不同类型粉碎机粉碎玉米的粒度、粒形表征分析

■ 金 楠 王红英* 方 鹏 祁忠贤 段恩泽

（1.中国农业大学工学院，北京100083；2.国家农产品加工技术装备研发分中心，北京100083）

粉碎加工作为饲料加工中的重要工序之一，为后续的配料、混合和制粒加工提供条件[1]，同时，饲料的粉碎粒度、粒形特征对饲料消化利用率、动物生产性能和动物胃肠道健康均有显著影响[2]。随着饲料工业的发展，不同类型的粉碎机和粉碎工艺应运而生。

不同类型粉碎机（锤片粉碎机、对辊粉碎机、鲨鱼粉碎机）对原料粒径减小的作用机理不同[3]。锤片粉碎机因其通用性广、粉碎质量好等优点[4]，目前在饲料原料的粉碎中应用范围最广，但随着更精细的粉碎，锤片粉碎机的粉碎能耗显著增加；对辊粉碎机的粉碎能耗相对较低，并且粉碎粒度更加均匀，但对大麦等纤维含量较高原料的粉碎效果不理想[5]，也不适合粒度较细的粉碎；除了锤片、对辊粉碎机外，鲨鱼粉碎机（Multicracker system）近年来被开发出来，在鲨鱼粉碎机中通过两排平行滚刀圆盘的破裂作用而非碾磨作用来减小原料粒径，目前对鲨鱼粉碎机的研究还相对较少[6]。饲料的二次粉碎工艺是将饲料原料先经第一道粉碎机组粗粉碎，粉碎后的物料经分级筛分级，筛上物再进入第二道粉碎机粉碎[7]，在很大程度上避免了原料的过度粉碎，降低了粉碎能耗。

准确表征粉碎原料的粒度粒形特征，对研究粉状饲料流动规律、颗粒饲料压缩成型和饲料消化利用机制具有重要意义。目前对粉碎原料主要采用筛分法进行粒度分布的研究，从而获得样品的平均粒径等特征参数。除此之外，激光粒度分析法（Laser particle size analysis,LPSA）、动态图像分析法（Dynamic im⁃age analysis,DIA）、扫描电镜分析法（Scanning elec⁃tron microscopy,SEM）等方法同样可以对原料的粒度进行定量分析和颗粒的微观形貌表征分析[8]。

综上所述，本研究分别使用筛分法和扫描电镜分析法，对五种不同类型粉碎机粉碎处理的玉米粒度、粒形进行表征分析，初步探究粉碎机类型对粉碎玉米粒度及微观形貌的影响，为粉碎样品的分析提供新思路。

1 材料与方法

1.1 玉米粉碎试验

分别在九江正大饲料有限公司、河南龙昌机械制造有限公司和山西禾丰牧业有限公司使用不同类型粉碎机及二次粉碎工艺对玉米样品进行粉碎，玉米样品的粉碎处理情况如表1所示。分别选择进口和国产的两种鲨鱼粉碎机，调节滚刀间隙对玉米进行粉碎；对辊+锤片二次粉碎是将对辊粉碎机粉碎后的样品过筛后，把筛上物投入锤片粉碎机再次粉碎。取5种不同粉碎方式处理后的玉米样品各2 kg，用于后续粒度粒形表征分析。

表1 玉米样品粉碎处理情况

1.2 粒度粒形表征

1.2.1 试验设备

SU8020场发射扫描电子显微镜（日本Hitachi公司）；octagon200型数显筛分仪（英国endecotts公司）；ISO3310不锈钢标准筛（英国endecotts公司）；AL204分析天平（梅特勒-托利多仪器有限公司）。

1.2.2 粉碎玉米粒度分析

将粉碎玉米的平均粒径及其几何标准差作为粒度分析的指标，粉碎玉米采用ANSI/ASAE S319.4-2008标准[9]中的14层筛法进行粉碎样品平均粒径及几何标准差的测定，每个样品进行3次粒度分析，取平均值作为最终结果，具体操作如下：将标准筛清理后称重记录筛体初重，筛层从上至下按筛网筛孔由大到小的顺序排列好14层标准筛，然后称取100 g样品放入最上层筛中，固定筛层于筛分仪上，开启筛分仪振动15 min，逐级取下层筛对每一层筛重新称重记录筛体末重。按式（1）计算粉碎样品的平均粒径。

式中：dgw——颗粒的几何平均粒径(μm)；

di—— 第 i 层 筛 的 标 称 筛 孔 尺 寸 (μm)，

Wi——第i层筛上样品的质量(g)；

n——筛层的数量。

样品平均粒径的几何标准差在一定程度上可以反映粉碎均匀度，按式（2）计算平均粒径的几何标准差。

式中：Sgw为平均粒径的几何标准差，其余字母含义均与公式（1）中相同。

1.2.3 粉碎玉米粒形分析

粉碎玉米的粒形分析基于扫描电子显微镜获取的样品微观形貌特征图像。粉碎玉米样品连续过20目和40目筛组，取适量20目筛下物和40目筛上物固定于载物盘后喷金处理，使用SU8020扫描电镜获取粉碎玉米放大不同倍数的微观图像。

