旋转式多比例分样方法对作物籽粒分样效果的研究

杨富淇 谢美西 薛鸣星 高中斗 谢光辉*

(1.中国农业大学 农学院，北京 100193；2.霍克光仪北京科技有限公司，北京 100012；3.国家能源非粮生物质原料研发中心，北京 100193)

作物籽粒样品的物理和化学性质分析是作物种子试验、生产加工企业以及质量检测领域的重要内容，分样是样品前处理不可或缺的环节，分样的代表性关系着检测结果的准确性[1]。手工四分法和分样器是常见的分样方法。手工四分法以人工操作为主，分样速度较慢，适合于研究性实验室处理较少份数的样品。手工四分法是被广泛接受的分样方法，既在实验指导中应用于土壤[1-5]、种子[6]和作物[7]的相关检测，也纳入了相关农业标准[8-9]。当样品份数较大，尤其在粮食和种子检验时，对样品的分样往往用分样器操作。从早期的琼斯分样器，发展到现在的钟鼎式[12]、离心式[13]和横格式[14]分样器等，分样器的种类越来越多。但这些分样器都存在缺陷, 首先，每次分样操作只能获得1种缩分比例的子样，若需要获得更小缩分比例的子样，则需进行多次分样操作；其次，分样时样品经过较多的封闭管路，容易残留颗粒度较小的样品，不易清理，容易导致样品混杂。针对以上问题，北京慧明雨实验科技有限公司研发了实用新型专利产品旋转扇盒分样器(专利号：ZL202020336759.8)[10]。该设备应用若干个扇盒，一次分样最多可获得10份子样，缩分比例包括1/2、1/4、1/8和1/16可任意选择。该装置分样完毕后可进行内部清扫，操作方便快捷。有关旋转式多比例分样方法的可行性研究尚未见报道。本研究以4种作物籽粒为样品材料，以手工四分法为对照，分析旋转扇盒分样器分样的代表性和缩分比误差，旨在验证旋转式多比例分样方法的可行性，以期为固体样品的分样技术研发与应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试的旋转扇盒分样器样机由专利研发单位(北京慧明雨实验科技有限公司)提供。该设备主要由底座、旋转部件、支架、分样扇盒、外罩、导样圆锥体和进样漏斗等部件组成，见图1。分样时，样品从进样漏斗进入后，下落在导样圆锥体顶点及其周围，沿着导样圆锥体的侧面继续分散下落进入旋转的上层扇盒和下层扇盒中。这些扇盒是按圆周比例制作的，将相同比例的扇盒摆放在圆心对称的位置上，应用的上层扇盒比例为1/8、1/16和1/32共3种，以及2个半圆形的下层扇盒，样品从上层未安装扇盒的位置落入下层扇盒中。在使用旋转扇盒分样器时，打开电源后调节指定的转速，然后将样品从入料口倒入分样器内，待样品下落完毕后，从扇盒中取出样品获得不同缩分比的子样。

1.底座;2.支架;3.外罩;4.导样圆锥体;5.进样漏斗;6.旋转轴;7.上层扇盒;8.下层扇盒;9.旋转托盘1.Base; 2.Support frame; 3.Outer cover; 4.Guide cone for sampling; 5.Sampling funnel; 6.Rotating axle; 7.Upper fan-shaped boxes; 8.Lower fan-shaped boxes; 9.Rotating plate

为检验分样效果，选择4种作物籽粒，分别为谷子(平均直径1.5 mm)、绿豆(平均直径3.7 mm)、大豆(平均直径6.0 mm)和玉米(平均长度12.6 mm、宽度9.4 mm)。这4种作物籽粒粒径和形状差异较大，几乎包括了粮食作物籽粒的最小至最大粒径，以便检验分样效果。称取这些作物籽粒各150 g混合后作为需要分样的样品。分样后，选择筛孔为2.8、6.0和10.0目的筛子，将每个子样中的这4种作物籽粒分离出来。

