■彭 飛 王紅英方 芳孔丹丹

(1.北京工商大學材料與機械工程學院，北京100048；2.中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京100083；3.鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州450001)

仔豬是豬整個生長發(fā)育過程中的關鍵階段，仔豬配合飼料是仔豬生長階段的日糧。仔豬配合飼料的質(zhì)量將直接影響到豬的整個生長階段，從而影響著育成豬的體質(zhì)、成活率和飼養(yǎng)成本，進而影響著整個養(yǎng)殖場的經(jīng)濟效益[1]。在仔豬配合飼料的生產(chǎn)加工過程中，需要對配合后的粉料進行調(diào)質(zhì)、擠壓制粒等，粉料調(diào)質(zhì)后的溫度一般達到80～90℃，水分增加到16%～18%[2]。如果能掌握該過程中粉料物理特性的數(shù)據(jù)和規(guī)律，就可以有效地控制其生產(chǎn)的整個過程，尤其是調(diào)質(zhì)過程中熱量的供給，將對實際生產(chǎn)中確定適宜的加工設備、加工參數(shù)起到重要作用，進而達到高效率、低能耗的生產(chǎn)效果。因此，對仔豬配合粉料進行調(diào)質(zhì)、制粒、冷卻等加工工藝相關的物理特性的研究分析顯得尤為重要。

摩擦特性影響粉料在調(diào)質(zhì)器、制粒機等飼料設備中的流動情況以及顆粒成型質(zhì)量的好壞，是開展飼料加工工藝和設備研究的基礎。摩擦分為外摩擦和內(nèi)摩擦兩大類：內(nèi)摩擦是指粉料本身內(nèi)在的摩擦性質(zhì)，用休止角表示；外摩擦是指粉料與接觸的固體表面間的摩擦性質(zhì)，用摩擦系數(shù)來表示[3]。熱物理特性（比熱、熱導率）是農(nóng)產(chǎn)品和食品熱物理特性的重要參數(shù)，是研究物料干燥、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]，研究仔豬配合粉料的熱物理特性對其加工利用有重要指導作用。趙學偉等[6]匯總了小麥及其有關制品熱導率的測定結果，并論述了溫度、水分及結構特性對其熱導率的影響。Sadeghi A[7]研究了不同含水率、不同溫度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。王紅英等[8]利用DSC測定了不同前處理方式對飼料玉米比熱的影響，并得到含水率、烘干溫度和粉碎粒度與比熱的回歸方程。國內(nèi)外研究者[9-10]為研究仔豬粉料的物理特性提供了測試方法和理論基礎。

本文以5種不同含水率（分別為12%、14%、16%、18%、20%）的仔豬粉料為試驗材料，測定其容重、摩擦系數(shù)、休止角、比熱、熱導率等物理特性指標及變化規(guī)律?；A數(shù)據(jù)和規(guī)律對仔豬配合粉料的生產(chǎn)加工具有重要的指導作用，也可為飼料生產(chǎn)中調(diào)質(zhì)器、制粒機的設計及加工工藝參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗對象為飼料廠正常生產(chǎn)的仔豬配合粉料，飼料配方的組成成分及比例如表1所示。

含水率的測定采用105℃烘箱干燥法，參考GB/T 10358—2008。5個含水率的調(diào)節(jié)方法為：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仔豬粉料上，將賦水處理后的仔豬配合粉料放置于密封袋中一晝夜使水分均勻。

表1 乳仔豬料配方組成成分及比例

式中：Q——需要添加蒸餾水的質(zhì)量（g）；

wi——仔豬配合粉料質(zhì)量（g）；

mi——仔豬配合粉料含水量（%）；

mf——調(diào)節(jié)后仔豬配合粉料含水量（%）。

1.2 試驗儀器與設備

DSC-60型差示掃描量熱儀(日本，島津公司)；熱特性分析儀KD2 Pro(美國，Decagon公司)；電子精密天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)；電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司)；GHCS-1000型谷物容重器(鄭州中谷科技有限公司)；PJZ-5A拍擊式振篩機(新鄉(xiāng)市同心機械有限責任公司)。

