仔豬配合粉料物理特性試驗研究

■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.中國農業大學工學院，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、成活率和飼養成本，進而影響著整個養殖場的經濟效益[1]。在仔豬配合飼料的生產加工過程中，需要對配合后的粉料進行調質、擠壓制粒等，粉料調質后的溫度一般達到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據和規律，就可以有效地控制其生產的整個過程，尤其是調質過程中熱量的供給，將對實際生產中確定適宜的加工設備、加工參數起到重要作用，進而達到高效率、低能耗的生產效果。因此，對仔豬配合粉料進行調質、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質器、制粒機等飼料設備中的流動情況以及顆粒成型質量的好壞，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摩擦兩大類：內摩擦是指粉料本身內在的摩擦性質，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，用摩擦系數來表示[3]。熱物理特性（比熱、熱導率）是農產品和食品熱物理特性的重要參數，是研究物料干燥、調質、冷卻等傳熱過程中數學計算、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、休止角、比熱、熱導率等物理特性指標及變化規律?；A數據和規律對仔豬配合粉料的生產加工具有重要的指導作用，也可為飼料生產中調質器、制粒機的設計及加工工藝參數的優化提供參考。

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個含水率的調節方法為：由公式（1）計算調節到目標水分應添加蒸餾水的質量，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量（g）；

wi——仔豬配合粉料質量（g）；

mi——仔豬配合粉料含水量（%）；

mf——調節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量。并按下式計算物料的對數幾何平均粒徑：

式中：dgw——質量幾何平均直徑(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：將仔豬配合粉料經漏斗緩慢添加至空間狹長的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 摩擦系數測定方法

摩擦系數采用基于斜面儀法，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[5]。

1.3.4 比熱的含義和測定方法

比熱是指單位質量物質溫度每升高（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)?；谒矔r線性熱源法，熱特性分析儀KD2 Pro通過監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，經一段時間后，溫度T和時間的對數lnt出現線性關系。根據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）具有發熱和監測的雙重功能。

式中：Q——探針單位長度上輸入的能量(W/m)；

ΔT——樣品溫度與環境溫度之差(℃)；

ΔT0——開始時樣品溫度與環境溫度之差(℃)；

t0——系統穩定后的時間(s)。

1.4 試驗數據統計處理

所有數據用Excel軟件進行初步整理后，然后采用數據分析軟件SPSS2.0進行分析統計。

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的飼料原料加工特性數據查詢系統[12]，統計了78種飼料原料的品質系數（用于評價顆粒質量，數值高表明顆粒質量好）、產能系數（用于評價產量高低，數值高表明產量大）、摩擦系數（用于評價物料對壓輥壓模的磨損程度，數值高表明磨損程度大），據此對本配方進行制粒特性預測。計算公式為：某配方系數=∑(原料配方比例×原料對應系數評分)。由計算結果可知，該仔豬配合粉料的品質系數為4.60，產能系數為6.18，摩擦系數為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最大，所以隨著水分質量分數的增加，其比熱值增大。隨著調質過程中物料水分含量的提高，比熱值Cp增大，由公式（3）可知，單位質量的粉料提高相同的溫度所需的熱量增大，因此調質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、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，粉料的摩擦系數呈增大趨勢，最大摩擦系數達到1.65，調質過程中，含水率升高使得粉料在飼料設備內壁的黏附性增大。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，宏觀上呈現結團等現象，這與實際生產加工現象相一致。

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、容重、比熱和熱導率等物理特性參數，分析了該熱物理參數隨含水率的變化規律，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項物理特性參數均隨著粉料含水率的升高而增大。