不同品种大麦饲料加工特性分析

■吕 芳 杨 洁 孔丹丹 陈 啸 岳 岩 方 鹏 王红英

（中国农业大学工学院，北京100083）

大麦具有生育期相对较短、适应性广、抗逆性强等特性，使其成为位列在玉米、水稻、小麦之后的第四种重要禾谷类作物[1-2]。大麦除能量略低于玉米外，粗蛋白、可消化蛋白含量均明显高于玉米[3]，是养殖家畜家禽的优质饲料。此外，用于饲料生产的主要能量饲料是玉米和小麦，但其产量区域分布不均、价格高。而大麦作为南方的能量饲料资源，霉坏率低、适口性好、成本低，具有开发前景。尽管大麦中的粗纤维和NSP（抗营养因子）含量较高，使其在饲料中用量受到很大限制，但可以通过粉碎、膨化、制粒等方式和添加专用复合酶制剂的方法提高大麦的饲喂效果[4]，使其在饲料中广泛应用，对降低成本具有重要意义。因此，关于大麦作为饲用原料的研究对于其在饲料中的合理利用、配方目标的实现以及粮食、动物、食品安全起到至关重要的作用。

作为饲料原料之一的大麦，加工特性研究主要包括营养特性、物理特性、热特性以及黏度特性。大麦营养成分的测定包括粗蛋白、酸性洗涤纤维含量等，对大麦在配方中营养价值的实现以及原料储存提供指导。物理特性的测定包括粉碎特性、摩擦特性等，这些参数将影响粉体物料在饲料加工设备中的流动情况、饲料成型特性以及产品和质量等，因此物理特性的研究可对饲料加工过程中的存储、粉碎、制粒等多个工段的加工参数提供指导。大麦热特性的研究包括热导率、比热等参数的测定，热特性参数主要用于分析和模拟传热过程中的换热速率和换热量，是饲料湿热加工中的关键参数[5]。可为饲料加工过程中调质、冷却等存在热传递的阶段提供基础数据，为调质器、冷却器的设计、优化提供理论参考。黏度特性参数的研究可为饲料加工过程中调质温度、调质时间等提供参考，改善颗粒饲料的成型特性、适口性。

本文在对不同品种大麦作为饲料原料的加工特性进行试验研究的基础上，对包括营养特性、物理特性及热特性的加工特性数据进行差异性分析，旨在建立针对大麦的饲料加工特性数据库，为饲料行业加工技术的发展和研究提供数据基础和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究选取国内广泛种植的大麦品种13个，每个品种取3份，样品品种及来源见表1。2014年采集新鲜大麦均自然干燥到安全水分11%，然后用粉碎机粉碎过1.5 mm和2.0 mm筛片孔径备用。

表1 大麦品种及来源

1.2 试验仪器与方法

1.2.1 大麦粉营养成分含量及容重的测定

试验仪器：Kjeltec 2300凯氏定氮仪(瑞典，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)；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（配有1.5 mm和2.0 mm筛孔孔径的筛片）]；试验筛(新乡同心机械责任有限公司)；拍击式振筛机(新乡同心机械责任有限公司)。

试验方法：水分（moisture，M）、粗蛋白（crude protein，cP）、粗灰分（crude ash，cA）分别按照国家标准GB/T 21305-2007、GB/T 5511-2008、GB/T 22510-2008方法进行测定；中性洗涤纤维（crude neutral detergent fibre，cNDF）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（crude acid detergent fibre，cADF）按照农业行业标准NY/T 1459-2007方法进行测定；容重按照国家标准GB/T 5498-2013方法进行测定，粉料容重按照ASAE S269.4 DEC1991方法进行测定。

1.2.2 大麦粉平均粒径及颗粒表面积的测定

试验仪器：小型粉碎机（JFSD-100）、十四层标准筛（GB/T6003.1-1997）、拍击式振筛机（PZJ-5A）。

试验方法：所有玉米样品均采用装有1.5 mm和2.0 mm筛片孔径小型粉碎机粉碎，以得到两种不同粒度的粉料样品。粉碎粒度用几何平均直径（Geometric mean diameter，GMD）表示，参照十四层筛法进行测定（ANSI/ASAE S319.4-2008）[12]。

1.2.3 大麦粉摩擦特性的测定

试验仪器：基于Kansas State University推荐方法所制作的休止角测定装置如图1所示。基于斜面仪法[6]自制滑动摩擦特性试验台，如图2所示。

图1 休止角测定装置

图2 自制滑动摩擦特性试验台

试验方法：休止角按照Kansas State University推荐方法进行测定。滑动摩擦系数测定方法：在测定滑动摩擦角时，首先在水平放置的镀锌板上（部件3）放上待测试的物料，缓慢摇动手柄（部件1）转动，使镀锌板的倾角逐渐增大。当物料开始下滑的时候，停止转动，记录此时钢板的倾斜角度α，即为滑动摩擦角，其正切值即为摩擦系数。

