■彭 飛 張國棟 楊 潔 孔丹丹 岳 巖 王紅英

（中國農(nóng)業(yè)大學工學院農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)產(chǎn)品加工技術裝備研發(fā)分中心，北京 100083）

玉米 DDGS（Distillers Dried Grains with Solubles）是利用玉米制取乙醇的副產(chǎn)物，具有蛋白質(zhì)、脂肪含量高，氨基酸、維生素和礦物質(zhì)豐富的營養(yǎng)特性，同時具有產(chǎn)量大、價格低廉的特點，已成為一種非常規(guī)蛋白質(zhì)飼料原料，在飼料工業(yè)中應用廣泛[1]。

在飼料生產(chǎn)中，需要對飼料原料進行調(diào)質(zhì)、膨化，以及后續(xù)顆粒冷卻等諸多傳熱傳質(zhì)加工過程；其中調(diào)質(zhì)是熱蒸汽中的溫度和水分由原料顆粒表面向其內(nèi)部轉(zhuǎn)移的一個過程，是飼料加工中十分關鍵的工序。在調(diào)質(zhì)器內(nèi)高溫和水分兩因素的共同作用下，飼料原料淀粉熟化，蛋白質(zhì)變性，有害因子被破壞和滅活，粉狀顆粒軟化，成型能耗降低，制粒效果得到改善，調(diào)質(zhì)效果直接決定了產(chǎn)品質(zhì)量[2]。就顆粒飼料而言，原料調(diào)質(zhì)后的溫度一般要達到80～90℃，水分增加到16%～18%[3]。因此，掌握該過程中原料熱物理特性的數(shù)據(jù)和規(guī)律，可以保證熱量的高效供給，確定調(diào)質(zhì)器加工參數(shù)，控制物料的調(diào)質(zhì)溫度和時間，進而達到高效率、低能耗的生產(chǎn)效果。比熱和熱導率是物料熱物理特性中的兩個重要參數(shù)，是研究干燥、調(diào)質(zhì)、冷卻等傳熱過程中數(shù)學計算、計算機模擬和試驗測定的基礎[4-5]。

國內(nèi)外關于農(nóng)業(yè)物料比熱和熱導率等熱特性做了一定的研究[6-8]。王紅英等[9]通過DSC測定了不同前處理對飼用玉米比熱的影響，擬合了含水率、烘干溫度和粉碎粒度關于比熱的回歸方程；Sadeghi A[10]采用熱線法研究了不同含水率（11.8%～18.2%）、不同溫度（25～85℃）下顆粒飼料的熱導率，建立了顆粒飼料熱導率關于含水率和溫度的數(shù)學模型；趙學偉等[11]匯總了小麥面團及其制品熱導率的測定結(jié)果，論述了溫度、水分含量及結(jié)構(gòu)特性對熱導率的影響；張來林等[12]采用熱線法研究了不同溫度和水分下小麥和稻谷熱導率的變化規(guī)律，并擬合了回歸方程；以上研究為DDGS比熱和熱導率的測定提供了研究方法和模型驗證等理論基礎。國內(nèi)外有關DDGS的研究主要集中在營養(yǎng)特性、質(zhì)量評價及其對動物生長性能、生化指標的影響等方面[13-14]，對其熱物理特性的研究鮮有報道；因此本試驗通過對不同含水率、不同溫度的DDGS的比熱、熱導率進行測定，分析其熱物理特性隨含水率和溫度的變化規(guī)律，研究對于其生產(chǎn)加工尤其是在干燥、調(diào)質(zhì)、冷卻等傳熱傳質(zhì)過程中的利用具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的DDGS，取自遼源市巨峰生化科技有限責任公司。水分、粗蛋白、粗灰分、粗脂肪的測定分別基于國家標準GB/T 6435—2006、GB/T 6432—1994、GB/T 6438—2007、GB/T 6433—2006；中性洗滌纖維（NDF）采用GB/T 20806—2006，酸性洗滌纖維（ADF）參見張麗英（2007）方法[15]；基于以上營養(yǎng)測定方法，測得DDGS中水分為10.84%，粗蛋白為26.66%，粗脂肪為9.97%，粗灰分為4.98%，酸性纖維為7.38%和中性纖維為23.52%。取樣后放入自封袋中，在4℃的環(huán)境下進行貯藏。相關研究表明，合理的原料粉碎粒度有利于動物吸收原料中的營養(yǎng)物質(zhì)，本文取過2.0 mm孔徑篩片粉碎后的DDGS為研究對象。