1.3 試驗指標測定方法

1.3.1 容重與粒度

容重按照國家標準GB/T 5498—2013方法進行測定；粉碎粒度按照ANSI/ASAE S319.4方法進行測定，具體操作方法為：

采用十四層篩法（3 350、2 360、1 700、1 180、850、710、600、500、425、355、300、250、212、180 μm）對粉碎后物料的對數(shù)幾何平均粒徑進行測定。具體的操作方法是：將100 g樣品放在篩組的最上層，然后使用拍擊式振篩機使其振動10 min，分別稱量并記錄各層篩上物料的質(zhì)量。并按下式計算物料的對數(shù)幾何平均粒徑：

式中：dgw——質(zhì)量幾何平均直徑(μm)；

di——第i層篩的篩孔直徑(μm)；

di+1——比第i層篩孔大的相鄰篩子的篩孔直徑(μm)；

Wi——第i層篩子上物料的質(zhì)量(g)。

1.3.2 休止角測定方法

休止角采用Kansas State University推薦方法：將仔豬配合粉料經(jīng)漏斗緩慢添加至空間狹長的長方體容器內(nèi)形成截面接近三角形的堆積體，待堆積體形狀穩(wěn)定后停止添加；然后以截面的輪廓線為參照作直線與輪廓線重合，此直線與水平線的夾角即為物料的休止角。設計并制作該休止角測定裝置（專利號：201320101172.9）如圖1所示，其有效容積空間尺寸為400 mm（長）×40 mm（寬）×200 mm（高），用以對仔豬配合粉料休止角的測定。

圖1 休止角測定裝置原理

1.3.3 摩擦系數(shù)測定方法

摩擦系數(shù)采用基于斜面儀法，由自主研制的斜面儀裝置進行測定，測定裝置(專利號：20120413462.7)如圖2所示。將仔豬配合粉料均勻平鋪在斜面儀裝置的被測板件上，形成薄薄的一層，緩慢轉動手動搖桿，逐漸增加平板的傾斜度，待粉粒開始滑動時，通過圓弧尺直接讀取平板的傾斜度，得到其滑動摩擦角或摩擦系數(shù)[5]。

1.3.4 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）的熱量，其計算公式為：

式中：Cp——比熱[J/(g·K)]；

Q——熱量（J）；

m——質(zhì)量（g）；

△T——溫差（℃）。

試驗采用差示掃描量熱法間接測定仔豬配合粉料的比熱[11]，該原理是利用程序調(diào)控，使得樣品和參比物溫度保持一致，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，進而求得樣品比熱。具體方法為：首先，DSC儀器的左右2個樣品池中均放入空白坩堝，計算機程序同時加熱并控制兩者升溫速度一致，設定其實溫度為25℃，以10℃/min的速度升溫到125℃，保持10 min，然后將將儀器冷卻，得到第一條基線；接著，換用一種比熱容已知的標準樣品（藍寶石），以相同條件獲得第二條基線；最后，將2個樣品池左側放入空坩堝，右側放入稱有5～10 mg試驗樣品的坩堝，重復上述步驟，得出該樣品的DSC曲線，試驗過程原理如圖1所示。每個樣品試驗3次，取3次試驗平均值作為最后結果。

圖2 斜面儀裝置

基于空白、標準樣品和試驗樣品的DSC曲線，由式（4）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、DSCstd、DSCb1——分別為試驗樣品曲線、標準樣品曲線和基線在溫度T時的DSC信號值(mW)。

1.3.5 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（5）所示。儀器由控制器和探針兩部分構成，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 試驗結果與分析

2.1 粒度分布情況

基于十四層篩法，測得仔豬配合粉料的粒度分布，結果如圖3所示，由粒度計算公式（2）求得乳仔豬料的平均粒徑為332 μm，由此可見該粉料粒度較細。

圖3 仔豬配合粉料的粒度分布

飼料原料制粒特性預測模型評分表和實驗室團隊自主開發(fā)的飼料原料加工特性數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)[12]，統(tǒng)計了78種飼料原料的品質(zhì)系數(shù)（用于評價顆粒質(zhì)量，數(shù)值高表明顆粒質(zhì)量好）、產(chǎn)能系數(shù)（用于評價產(chǎn)量高低，數(shù)值高表明產(chǎn)量大）、摩擦系數(shù)（用于評價物料對壓輥壓模的磨損程度，數(shù)值高表明磨損程度大），據(jù)此對本配方進行制粒特性預測。計算公式為：某配方系數(shù)=∑(原料配方比例×原料對應系數(shù)評分)。由計算結果可知，該仔豬配合粉料的品質(zhì)系數(shù)為4.60，產(chǎn)能系數(shù)為6.18，摩擦系數(shù)為5.5。

