主要能量飼料粉碎特性的差異性分析

■金 楠 孔丹丹 王紅英* 方 鵬 段恩澤 陳計遠 鄭猛虎

（1.中國農業大學工學院，北京100083；2.國家農產品加工技術裝備研發分中心，北京100083）

粉碎是飼料加工的重要工序之一，一方面為后續的配料、混合和制粒加工提供條件[1]，另一方面，飼料的粉碎粒度對飼料消化利用率、動物生產性能和動物胃腸道健康均有顯著影響[2]。研究表明，減小飼料粉碎粒度有利于提高豬生長性能、營養利用率和顆粒飼料質量，但過細的粉碎粒度會帶來豬消化道損傷和疾病的隱患[3-4]。

據統計，約有60%～70%的飼料原料需要粉碎加工[5]，包括全部的能量飼料，粉碎能耗占全廠總動力消耗的30%以上[6]。影響粉碎效率的因素主要有原料及配方的特性、粉碎細度的要求和粉碎方案（設備及工藝）的配置等。

除玉米、小麥等禾谷類原料外，木薯渣、甜菜渣等粉渣類加工副產物也成為飼料工業中應用較為普遍的能量飼料。受能量飼料尺寸、硬度和水分、粗纖維、脂肪等營養成分含量的影響，不同能量飼料的粉碎特性不盡相同。

因此，本研究在實驗室條件下用萬能粉碎機對玉米、大麥等7 種主要能量飼料進行粉碎處理，比較能量飼料粉碎特性的差異性，分析粉碎機篩片孔徑對粉碎粒度、均勻度及粒度分布規律的影響，為飼料粉碎加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用玉米、小麥、大麥、高粱、小麥麩、木薯渣和甜菜渣共7種主要能量飼料，均取自北京三元種業科技股份有限公司飼料分公司，水分含量均在11%～12%安全水分內。

1.2 試驗設備

15B型萬能粉碎機（江陰市宏達粉體設備有限公司，配有Φ1.5、Φ2.0 mm和Φ2.5 mm孔徑篩片，配套動力：2.2 kW，生產能力：30～100 kg/h）；octagon200 型數顯篩分儀（英國endecotts 公司）；ISO3310 不銹鋼標準篩（英國endecotts公司）；AL204分析天平（梅特勒-托利多儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 粉碎粒徑及均勻度測定

萬能粉碎機依次換裝Φ1.5、Φ2.0、Φ2.5 mm孔徑篩片，分別對玉米、小麥、大麥、高粱、小麥麩、木薯渣和甜菜渣7種能量飼料進行粉碎，共得到21份粉碎樣品用以進行粉碎粒徑及均勻度測定。

粉碎后的樣品采用ANSI/ASAE S319.4—2008 標準[7]中的14層篩法進行粉碎粒徑及均勻度的測定，具體操作如下：將標準篩清理后稱重記錄篩體初重，篩層從上至下按篩網篩孔由大到小的順序排列好14層標準篩，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）計算粉碎樣品的平均粒徑。

式中：dgw——顆粒的幾何平均粒徑(mm)；

di——第i層篩的標稱篩孔尺寸(mm)；

Wi——第i層篩上樣品的質量(g)；

n——篩層的數量。

樣品的粉碎均勻度可由粒度分布的幾何標準差充分反映，按式（2）計算幾何標準差。

式中：Slog——粒度分布的幾何標準差，其余字母含義均與公式（1）中相同。

1.3.2 飼料粒度的正態分布規律

若粉碎樣品粒度分布服從正態分布，則其正態分布密度函數為：

式中：w(d)——樣品中粒徑為d的粒子重量概率(%)；

d——樣品的粒子直徑(cm)。

由于粉碎樣品的總體參數μ和σ未知，故結合粉碎樣品的篩分結果，用極大似然估計法估計樣本均值和方差。

式（4）、（5）中，wi是第i層篩上料重百分數。

對（3）式等號兩邊同時取對數，得：

則式（3）變為線性關系：

因此，粉碎樣品的正態回歸分析轉化為線性回歸分析問題，用以檢驗飼料的粒度分布是否符合正態分布[8]。

1.4 數據處理

試驗中，對每種能量飼料在3個不同篩片孔徑下的粉碎樣品均進行3次重復篩分，取篩分平均值作為最終結果。所有試驗數據使用Excel 2010進行統計，使用SPSS 19.0統計軟件進行顯著性分析及回歸分析。

