不同种类谷物加工副产物流变特性的比较

刘来亭 张 勇* 杨 覃 郑 鑫 甘玉花

（1 河南工业大学生物工程学院，河南郑州450001；2 郑州市大北农饲料科技有限公司，河南郑州451162）

物料的流变学特性与物料的化学成分、分散状 态、组织结构有极大的联系[1-2]。谷物加工的流变学，主要是通过研究谷物加工过程中的变形和流动问题，探讨复杂流变学特性的物质组分之间的相互作用，找出与加工过程有关的力学性质的变化规律，从而控制产品质量，鉴别产品优劣，为工艺及设备的设计提供有关依据[3]。谷物加工副产物很多是加工其他产品的主要附料，如酿造业、饲料加工行业等。其物理特性、流变学特性不同于谷物本身。加工过程中如输送、粉碎、混合等流变特性与谷物差别很大。国外早在20 世纪六、七十年代就开始了对麦粒[4]、大豆及大豆种皮[5]、稻米[6]等谷物及其副产品的流变特性进行了研究，而我国九十年代才进行初步研究。通过对谷物以及谷物加工副产物流变特性进行研究，为加工设备提供设计指导，对加工工艺提出改进，对产品质量进行控制并预测[7]。

本研究通过研究小麦胚、米糠粕、豆粕、大豆皮、玉米粉等5种谷物副产物的流变特性并进行对比，以期揭示产品组织结构的变化对流变性的影响，为高效利用谷物加工副产物，降低能耗，优化加工工艺、设备提供基本理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

小麦胚、米糠粕、豆粕、大豆皮、玉米(采用3.0 mm孔径筛片粉碎为玉米粉)均由郑州大北农饲料有限公司友情提供。

1.2 仪器与设备

AR-1044 电子精密天平：梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；MC 电子分析天平：余姚市金诺天平仪器有限公司；PS-40T超声波：深圳市洁康洗净电器有限公司；GDG-4S 型三联高压固结仪：南京土壤仪器厂；自动高压直剪仪：南京土壤仪器厂。

1.3 水分、密度和比重的测定

水分：参照《粮油检验 玉米水分测定》GB/T 10362—2008所述方法进行测定[8]。

密度：环刀内上样质量与环刀体积之比。

比重：参照《土壤农业化学常规分析方法》中采用比重瓶法测定[9]。

1.4 流变性质测定

①休止角特性的测定：参照GB 11986—1989国标[10]。

②压缩特性的测定：参照土建《土工试验方法标准》GB/T 50123—1999[11]固结试验，并进行了一些改进。

③回弹试验：在固结压缩基础上进行回弹测定。步骤如下：在试样压缩最后一级稳定后不再加压，逐级卸载，至回弹稳定后，记录每级量程表读数。根据回弹稳定后的孔隙比，则可绘制相应的孔隙比与压力的关系曲线，称为回弹曲线；试验结束后拆除荷载，拆除测微表，按照装样的相反顺序拆除，取出环刀与样品，然后将仪器擦干净，放置好；在固结孔隙比与压力的关系曲线上绘制回弹曲线。

④抗剪切强度试验：参考《土工试验方法标准》GB/T 50123—1999中的固结快剪[11]。

1.5 数据处理

试验结果采用SAS 9.0软件分析系统单因素方差分析，显著水平设置为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 固结稳定时间确定

原料压缩特性通过测定固结试验测定的。通过对5 种谷物加工副产物固结过程中不同时间及对应的固结度记录、分析，发现试验所选用样品在固结2 min时，固结率达到90 %以上。因此本试验中快速固结时间定为2 min，如图1所示。

图1 5种粮食在2 min时的固结率

2.2 不同谷物基本物性的测定(见表1)

表1 5种谷物加工副产物的基本物性

表1 可见，5 种谷物均为直接取样后测定的基本物理参数，其中含水率、比重、初始孔隙比作为基础数据，用以计算其他流变指标。5 种谷物的休止角存在显著差异（P＜0.05），小麦胚的休止角最大，为49.31°，玉米的休止角最小，为30.77°。

2.3 不同谷物加工副产物的压缩特性测定(见图2、表2)

由图2可知，在无压力时，孔隙比顺序依次为：大豆皮＞小麦胚＞米糠粕＞豆粕＞玉米，在1 000～3 000 kPa压力时，小麦胚的孔隙比变化量高于其他四种谷物加工副产物，且5 种谷物加工副产物e-p 曲线呈线性关系。各阶段的压缩系数数据显示，压缩过程中压缩系数逐渐变小的趋势；整个压缩至稳定阶段，5种物料的压缩系数差异显著（P＜0.05），从大到小顺序为：小麦胚＞大豆皮＞豆粕＞米糠粕＞玉米。

图2 5种谷物加工副产物的e-p曲线

2.4 不同谷物加工副产物弹性特性测定(见表3、图3)

