基于主成分分析的豆粕物理特性評價

楊 潔 王 璐 孔丹丹 陳 嘯 王紅英

(中國農業大學工學院，北京 100083)

基于主成分分析的豆粕物理特性評價

楊 潔 王 璐 孔丹丹 陳 嘯 王紅英

(中國農業大學工學院，北京 100083)

為對豆粕的物理特性進行分析及量化評價，本文以42個豆粕樣品為試驗材料，測定分析其水分、容重、熱物理特性、摩擦特性及粉碎特性指標參數，并運用主成分分析法簡化物理特性指標，構架評價體系，得到每種樣品的綜合得分。結果表明，樣品各物理特性指標之間存在不同程度的相關性，其中比熱與水分和熱傳導系數呈顯著正相關，與熱擴散系數、休止角和摩擦系數呈極顯著負相關；熱傳導系數與熱擴散系數呈顯著正相關，與休止角和摩擦系數呈極顯著負相關；熱擴散系數與容重呈顯著負相關；摩擦系數與水分呈顯著正相關，與容重和休止角呈極顯著正相關；平均粒徑與水分呈顯著正相關，與休止角呈顯著負相關。通過主成分分析提取了前4個主成分，累積方差貢獻率達到88.898%(>85%)，能夠代表原來8個物理特性指標中的絕大部分的信息，并得到評價公式Z=0.363Z1+0.234Z2+0.150Z3+0.142Z4，計算出豆粕物理特性指標綜合得分。

豆粕 熱物理特性 摩擦特性 粉碎特性 主成分分析

豆粕是指大豆經過浸提脫油后的呈碎片狀或者粗粉狀的副產品，是飼料蛋白原料中使用最多的植物性蛋白原料[1]。對全球豆粕質量調查表明，不同加工方法以及不同國家生產的豆粕，其營養價值差別很大。不同的加工方法，特別是溶劑油浸出后豆粕的脫溶熱處理，會導致豆粕質量有較大差異[2]。

目前，國內外對豆粕的研究主要集中在營養價值、粉碎粒度及其對動物生長性能的影響上[3-7]，而對其在飼料加工方面相關的物理特性研究較少。事實上，飼料原料的物理特性不僅對飼料加工及顆粒質量等有很大影響，也會對飼料運輸及動物采食產生影響。在飼料加工中，粉碎、混合、調質、制粒、冷卻都是重要的加工工序[8]。因此，與此相關的熱物理特性、摩擦特性、粉碎特性就顯得尤為重要。熱物理特性參數是飼料調質、制粒、冷卻過程中傳熱計算的重要參數，如果可以掌握飼料原料的熱物理特性參數，就可以有效地控制調質過程中熱量的供給及冷卻參數的確定。摩擦特性包含摩擦系數和休止角，摩擦系數決定了飼料原料的流動性，而休止角則是計算筒倉貯料壓力的重要參數，這些特性影響其在飼料加工過程中的輸送方式等作業參數[9]。粉碎特性包含平均粒徑，對飼料后續加工過程、飼料產品質量和動物生產性能均有重要影響[10]。一般來說，飼料粉碎粒度越小越有利于調質，制粒的質量也越高。但是，并不是粉碎粒度越小越好，粉碎粒度減小會增加粉碎能耗，增加飼料成本[11]。綜上所述，研究飼料原料的物理特性對飼料加工過程有重要的指導作用。

本研究在測定豆粕樣品水分、容重、熱物理特性、摩擦特性及粉碎特性的基礎上，運用主成分分析法簡化物理特性指標，構架科學的評價體系，以此來初步判定每種豆粕的綜合得分，為飼料加工提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要材料

2015年5月采集國內豆粕樣本42個，其中43%蛋白的豆粕樣品18個，45%蛋白的豆粕樣品6個，46%蛋白的豆粕樣品10個，膨化豆粕樣品8個，將樣品粉碎過2.0 mm的篩片，備用。

1.1.2 主要儀器

電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司；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；PJZ-5A拍擊式振篩機：新鄉市同心機械有限責任公司；JFSD-100小型粉碎機：上海嘉定糧油儀器有限公司。

1.2 試驗方法

豆粕的水分按照GB/T 10358—2008方法進行測定；豆粕的容重按照ASAE S269.4 DEC1991方法進行測定。

1.2.1 豆粕熱物理特性參數的測定

比熱用差示掃描量熱儀進行測定，原理是采用參比法測量樣品的比熱容，即用一種已知比熱容的標準樣品(藍寶石)作為標準，將樣品的熱量信號與之進行比對，從而確定樣品的比熱值，試驗原理如圖1所示。