2 結果與分析

2.1 主要能量飼料粉碎粒徑分析

7 種能量飼料的粉碎粒徑結果如表1 所示。7 種能量飼料的粉碎樣品平均粒徑均受粉碎機篩片孔徑影響(P＜0.05)，粉碎樣品的平均粒徑隨篩片孔徑的增大而增大。小麥過Φ1.5篩孔與Φ2.0篩孔粉碎粒徑差異不顯著，其余6 種能量飼料在3 種不同篩孔下的粒徑均呈現顯著差異(P＜0.05)。

粉碎樣品的平均粒徑遠小于篩孔直徑，并且除小麥、大麥外，其他5種飼料中，篩片孔徑與粉碎樣品的平均粒徑之比隨篩片孔徑的減小而減小，而小麥和大麥樣品在Φ2.0 篩孔下篩片孔徑與樣品平均粒徑之比最大，可能是由于小麥和大麥在結構和營養方面的特性導致的。對各能量飼料的粉碎粒徑與篩孔直徑的關系進行線性回歸分析，結果見表2。粉碎樣品平均粒徑隨篩孔直徑的增加呈線性關系增加，小麥和木薯渣的擬合度較低，小麥麩的線性擬合度最高為0.996，其余4種能量飼料的擬合度均在0.9以上。

表2 粉碎粒徑與篩孔直徑線性回歸關系

同一篩片孔徑下，不同飼料的粉碎粒度存在顯著差異(P＜0.05)，如圖1所示。Φ1.5和Φ2.0篩孔下，能量飼料的粒徑變化表現出相同趨勢，粒徑由大到小依次為小麥麩、甜菜渣、高粱、大麥、小麥、玉米和木薯渣，這種差異主要是由能量飼料的粉碎特性和過篩特性不同造成的，通常，越硬越難粉碎的物料，通過粉碎機篩片的性能越差，粉碎樣品的平均粒徑就越小。

圖1 粉碎樣品粒度比較柱形圖

2.2 主要能量飼料粉碎均勻度分析

粉碎樣品粒度的幾何標準差可以充分反映能量飼料粉碎均勻度。所謂幾何標準差，就是粉碎樣品中不同粒徑粒子的離散程度，幾何標準差越小，粉碎樣品各篩層上的粒子粒徑越集中于幾何平均粒徑，均勻度越好。粉碎樣品粒度的幾何標準差結果見表3，篩片孔徑對玉米、大麥、高粱、小麥麩、木薯渣和甜菜渣的幾何標準差有顯著影響(P＜0.05)，隨著篩片孔徑的增大，幾何標準差有增大趨勢，也就是說，篩片孔徑越大，飼料樣品的粉碎均勻度越差。同一篩片孔徑下，不同能量飼料的幾何標準差顯著不同(P＜0.05)，玉米和高粱的粉碎均勻度要優于其他5種飼料，這可能與飼料中的粗纖維含量有關，玉米和高粱的粗纖維含量較其他飼料更低，粗纖維含量越低，粉碎均勻度越好。

表3 粉碎樣品粒度幾何標準差

2.3 粉碎樣品粒度分布的正態性檢驗

結合材料與方法中的式（3）、（6）、（7），將粉碎樣品粒度分布的正態性檢驗轉化為線性回歸問題。由于飼料總體的均值μ和方差σ2未知，因此用樣本的均值μ∧和方差σ∧2估計總體均值和方差。檢驗中以各樣品3 次重復篩分各篩層孔徑(單位：cm)和篩上物粒子重量概率的平均值為數據進行擬合，各篩片孔徑下能量飼料正態分布的檢驗結果分別如表4、表5、表6所示。

表4 Φ1.5篩孔下能量飼料正態分布檢驗結果

表5 Φ2.0篩孔下能量飼料正態分布檢驗結果

表6 Φ2.5篩孔下能量飼料正態分布檢驗結果

由表可知，飼料粉碎樣品的粒度分布并不一定服從正態分布，主要取決于飼料種類和粉碎機篩片孔徑兩個因素。在0.05顯著性水平下，通過Φ1.5篩孔的小麥、高粱、小麥麩、甜菜渣，通過Φ2.0篩孔的大麥、高粱，及通過Φ2.5篩孔的大麥粒度分布服從正態分布，隨著篩孔的減小，有更多種類的飼料粒度分布服從正態分布。若將顯著性水平設為0.1，則大麥、小麥麩和甜菜渣的粒度分布均服從正態分布。但玉米和木薯渣在任何篩片孔徑下，其粒度分布均不服從正態分布。

