影响硬颗粒饲料水分含量的因素及水分在线控制技术研究

■杨 强 王金荣赵银丽 于翠萍 李国辉 胡凯飞

(河南工业大学生物工程学院，河南郑州450001)

目前饲料行业竞争日益激烈，而颗粒饲料水分含量的不稳定不仅导致颗粒品质的不稳定，使饲料生产厂家品牌的信誉受损，更为严重的是给饲料企业带来了巨大的经济损失。颗粒饲料加工质量直接影响着颗粒饲料品质，根据美国堪萨斯大学的研究，影响颗粒料品质的因素中，饲料配方占40%、粉碎占20%、调质占20%、制粒占15%，冷却占5%[1-3]。颗粒饲料的水分含量是评价颗粒饲料加工质量的重要参数之一，颗粒饲料产品最终水分含量与生产原料的水分含量之间的关系与饲料生产过程有关。影响颗粒饲料产品最终水分含量的因素主要有原料本身的水分含量、调质过程中水分添加量和冷却效果[4]。在生产过程中综合调控这些因素，使饲料产品最终水分含量达到预期，达到水分控制的目的[5]。本文将从原料粉碎、蒸汽调质、制粒和冷却等方面对影响水分含量的主要因素进行综述。

1 硬颗粒饲料生产过程影响水分含量的主要因素

1.1 原料粉碎对饲料水分含量的影响

饲料原料在粉碎过程中水分会有一部分的损失，其损失程度与粉碎粒度、温度及粉碎工艺有关[5]。随着粉碎粒度的减小，水分损失逐渐增大。在粉碎过程中，粉碎机锤片和筛面与物料相互作用，造成物料快速升温，进而使粉碎机内温度升高，进一步增加了水分的损失，所以要尽量降低粉碎室的温度，以减少水分的损耗。此外，粉碎机类型不同，粉碎工艺不同，也会对水分的损失有影响。粉碎机的锤片越多或者粉碎次数越多，水分损失越严重。微粉碎比普通粉碎水分损失大，二次粉碎比一次粉碎水分损失大。有研究表明，在粉碎过程中原料水分的最大损耗接近1%[6]。

1.2 饲料调质过程水分的变化

饲料的调质过程是指物料进入制粒机前，通过引入水和蒸汽对物料进行水热处理，从而改善粉状物料的理化性质[7]。调质的机理是物料吸水软化、淀粉糊化以及蛋白质变性。调质的关键是饲料的糊化，影响饲料糊化的主要因素是温度、时间和水分。调质温度会随着饲料的种类不同而有所变化，一般情况下禽料调质温度在70℃左右，而猪料和水产料则分别在80℃和90℃左右。颗粒饲料淀粉糊化度会随着调质温度和调质时间的增加而增大，而调质水分对淀粉糊化度的影响最大。蒸汽质量对物料变性至关重要，蒸汽作为传热传湿的载体直接影响到调质效果。调质水分影响调质温度，控制蒸汽添加量可调节水分，调质时间影响着蒸汽中水分和热能的利用率[8]。调质水分可以通过调节蒸汽量和调质时间来控制，调质时间可以通过改变调质器内物料的充满系数来调节[9]。蒸汽含水量随着锅炉蒸汽压力的升高而降低，在生产过程中，应根据实际情况及时调整蒸汽压力，以取得良好的蒸汽质量。同等条件下，物料粉碎粒度越小，调质效果越好。物料与蒸汽接触时间越长，调质越充分，但是此时物料吸收的水分就越多，水分含量就越高。有研究表明，饲料半成品在加蒸汽调质时，每凝结1%优质饱和蒸汽，粉料升温14.5～15℃[10]。混合后物料水分含量在9%～14%之间，调质后物料水分含量在15%～17%之间比较合理[11]。在此条件下生产加工颗粒饲料的加工品质好，粉化率低，稳定性好，水分易达到标准要求，同时饲料生产的能耗也低。

1.3 制粒过程对颗粒饲料水分的影响

制粒是将粉状原料添加水或蒸汽进行调质，使饲料中的蛋白质和淀粉在热力作用下被水稀释，变成可塑性强的料体。同时粗纤维被加温软化，然后用制粒机压制成各种形状的颗粒，并经冷却、筛选等处理设备，得到合格的颗粒饲料成品。制粒所用压模设备的孔径大小不同，环模厚度不同，生产出来的颗粒饲料产品水分含量也不相同[12]。环模孔径决定了颗粒直径。环模厚度不同，制粒过程中产生的摩擦阻力也不同。环模厚度越大，摩擦阻力越大，产生的热量越多，水分损失越大。反之，环模厚度越小，摩擦阻力越小，产生的热量越少，水分损失越少。制粒时因摩擦和挤压使饲料温度上升约2～3℃，水分增加0.2%～0.3%。一般要求饲料水分在17%～18%和制粒温度在80～90℃，均符合制粒要求[13]。合理选择压模孔径和厚度适合的制粒环模，对制粒过程中的水分控制至关重要。

