■ 金 楠 王紅英* 方 鵬 祁忠賢 段恩澤

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2.國家農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研發(fā)分中心，北京100083）

粉碎加工作為飼料加工中的重要工序之一，為后續(xù)的配料、混合和制粒加工提供條件[1]，同時(shí)，飼料的粉碎粒度、粒形特征對飼料消化利用率、動(dòng)物生產(chǎn)性能和動(dòng)物胃腸道健康均有顯著影響[2]。隨著飼料工業(yè)的發(fā)展，不同類型的粉碎機(jī)和粉碎工藝應(yīng)運(yùn)而生。

不同類型粉碎機(jī)（錘片粉碎機(jī)、對輥粉碎機(jī)、鯊魚粉碎機(jī)）對原料粒徑減小的作用機(jī)理不同[3]。錘片粉碎機(jī)因其通用性廣、粉碎質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[4]，目前在飼料原料的粉碎中應(yīng)用范圍最廣，但隨著更精細(xì)的粉碎，錘片粉碎機(jī)的粉碎能耗顯著增加；對輥粉碎機(jī)的粉碎能耗相對較低，并且粉碎粒度更加均勻，但對大麥等纖維含量較高原料的粉碎效果不理想[5]，也不適合粒度較細(xì)的粉碎；除了錘片、對輥粉碎機(jī)外，鯊魚粉碎機(jī)（Multicracker system）近年來被開發(fā)出來，在鯊魚粉碎機(jī)中通過兩排平行滾刀圓盤的破裂作用而非碾磨作用來減小原料粒徑，目前對鯊魚粉碎機(jī)的研究還相對較少[6]。飼料的二次粉碎工藝是將飼料原料先經(jīng)第一道粉碎機(jī)組粗粉碎，粉碎后的物料經(jīng)分級篩分級，篩上物再進(jìn)入第二道粉碎機(jī)粉碎[7]，在很大程度上避免了原料的過度粉碎，降低了粉碎能耗。

準(zhǔn)確表征粉碎原料的粒度粒形特征，對研究粉狀飼料流動(dòng)規(guī)律、顆粒飼料壓縮成型和飼料消化利用機(jī)制具有重要意義。目前對粉碎原料主要采用篩分法進(jìn)行粒度分布的研究，從而獲得樣品的平均粒徑等特征參數(shù)。除此之外，激光粒度分析法（Laser particle size analysis,LPSA）、動(dòng)態(tài)圖像分析法（Dynamic im?age analysis,DIA）、掃描電鏡分析法（Scanning elec?tron microscopy,SEM）等方法同樣可以對原料的粒度進(jìn)行定量分析和顆粒的微觀形貌表征分析[8]。

綜上所述，本研究分別使用篩分法和掃描電鏡分析法，對五種不同類型粉碎機(jī)粉碎處理的玉米粒度、粒形進(jìn)行表征分析，初步探究粉碎機(jī)類型對粉碎玉米粒度及微觀形貌的影響，為粉碎樣品的分析提供新思路。

1 材料與方法

1.1 玉米粉碎試驗(yàn)

分別在九江正大飼料有限公司、河南龍昌機(jī)械制造有限公司和山西禾豐牧業(yè)有限公司使用不同類型粉碎機(jī)及二次粉碎工藝對玉米樣品進(jìn)行粉碎，玉米樣品的粉碎處理情況如表1所示。分別選擇進(jìn)口和國產(chǎn)的兩種鯊魚粉碎機(jī)，調(diào)節(jié)滾刀間隙對玉米進(jìn)行粉碎；對輥+錘片二次粉碎是將對輥粉碎機(jī)粉碎后的樣品過篩后，把篩上物投入錘片粉碎機(jī)再次粉碎。取5種不同粉碎方式處理后的玉米樣品各2 kg，用于后續(xù)粒度粒形表征分析。

表1 玉米樣品粉碎處理情況

1.2 粒度粒形表征

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

SU8020場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本Hitachi公司）；octagon200型數(shù)顯篩分儀（英國endecotts公司）；ISO3310不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)篩（英國endecotts公司）；AL204分析天平（梅特勒-托利多儀器有限公司）。

1.2.2 粉碎玉米粒度分析

將粉碎玉米的平均粒徑及其幾何標(biāo)準(zhǔn)差作為粒度分析的指標(biāo)，粉碎玉米采用ANSI/ASAE S319.4-2008標(biāo)準(zhǔn)[9]中的14層篩法進(jìn)行粉碎樣品平均粒徑及幾何標(biāo)準(zhǔn)差的測定，每個(gè)樣品進(jìn)行3次粒度分析，取平均值作為最終結(jié)果，具體操作如下：將標(biāo)準(zhǔn)篩清理后稱重記錄篩體初重，篩層從上至下按篩網(wǎng)篩孔由大到小的順序排列好14層標(biāo)準(zhǔn)篩，然后稱取100 g樣品放入最上層篩中，固定篩層于篩分儀上，開啟篩分儀振動(dòng)15 min，逐級取下層篩對每一層篩重新稱重記錄篩體末重。按式（1）計(jì)算粉碎樣品的平均粒徑。