表3 5种谷物加工副产物的回弹系数

图3 5种谷物加工副产物的回弹e-p曲线

由图3可以看出，回弹时，在仍存在轴向载荷时，5 种谷物的孔隙比变化几近呈线性关系，且变化量较小；最后一级卸载至空载时，孔隙比皆出现明显大幅回升。表3所示在逐级卸载阶段5种谷物的回弹系数均呈不规则变化；完全卸载后，各谷物的回弹系数差异显著（P＜0.05）。

2.5 不同谷物加工副产物的抗剪切强度(见图4～图9，表4)

图4 米糠粕τ-L曲线

图5 小麦胚τ-L曲线

图6 玉米τ-L曲线

图7 大豆皮τ-L曲线

图8 豆粕τ-L曲线

图9 5种谷物加工副产物的τ-p曲线

图4～图8为5种谷物的直剪试验过程图，其中米糠粕、玉米和豆粕在各级载荷压力下的抗剪切强度变化较均匀，当轴向载荷50、100 kPa 时，谷物的抗剪切强度很快出现峰值，当载荷继续增加时，达到最大剪切位移时仍未出现峰值。大豆皮的抗剪切强度曲线明显不同于其他四种，除50 kPa外各级载荷下均出现波动。其中，米糠粕和小麦胚、玉米和大豆皮各级载荷下的最大抗剪切强度较接近，且400 kPa载荷下，米糠粕和小麦胚的最大抗剪切强度均超过700 kPa，玉米和大豆皮的最大抗剪切强度均保持在600 kPa 左右，豆粕的抗剪切强度值最大，超过了800 kPa。50、100 kPa 两级载荷下，仅有豆粕的抗剪切强度值超过了200 kPa，其他四种均低于200 kPa。豆粕和大豆皮各级载荷下，随着剪切位移的增加，抗剪切强度值均出现不同程度的增加，且未出现错级现象，而米糠粕和玉米在300、400 kPa 两级载荷下，剪切位移从0～2 mm阶段，都表现出明显的错级现象，小麦胚的错级现象则出现在200、300 kPa载荷下、剪切位移0～2 mm区间内。

图9为5种谷物加工副产物的抗剪切强度与垂直压力的关系，分别取5种谷物加工副产物不同垂直压力下的抗剪切强度拟合成直线。粘聚力和内摩擦角是衡量抗剪切强度的两个基本指标，当垂直压力为50 kPa 时，抗剪切强度较小；当垂直压力400 kPa 时，需要更大的剪应力才能使试样被剪坏，所以抗剪切强度较大。抗剪切强度大小为：豆粕＞小麦胚＞米糠粕＞大豆皮＞玉米，由表4 可以发现它们的相关系数都在0.99 以上，相关性好，因此抗剪切强度随垂直压力的增大呈线性增加，5 种不同谷物加工副产物的总体趋势是一致的。斜率越大，则内摩擦角越大。由表4 可知，小麦胚和米糠粕的内摩擦角无显著性差异（P＞0.05），但与其他三者之间均差异显著（P＜0.05），而5 种谷物加工副产物的粘聚力均存在显著差异（P＜0.05）。

表4 5种谷物加工副产物的抗剪切指标

3 讨论

3.1 不同谷物基本物性的比较

休止角是表征原料流动性好坏的重要指标之一，原料的休止角越小，表明内摩擦力越小，流动性越好；反之，则相反[12]，由表1可知，5种谷物加工副产物的休止角差异性显著（P＜0.05），小麦胚的休止角最大，说明流动性较差，玉米的休止角最小，说明其流动性好。在实际应用中，谷物加工副产物的休止角对于粮仓设计及输送管道的设计有很高的利用价值。

3.2 不同谷物加工副产物的压缩特性

固结压缩指谷物加工副产物在压力作用下体积缩小的性能,常用的固结参数为压缩系数a，是基于e-p曲线所得，是图像上某一段曲线的割线斜率，可以表征孔隙比随压力的变化规律,进而表示压缩性的高低[13]。压缩性可以对谷物加工副产物的粮仓设计、制粒阶段等方面提供理论数据。

e-p曲线表示的是谷物加工副产物压缩试验得到的孔隙比与压力关系曲线图[14-15]。由此可知，随着谷物加工副产物所受压力历史的不同，其压缩性也会发生变化。

通常压缩性的高低由压缩系数来表示，压缩系数越大，表示压缩性愈高，孔隙比变化量就越大，反之，压缩性越低[16]。5种谷物加工副产物的压缩系数在加载1 000 kPa 后继续逐渐加载500 kPa，各级压力下压缩系数变化量逐渐减小，但是在2 500～3 000 kPa时压缩系数增大，由于本试验采用快速固结，2 500 kPa 之前的快速固结时间为2 min，在3 000 kPa最后一级压力下需固结至稳定，因此本试验选用0～3 000 kPa 整段压缩系数表示压缩性的高低，由表2可知，小麦胚、大豆皮的压缩系数差异性显著（P＜0.05），玉米的压缩系数显著低于米糠粕、豆粕（P＜0.05），因此，仿照土工试验标准，a＜0.1 MPa-1时，属于低压缩性；0.1≤a＜0.5 MPa-1时，属于中压缩性；a≥0.5 MPa-1时，属于高压缩性[17]。由此可知，玉米、米糠粕、豆粕均为中压缩性，小麦胚和大豆皮属于高压缩性。