1.2 试验设计

用旋转扇盒分样器进行分样操作时，将转速分别设置为0、7.5、15.0、22.5和30.0 r/min(样机最大转速)。同时，根据本实验室的操作经验，在每个转速下将进样时间分别设为60、90和120 s。分样后，将扇盒中的样品取出即获得缩分比为1/2、1/4、1/8和1/16的子样。根据扇盒组合不同共有3种方式获得子样。一是单盒，指由1个扇盒获得1份子样；二是双盒，由相对的2个同比例扇盒获得1份子样(例如，2个1/32扇盒中的样品组成1份缩分比为1/16的子样)；三是四盒，由十字型相对的4个同比例扇盒获得1份子样(例如，4个1/32扇盒中的样品组成1份缩分比为1/8的子样)。同时，以手工四分法[1](即锥堆四分法)也分出缩分比为1/2、1/4、1/8和1/16的子样作为对照(CK)。每个处理和对照均设5次重复，属于完全随机试验设计。每次分样后将子样中的4种作物籽粒分离出来，记录4种籽粒的质量。

需要说明的是，该专利产品的旋转系统包括导样圆锥体旋转系统和扇盒旋转系统，本研究的转速处理指扇盒旋转系统，其作用是使分样更均匀，而导样圆锥体旋转系统则用于对分样器内部进行清扫处理。

1.3 统计分析

子样的代表性由分样误差表示。分样误差是子样与被分样品组成的差异，分样误差是子样中某种籽粒组分含量与被分样品同一籽粒组分含量的相对误差绝对值。本研究应用行业标准《粮油机械检验用分样器LS/T 3545—2017》[18]的计算原理，将每份子样的4种籽粒的分样误差相加得到该子样的分样误差和(R)。

(1)

式中：R，分样误差和；CD，子样中某一籽粒组分含量；Cb，被分样品某一籽粒组分含量；i=1为谷子，i=2为绿豆，i=3为大豆，i=4为玉米。

缩分比误差是子样实际缩分比与标称缩分比差的绝对值，表示分样获得子样缩分比的准确性。

(2)

式中：r，缩分比误差；1/Ds，子样实际缩分比；1/Db，子样标称缩分比。

利用SPSS软件按完全随机试验设计进行方差分析,方差分析在P<0.05水平上差异显著性为显著，在P<0.01水平上差异显著性为极显著。对于有显著和极显著差异的数据，以最小显著差数法(LSD)作多重比较。

2 结果与分析

2.1 转速对不同缩分比的分样代表性的影响

由图2可知，进样时间90 s，转速为0～30.0 r/min时，除1/16缩分比的转速0 r/min单盒外，旋转式多比例分样方法的1/2、1/4、1/8和1/16共4个缩分比子样的分样误差和范围为10.88%～56.26%，这4个缩分比的“四分法”对照子样的分样误差和范围在25.28%～60.18%。旋转式多比例分样方法的分样误差和都小于相应缩分比的“四分法”对照。而且，1/8和1/16单盒子样的分样误差和会随着转速的升高而下降，转速30.0 r/min的分样误差和最低。相比之下，1/2和1/4子样没有表现出这样的趋势，是因为在不旋转或同一转速下子样占所分样品比例越大则代表性越好。但总体来看，转速对这4个缩分比子样的分样误差和没有显著影响。

由表1可知，不同转速处理及对照的1/2和1/8缩分比子样的分样误差和之间的差异达到显著水平，1/4和1/16子样的差异不显著。多重比较分析显示，5个不同转速的1/2缩分比子样的分样误差和均显著小于“四分法”(CK)，见图2；对于1/8缩分比的子样，除单盒转速0 r/min与CK不存在显著差异外，其他子样的分样误差和都显著小于CK。此外，在转速为0～30.0 r/min，大多数处理组中有转速比无转速能使旋转式多比例分样方法的代表性有所提高，但差异均不显著，其中30.0 r/min的结果最为稳定且分样误差和的值最低。因此，对于5个转速处理，旋转式多比例分样方法的1/2、1/4、1/8和1/16子样的代表性都不低于四分法(CK)。在不同转速下，不同扇盒数对1/4、1/8和1/16子样的分样误差和影响趋势一致，见图2。

不同小写字母表示在0.05水平上有显著差异。下同。The different small letters indicate significant differences at 0.05 level. The same below.