同時，由樣本方差的變化也可以看到，同一飼料樣品隨著篩片孔徑的增加，樣本方差值增大，說明飼料粉碎均勻度隨篩片孔徑的增大而降低，與上節中粉碎均勻度的分析結果一致。

3 討論

3.1 篩片孔徑對飼料粉碎粒徑及均勻度的影響

飼料的粉碎粒徑和均勻度通常用幾何平均粒徑和粒度幾何標準差表示。粉碎機的篩片孔徑、篩片厚度、開孔率等都是影響粉碎粒徑的因素，而篩片孔徑大小對粉碎粒徑的影響最大[9]。有研究表明，大麥粉碎的幾何平均粒徑受篩片孔徑顯著影響[10]，粉碎玉米的幾何平均粒徑隨著粉碎機篩片孔徑的增大線性增加[11]，飼料原料粉碎的幾何平均粒徑隨篩片孔徑的增加而增加[12]。本研究中，玉米、小麥、大麥、高粱、小麥麩、木薯渣和甜菜渣7種能量飼料的幾何平均粒徑均隨篩片孔徑的增大而增加，線性回歸結果顯示這種變化呈線性趨勢，與前人研究結論一致。

飼料的粉碎加工中，以獲得使動物對飼料具有最大利用率且不影響動物健康、經濟上又合算的最佳粉碎粒度為目標[13]。研究表明，篩片孔徑對粉碎能耗和生產效率有顯著影響[14]，當錘片粉碎機篩孔由Φ3.2增加到Φ6.4，粉碎玉米的能耗降低13.6%、生產效率提高11.1%[15]，當篩片孔徑由Φ2.5增加到Φ3.2，粉碎小麥的能耗降低24.9%、生產效率提高34.2%[16]。本研究發現，Φ1.5篩孔的大麥、Φ2.0篩孔的小麥和Φ2.5篩孔的玉米平均粒徑相當；Φ1.5 篩孔的小麥和Φ2.0 篩孔的玉米平均粒徑相當；Φ1.5 篩孔的甜菜渣和Φ2.0 篩孔的大麥平均粒徑相當。也就是說，盡管飼料的平均粒徑相當，但不同能量飼料對應的篩片孔徑不同。因此，在粉碎不同飼料時，應更換不同孔徑的粉碎機篩片，以達到飼料的最佳粉碎粒度，并降低粉碎能耗、提高生產效率。

在粉碎加工中通常對飼料的平均粒徑關注較多，而對飼料粉碎均勻度關注較少。適當降低飼料的平均粒徑有利于提高飼料利用率和動物的生產性能，提高飼料粉碎均勻度同樣可以對飼料的養分消化率起到微妙的變化。Wondra 等研究發現，隨著飼料粉碎均勻度的提高，飼料干物質消化率提高，糞便中干物質排泄量減少[17]。飼料粉碎均勻度與粉碎機類型和粉碎機篩片孔徑有關。

3.2 粉碎樣品粒度分布規律分析

粒度是指粉碎樣品中某一粒徑的粒子占顆粒總量的百分比，而粒度分布則是粒度隨粒徑變化的一條曲線。如果粒度分布曲線服從某一分布函數，則稱之為粒度分布函數，常用的粒度分布函數有正態分布、對數正態分布、高斯分布和Rosin-Rammler 分布等。通常認為飼料粉碎樣品的粒度分布服從正態分布，但本研究發現，能量飼料樣品的粒度并不一定服從正態分布，受飼料種類和粉碎機篩片孔徑兩個因素影響。張瑞紅等研究認為，轉子通風錘片式粉碎機粉碎的玉米服從對數指數分布密度函數[8]。

本文僅對粉碎樣品粒度分布進行了正態性檢驗，其結果并不具有普遍性。粉碎粒度分布對提高飼料混合均勻度、提升飼料加工品質及評價粉碎機性能起到重要作用，對飼料粉碎粒度分布規律還需進一步深入研究。

4 結論

①玉米、小麥、大麥、高粱、小麥麩、木薯渣和甜菜渣7 種主要能量飼料的粉碎樣品平均粒徑均受粉碎機篩片孔徑顯著影響(P＜0.05)，隨著粉碎機篩片孔徑的增大，粉碎樣品的平均粒徑線性增大。

②粉碎機篩片孔徑對7 種主要能量飼料的粉碎均勻度有顯著影響(P＜0.05)，粉碎均勻度隨篩片孔徑的增大而變差，玉米和高粱的粉碎均勻度要優于其他5種飼料。

③對7 種主要能量飼料粉碎樣品粒度分布的正態性檢驗結果表明：并不是所有的粉碎樣品粒度都服從正態分布，受到飼料種類和粉碎機篩片孔徑兩個因素共同影響。

④本文僅在同一粉碎機下對能量飼料的粉碎特性進行研究，建議今后開展粉碎機類型對粉碎特性及粒度分布規律影響的相關研究。