2.2 物理特性試驗結果

對配合粉料（含水率分別為12%、14%、16%、18%、20%）的物理特性進行測定，結果如表2所示。

表2 不同含水率下仔豬配合粉料的比熱[kJ/(kg·K)]

圖4為在5種含水率條件下，仔豬配合粉料的比熱隨溫度變化曲線。由方差分析可知(見表3)，含水率和溫度對仔豬配合粉料的比熱有極顯著影響（P＜0.01），進一步分析可知，含水率相同時，粉料的比熱均隨著溫度的升高而增大；溫度相同時，粉料的比熱均隨著含水率的增加而增大。5種含水率條件下，粉料比熱變化范圍分別為 1.556～2.688，1.658～2.743，1.736～2.718，1.779～2.861，1.921～2.927 kJ/(kg·K)。當含水率為12%時，溫度每升高1℃，粉料比熱值升高0.012 kJ/(kg·K)；當含水率為20%時，溫度每升高1℃，粉料比熱值升高0.012 kJ/(kg·K)；當溫度為25℃時，含水率每增加1%，粉料比熱值升高0.046 kJ/(kg·K)；當溫度為115℃時，含水率每增加1%，粉料比熱值升高0.030 kJ/(kg·K)。

表3 仔豬配合粉料比熱方差分析

圖4 不同含水率下仔豬配合粉料的比熱隨溫度變化曲線

由李云飛等[13]可知，對于組分已知的配方，其比熱可以由式（6）計算：

由于公式中水分含量系數(shù)最大，所以隨著水分質(zhì)量分數(shù)的增加，其比熱值增大。隨著調(diào)質(zhì)過程中物料水分含量的提高，比熱值Cp增大，由公式（3）可知，單位質(zhì)量的粉料提高相同的溫度所需的熱量增大，因此調(diào)質(zhì)過程中隨著含水率增加，仔豬配合粉料需要吸收更多的熱量。

表4為仔豬配合粉料的物理特性指標（容重、摩擦系數(shù)、休止角、熱導率）隨含水率的變化情況，配合粉料的容重變化范圍為419.56～463.38 kg/m3，其摩擦系數(shù)變化范圍為0.99～1.65，其休止角變化范圍為43.40°～59.75°，其熱導率變化范圍為0.056～0.067 W/(m·K)；容重和熱導率隨著含水率的升高而增大。表5為該4項物理特性指標的方差分析表，分析可知，含水率對該4項物理特性指標均影響顯著（P＜0.05）。進一步分析可知，隨著含水率的升高，粉料的摩擦系數(shù)呈增大趨勢，最大摩擦系數(shù)達到1.65，調(diào)質(zhì)過程中，含水率升高使得粉料在飼料設備內(nèi)壁的黏附性增大。隨著含水率的升高，粉料休止角亦呈增大趨勢，粉料顆粒間黏結性增大，流動性變差，宏觀上呈現(xiàn)結團等現(xiàn)象，這與實際生產(chǎn)加工現(xiàn)象相一致。

表4 仔豬配合粉料的物理特性

表5 仔豬配合粉料的物理特性方差分析

3 結論

試驗測定了不同濕基含水率（分別為12%、14%、16%、18%、20%）條件下仔豬配合粉料的休止角、摩擦系數(shù)、容重、比熱和熱導率等物理特性參數(shù)，分析了該熱物理參數(shù)隨含水率的變化規(guī)律，主要結論如下：

①在5種含水率條件下，仔豬配合粉料的比熱變化范圍分別為 1.556～2.688，1.658～2.743，1.736～2.718，1.779～2.861，1.921～2.927 kJ/(kg·K)；含水率和溫度對粉料的比熱特性有極顯著影響（P＜0.01），進一步分析可知，含水率相同時，粉料的比熱均隨著溫度的升高而增大；溫度相同時，粉料的比熱均隨著含水率的升高而增大。

②在5種含水率條件下，仔豬配合粉料的容重變化范圍為419.56～463.38 kg/m3，其摩擦系數(shù)的變化范圍為0.99～1.65，其休止角變化范圍為43.40°～59.75°，其熱導率變化范圍為0.056～0.067 W/(m·K)；含水率對該4項物理特性指標均影響顯著（P＜0.05），該4項物理特性參數(shù)均隨著粉料含水率的升高而增大。