1.2.4 大麦粉黏度特性的测定

试验仪器：RVA快速黏度分析仪(RVA-TecMaster，澳大利亚，Newport Scientific)。

试验方法：采用RVA（快速黏度分析仪）对大麦粉样品的黏度参数进行测定。主要步骤如下：①开启RVA，预热30 min；②量取(25.0±0.1)ml蒸馏水，移入样品筒中；③称量(3.50±0.01)g的大麦粉（按14%湿基校正以称取相应的样品量），并转移到样品筒内的水面上；④用搅拌器桨叶在试样筒中上下剧烈搅动10余次，直至水面上无团块；⑤将样品筒插接到仪器上，按下塔帽，选定STD-1标准程序进行测定；⑥导出系统直接生成的试验报告，包括5个黏度特征值：峰值黏度（Peakviscosity）、低谷黏度（Troughviscosity）、衰减值（Breakdownviscosity）、最终黏度（Finalviscosity）、回生值（Setbackviscosity）。

1.2.5 大麦粉热特性的测定

试验仪器：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)。

试验方法：比热用DSC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大麦样品的DSC曲线，大麦的取样量为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数值。

1.3 数据处理

试验过程中每个样品进行3次试验测定，取3次的平均值作为最终结果。所有试验数据使用Excel 2010对数据进行统计，采用SPSS 20.0统计软件进行统计分析及显著性分析。

2 结果与分析

表2 不同品种大麦籽粒的主要营养成分及容重

2.1 大麦粉主要营养成分分析

13个不同品种的大麦样品的营养成分分析结果见表2。由表2可得，大麦的粗蛋白含量为11.26%～16.30%，属于饲用大麦（粗蛋白低于11.5%才可用于酿造啤酒等）。大麦的粗蛋白、粗灰分、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维的平均含量为14.15%、2.30%、4.73%、14.26%。变幅分别为11.26%～16.30%、2.12%～2.62%、3.22～5.50%、11.15%～16.99%。

整体来看，不同品种大麦的营养成分均存在不同程度的差异。粗蛋白、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维的含量为强变异，变异系数分别为10.0%、12.9%和11.6%，表明不同品种大麦中的粗蛋白、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维差异显著（P＜0.05）。粗灰分的含量变化为中等变异，变异系数为5.7%。

中国饲料成分及营养价值表显示，皮大麦的粗蛋白质、粗灰分、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维和含量分别为12.64%、2.76%、7.82%、21.15%（干基）。Feedipedia[7]综合了1.5万多份皮大麦样品的理化指标得出其粗蛋白质含量为8.5%～16.1%（干基），粗灰分含量为1.9%～3.4%（干基），酸性洗涤纤维含量4.4%～8.7%（干基），中性洗涤纤维含量约14.7%～30.0%（干基）。而本试验中，大麦的粗蛋白质含量范围为12.65%～18.31%（干基），较以上结果偏高，酸性洗涤纤维含量（3.62%～6.18%干基）和中性洗涤纤维含量（12.53%～19.09%干基），较以上研究结果偏低，这可能是因为大麦品种、生长地区的土壤和气候条件等的差异导致，而粗灰分含量(2.38%～2.94%干基)与上述研究结果一致。

13个不同品种大麦样品的容重分析见表2。从表中可以看出，不同品种大麦的容重为636.00～690.00 g/l，平均值为665.73 g/l，变异系数仅为2.8%，为弱变异。整体来看，不同品种大麦的容重存在不同程度的差异（P＜0.05），变幅较大。

2.2 大麦粉物理特性分析

13个不同品种大麦样品（筛片孔径1.5、2.0 mm）的物理特性分析结果见表3、表4。由表3可以看出，过筛片孔径为1.5 mm的大麦的平均粒径、水分、休止角、摩擦系数和容重均值分别为：511.44 μm、8.68%、40.58°、0.94、588.54 g/l。由表4可知，过筛片孔径为2.0 mm的大麦的平均粒径、水分、休止角、摩擦系数和容重均值分别为：642.36 μm、8.75%、39.04°、0.78、596.41 g/l。综合表3、表4可以看出，不同粉碎粒度下，不同品种大麦的各项指标变异系数均小于10%，没有达到强变异程度，说明大麦样品的这几项指标受品种、产地影响不是很大，且具有相似的变化规律；过1.5 mm孔径筛片的粉碎后的大麦相比于过2.0 mm孔径筛片的粉碎后的样品休止角和摩擦系数更大，这是由于粉碎粒度越小，物料内部之间以及物料与设备之间的接触面积增大。其与Fei Peng等（2014）[8]的报道一致。曹康等[9]、庞声海等[10]研究报道，随着物料摩擦系数的上升，环模压辊等制粒设备的使用寿命有逐渐下降的趋势。本研究发现1.5 mm粒度大麦样品的摩擦系数高于2.0 mm粒度下样品，因此减小物料的粉碎粒度能够降低对环模、压辊等设备的磨损程度，提高设备的使用寿命。

