温度和水分对DDGS比热和热导率的影响

2016-01-10张国栋孔丹丹王红英

饲料工业 2016年8期

■彭飞张国栋杨洁孔丹丹岳岩王红英

（中国农业大学工学院农业部国家农产品加工技术装备研发分中心，北京 100083）

玉米 DDGS（Distillers Dried Grains with Solubles）是利用玉米制取乙醇的副产物，具有蛋白质、脂肪含量高，氨基酸、维生素和矿物质丰富的营养特性，同时具有产量大、价格低廉的特点，已成为一种非常规蛋白质饲料原料，在饲料工业中应用广泛[1]。

在饲料生产中，需要对饲料原料进行调质、膨化，以及后续颗粒冷却等诸多传热传质加工过程；其中调质是热蒸汽中的温度和水分由原料颗粒表面向其内部转移的一个过程，是饲料加工中十分关键的工序。在调质器内高温和水分两因素的共同作用下，饲料原料淀粉熟化，蛋白质变性，有害因子被破坏和灭活，粉状颗粒软化，成型能耗降低，制粒效果得到改善，调质效果直接决定了产品质量[2]。就颗粒饲料而言，原料调质后的温度一般要达到80～90℃，水分增加到16%～18%[3]。因此，掌握该过程中原料热物理特性的数据和规律，可以保证热量的高效供给，确定调质器加工参数，控制物料的调质温度和时间，进而达到高效率、低能耗的生产效果。比热和热导率是物料热物理特性中的两个重要参数，是研究干燥、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]。

国内外关于农业物料比热和热导率等热特性做了一定的研究[6-8]。王红英等[9]通过DSC测定了不同前处理对饲用玉米比热的影响，拟合了含水率、烘干温度和粉碎粒度关于比热的回归方程；Sadeghi A[10]采用热线法研究了不同含水率（11.8%～18.2%）、不同温度（25～85℃）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；赵学伟等[11]汇总了小麦面团及其制品热导率的测定结果，论述了温度、水分含量及结构特性对热导率的影响；张来林等[12]采用热线法研究了不同温度和水分下小麦和稻谷热导率的变化规律，并拟合了回归方程；以上研究为DDGS比热和热导率的测定提供了研究方法和模型验证等理论基础。国内外有关DDGS的研究主要集中在营养特性、质量评价及其对动物生长性能、生化指标的影响等方面[13-14]，对其热物理特性的研究鲜有报道；因此本试验通过对不同含水率、不同温度的DDGS的比热、热导率进行测定，分析其热物理特性随含水率和温度的变化规律，研究对于其生产加工尤其是在干燥、调质、冷却等传热传质过程中的利用具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用的DDGS，取自辽源市巨峰生化科技有限责任公司。水分、粗蛋白、粗灰分、粗脂肪的测定分别基于国家标准GB/T 6435—2006、GB/T 6432—1994、GB/T 6438—2007、GB/T 6433—2006；中性洗涤纤维（NDF）采用GB/T 20806—2006，酸性洗涤纤维（ADF）参见张丽英（2007）方法[15]；基于以上营养测定方法，测得DDGS中水分为10.84%，粗蛋白为26.66%，粗脂肪为9.97%，粗灰分为4.98%，酸性纤维为7.38%和中性纤维为23.52%。取样后放入自封袋中，在4℃的环境下进行贮藏。相关研究表明，合理的原料粉碎粒度有利于动物吸收原料中的营养物质，本文取过2.0 mm孔径筛片粉碎后的DDGS为研究对象。

试验前，对DDGS进行烘干和水分处理，5个含水率的调控方法具体为：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DDGS上，将赋水处理后的DDGS放置于密封袋中一昼夜期使水分均匀。