式中：dgw——顆粒的幾何平均粒徑(μm)；

di—— 第 i 層 篩 的 標(biāo) 稱 篩 孔 尺 寸 (μm)，

Wi——第i層篩上樣品的質(zhì)量(g)；

n——篩層的數(shù)量。

樣品平均粒徑的幾何標(biāo)準(zhǔn)差在一定程度上可以反映粉碎均勻度，按式（2）計(jì)算平均粒徑的幾何標(biāo)準(zhǔn)差。

式中：Sgw為平均粒徑的幾何標(biāo)準(zhǔn)差，其余字母含義均與公式（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掃描電子顯微鏡獲取的樣品微觀形貌特征圖像。粉碎玉米樣品連續(xù)過20目和40目篩組，取適量20目篩下物和40目篩上物固定于載物盤后噴金處理，使用SU8020掃描電鏡獲取粉碎玉米放大不同倍數(shù)的微觀圖像。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒度表征分析

對5種粉碎處理的玉米樣品粒度分析結(jié)果如表2所示。從平均粒徑的結(jié)果可以看到，除錘片微粉碎機(jī)平均粒徑為440.06 μm外，其他粉碎機(jī)粉碎處理的玉米樣品粒徑均為粗粉碎，粉碎玉米的平均粒徑主要受粉碎機(jī)對輥間隙、篩片孔徑等設(shè)備配置參數(shù)的影響。在幾何標(biāo)準(zhǔn)差方面，盡管德國進(jìn)口的MULTICRACKER鯊魚粉碎機(jī)粉碎玉米的平均粒徑大于國產(chǎn)鯊魚粉碎機(jī)，但進(jìn)口鯊魚粉碎機(jī)的幾何標(biāo)準(zhǔn)差更小，說明其粉碎玉米樣品的粒度均勻度更好；對輥粉碎機(jī)與二次粉碎工藝處理的玉米樣品平均粒徑較為接近，但對輥粉碎機(jī)+錘片粉碎機(jī)的二次粉碎工藝較單一對輥粉碎機(jī)粉碎的玉米樣品有更好的產(chǎn)品均勻度；錘片微粉碎機(jī)粉碎玉米的幾何標(biāo)準(zhǔn)差最小，這與其最小的平均粒徑有關(guān)，研究表明，粉碎產(chǎn)品的平均粒徑越小，相應(yīng)的幾何標(biāo)準(zhǔn)差越小[10]。

表2 玉米樣品粒度分析結(jié)果

對輥粉碎機(jī)和鯊魚粉碎機(jī)多用于粗粉碎蛋雞料的生產(chǎn)中，在本研究中同樣基于蛋雞料要求粒度對原料玉米進(jìn)行粉碎。由于不同類型粉碎機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)參數(shù)的不同，所以很難控制變量來分別單獨(dú)比較粉碎樣品的平均粒徑和幾何標(biāo)準(zhǔn)差。Thomas等[11]在中試規(guī)模下，分別用錘片式、對輥式和鯊魚式三種粉碎機(jī)對小麥、玉米、大豆進(jìn)行了粗粉碎，并比較了三種粉碎處理的粉碎比機(jī)械能和樣品的平均粒徑及粒度分布寬度，結(jié)果顯示，粉碎相同原料對輥粉碎機(jī)消耗的比機(jī)械能最小，節(jié)能效果最好，且對輥粉碎機(jī)粉碎樣品的粒度分布寬度最小，說明其均勻度更好，與本研究結(jié)論一致。Pérez-Bonilla等[5]同樣在研究中對比錘片粉碎機(jī)和對輥粉碎機(jī)發(fā)現(xiàn)，對輥粉碎機(jī)具有生產(chǎn)更加均勻粒度產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 粒形表征分析