表3 不同品种大麦物理特性分析（1.5 mm）

表4 不同品种大麦物理特性分析（2.0 mm）

2.3 大麦粉热特性分析

热特性参数是饲料加工过程中调质、制粒、冷却过程中传热计算的重要参数。比热和热传导系数是农产品和食品热（传递）特性的2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、温度等影响[11]。

2.3.1 不同品种大麦粉比热分析

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。

由图3、图4可以看出，过筛片孔径分别为1.5 mm和2.0 mm的大麦粉的比热随着温度的升高而增大，并且所有大麦比热随温度的变化趋势一致。温度对农产品的比热具有影响，但是长期被忽视。Wang等[12]采用DSC方法分析了温度对马铃薯比热的影响，结果表明比热随着温度的升高而增大。Yang等[13-14]测定了琉璃苣种子的比热随温度的变化规律，结果表明含水率在1.2%～30.3%，温度在6～20℃时，琉璃苣种子的比热由770 J/(kg·K)增加到1 990 J/(kg·K)。Kaletunç等[15]利用DSC研究了温度对不同蛋白质含量谷物比热的影响，结果表明，谷物比热与温度成正相关关系。王红英等[16-17]利用DSC测定了温度对饲料玉米、豆粕、乳清粉比热的影响，结果表明，比热值与温度成正相关关系。本试验的研究结果与以上研究结果相一致，大麦粉的比热随温度的升高而增大。

图3 不同品种大麦比热随温度的变化曲线（1.5 mm）

图4 不同品种大麦比热随温度的变化曲线（2.0 mm）

由表5可以看出，不同品种大麦在不同温度下的比热值为中等变异，差异并不显著，只有9号大麦的比热值显著低于其他大麦品种，这可能是因为不同品种大麦的营养组分之间存在一定的差异。在25℃时，大麦的比热在1 523.50～2 066.00 J/(kg·K)之间，比徐昭等[18]测定的大麦比热值[800 J/(kg·K)]较大。这可能与大麦的品种、组成成分、组织结构有关，也可能与测定方法有关。徐昭等测定大麦比热时采用的是磁力搅拌式水卡计和电位计等二次仪表组装的测定装置，存在一定的热量散失，所以测定的大麦比热值偏小。

对比表5和表6，我们可以看出在35、45、55℃下不同品种大麦的比热值依然为中等变异，而不同品种大麦在其余温度下的比热值都由中等变异变为强变异，差异显著性提高，说明温度较高的情况下粉碎粒度对大麦的比热值有一定的影响。粉碎粒度大的大麦比热值总体上大于粉碎粒度小的大麦，这可能是因为粉碎粒度大的大麦粉之间空隙较少，热量散失较少。

2.3.2 不同品种大麦粉热导率分析

热导率又称热传导系数，反映了物质传导热量的能力，是一个重要的热物理参数。由图5可以看出，粉碎粒度小的大麦的热导率整体上较高，这可能是因为粉碎粒度小，颗粒表面积增大，传到热量的能力提高；过筛片孔径为1.5 mm的不同品种大麦热导率的范围为0.063～0.073 W/(m·K)，过筛片孔径为2.0 mm的不同品种大麦热导率的范围为0.052～0.069 W/(m·K)。比龚红菊等[19]测定的水分含量为10%时大麦的热传导系数[0.153 6 W/(m·K)]偏小。这可能与大麦的品种、组成成分、组织结构有关，也可能与测定方法的精确性有一定关系，龚红菊测定大麦热传导系数时采用的是导热系数测定装置和电位差计、功率表等二次仪表组装的测定装置，存在一定的热量散失，由于比热和热传导系数成反比，所以测定的大麦热传导系数值偏大。本试验采用的是探针法，测量过程中，由于试样在探针表面只有几摄氏度的升温，其余部分的温升更小，试样的物性变化极小，测试结果能更准确地反映出试样的真实状态。

表5 不同品种大麦的比热分析(1.5 mm)[J/(kg·K)]

表5 (续)不同品种大麦的比热分析(1.5 mm)[J/(kg·K)]