2 结果与讨论

2.1 粒度表征分析

对5种粉碎处理的玉米样品粒度分析结果如表2所示。从平均粒径的结果可以看到，除锤片微粉碎机平均粒径为440.06 μm外，其他粉碎机粉碎处理的玉米样品粒径均为粗粉碎，粉碎玉米的平均粒径主要受粉碎机对辊间隙、筛片孔径等设备配置参数的影响。在几何标准差方面，尽管德国进口的MULTICRACKER鲨鱼粉碎机粉碎玉米的平均粒径大于国产鲨鱼粉碎机，但进口鲨鱼粉碎机的几何标准差更小，说明其粉碎玉米样品的粒度均匀度更好；对辊粉碎机与二次粉碎工艺处理的玉米样品平均粒径较为接近，但对辊粉碎机+锤片粉碎机的二次粉碎工艺较单一对辊粉碎机粉碎的玉米样品有更好的产品均匀度；锤片微粉碎机粉碎玉米的几何标准差最小，这与其最小的平均粒径有关，研究表明，粉碎产品的平均粒径越小，相应的几何标准差越小[10]。

表2 玉米样品粒度分析结果

对辊粉碎机和鲨鱼粉碎机多用于粗粉碎蛋鸡料的生产中，在本研究中同样基于蛋鸡料要求粒度对原料玉米进行粉碎。由于不同类型粉碎机机械结构和调节参数的不同，所以很难控制变量来分别单独比较粉碎样品的平均粒径和几何标准差。Thomas等[11]在中试规模下，分别用锤片式、对辊式和鲨鱼式三种粉碎机对小麦、玉米、大豆进行了粗粉碎，并比较了三种粉碎处理的粉碎比机械能和样品的平均粒径及粒度分布宽度，结果显示，粉碎相同原料对辊粉碎机消耗的比机械能最小，节能效果最好，且对辊粉碎机粉碎样品的粒度分布宽度最小，说明其均匀度更好，与本研究结论一致。Pérez-Bonilla等[5]同样在研究中对比锤片粉碎机和对辊粉碎机发现，对辊粉碎机具有生产更加均匀粒度产品的优点。

2.2 粒形表征分析

不同类型粉碎机粉碎处理的玉米样品微观结构（放大1 000倍）如图1所示，与马铃薯、玉米淀粉等单一成分原料的扫描电镜图像相比，粉碎后的全粒玉米扫描电镜图像受成分的影响颗粒一致性较差[12]。可以看到，粉碎机类型对粉碎玉米的微观形貌有明显影响，锤片微粉碎机粉碎玉米颗粒的球形度较高，且颗粒表面相对更均匀光滑，见图2(a)；对辊粉碎机粉碎玉米颗粒的边缘呈现不均匀、不规则形状，且表面比较粗糙，见图2(b)；对辊粉碎机+锤片粉碎机的二次粉碎玉米颗粒的形貌介于对辊粉碎机与锤片粉碎机之间，可见对辊破碎有改变粉碎玉米颗粒形状及粗糙度的作用。进口和国产两种鲨鱼粉碎机粉碎玉米颗粒的微观形貌差别不大，规则的球形颗粒与不规则颗粒混杂在一起，既有粗糙表面颗粒，也有光滑表面颗粒。

从营养的角度来看，减小原料粒径增加了消化酶与饲料的接触面积，进而提高了营养利用率，大量的研究结果显示，减小饲料原料粉碎粒度可提高饲料消化利用率和动物的生长性能[13]。Wondra等[14]为探究粉碎粒度均匀度的营养学意义，依次用对辊粉碎机、锤片粉碎机和粗细玉米混合物配制几何标准差分别为2.0、2.3、2.7的玉米饲喂育肥猪，结果显示，几何标准差较小时，干物质、氮和总能的消化率较高，但生长性能未见差异。在Wondra等研究中的第二个试验中，分别用锤片粉碎机和对辊粉碎机粉碎粒度为800 μm和400 μm的玉米，当粒度为800 μm时，锤片式粉碎机的几何标准差为2.5，对辊式粉碎机标准差为2.0，当粒度为400 μm时，锤片式粉碎机和对辊式粉碎机几何标准差分别为1.7和1.9。给育肥猪饲喂800 μm粒度玉米时，对辊粉碎机粉碎玉米的养分消化率高于锤片粉碎机，可能与其较小的几何标准差有关，但饲喂400 μm粒度玉米时，仍然以对辊粉碎机粉碎玉米的消化率更高，这就表明可能存在独立于几何标准差营养学意义的粉碎机类型影响效应。

图1 粉碎玉米扫描电镜图像(1 000倍)

图2 锤片、对辊粉碎扫描电镜图像(5 000倍)

在本研究中，对辊粉碎机粉碎玉米颗粒在微观下的粗糙表面，可能会增加消化酶与玉米颗粒的接触面积和附着点，而锤片粉碎机粉碎玉米颗粒较高的球形度和颗粒较光滑的表面，会减弱消化酶对其作用，这也在一定程度上解释了Wondra等的试验中，粉碎机类型对玉米营养消化率的影响效应。

3 结论

①粉碎玉米的平均粒径与粉碎机对辊间隙、筛片孔径等设备配置参数有关，不同类型粉碎机对粉碎玉米粒度的均匀度有明显影响，相近粒度下，对辊粉碎机粉碎玉米的粒度有更好的均匀度，进口鲨鱼粉碎机的粉碎均匀度要优于国产鲨鱼粉碎机。

②粉碎机类型对粉碎玉米的微观形貌有明显影响，由粉碎玉米的扫描电镜图像可知，锤片微粉碎机粉碎玉米颗粒的球形度较高，且颗粒表面相对更均匀光滑，对辊粉碎机粉碎玉米颗粒的边缘呈现不均匀、不规则形状，且表面较粗糙。

③本文仅对不同类型粉碎机粉碎玉米的粒度和微观粒形作了初步分析，建议今后对不同类型粉碎机粉碎的饲料原料开展体外消化试验或饲养试验，探究粉碎机类型对饲料营养消化利用率的影响效应。