試驗前，對DDGS進行烘干和水分處理，5個含水率的調(diào)控方法具體為：由公式（1）計算調(diào)節(jié)到目標水分應添加蒸餾水的質(zhì)量，然后稱取蒸餾水并均勻噴灑到DDGS上，將賦水處理后的DDGS放置于密封袋中一晝夜期使水分均勻。

式中：Q——需要添加蒸餾水的質(zhì)量（g）；

wi——DDGS質(zhì)量（g）；

mi——DDGS含水量（%）；

mf——調(diào)節(jié)后DDGS含水量（%）。

1.2 試驗儀器與設備

差示掃描量熱儀一臺（配有密封鋁制坩堝），DSC-60，日本島津公司；熱特性分析儀一套，KD2 Pro，美國Decagon公司；電子精密天平一臺，AL204，梅特勒-托利多儀器有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱一臺，DHG-9240A，上海精宏實驗設備有限公司；小型粉碎機一臺，JFSD-100，上海嘉定糧油儀器有限公司；標準試驗篩一套，GB/T 6003.1—1997，河南新鄉(xiāng)市同心機械有限責任公司。

1.3 指標測定方法

1.3.1 比熱的含義和測定方法

比熱是指單位質(zhì)量物質(zhì)溫度每升高（或降低）1℃所增加（或減少）的能量，其原理計算公式為：

式中：CP——比熱[J/（g·K）]；

Q——熱量（J）；

m——質(zhì)量（g）；

ΔT——溫差（℃）。

基于差示掃描量熱法，調(diào)控程序使得樣品和參比物溫度保持一致，通過測定輸送給被測樣品和參比物之間的能量差值與溫度之間的關系，求得樣品比熱。具體方法是：將空白坩堝放入到DSC儀器的左右兩個樣品池中，同時加熱并控制兩者升溫速度一致，設定起始溫度為25℃，升溫速度為10℃/min，保持10 min，然后將儀器冷卻，得到第一條基線；換用一種比熱已知的標準樣品（藍寶石），以相同條件獲得第二條基線；將樣品池左側(cè)放入空坩堝，右側(cè)放入稱有5～10 mg試驗樣品的坩堝，設置升溫速度為10℃/min（試驗測定30～90℃下的比熱值，升溫速度太低會無意義地延長試驗時間，升溫速度太高將會產(chǎn)生較大的測定溫度與實際溫度的滯后），重復上述步驟，得出該樣品的DSC曲線。

基于空白、標準樣品和試驗樣品的DSC曲線，由式（3）計算樣品的比熱：

式中：CP、Cp.std——分別為試驗樣品和標準樣品在溫度

T時的比熱[J/（g·K）]；

ms、mstd——分別為試驗樣品和標準樣品的質(zhì)量（mg）；

DSCs——試驗樣品曲線在溫度T時的DSC信號值（mW）；

DSCstd——標準樣品曲線在溫度T時的DSC信號值（mW）；

DSCb1——基線在溫度T時的DSC信號值（mW）。

1.3.2 熱導率的含義和測定方法

熱導率是材料傳遞能量的能力，單位為W/（m·K）。基于瞬時線性熱源法，熱特性分析儀KD2 Pro通過監(jiān)測樣品在特定電壓下線性探針的熱消散和溫度，計算樣品的熱特性，經(jīng)一段時間后，溫度T和時間的對數(shù)lnt出現(xiàn)線性關系。根據(jù)此直線的斜率可以求出材料的熱導率k，如式（4）所示。儀器由控制器和探針兩部分構(gòu)成，其探針（長30 mm、直徑1.28 mm、間距6 mm）具有發(fā)熱和監(jiān)測的雙重功能。

式中：Q——探針單位長度上輸入的能量（W/m）；

ΔT——樣品溫度與環(huán)境溫度之差（℃）；

ΔT0——開始時刻樣品溫度與環(huán)境溫度之差（℃）；

t0——系統(tǒng)穩(wěn)定后的時間（s）。

1.4 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理

所有數(shù)據(jù)用Excel軟件進行初步整理后，然后采用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS2.0進行分析統(tǒng)計。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 含水率和溫度對DDGS比熱的影響

由差示掃描量熱儀DSC分別測得5種濕基含水率、5種溫度下DDGS的比熱值，為減少試驗誤差，每個試驗重復3次，求出比熱的平均值，如表1所示。

表1 溫度和水分對DDGS比熱值的影響

表2 DDGS比熱方差分析

由表1分析可知，當含水率為4.22%～20.43%，溫度為30～90℃時，DDGS比熱變化范圍為2.63～5.16 J/（g·K）。由表2分析可知，含水率F=28.56，P＜0.01，差異極顯著；溫度的F=66.81，P＜0.01，差異極顯著。檢驗結(jié)果表明，含水率和溫度對DDGS的比熱值都有極顯著性影響。含水率一定時，溫度越高，DDGS比熱越大；溫度一定時，DDGS含水率越高，其比熱值也越大，這是因為農(nóng)業(yè)物料的比熱主要取決于組成成分和含量，水的比熱值最大，常溫下約為4.2 J/（g·K），是其它干物質(zhì)組分的2～3倍，水分含量越高，實際配方中所用的DDGS的比熱越高。