3.3 不同谷物加工副产物弹性特性分析

回弹曲线是指在固结稳定的基础上进行逐级卸载至零，并且测得各卸载等级下谷物加工副产物稳定后的高度，进而换算得到相应的孔隙比，即可绘制出卸载阶段的关系曲线[18]。5 种谷物加工副产物在3 000 kPa 稳定基础上卸载至空载，均有不同程度的回弹，但仍保留一定的残余变形，即未完全恢复到初始压力为零时的孔隙比，米糠粕、小麦胚、玉米、豆粕、大豆皮的残余变形量为：1.934、2.691、1.195、1.553、3.024。

回弹系数是卸载过程中的e-p曲线的斜率，数值上等于回弹时的压缩系数，它表征其回弹特性的高低，回弹系数越大，说明原料卸载应力后其形变量恢复较大，反之，形变量恢复较小[19]。因此本试验仿照压缩系数选用0～3 000 kPa整段回弹系数表示回弹特性。在0～3 000 kPa 时,大豆皮的回弹系数显著（P＜0.05）高于其他四种谷物加工副产物，且5种谷物加工副产物的回弹系数不呈规律性。

3.4 不同谷物加工副产物的抗剪切强度

通过直剪试验过程中记录的数值，绘制出了剪切过程中的剪应力的变化，谷物加工副产物的剪应力越大表明谷物加工副产物的抗剪切强度越强，当谷物加工副产物的剪应力达到最大值时，此时的剪应力为抗剪切强度，即谷物加工副产物最大能承受的剪应力[20]。图4～图8 为5 种谷物加工副产物的剪切过程图，在剪切过程中，抗剪切强度随剪切位移的变化而变化。抗剪切强度一开始缓慢增大，随后接近线性增加，最后逐渐平缓。这是因为试样颗粒间结合的较松散，随位移的增大，试样被挤密，颗粒间的结构性加强，所以抗剪切强度也接近线性增大，最后试样被剪坏，无论是同种谷物加工副产物不同压力下还是不同谷物加工副产物相同压力下，各谷物加工副产物出现峰值的位置不相同，其最大值也不相同。

其中大豆皮的部分剪切曲线的变化趋势出现波动，表明该谷物加工副产物在此级压力下，随着剪位移的增加，出现了“断层”的现象，这种断层会导致谷物加工副产物的抗剪切强度降低，在制粒的过程中，这种断层极易导致谷物加工副产物断裂，进而导致谷物加工副产物的加工成型率降低。并且，在高压力下的抗剪切强度增加，会严重阻碍谷物加工副产物在制粒腔中的流动，从而导致制粒的能耗增加。

粘聚力和内摩擦角是衡量抗剪切强度的两个基本指标[21-22]。从表4可以看出，米糠粕、小麦胚的内摩擦角差异性不显著（P＞0.05），豆粕的内摩擦角和粘聚力均显著（P＜0.05）高于玉米、米糠粕、小麦胚、大豆皮，其中大豆皮的粘聚力最小，这由于谷物加工副产物本身的组成和结构不一样，豆粕颗粒细，谷物加工副产物之间接触面积大，颗粒间联系紧密，在巨大的压力下，颗粒之间相互咬合；大豆皮松散，结构性差。由此可见不同谷物加工副产物的内摩擦角和粘聚力存在较大差异，在实际的加工中应有针对性地根据物料之间的差异设计工艺条件，有利于加工能耗的节省及加工质量的提高。

4 结论

5 种谷物加工副产物的流变指标中，小麦胚的休止角为49.31°，流动性最差，其他4 种介于30°～45°之间，流动性较好；压缩性：小麦胚＞大豆皮＞豆粕＞米糠粕＞玉米，5种谷物加工副产物的压缩特性与回弹特性均呈正相关；豆粕粘聚力为86.05 kPa，大豆皮为26.87 kPa，米糠粕、小麦胚、玉米分别为32.58、39.98、51.88 kPa；豆粕的内摩擦角为62.07°，大豆皮为57.11°，玉米为54.54°，米糠粕和小麦胚较接近，分别为60.61°、60.79°。5种谷物加工副产物的流变特性指标均存在显著差异（P＜0.05），在实际储存、运输及加工处理过程中应区别对待。

5 展望

本研究只是对代表性的几种谷物的加工副产品流变性，以及流变特性与加工过程中联系进行初步研究。饲料加工中所用原料很多，饲料加工过程流变性与产品质量、性能的关系等问题有待进一步研究。