不同類型粉碎機(jī)粉碎處理的玉米樣品微觀結(jié)構(gòu)（放大1 000倍）如圖1所示，與馬鈴薯、玉米淀粉等單一成分原料的掃描電鏡圖像相比，粉碎后的全粒玉米掃描電鏡圖像受成分的影響顆粒一致性較差[12]?？梢钥吹剑鬯闄C(jī)類型對粉碎玉米的微觀形貌有明顯影響，錘片微粉碎機(jī)粉碎玉米顆粒的球形度較高，且顆粒表面相對更均勻光滑，見圖2(a)；對輥粉碎機(jī)粉碎玉米顆粒的邊緣呈現(xiàn)不均勻、不規(guī)則形狀，且表面比較粗糙，見圖2(b)；對輥粉碎機(jī)+錘片粉碎機(jī)的二次粉碎玉米顆粒的形貌介于對輥粉碎機(jī)與錘片粉碎機(jī)之間，可見對輥破碎有改變粉碎玉米顆粒形狀及粗糙度的作用。進(jìn)口和國產(chǎn)兩種鯊魚粉碎機(jī)粉碎玉米顆粒的微觀形貌差別不大，規(guī)則的球形顆粒與不規(guī)則顆?；祀s在一起，既有粗糙表面顆粒，也有光滑表面顆粒。

從營養(yǎng)的角度來看，減小原料粒徑增加了消化酶與飼料的接觸面積，進(jìn)而提高了營養(yǎng)利用率，大量的研究結(jié)果顯示，減小飼料原料粉碎粒度可提高飼料消化利用率和動(dòng)物的生長性能[13]。Wondra等[14]為探究粉碎粒度均勻度的營養(yǎng)學(xué)意義，依次用對輥粉碎機(jī)、錘片粉碎機(jī)和粗細(xì)玉米混合物配制幾何標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.0、2.3、2.7的玉米飼喂育肥豬，結(jié)果顯示，幾何標(biāo)準(zhǔn)差較小時(shí)，干物質(zhì)、氮和總能的消化率較高，但生長性能未見差異。在Wondra等研究中的第二個(gè)試驗(yàn)中，分別用錘片粉碎機(jī)和對輥粉碎機(jī)粉碎粒度為800 μm和400 μm的玉米，當(dāng)粒度為800 μm時(shí)，錘片式粉碎機(jī)的幾何標(biāo)準(zhǔn)差為2.5，對輥式粉碎機(jī)標(biāo)準(zhǔn)差為2.0，當(dāng)粒度為400 μm時(shí)，錘片式粉碎機(jī)和對輥式粉碎機(jī)幾何標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.7和1.9。給育肥豬飼喂800 μm粒度玉米時(shí)，對輥粉碎機(jī)粉碎玉米的養(yǎng)分消化率高于錘片粉碎機(jī)，可能與其較小的幾何標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)，但飼喂400 μm粒度玉米時(shí)，仍然以對輥粉碎機(jī)粉碎玉米的消化率更高，這就表明可能存在獨(dú)立于幾何標(biāo)準(zhǔn)差營養(yǎng)學(xué)意義的粉碎機(jī)類型影響效應(yīng)。

圖1 粉碎玉米掃描電鏡圖像(1 000倍)

圖2 錘片、對輥粉碎掃描電鏡圖像(5 000倍)

在本研究中，對輥粉碎機(jī)粉碎玉米顆粒在微觀下的粗糙表面，可能會增加消化酶與玉米顆粒的接觸面積和附著點(diǎn)，而錘片粉碎機(jī)粉碎玉米顆粒較高的球形度和顆粒較光滑的表面，會減弱消化酶對其作用，這也在一定程度上解釋了Wondra等的試驗(yàn)中，粉碎機(jī)類型對玉米營養(yǎng)消化率的影響效應(yīng)。

3 結(jié)論

①粉碎玉米的平均粒徑與粉碎機(jī)對輥間隙、篩片孔徑等設(shè)備配置參數(shù)有關(guān)，不同類型粉碎機(jī)對粉碎玉米粒度的均勻度有明顯影響，相近粒度下，對輥粉碎機(jī)粉碎玉米的粒度有更好的均勻度，進(jìn)口鯊魚粉碎機(jī)的粉碎均勻度要優(yōu)于國產(chǎn)鯊魚粉碎機(jī)。

②粉碎機(jī)類型對粉碎玉米的微觀形貌有明顯影響，由粉碎玉米的掃描電鏡圖像可知，錘片微粉碎機(jī)粉碎玉米顆粒的球形度較高，且顆粒表面相對更均勻光滑，對輥粉碎機(jī)粉碎玉米顆粒的邊緣呈現(xiàn)不均勻、不規(guī)則形狀，且表面較粗糙。

③本文僅對不同類型粉碎機(jī)粉碎玉米的粒度和微觀粒形作了初步分析，建議今后對不同類型粉碎機(jī)粉碎的飼料原料開展體外消化試驗(yàn)或飼養(yǎng)試驗(yàn)，探究粉碎機(jī)類型對飼料營養(yǎng)消化利用率的影響效應(yīng)。