圖1 標準樣品與試驗樣品的DSC曲線

通過公式(1)即可計算出樣品在任意測定溫度下的比熱：

(1)

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/kg-1K-1；ms、mstd分別為試驗樣品和標準樣品的質量/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。

具體方法是先用2個空白坩堝在25 ℃保持5 min，然后以10 ℃/min的速度升溫到120 ℃，在此溫度條件下保持10 min獲得基線，然后放入標準物藍寶石樣品，在同樣的條件下獲得標準樣品曲線，最后在同樣的條件下測定豆粕樣品的DSC曲線，豆粕的取樣量為8 mg。每個樣品至少進行3次試驗，取3次試驗平均值作為最終結果。

熱導率和導溫系數利用KD2 pro熱特性分析儀進行測定，具體做法是將豆粕樣品置于直徑25 mm，高35 mm 的小燒杯內，裝滿后壓實。并用封口膜和保鮮膜將燒杯口密封。將長30 mm，直徑1.28 mm，間距6 mm的SH-1 探針垂直插入樣品中，加熱絲提供一定的熱量，熱電偶不斷測量溫度的變化。經過2 min后，讀取儀器顯示屏上的熱導率與導溫系數數值。每個樣品至少進行3次試驗，取3次試驗平均值作為最終結果。

1.2.2 豆粕摩擦特性參數的測定

休止角用基于Kansas State University推薦方法，由自主研制的休止角測定裝置進行測定，測定裝置見圖2(專利號：201320101172.9)。將豆粕放置于漏斗中，使樣品自然下落至長方體容器內形成截面接近三角形的堆積體，待堆積體形狀穩定后停止添加，然后在截面的輪廓線上找到斜率最大的點，以該點為切點做直線與輪廓線相切，此切線與水平線的夾角即為物料的休止角。

注：1底梁，2測梁，3前透明板，4上梁，5調節螺母，6漏斗，7后透明板。圖2 休止角測定裝置

摩擦系數用基于斜面儀法，由自主研制的斜面儀裝置進行測定，測定裝置見圖3(專利號：20120413462.7)。將豆粕均勻鋪在安放好的板件上，并不斷增加板件與水平面的夾角直至板件上的物料滑落至接料盤中，然后通過測量裝置得出摩擦角或摩擦系數。

注：1搖桿，2棘輪，3牽引繩纏繞軸，4直尺，5操作端側板，6操作端測梁，7接料盤，8斜板轉軸，9限位立柱，10非操作端測梁，11非操作端側板，12支撐桿，13圓弧尺，14散粒體物料，15被測板件，16可調斜板，17牽引繩，18頂板。圖3 斜面儀裝置

1.2.3 豆粕粉碎特性參數的測定

平均粒徑按照ANSI/ASAE S319.4 方法進行測定。將100 g樣品放在篩組最上層，用拍擊式振篩機振動10 min。然后分別稱量并記錄各層篩上物料的質量，并按式(2)計算物料的對數幾何平均粒度。

(2)

1.3 數據處理

使用 Excel 2007 對數據進行統計分析，利用SPSS 16.0 統計軟件進行方差分析，標記字母法表示組間差異顯著性，然后進行主成分分析。

2 結果與討論

2.1 豆粕物理特性分析

豆粕物理特性參數分析結果見表1。可以看出豆粕的平均含水量為11.49%，中等變幅，變化范圍為10.58%～13.32%。不同蛋白含量的豆粕及膨化豆粕的水分含量差異顯著，其中膨化豆粕的水分顯著低于其他豆粕，這可能是膨化的熱加工使豆粕的水分減少，導致膨化豆粕的水分含量較低。

容重反映單位體積豆粕的重量，是確定儲存容量的一個重要因素，同時豆粕的容重與蛋白含量的高低有關，一般蛋白含量越高，容重越大[12]。由表1可以看出，豆粕的平均容重為613.95 g/L，變幅較小，變化范圍為556.00～687.80 g/L，可以看出隨著蛋白含量的增加，豆粕的平均容重也隨著增加，蛋白含量差異越大，容重的差異越顯著。同時可以看出，膨化豆粕的容重顯著小于其他豆粕，這是因為膨化使其體積增大，因此容重降低。任守國等[12]研究了超微粉碎豆粕的理化特性，結果顯示豆粕的平均粒徑為383.26 μm時，其容重為562.8 g/L，在豆粕的平均粒徑一致的條件下，與本研究結果中部分豆粕的容重結果相一致。