表6 不同品种大麦的比热分析(2.0 mm)[J/(kg·K)]

表6 (续)不同品种大麦的比热分析(2.0 mm)[J/(kg·K)]

图5 不同大麦品种的热导率

由图5可以看出，不同品种大麦的热传导系数差异显著，这可能是因为不同大麦品种的营养成分存在差异。同时大麦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、孔隙形状、孔隙分布、孔隙填充物质有关，并且常温下谷物的热传导系数随温度的变化较小。

2.4 大麦粉的黏度特性分析

大麦中富含的淀粉在饲料加工过程中，经熟化后不仅可以增加原料本身的香味还可以增大其黏度，有利于颗粒饲料成型。因此大麦粉的黏度特性分析就显得尤为重要。

表7、表8为经粉碎过1.5、2.0 mm筛片孔径的大麦粉通过RVA测定得到的5个黏度特性参数的分析结果。过1.5 mm筛片孔径的13个大麦粉样品峰值黏度、低谷黏度、衰减值、最终黏度和回生值的平均值分别为 350.73、310.96、39.77、812.34、501.38 cp；过2.0 mm筛片孔径的13个大麦粉样品峰值黏度、低谷黏度、衰减值、最终黏度和回生值的 平 均 值 分 别 为 274.50、255.00、19.50、476.50、221.50 cp。

表7 不同大麦品种黏度特性分析（1.5 mm）

表8 不同大麦品种黏度特性分析（2.0 mm）

本文中大麦的RVA黏度参数值与采用相同测试条件的阎俊[20]、张勇[21]、谭彩霞[22]等人报道的小麦粉黏度参数值相比，最大值偏低，但变幅介于报道中小麦粉黏度参数变幅之内。这是因为本试验中大麦粉粒度要比小麦面粉高得多，加之其淀粉含量较低，粗纤维等含量较高，这些都会使大麦粉的黏度严重降低。

同时，对比表7和表8可以看出，过1.5 mm筛片孔径的大麦粉黏度参数值明显高于2.0 mm的，可见粉碎粒度对大麦粉的黏度特性的影响很大。有报道称[23]，由粗颗粒制成的颗粒饲料质量较差是由粗颗粒中低糊化淀粉造成的，高淀粉糊化可被用来改善颗粒耐久性。在饲料加工中，可以通过适当地减小大麦的粉碎粒度来增加其在调质过程中的糊化程度，以改善颗粒料的成型特性。

3 结果与讨论

① 不同品种的大麦营养成分、物理特性、热特性、黏度特性均存在不同程度的差异。

②在营养成分方面：大麦粗蛋白含量为11.26%～16.30%，属于饲用大麦。大麦的粗蛋白、粗灰分、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维的平均含量为14.15%、2.30%、4.73%、14.26%。不同品种大麦的营养成分和容重存在不同程度的差异。除粗灰分为中等变异外，其余几种营养成分都达到了强变异程度。不同品种的大麦容重差异不显著。

③ 在物理特性方面：不同粉碎粒度下（1.5 mm、2.0 mm），不同品种的大麦的平均粒径、水分、休止角、摩擦系数、容重这些指标变异程度都在10%以下，变异程度不高。过1.5 mm孔径筛片的粉碎后的大麦相比于过2.0 mm孔径筛片的粉碎后的样品休止角和摩擦系数更大，因此减小物料的粉碎粒度能够降低对环模、压辊等设备的磨损程度，提高设备的使用寿命。

④在热特性方面：大麦的比热随温度的升高而增大，并且所有大麦样品比热随温度变化趋势一致。不同品种大麦在不同温度下的比热值为中等变异，差异并不显著，只有9号大麦的比热值显著低于其他的大麦品种，这可能是因为不同品种大麦的营养组分存在一定差异。不同品种大麦的热导率差异显著，其中过筛片孔径为1.5 mm的不同品种大麦热导率的范围为0.063～0.073 W/(m·K)，过筛片孔径为2.0 mm的不同品种大麦热导率的范围为0.052～0.069 W/(m·K)，比龚红菊等测定大麦的热传导系数[0.153 6 W/(m·K)]偏小。

⑤在黏度特性方面：过1.5 mm筛片孔径的大麦粉黏度参数值明显高于2.0 mm，可见粉碎粒度对大麦粉的黏度特性的影响较大，粉碎粒度越高，淀粉的糊化度越低，进而黏度值越低。在饲料加工中，可以通过适当地减小大麦的粉碎粒度来增加其在调质过程中的糊化程度，以改善颗粒料的成型特性。同时大麦的黏度特性参数也可用于预测颗粒饲料的成型特性与适口性。