图2(专利号：20120413462.7)。将小麦粉均匀铺在安放好的板件上，并不断增加板件与水平面的夹角直至板件上的物料滑落至接料盘中，然后通过测量装置得出摩擦角或摩擦系数。

图2 斜面仪装置

1.2.3 小麦热物性参数测定

比热利用差示扫描量热仪进行测定，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120℃，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小麦样品的DSC曲线，小麦粉的取样量为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。

热导率和导温系数用KD2 Pro热特性分析仪测定。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。

1.3 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，并进行物理特性参数间的相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 小麦主要营养成分含量分析

12个不同品种小麦样品的营养组分分析结果见表2。由表2可以看出，小麦的粗蛋白、粗脂肪和粗灰分的平均含量分别为14.83%、1.45%、1.60%，酸洗纤维和中洗纤维的平均含量为2.15%和9.94%，磷和植酸磷的平均含量为0.36%和0.18%。

表2 不同品种小麦的主要营养成分(%)

整体来看，不同产地收集小麦的营养组分均存在不同程度差异。粗蛋白、磷和植酸磷的含量变幅较大，变幅分别为10.80%～19.16%、0.30%～0.47%、0.14%～0.25%，表明不同品种小麦的粗蛋白、磷和植酸磷差异显著（P＜0.05），其中粗蛋白含量最高和最低的品种分别是AK58（19.16±0.27）%和XD20（10.80±0.06）%，磷含量最高和最低的品种分别是LM23（0.47±0.00）%和JM22（0.30±0.01）%、XD0（0.30±0.01）%，植酸磷含量最高和最低的品种分别是LM23（0.25±0.01）%和ND3432（0.14±0.01）%、AK58（0.14±0.01）%。

粗脂肪、粗灰分、酸洗纤维和中洗纤维的含量变化均为中等变幅，变幅分别为1.29%～1.61%、1.38%～1.75%、2.15%～2.85%、9.33%～11.18%，其中粗脂肪含量最高和最低的品种分别是ND3432（1.61±0.02）%和LM23（1.29±0.00）%，粗灰分含量最高和最低的品种分别是AK58（1.75±0.01）%和YM25（1.38±0.03）%，酸洗纤维含量最高和最低的品种分别是LM23（2.85±0.02）%和YM25（2.15±0.04）%，中洗纤维含量最高和最低的品种分别是 LM23（11.18±1.44）%和 YM25（9.33±0.00）%。

变异系数由高到低依次为植酸磷（16.67%）、粗蛋白（15.88%）、磷（13.89%）、粗脂肪（7.59%）、酸洗纤维（7.17%）、粗灰分（6.25%）、中洗纤维（5.33%）。

本试验所采集的小麦样品的营养组分含量范围较宽，与刘世杰等的研究结果相似[7-9]。品种、生长地区、气候条件、施肥及储存条件等的不同，是导致上述营养组分存在较大差异的主要原因[10-11]。关于生长环境对小麦品质的影响已有很多报道，对中国小麦品质和对河南省小麦品质的研究均表明，不同年份、生态条件、栽培措施对小麦品质有较大的影响[12-13]。也有研究发现，小麦中总磷的含量与每年的降水量有强相关性（r=0.478，P＜0.05），但与成长阶段的雨量无显著相关性[14]。目前关于小麦中植酸磷含量受地域影响的相关报道较少。

2.2 小麦物理特性参数分析

12个不同品种小麦样品物理特性参数分析结果见表3，其中测定了小麦的容重和硬度指数以及小麦粉的容重、平均粒径、休止角和摩擦系数。

表3 不同品种小麦的物理特性参数

容重是反映小麦营养指标最直接的因素，由表3可以看出，小麦的容重平均值为766.58 g/l，变幅较小，为703.0～822.5 g/l，其中容重最大和最小的品种分别是JM22（822.5±2.1）g/l和LM23（703.0±0.0）g/l，本试验的研究结果比Jha等[15]的研究结果偏低。粉料容重平均值为586.17 g/l，变幅较小，为533.6～618.6 g/l，其中粉料容重最大和最小的品种分别是XD20（618.6±2.9）g/l和LM23（533.6±11.2）g/l。

小麦硬度指小麦籽粒抗外力作用下发生变形和破碎的能力，硬度指数是在规定条件下粉碎小麦样品，存留在筛网上的样品占试样的质量分数，用HI表示。硬度指数越大，表明小麦的硬度越高，反之表明小麦硬度越低[16]。国标规定硬度指数不低于60的硬质小麦，不高于45为软质小麦。由表3可以看出，其中有10个品种的小麦为硬质小麦，只有YM25和LM23为混合麦，硬度指数的变幅较大，为50.15～73.00，其中硬度指数最大和最小的品种分别是JM22（822.5±2.1）和LM23（703.0±0.0）。