1.4 颗粒饲料冷却过程中水分的变化

冷却器的作用是将由制粒机出来的热颗粒从80℃左右冷却至略高于室温。冷却温度不超过室温3～5℃，同时降低颗粒饲料水分，增加饲料颗粒硬度，降低3%～5%的水分[14]。冷却颗粒饲料常用的介质是自然空气，目前饲料厂大多使用逆流式冷却机，通过控制颗粒饲料温度来进行水分控制，这种方法已经被生产企业尝试后应用于生产中，并取得了好的效果。与调质器内水分提高和温度升高呈对应关系相类似，在冷却时，水分降低和温度降低是相关的[6]。有研究表明，在制粒后的冷却阶段，温度一般每降低11℃，颗粒水分减少1%[15]。此外，冷却效果与颗粒饲料的大小有关。饲料颗粒的直径越大，冷却的空气（冷风）越难穿透颗粒，颗粒饲料的水分损失越少。因此在颗粒饲料的冷却阶段，应合理调控冷却风量的大小和冷却时间，严格操作，均匀出料，使生产出来的颗粒饲料既能达到水分含量要求，也使温度降低到要求的标准，同时还能保证颗粒饲料质量和颗粒品质。制粒完成后，应保持冷却器继续工作一段时间（约几分钟，视不同冷却器而定），保证饲料颗粒全部出机。

2 硬颗粒饲料生产实时在线水分控制技术

饲料水分的测定通常采用常压烘箱干燥法对饲料原料及成品进行水分测定。其原理是试样在(105±2)℃烘箱内，在一个大气压下烘干直至恒重，逸失的重量为水分含量[16]。该法虽然测定结果比较准确，但是通常用时6～8 h，对于饲料生产企业而言，操作繁琐，费时费力。由于饲料原料种类繁多，来源广泛，还有许多自然或人为的不可控制因素，造成了颗粒饲料产品水分控制难度加大。为了对饲料生产过程中水分进行精准调控，实时在线水分控制技术是较为理想的技术手段。

颗粒饲料的实时在线水分检测与控制技术有两种控制方式，即前馈式和反馈式[6]。前馈式控制技术是在调质前对粉状料进行检测，反馈式控制技术是在冷却后对颗粒料进行检测，两者都可以使颗粒饲料产品的水分稳定控制在合适范围，最终达到标准要求。从控制效果来看，前馈式技术优于反馈式技术，因为饲料在调质前进行水分调控的可行性强，调控时间更为充分，在生产中易于操作，因此大多数饲料厂都采用前馈控制技术。在线水分控制技术需要对生产过程中的水分进行实时测定，目前饲料厂大多采用微波和红外两种水分测量方式，通过高精度在线水分传感器以提高水分控制精度。湖南某饲料企业同时采用前馈式和反馈式两种控制方式，分别在混合调质前和制粒冷却后安装近红外检测探头，很好地实现了对原料粉料和成品颗粒饲料的水分在线检测与控制，生产的颗粒饲料产品均达到预期要求。

目前性能最好的水分控制设备是全自动在线水分控制系统，其原理是利用微波技术对仓内物料水分进行高频扫描，得到实时数据，然后与设定水分对比。水分控制系统的关键是在线水分传感器，其精度直接影响控制效果。大多数饲料企业采用称重型传感器系统，精度良好，能够满足不同配方的水分要求，并且可以把颗粒饲料产品水分稳定控制在12.5%左右。此外，还有部分饲料厂采用流量计控制系统，优点是投资低，缺点是精度差。混合液易分层，饲料易发霉，颗粒饲料品质无法保障。

颗粒饲料加工实时水分在线检测与控制系统是一项具有创新性和实用性的技术，并且在行业内外人士的努力下取得了突破性的进展，近年来对颗粒饲料生产实时在线检测与控制技术的研究逐渐增加。例如张丽娟综述的由德国生产商Doescher制造的“水分扫描器”和“水分管理者4000”两种产品，可以准确测量工艺流程中的水分含量，控制水分的闭合环路，其中“水分扫描器”采用独特的微波技术，可以独立于温度、颜色、密度、重量、表层结构、组织和料层厚度之外运行[17]。姜建宏介绍的由美国建明工业开发研究的MOP（moisture optimization program）系统即水分优化系统，包括界面活性剂、防霉体系以及精准添加体系。MOP既能够优化饲料水分又能抑制霉菌生长，能够改善工艺，降低损耗，提高效率。MOP还可以根据客户需求量身定做，操作灵活简便，为饲料生产过程中水分的控制提供系统、可行的解决方案[18]。我国也开始了对水分实时在线检测技术的研究，由江苏正昌集团研制开发的SZCSJK饲料品质优化系统，通过在待制粒仓前安装在线水分传感器实时检测物料水分，然后与目标水分值进行比对，综合调控使水分达标，即便是在混合添加多种液体的情况下，依然能够满足饲料厂精确测水、补水的要求[19]。虽然这几种水分控制技术在应用过程中有着各自的优点，但由于应用成本较高，目前还不能在生产中进行广泛的推广和应用。

3 小结

原料水分、调质质量和冷却效果是影响颗粒饲料产品水分含量的主要因素。虽然颗粒饲料产品水分控制起来十分困难，但是在饲料加工过程中利用水分实时在线检测与控制技术，对各环节饲料水分含量进行实时检测，规范操作流程，是一项切实可行的技术。国外对颗粒饲料水分实时在线控制技术的研究较早，也在少数饲料厂得到了应用，但是由于其成本较高，在国内使用这项技术的饲料企业非常少。因此这项技术的市场潜力巨大，应用前景广阔。