式中：Q——需要添加蒸馏水的质量（g）；

wi——DDGS质量（g）；

mi——DDGS含水量（%）；

mf——调节后DDGS含水量（%）。

1.2 试验仪器与设备

差示扫描量热仪一台（配有密封铝制坩埚），DSC-60，日本岛津公司；热特性分析仪一套，KD2 Pro，美国Decagon公司；电子精密天平一台，AL204，梅特勒-托利多仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱一台，DHG-9240A，上海精宏实验设备有限公司；小型粉碎机一台，JFSD-100，上海嘉定粮油仪器有限公司；标准试验筛一套，GB/T 6003.1—1997，河南新乡市同心机械有限责任公司。

1.3 指标测定方法

1.3.1 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）的能量，其原理计算公式为：

式中：CP——比热[J/（g·K）]；

Q——热量（J）；

m——质量（g）；

ΔT——温差（℃）。

基于差示扫描量热法，调控程序使得样品和参比物温度保持一致，通过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，求得样品比热。具体方法是：将空白坩埚放入到DSC仪器的左右两个样品池中，同时加热并控制两者升温速度一致，设定起始温度为25℃，升温速度为10℃/min，保持10 min，然后将仪器冷却，得到第一条基线；换用一种比热已知的标准样品（蓝宝石），以相同条件获得第二条基线；将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，设置升温速度为10℃/min（试验测定30～90℃下的比热值，升温速度太低会无意义地延长试验时间，升温速度太高将会产生较大的测定温度与实际温度的滞后），重复上述步骤，得出该样品的DSC曲线。

基于空白、标准样品和试验样品的DSC曲线，由式（3）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——试验样品曲线在温度T时的DSC信号值（mW）；

DSCstd——标准样品曲线在温度T时的DSC信号值（mW）；

DSCb1——基线在温度T时的DSC信号值（mW）。

1.3.2 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（4）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——开始时刻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 含水率和温度对DDGS比热的影响

由差示扫描量热仪DSC分别测得5种湿基含水率、5种温度下DDGS的比热值，为减少试验误差，每个试验重复3次，求出比热的平均值，如表1所示。

表1 温度和水分对DDGS比热值的影响

表2 DDGS比热方差分析

由表1分析可知，当含水率为4.22%～20.43%，温度为30～90℃时，DDGS比热变化范围为2.63～5.16 J/（g·K）。由表2分析可知，含水率F=28.56，P＜0.01，差异极显著；温度的F=66.81，P＜0.01，差异极显著。检验结果表明，含水率和温度对DDGS的比热值都有极显著性影响。含水率一定时，温度越高，DDGS比热越大；温度一定时，DDGS含水率越高，其比热值也越大，这是因为农业物料的比热主要取决于组成成分和含量，水的比热值最大，常温下约为4.2 J/（g·K），是其它干物质组分的2～3倍，水分含量越高，实际配方中所用的DDGS的比热越高。

通过SPSS进行回归分析，建立DDGS含水率、温度与比热值之间的关联方程，如式（5）所示。方差分析显示，回归方程的拟合度较高，可以用来预测在不同含水率和温度下DDGS的比热值。

2.2 含水率和温度对DDGS热导率的影响

基于KD2 Pro热特性分析仪，分别测得5种含水率、5种温度下DDGS的热导率值，重复3次试验后得到DDGS热导率的平均值，如表3所示。

由表3分析可知，当含水率为4.22%～20.43%，温度为30～90℃时，DDGS热导率变化范围为0.059～0.113 W/（m·K）。由表 4 分析可知，湿基含水率 F=29.54，P＜0.01，差异极显著；温度的F=18.63，P＜0.01，差异极显著。检验结果表明，湿基含水率和温度对DDGS的热导率值都有极显著性影响。含水率一定时，温度越高，DDGS热导率越大；温度一定时，DDGS含水率越高，其热导率也越大。这一现象与大量农产品热导率随含水率和温度变化的规律相似，这是因为当温度升高时，分子热运动增强，DDGS空隙中空气的导热和孔隙壁间的辐射作用也随之加强，因此热导率升高；当含水率升高时，DDGS分子空隙中水分增加，其空隙中蒸汽的扩散和水分子的运动起主要传热作用，由于水的热导系数比空气热导系数大20倍左右，故热导率随含水率升高而增大。