表1 旋转式多比例分样方法的转速和进样时间对分样误差和、缩分比误差的影响及对照的方差分析Table 1 Variance analysis for effects of rotating speed (RS) and sampling time (ST) on sum of sample separation error (SSSE) and separation ratio error (SRE) of sub-samples with different separation ratio (SR) from rotating multi-proportion sample division method and its control

缩分比SR变异来源Sourceofvariation自由度df转速影响 Influence of RS分样误差和均方(进样时间:90 s)SSSE mean square(ST: 90 s)缩分比误差均方(进样时间120 s)SRE mean square(ST: 120 s)自由度df进样时间影响 Influence of ST分样误差和均方(转速30 r/min)SSSE mean square(RS: 30 r/min)缩分比误差均方(转速30 r/min)SRE mean square(RS: 30 r/min)1/2处理间50.015*0.000 06930.031**0.000 173误差间240.0040.000 042160.0050.000 0851/4处理间150.0100.000 07690.0120.000 053误差间640.0070.000 061400.0060.000 058

表1(续)

2.2 转速对缩分比误差的影响

根据进样时间120 s试验结果，应用旋转式多比例分样方法不同转速处理的1/8和1/16子样的缩分比误差都达到显著水平，1/2和1/4子样的缩分比误差的差异不显著，见表1。旋转式多比例分样方法的1/2和1/4子样由双盒或四盒组成，其缩分比误差为0.29%～2.32%，对照为0.71%～1.57%，见图3。多重比较分析结果表明，对于1/8子样，除转速0 r/min的四盒子样缩分比误差显著高于对照外，其他处理与对照均无显著差异；对于1/16子样，除转速0和30 r/min的单盒子样缩分比误差显著高于对照外，其他处理的缩分比误差与对照均无显著差异。总的来看，不论多少个扇盒数，转速0 r/min的多数缩分比子样误差比其他转速的高。转速7.5、15.0、22.5和30.0 r/min对各子样缩分比误差没有显著影响。

不同扇盒数对1/4、1/8和1/16子样缩分比误差的影响不同。对于1/8和1/16子样，除1/8四盒子样例外，相同转速处理单盒子样的缩分比误差高于双盒，差异不显著。但四盒与双盒相比，1/4四盒子样的缩分比误差低于双盒，1/8四盒子样的缩分比误差高于双盒，差异均不显著。可见四盒或双盒对缩分比误差的影响有一定的随机性。

2.3 进样时间对不同缩分比的分样代表性的影响

由图4可知，旋转分样器转速为30 r/min，进样时间60、90和120 s处理的1/2、1/4、1/8和1/16子样的分样误差和(7.7%～36.49%)均小于CK(25.28%～60.18%)，其中1/2和1/8子样的分样误差和分别达到极显著和显著差异，1/4和1/16均不存在显著差异，见表1。多重比较结果显示，3个进样时间处理的1/2子样的分样误差和都极显著小于对照，但3个进样时间的分样误差和之间均无显著差异。3个进样时间处理的1/8缩分比单盒、双盒和四盒子样的分样误差和都显著小于对照，但单盒、双盒和四盒子样之间以及3个进样时间处理间的分样误差和均无显著差异，见图4。因此，旋转式多比例分样方法分样的代表性不低于人工四分法(CK)，进样时间对分样的代表性没有显著影响。

图4 不同进样时间下1/2(a)、1/4(b)、1/8(c)和1/16(d)缩分比子样及对照的分样误差和(转速:30.0 r/min)Fig.4 Sum of sample separation errors for 1/2(a)， 1/4(b)， 1/8(c) and 1/16(d) separation sub-samples under different sampling times and the control (rotating speed: 30.0 r/min)

在不同进样时间内，不同扇盒数对1/4、1/8和1/16子样的分样误差和的影响较小，随着组成子样的扇盒数增多，子样的分样误差和有下降的趋势，但这种趋势不明显。

2.4 进样时间对缩分比误差的影响

应用旋转式多比例分样方法在转速30.0 r/min分样时，3个进样时间的1/2、1/4和1/16子样的缩分比误差与对照相比均未达到显著水平，只有1/8缩分比子样的缩分比误差与对照间存在显著差异，见表1。根据多重比较，1/8缩分比子样的各处理与对照的缩分比误差均无显著差异，见图5。因此，旋转式多比例分样方法与人工四分法分样的缩分比误差不存在显著差异，进样时间对缩分比误差没有显著影响。