2.1.1 豆粕熱物理特性參數分析

在表1中可以看出，在25 ℃時，豆粕的比熱平均值為1.959 J/(g·K)，中等變幅，變化范圍為1.672～2.167 J/(g·K)。熱傳導系數的平均值為0.081 W·m-1K-1，中等變幅，變化范圍為0.073～0.090 W/(m·K)。熱擴散系數的平均值為0.067×10-6m2/S，中等變幅，變化范圍為(0.058～0.080)×10-6m2/S，同時可以看出膨化豆粕的熱物理特性參數都顯著大于其他豆粕。Alam等[13]研究了豆粕比熱與水分之間的關系式，計算得出含水量為10.58%～13.32%的豆粕的比熱值為1.881～1.928 J/(g·K)，變化范圍在本研究的結果之間。王紅英等[14]測定了含水量為11.5%，蛋白質量分數為42%，粒度為0.5 mm豆粕的比熱，結果顯示25 ℃時，豆粕的比熱約為1.5 J/(g·K)，與本研究中豆粕比熱的最小值比較接近。劉情超等[15]研究了豆粕的熱傳導系數，但沒有標注豆粕的粒度和水分，結果顯示豆粕的熱傳導系數為0.104 W/(g·K)，與本研究的結果相近似。Deshpande等[16]測定了含水量為10.15%和12.03%的豆粕的熱擴散系數，結果顯示豆粕的熱擴散系數分別為0.082×10-6、0.083×10-6m2/s，與本研究中豆粕熱擴散系數最大的結果一致。

2.1.2 豆粕摩擦特性參數分析

在表1中可以看出，豆粕休止角的平均值為39.66°，變幅較大，變化范圍為33.00°～48.50°。豆粕摩擦系數的平均值為0.80，變幅較大，變化范圍為0.58～1.05。趙小忠等[5]研究發現豆粕的平均粒徑為300 μm時，其休止角為33°～34°，摩擦系數為0.75。任守國等[12]研究了超微粉碎豆粕的理化特性，結果顯示豆粕的平均粒徑為383.26 μm時，其休止角為32.9°，摩擦系數為0.71，在豆粕的平均粒徑一致的條件下，以上研究結果與本研究結果中部分豆粕的摩擦特性一致。

2.1.3 豆粕粉碎特性分析

在表1中可以看出，粉碎后豆粕的平均粒徑為377.57 μm，中等變幅，變化范圍為307.15～483.01 μm。王衛國等[17]的研究表明，仔豬谷物飼料的粉碎粒度以300～500 μm為最適合。李清曉等[18]考察了日糧中不同粉碎粒度(529、449、334、210 μm)豆粕對肉雞生產性能和消化機能的影響，結果表明在飼養試驗后期及全期，粒度小于449 μm組的肉雞的生產性能優于其他組，且334 μm組的飼料轉化率較好。王衛國等[19]測定玉米、豆柏、棉粕、麩皮和魚粉在5種篩板孔徑(4、2.5、1.5、1.0、0.6 mm)下粉碎后的蛋白質溶解度，結果表明蛋白質溶解度與飼料平均粒度有極顯著的相關性，粒度越小蛋白質的溶解度越高。

表1 豆粕物理特性參數

注：同列肩標不包含相同字母表示差異顯著(P<0.05)。變異系數>10%為強變異，變異系數在5%～10%為中等變異，變異系數<5%為弱變異。

2.2 豆粕物理特性主成分分析

主成分分析法的原理是利用降維的思想，通過研究指標體系的內在結構關系，把多指標轉化成少數幾個相互獨立而且包含原有指標大部分信息的綜合指標。其優點是確定的權數是基于數據分析而得到的指標之間的內在結構關系，不受主觀因素的影響，而得到的綜合指標(主成分)之間彼此獨立，減少信息的交叉，使得分析評價結果具有客觀性和準確性。

采用SPSS16.0 分析工具，通過主成分分析得到相關系數矩陣、方差貢獻分析表、主成分荷載矩陣和相應的特征向量，如表2～表4 所示。

由表2可知，各物理特性指標之間存在不同程度的相關性，說明其反映的信息有一定重疊。

每個主成分的方差即特征值，表示對應成分能夠描述原有信息的多少，主成分特征值越大，其變量包含的信息就越多。由表3可知，前4個主成分的特征值大于1，累計貢獻率為88.898%(>85%)，說明前4個主成分能夠代表原來8個指標的信息。因此，可以將豆粕的8個物理特性指標綜合成4個主成分。