小麦粉的摩擦特性在饲料加工有着非常重要的作用。摩擦分为外摩擦和内摩擦两大类。外摩擦指的是小麦粉与固体材料的摩擦，内摩擦指的是小麦粉内部的摩擦，外摩擦特性是通过摩擦系数来表示，内摩擦特性则是用休止角来衡量。摩擦系数的高低决定了其流动性程度，而内摩擦角则是应用杨森公式计算筒仓贮料压力的重要参数[17]。

小麦粉休止角的平均值为42.81°，变幅较小，为39.00～45.00°，休止角最大和最小的品种分别是YM25（45.00±1.41）°和HN825（39.00±1.41）°。程绪铎等[17]研究了小麦的摩擦特性，结果显示小麦的休止角为37.67°，与本试验小麦粉的休止角研究结果一致。小麦粉摩擦系数的平均值为0.77，中等变幅，为0.71～0.87，摩擦系数最大和最小的品种分别为SD8（0.87±0.01）和XD20（0.71±0.01）。程绪铎等[17]研究了小麦的摩擦特性，结果显示小麦与摩擦钢板的摩擦系数为0.43，说明小麦粉的摩擦系数比小麦的摩擦系数大。

在表3中可以看出，小麦粉平均粒径的变化幅度较大，为 245.0～352.5 μm，混合麦的平均粒径较小，其平均粒径分别为(245.0±5.7)μm（YM25）和(250.0±5.7)μm（LM23）。

从图3中可以看出，不同品种小麦粉的粒度主要集中在850 μm以下，其中粒度为600 μm的颗粒重量占到了总重的25%，粒度为710 μm的颗粒重量占到了总重的12%以上。粒度在600～850 μm的占到了总重量的50%以上。YM25和LM23在850 μm时的比重比其他的低，约为12%，而平均粒径较大的JM18和XD20则占到了20%以上。美国堪萨斯大学研究表明[18]，当平均粒度在400～1 200 μm范围内，粒度每降低100 μm，饲料效率提高1.0%～1.5%。李星等[19]研究发现，饲料粉碎粒度为680 μm、制粒入模温度为65℃时，颗粒饲料的质量较好，仔猪的日增重达到最大，营养物质消化率也达到较高水平。徐凯等[20]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；最理想的饲料粒度是600～700 μm，叫最适粒度。以上研究表明本试验中小麦粉的粒度分布是比较理想的。

图3 不同品种小麦的粒度分布

2.3 小麦热物性参数分析

热物性参数（比热、热导率、导温系数）是农产品和食品热（传递）特性的3个重要工程参数，这些参数受物料的化学成分、物理结构、物质状态、含水率、温度等所影响[21-23]。在饲料加工中，热物性参数是饲料调质制粒、冷却过程中传热计算的重要参数[24]。目前，国内小麦的热物性参数测定较少[25]，实践中主要引用国外数据。

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。

温度对农产品的比热有影响，但是长期被忽视。图4是不同品种小麦粉比热随温度变化趋势图，从图中可以看出，小麦粉的比热随着温度的升高而增大，并且所有小麦粉的比热随温度的变化趋势一致。王红英等[26-27]利用DSC测定了不同前处理方式对饲料玉米、豆粕等比热的影响，研究结果发现，玉米、豆粕等物料的比热均随着温度的升高而增大。Mohapatra等[28]测定了长粒印度香米basmati品种的比热随温度的变化，结果显示当温度由-10℃升到150℃时，含水率为13%的糙米样品比热由1 270 J/(kg·K)上升到4 830 J/(kg·K)。本试验中小麦比热随温度的变化规律和以上研究结果相一致。

图4 不同品种小麦粉比热随温度的变化趋势

在图4中可见，小麦粉的比热在同一温度下有差异，其中YM25的比热显著低于其他的小麦品种，这可能是因为不同品种小麦的营养成分之间存在一定的差异。在25℃时，小麦粉的比热在1 839.5～2 452.0 J/(kg·K)之间。Mohsenin等[29]研究发现，当小麦的含水率在1%～40%时，其比热值为1 483～2 688 J/(kg·K)。温丽梅等[30]测定了小麦的含水率在5.6%～30.4%时，其比热值为1 419～3 295 J/(kg·K)。周祖锷等[25]测定了小麦的比热为1 809 J/(kg·K)。本试验测定的不同品种小麦粉的比热值和以上研究结果相一致。

热导率又称导热系数，它反映了物料的导热能力。由图5可以看出，不同品种小麦粉的热导率范围为0.070～0.080 W/(m·K)，热导率最小的为YM25，比周祖锷等[25]测定的小麦热导率值0.125 W/(m·K)偏小，这可能与测定方法有一定的关系。周祖锷等[25]测定小麦的热导率采用的方法是：先用混合法测定了比热，再用瞬态热流法直接测定了导温系数，然后计算出了热导率。测定过程存在一定的热量散失，可能导致结果有差异。一般情况下，食品的热导率在水和空气的热导率之间[0.026～0.614 W/(m·K)]，本试验的结果也在范围之内。

