仔猪配合粉料物理特性试验研究

■彭 飞 王红英方 芳孔丹丹

(1.北京工商大学材料与机械工程学院，北京100048；2.中国农业大学工学院，北京100083；3.郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001)

仔猪是猪整个生长发育过程中的关键阶段，仔猪配合饲料是仔猪生长阶段的日粮。仔猪配合饲料的质量将直接影响到猪的整个生长阶段，从而影响着育成猪的体质、成活率和饲养成本，进而影响着整个养殖场的经济效益[1]。在仔猪配合饲料的生产加工过程中，需要对配合后的粉料进行调质、挤压制粒等，粉料调质后的温度一般达到80～90℃，水分增加到16%～18%[2]。如果能掌握该过程中粉料物理特性的数据和规律，就可以有效地控制其生产的整个过程，尤其是调质过程中热量的供给，将对实际生产中确定适宜的加工设备、加工参数起到重要作用，进而达到高效率、低能耗的生产效果。因此，对仔猪配合粉料进行调质、制粒、冷却等加工工艺相关的物理特性的研究分析显得尤为重要。

摩擦特性影响粉料在调质器、制粒机等饲料设备中的流动情况以及颗粒成型质量的好坏，是开展饲料加工工艺和设备研究的基础。摩擦分为外摩擦和内摩擦两大类：内摩擦是指粉料本身内在的摩擦性质，用休止角表示；外摩擦是指粉料与接触的固体表面间的摩擦性质，用摩擦系数来表示[3]。热物理特性（比热、热导率）是农产品和食品热物理特性的重要参数，是研究物料干燥、调质、冷却等传热过程中数学计算、计算机模拟和试验测定的基础[4-5]，研究仔猪配合粉料的热物理特性对其加工利用有重要指导作用。赵学伟等[6]汇总了小麦及其有关制品热导率的测定结果，并论述了温度、水分及结构特性对其热导率的影响。Sadeghi A[7]研究了不同含水率、不同温度下颗粒饲料的热导率，建立了颗粒饲料热导率关于含水率和温度的数学模型。王红英等[8]利用DSC测定了不同前处理方式对饲料玉米比热的影响，并得到含水率、烘干温度和粉碎粒度与比热的回归方程。国内外研究者[9-10]为研究仔猪粉料的物理特性提供了测试方法和理论基础。

本文以5种不同含水率（分别为12%、14%、16%、18%、20%）的仔猪粉料为试验材料，测定其容重、摩擦系数、休止角、比热、热导率等物理特性指标及变化规律。基础数据和规律对仔猪配合粉料的生产加工具有重要的指导作用，也可为饲料生产中调质器、制粒机的设计及加工工艺参数的优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验对象为饲料厂正常生产的仔猪配合粉料，饲料配方的组成成分及比例如表1所示。

含水率的测定采用105℃烘箱干燥法，参考GB/T 10358—2008。5个含水率的调节方法为：由公式（1）计算调节到目标水分应添加蒸馏水的质量，然后称取蒸馏水并均匀喷洒到仔猪粉料上，将赋水处理后的仔猪配合粉料放置于密封袋中一昼夜使水分均匀。

表1 乳仔猪料配方组成成分及比例

式中：Q——需要添加蒸馏水的质量（g）；

wi——仔猪配合粉料质量（g）；

mi——仔猪配合粉料含水量（%）；

mf——调节后仔猪配合粉料含水量（%）。

1.2 试验仪器与设备

DSC-60型差示扫描量热仪(日本，岛津公司)；热特性分析仪KD2 Pro(美国，Decagon公司)；电子精密天平(梅特勒-托利多仪器有限公司)；电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；GHCS-1000型谷物容重器(郑州中谷科技有限公司)；PJZ-5A拍击式振筛机(新乡市同心机械有限责任公司)。

1.3 试验指标测定方法

1.3.1 容重与粒度

容重按照国家标准GB/T 5498—2013方法进行测定；粉碎粒度按照ANSI/ASAE S319.4方法进行测定，具体操作方法为：

采用十四层筛法（3 350、2 360、1 700、1 180、850、710、600、500、425、355、300、250、212、180 μm）对粉碎后物料的对数几何平均粒径进行测定。具体的操作方法是：将100 g样品放在筛组的最上层，然后使用拍击式振筛机使其振动10 min，分别称量并记录各层筛上物料的质量。并按下式计算物料的对数几何平均粒径：