图5 不同进样时间下1/2(a)、1/4(b)、1/8(c)和1/16(d)缩分比子样及对照的缩分比误差(转速:30 r/min)Fig.5 Separation ratio error for 1/2(a), 1/4(b), 1/8(c) and 1/16(d) separation sub-samples under different sampling times and the control (rotating speed: 30 r/min)

同时，不同进样时间处理的子样都显示单盒比双盒和四盒的缩分比误差有升高的趋势，但是双盒和四盒之间的差异很小，且都接近对照的缩分比误差。双盒、四盒子样的缩分比误差与对照间的差异未达到显著水平。

3 讨 论

目前，旋转式多比例分样方法尽管已获得专利[10]授权，但是该方法的原理完全不同于当前试验中应用的各种分样器的方法，包括琼斯分样器[11]以及钟鼎式[12]、离心式[13]和横格式[14]分样器等分样方法。本研究应用了国家粮食行业标准《粮油机械 检验用分样器(LS/T 3545—2017)》[8]中规定的检验指标检测了旋转式多比例分样方法的分样误差和与缩分比误差。由于旋转式多比例分样方法及其分样器不但可用于粮食检验，还能用于其他固体样品的分样，因此本研究以四分法作为对照，应用了粒径差异较大的4种混合籽粒作为需要分样的样品，首次提出并应用了分样误差和这一指标，即通过检验子样中4种不同粒径材料的分样误差之和确定代表性。本研究结果表明，应用旋转式多比例分样方法在不同转速处理下，进样时间60、90和120 s对子样的分样误差和及缩分比误差均没有显著影响。在转速为0～30.0 r/min，随着转速提高，分样误差和有降低趋势，但未达到显著水平，单盒子样的效果尤为明显。5个转速处理子样的分样误差和都低于或不高于四分法。本试验研究中的最大转速为30.0 r/min，也是所提供专利样机的最大转速。根据该分样器设计原则，未设计更快转速是为避免小颗粒成分成为扬尘而改变样品的组分，从而降低分样的代表性。分析不同的进样时间对分样效果的影响，是为了确定该专利方法最快又不降低分样代表性的时间，既然60、90、120 s三个时间对结果没有显著影响，说明应用60 s进样是可行的。本研究设置的对照是实验室普遍适用的四分法。当本研究处理结果和对照没有显著差异时，即旋转式多比例分样方法可以代替手工四分法。但是，转速对缩分比误差的影响较大，总的来看，转速为0 r/min的多数子样比其他转速的缩分比误差较高，可见转速有降低缩分比误差的效果，而当转速为7.5、15.0、22.5和30.0 r/min时，双盒或四盒组成子样的分样误差和不高于四分法。这是因为以一定速度旋转能够促进样品更为均匀地分散落入分样的扇盒中。

各个进样时间处理的子样都显示，相同转速处理的单盒比双盒和四盒的缩分比误差有升高的趋势，但是双盒和四盒之间的差异很小，都接近对照的缩分比误差，且差异未达到显著水平。这个结果符合四分法分样原理[1,6-7]，应用四分法分样时需要将样品混匀堆成圆锥体，用十字形架分成四等份，取相对的两份形成子样。旋转式多比例分样方法通过旋转将样品均匀分散到不同的扇盒中，取相对两个扇盒或十字相对四个扇盒形成子样，这显然和四分法的对称取样原理相同。

4 结 论

应用旋转式多比例分样方法在不同转速处理下，进样时间60～120 s对1/2、1/4、1/8和1/16子样的分样误差和均没有显著影响。旋转式多比例分样方法的5个转速处理形成子样的分样误差和都不高于四分法(CK)。但是，除0 r/min处理1/8四盒和1/16单盒及30 r/min处理的1/16单盒子样的缩分比误差显著高于CK外，旋转处理(转速≥7.5 r/min)的单盒、双盒或四盒组成子样的缩分比误差与CK不存在显著差异。因此，旋转式多比例分样方法是可行的，建议应用时设置转速≥7.5 r/min，取相对两个扇盒或十字相对四个扇盒形成子样。