图5 不同品种小麦的热导率

由图5可见，不同品种小麦粉的热导率差异显著，这可能是因为不同品种小麦之间的营养成分存在差异。同时小麦粉的热导率也比较复杂，不但与组成成分有关，也与组织结构，粉碎粒度等有关。

导温系数又称热扩散率，它反映了导热过程中物料导热能力和储热能力之间的关系。

由图6可见，不同品种小麦粉的导温系数差异显著，其中导温系数的范围为0.054 8～0.067 9 m2·s-1·10-6，热导率最小的为SD8，比周祖锷等[25]测定的小麦导温系数值0.095 8 m2·s-1·10-6偏小，这可能与测定方法有一定关系。周祖锷等[25]用瞬态热流法直接测定了小麦的导温系数，测定过程存在一定的热量损失，可能会导致结果有差异。本试验是用KD2 Pro热特性分析仪测定小麦粉的导温系数，数据有一定的指导价值。

图6 不同品种小麦的导温系数

2.4 不同品种小麦主要物性参数之间的相关性分析

通过不同品种小麦物理特性参数之间的相关性分析，可以了解它们之间存在的内在联系。表4显示12种小麦的物理特性参数之间的相关系数。相关性分析表明，粉料容重与原粮容重呈极显著正相关（P＜0.01），与硬度指数呈显著正相关（P＜0.05）；平均粒径与硬度指数呈极显著正相关（P＜0.01），与粉料容重呈显著正相关（P＜0.05）；休止角与硬度指数呈极显著负相关（P＜0.01）；摩擦系数与原粮容重呈极显著负相关（P＜0.01）；比热与粉料容重呈显著负相关（P＜0.05）；热导率与平均粒径呈极显著正相关（P＜0.01），与原粮容重呈显著正相关（P＜0.05）；导温系数与原粮容重呈极显著正相关（P＜0.01），与比热呈极显著负相关（P＜0.01）。研究发现，小麦物理参数之间存在一定的内在关系，小麦的容重和硬度指数可以直接影响小麦粉的容重、平均粒径、休止角和摩擦系数，并且小麦热物性参数不仅与温度、化学组成有关，还与组织结构有关，如容重、平均粒径等。通过对小麦物理特性参数之间内在关系分析，可以为加工提供可靠的理论数据。

表4 不同品种小麦物理特性参数的相关性分析

3 结论

3.1 营养组分方面

不同来源的小麦样品在营养组成上均有大小不等的差异性。在12个小麦品种中，粗蛋白、粗脂肪和粗灰分的平均含量分别为14.83%、1.45%、1.60%，酸洗纤维和中洗纤维的平均含量为2.15%和9.94%，磷和植酸磷的平均含量为0.36%和0.18%；其中粗蛋白、磷和植酸磷的含量变幅较大，变幅分别为10.80%～19.16%、0.30%～0.47%、0.14%～0.25%；粗脂肪、粗灰分、酸洗纤维、中洗纤维的含量变化均为中等变幅，变幅分别为1.29%～1.61%、1.38%～1.75%、2.15%～2.85%、9.33%～11.18%。

3.2 物理特性参数方面

小麦的容重平均值为706.58 g/l、变幅较小，为706.0～822.5 g/l；小麦粉的容重平均值为586.17 g/l、变幅较小，为533.6～618.6 g/l；硬度指数为66.90、变幅较大，为50.15～73.00；粉碎后（1.5 mm筛片）平均粒径的变化幅度也大，为245.0～352.5 μm，粒度分布比较适宜；摩擦系数的平均值为0.77，中等变幅，为0.71～0.87；休止角的平均值为42.81°，变幅较小，为39.00～45.00°。

3.3 热物性参数方面

在25℃时，小麦粉的比热的范围为1 839.5～2 452.0 J/(kg·K),热导率的范围为0.070～0.080 W/(m·K),导温系数的范围为0.054 8～0.067 9 m2·s-1·10-6，不同小麦品种之间热物性参数差异显著。

3.4 不同品种小麦物理特性参数之间的相关性分析

粉料容重与原粮容重呈极显著正相关（P＜0.01），与硬度指数呈显著正相关（P＜0.05）；平均粒径与硬度指数呈极显著正相关（P＜0.01），与粉料容重呈显著正相关（P＜0.05）；休止角与硬度指数呈极显著负相关（P＜0.01）；摩擦系数与原粮容重呈极显著负相关（P＜0.01）；比热与粉料容重呈显著负相关（P＜0.05）；热导率与平均粒径呈极显著正相关（P＜0.01），与原粮容重呈显著正相关（P＜0.05）；导温系数与原粮容重呈极显著正相关（P＜0.01），与比热呈极显著负先关（P＜0.01）。

本试验对不同品种小麦的营养组分、物理特性、热物性参数进行了比较研究，提供了基础数据，对其作为饲料原料丰富我国原料种类具有十分重要的意义。同时，本试验测得的相关数据也对饲料实际生产过程中确定适宜的加工设备、加工参数起到重要作用。