通過SPSS進行回歸分析，建立DDGS含水率、溫度與比熱值之間的關聯(lián)方程，如式（5）所示。方差分析顯示，回歸方程的擬合度較高，可以用來預測在不同含水率和溫度下DDGS的比熱值。

2.2 含水率和溫度對DDGS熱導率的影響

基于KD2 Pro熱特性分析儀，分別測得5種含水率、5種溫度下DDGS的熱導率值，重復3次試驗后得到DDGS熱導率的平均值，如表3所示。

由表3分析可知，當含水率為4.22%～20.43%，溫度為30～90℃時，DDGS熱導率變化范圍為0.059～0.113 W/（m·K）。由表 4 分析可知，濕基含水率 F=29.54，P＜0.01，差異極顯著；溫度的F=18.63，P＜0.01，差異極顯著。檢驗結(jié)果表明，濕基含水率和溫度對DDGS的熱導率值都有極顯著性影響。含水率一定時，溫度越高，DDGS熱導率越大；溫度一定時，DDGS含水率越高，其熱導率也越大。這一現(xiàn)象與大量農(nóng)產(chǎn)品熱導率隨含水率和溫度變化的規(guī)律相似，這是因為當溫度升高時，分子熱運動增強，DDGS空隙中空氣的導熱和孔隙壁間的輻射作用也隨之加強，因此熱導率升高；當含水率升高時，DDGS分子空隙中水分增加，其空隙中蒸汽的擴散和水分子的運動起主要傳熱作用，由于水的熱導系數(shù)比空氣熱導系數(shù)大20倍左右，故熱導率隨含水率升高而增大。

表3 溫度和水分對DDGS熱導率的影響

表4 DDGS熱導率方差分析

通過SPSS進行回歸分析，建立DDGS含水率、溫度與熱導率值之間的關聯(lián)方程，如式（6）所示。經(jīng)方差分析，該回歸方程擬合度較高，可以用來預測在不同濕基含水率、不同溫度下DDGS的熱導率值。

3 結(jié)論

試驗測定了不同濕基含水率（分別為4.22%、7.83%、12.15%、16.37%、20.43%）和不同溫度（分別為30、45、60、75、90 ℃）條件下DDGS的比熱和熱導率等熱物理特性參數(shù)，分析了該熱物理參數(shù)隨含水率和溫度的變化規(guī)律，擬合了回歸方程，并對本質(zhì)原因進行了探討，主要結(jié)論如下：

①在5種濕基含水率、5種溫度梯度下，DDGS的比熱值變化范圍為2.63～5.16 J/（g·K）。經(jīng)SPSS顯著性分析可知，濕基含水率、溫度均對DDGS的比熱值有極顯著性影響。含水率相同時，溫度越高，DDGS比熱值越大；同一溫度條件下，濕基含水率越高，其比熱值也就越大。

②在上述條件下，DDGS的熱導率變化范圍在0.059～0.113 W/（m·K）之間。經(jīng)顯著性分析可知，濕基含水率、溫度均對DDGS的熱導率有極顯著性影響。含水率相同時，溫度越高，DDGS熱導率越大；同一溫度條件下，含水率越高，其熱導率也就越大。

4 討論和展望

鑒于玉米品種各異、加工工藝不同，進而加工生產(chǎn)的DDGS在色澤、營養(yǎng)組分、物理性狀上會有一定的差別，因此不同DDGS的比熱和熱導率值會有差異，故本試驗結(jié)論有一定的局限性。本課題組正在對不同品種玉米經(jīng)過不同加工工藝得到的各類DDGS的熱特性進行試驗研究，進而建立完整的DDGS熱物理特性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

另外，今后可以嘗試對其它種類飼料單一原料及典型配方混料的比熱、熱導率和熱擴散系數(shù)等熱物理特性進行研究，為精確計算、測定和模擬飼料加工環(huán)節(jié)特別是調(diào)質(zhì)、干燥、冷卻等熱傳遞過程提供數(shù)據(jù)基礎，進而達到高效節(jié)能的生產(chǎn)效果，研究對飼料行業(yè)具有重要的指導作用。