表2 豆粕物理特性參數間的相關系數矩陣

注：*和**分別表示0.05和0.01水平上差異顯著。

表3 方差貢獻分析表

根據表4，構建豆粕各主成分與物理特性指標之間的線性關系式，如式：

第一主成分Z1=0.214X1+0.193X2-0.326X3-0.443X4-0.144X5+0.526X6+0.552X7-0.116X8

第二主成分Z2=0.419X1-0.279X2-0.486X3+0.024X4+0.609X5-0.106X6+0.004X7+0.357X8

第三主成分Z3=0.416X1-0.254X2+0.392X3-0.284X4-0.433X5-0.133X6+0.063X7+0.564X8

第四主成分Z4=0.199X1+0.753X2-0.044X3+0.466X4-0.073X5-0.116X6+0.174X7+0.354X8

表4 各主成分的載荷矩陣和特征向量

通過表4所示的主成分載荷矩陣，得到以每個載荷量來表示的主成分與對應變量的相關關系，通過計算得到主成分的表達式。第一主成分的方差貢獻率為36.311%，包含的信息量較大，主要提取了熱傳導系數、休止角和摩擦系數；第二主成分的方差貢獻率為23.411%，主要提取了水分、比熱和熱擴散系數；第三主成分的方差貢獻率為14.989%，主要提取了平均粒徑；第四主成分的方差貢獻率為14.188%，主要提取了容重。

綜合主成分的系數及其對應的方差貢獻率，可以得到評價公式Z=0.363Z1+0.234Z2+0.150Z3+0.142Z4，通過評價公式計算出豆粕的物理特性指標綜合得分。通過主成分分析法可以篩選出綜合品質較高的豆粕樣品，還可以根據綜合得分的差異對每種豆粕樣品做出適當的評價，為飼料加工中原料的采購、生產設備和工藝參數的確定提供參考。

3 結論

本研究測定了42個豆粕樣本的水分、容重、熱物理特性、摩擦特性及粉碎特性指標，并對這8個指標進行了主成分分析。

3.1 各物理特性指標之間存在不同程度的相關性，其中比熱與水分和熱傳導系數呈顯著正相關，與熱擴散系數、休止角和摩擦系數呈極顯著負相關；熱傳導系數與熱擴散系數呈顯著正相關，與休止角和摩擦系數呈極顯著負相關；熱擴散系數與容重呈顯著負相關；摩擦系數與水分呈顯著正相關，與容重呈極顯著正相關，與休止角呈極顯著正相關；平均粒徑與水分呈顯著正相關，與休止角呈顯著負相關。

3.2 通過主成分分析提取前4個主成分，累積方差貢獻率達到88.898%(>85%)，并綜合主成分系數及其對應的方差貢獻率，得到評價公式Z=0.363Z1+0.234Z2+0.150Z3+0.142Z4，計算出豆粕物理特性指標綜合得分，為飼料加工提供借鑒。

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Evaluation on Physical Properties of Soybean Meal Based on Principal Component Analysis

Yang Jie Wang Lu Kong Dandan Chen Xiao Wang Hongying

(College of Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083)

In order to analyze and quantify the physical properties of soybean meal，42 samples were taken as materials to evaluate water content，volume weight，thermophysical property，frictional characteristics and rushing characteristics. Principal component analysis(PCA)was used to simply physical characteristic indicators，establish a comprehensive evaluation system and get the comprehensive score of each sample.The results showed that there were correlations between different indexes.The specific heat had a strong positive correlation with the moisture content and the thermal conductivity，and it was significantly negative correlation with the thermal diffusivity，the angle of repose and the friction coefficient.The thermal conductivity had a strong positive correlation with the thermal diffusivity，and it was significantly negative correlation with the angle of repose and the friction coefficient.The thermal diffusivity had a strong negative correlation with the density.The friction coefficient had a strong positive correlation with the moisture content，and it was significant positive correlation with the density and the angle of repose.The geometric mean particle size had a strong positive correlation with the moisture content，and it was strong negative correlation with the angle of repose.The first four principal components，which contained 88.898% accumulative variance contribution rate(>85%)that standed for most information in 8 physical characteristic indicators，and the comprehensive evaluation modelZ=0.363Z1+0.234Z2+0.150Z3+0.142Z4was established.Score of each sample can be obtained by this model.

soybean meal，thermal physical properties，friction characteristics，crushing characteristics，principal component analysis

公益性行業(農業)科研專項(201203015)

2015-11-15

楊潔，女，1983年出生，博士，飼料原料加工特性

王紅英，女，1966年出生，教授，飼料加工技術與裝備

TS210.9

A

1003-0174(2017)06-0027-07