式中：dgw——质量几何平均直径(μm)；

di——第i层筛的筛孔直径(μm)；

di+1——比第i层筛孔大的相邻筛子的筛孔直径(μm)；

Wi——第i层筛子上物料的质量(g)。

1.3.2 休止角测定方法

休止角采用Kansas State University推荐方法：将仔猪配合粉料经漏斗缓慢添加至空间狭长的长方体容器内形成截面接近三角形的堆积体，待堆积体形状稳定后停止添加；然后以截面的轮廓线为参照作直线与轮廓线重合，此直线与水平线的夹角即为物料的休止角。设计并制作该休止角测定装置（专利号：201320101172.9）如图1所示，其有效容积空间尺寸为400 mm（长）×40 mm（宽）×200 mm（高），用以对仔猪配合粉料休止角的测定。

图1 休止角测定装置原理

1.3.3 摩擦系数测定方法

摩擦系数采用基于斜面仪法，由自主研制的斜面仪装置进行测定，测定装置(专利号：20120413462.7)如图2所示。将仔猪配合粉料均匀平铺在斜面仪装置的被测板件上，形成薄薄的一层，缓慢转动手动摇杆，逐渐增加平板的倾斜度，待粉粒开始滑动时，通过圆弧尺直接读取平板的倾斜度，得到其滑动摩擦角或摩擦系数[5]。

1.3.4 比热的含义和测定方法

比热是指单位质量物质温度每升高（或降低）1℃所增加（或减少）的热量，其计算公式为：

式中：Cp——比热[J/(g·K)]；

Q——热量（J）；

m——质量（g）；

△T——温差（℃）。

试验采用差示扫描量热法间接测定仔猪配合粉料的比热[11]，该原理是利用程序调控，使得样品和参比物温度保持一致，测定输送给被测样品和参比物之间的能量差值与温度之间的关系，进而求得样品比热。具体方法为：首先，DSC仪器的左右2个样品池中均放入空白坩埚，计算机程序同时加热并控制两者升温速度一致，设定其实温度为25℃，以10℃/min的速度升温到125℃，保持10 min，然后将将仪器冷却，得到第一条基线；接着，换用一种比热容已知的标准样品（蓝宝石），以相同条件获得第二条基线；最后，将2个样品池左侧放入空坩埚，右侧放入称有5～10 mg试验样品的坩埚，重复上述步骤，得出该样品的DSC曲线，试验过程原理如图1所示。每个样品试验3次，取3次试验平均值作为最后结果。

图2 斜面仪装置

基于空白、标准样品和试验样品的DSC曲线，由式（4）计算样品的比热：

式中：CP、Cp.std——分别为试验样品和标准样品在温度T时的比热[J/(g·K)]；

ms、mstd——分别为试验样品和标准样品的质量（mg）；

DSCs、DSCstd、DSCb1——分别为试验样品曲线、标准样品曲线和基线在温度T时的DSC信号值(mW)。

1.3.5 热导率的含义和测定方法

热导率是材料传递能量的能力，单位为W/(m·K)。基于瞬时线性热源法，热特性分析仪KD2 Pro通过监测样品在特定电压下线性探针的热消散和温度，计算样品的热特性，经一段时间后，温度T和时间的对数lnt出现线性关系。根据此直线的斜率可以求出材料的热导率K，如式（5）所示。仪器由控制器和探针两部分构成，其探针（长30 mm、直径1.28 mm、间距6 mm）具有发热和监测的双重功能。

式中：Q——探针单位长度上输入的能量(W/m)；

ΔT——样品温度与环境温度之差(℃)；

ΔT0——开始时样品温度与环境温度之差(℃)；

t0——系统稳定后的时间(s)。

1.4 试验数据统计处理

所有数据用Excel软件进行初步整理后，然后采用数据分析软件SPSS2.0进行分析统计。

2 试验结果与分析

2.1 粒度分布情况

基于十四层筛法，测得仔猪配合粉料的粒度分布，结果如图3所示，由粒度计算公式（2）求得乳仔猪料的平均粒径为332 μm，由此可见该粉料粒度较细。

图3 仔猪配合粉料的粒度分布

饲料原料制粒特性预测模型评分表和实验室团队自主开发的饲料原料加工特性数据查询系统[12]，统计了78种饲料原料的品质系数（用于评价颗粒质量，数值高表明颗粒质量好）、产能系数（用于评价产量高低，数值高表明产量大）、摩擦系数（用于评价物料对压辊压模的磨损程度，数值高表明磨损程度大），据此对本配方进行制粒特性预测。计算公式为：某配方系数=∑(原料配方比例×原料对应系数评分)。由计算结果可知，该仔猪配合粉料的品质系数为4.60，产能系数为6.18，摩擦系数为5.5。

2.2 物理特性试验结果

对配合粉料（含水率分别为12%、14%、16%、18%、20%）的物理特性进行测定，结果如表2所示。

表2 不同含水率下仔猪配合粉料的比热[kJ/(kg·K)]

图4为在5种含水率条件下，仔猪配合粉料的比热随温度变化曲线。由方差分析可知(见表3)，含水率和温度对仔猪配合粉料的比热有极显著影响（P＜0.01），进一步分析可知，含水率相同时，粉料的比热均随着温度的升高而增大；温度相同时，粉料的比热均随着含水率的增加而增大。5种含水率条件下，粉料比热变化范围分别为 1.556～2.688，1.658～2.743，1.736～2.718，1.779～2.861，1.921～2.927 kJ/(kg·K)。当含水率为12%时，温度每升高1℃，粉料比热值升高0.012 kJ/(kg·K)；当含水率为20%时，温度每升高1℃，粉料比热值升高0.012 kJ/(kg·K)；当温度为25℃时，含水率每增加1%，粉料比热值升高0.046 kJ/(kg·K)；当温度为115℃时，含水率每增加1%，粉料比热值升高0.030 kJ/(kg·K)。

表3 仔猪配合粉料比热方差分析

图4 不同含水率下仔猪配合粉料的比热随温度变化曲线

由李云飞等[13]可知，对于组分已知的配方，其比热可以由式（6）计算：

由于公式中水分含量系数最大，所以随着水分质量分数的增加，其比热值增大。随着调质过程中物料水分含量的提高，比热值Cp增大，由公式（3）可知，单位质量的粉料提高相同的温度所需的热量增大，因此调质过程中随着含水率增加，仔猪配合粉料需要吸收更多的热量。

表4为仔猪配合粉料的物理特性指标（容重、摩擦系数、休止角、热导率）随含水率的变化情况，配合粉料的容重变化范围为419.56～463.38 kg/m3，其摩擦系数变化范围为0.99～1.65，其休止角变化范围为43.40°～59.75°，其热导率变化范围为0.056～0.067 W/(m·K)；容重和热导率随着含水率的升高而增大。表5为该4项物理特性指标的方差分析表，分析可知，含水率对该4项物理特性指标均影响显著（P＜0.05）。进一步分析可知，随着含水率的升高，粉料的摩擦系数呈增大趋势，最大摩擦系数达到1.65，调质过程中，含水率升高使得粉料在饲料设备内壁的黏附性增大。随着含水率的升高，粉料休止角亦呈增大趋势，粉料颗粒间黏结性增大，流动性变差，宏观上呈现结团等现象，这与实际生产加工现象相一致。

表4 仔猪配合粉料的物理特性

表5 仔猪配合粉料的物理特性方差分析

3 结论

试验测定了不同湿基含水率（分别为12%、14%、16%、18%、20%）条件下仔猪配合粉料的休止角、摩擦系数、容重、比热和热导率等物理特性参数，分析了该热物理参数随含水率的变化规律，主要结论如下：

①在5种含水率条件下，仔猪配合粉料的比热变化范围分别为 1.556～2.688，1.658～2.743，1.736～2.718，1.779～2.861，1.921～2.927 kJ/(kg·K)；含水率和温度对粉料的比热特性有极显著影响（P＜0.01），进一步分析可知，含水率相同时，粉料的比热均随着温度的升高而增大；温度相同时，粉料的比热均随着含水率的升高而增大。

②在5种含水率条件下，仔猪配合粉料的容重变化范围为419.56～463.38 kg/m3，其摩擦系数的变化范围为0.99～1.65，其休止角变化范围为43.40°～59.75°，其热导率变化范围为0.056～0.067 W/(m·K)；含水率对该4项物理特性指标均影响显著（P＜0.05），该4项物理特性参数均随着粉料含水率的升高而增大。