溫度和水分對DDGS比熱和熱導(dǎo)率的影響

■彭 飛 張國棟 楊 潔 孔丹丹 岳 巖 王紅英

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研發(fā)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產(chǎn)物，具有蛋白質(zhì)、脂肪含量高，氨基酸、維生素和礦物質(zhì)豐富的營養(yǎng)特性，同時(shí)具有產(chǎn)量大、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，已成為一種非常規(guī)蛋白質(zhì)飼料原料，在飼料工業(yè)中應(yīng)用廣泛[1]。

在飼料生產(chǎn)中，需要對飼料原料進(jìn)行調(diào)質(zhì)、膨化，以及后續(xù)顆粒冷卻等諸多傳熱傳質(zhì)加工過程；其中調(diào)質(zhì)是熱蒸汽中的溫度和水分由原料顆粒表面向其內(nèi)部轉(zhuǎn)移的一個過程，是飼料加工中十分關(guān)鍵的工序。在調(diào)質(zhì)器內(nèi)高溫和水分兩因素的共同作用下，飼料原料淀粉熟化，蛋白質(zhì)變性，有害因子被破壞和滅活，粉狀顆粒軟化，成型能耗降低，制粒效果得到改善，調(diào)質(zhì)效果直接決定了產(chǎn)品質(zhì)量[2]。就顆粒飼料而言，原料調(diào)質(zhì)后的溫度一般要達(dá)到80～90℃，水分增加到16%～18%[3]。因此，掌握該過程中原料熱物理特性的數(shù)據(jù)和規(guī)律，可以保證熱量的高效供給，確定調(diào)質(zhì)器加工參數(shù)，控制物料的調(diào)質(zhì)溫度和時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到高效率、低能耗的生產(chǎn)效果。比熱和熱導(dǎo)率是物料熱物理特性中的兩個重要參數(shù)，是研究干燥、調(diào)質(zhì)、冷卻等傳熱過程中數(shù)學(xué)計(jì)算、計(jì)算機(jī)模擬和試驗(yàn)測定的基礎(chǔ)[4-5]。

國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)業(yè)物料比熱和熱導(dǎo)率等熱特性做了一定的研究[6-8]。王紅英等[9]通過DSC測定了不同前處理對飼用玉米比熱的影響，擬合了含水率、烘干溫度和粉碎粒度關(guān)于比熱的回歸方程；Sadeghi A[10]采用熱線法研究了不同含水率（11.8%～18.2%）、不同溫度（25～85℃）下顆粒飼料的熱導(dǎo)率，建立了顆粒飼料熱導(dǎo)率關(guān)于含水率和溫度的數(shù)學(xué)模型；趙學(xué)偉等[11]匯總了小麥面團(tuán)及其制品熱導(dǎo)率的測定結(jié)果，論述了溫度、水分含量及結(jié)構(gòu)特性對熱導(dǎo)率的影響；張來林等[12]采用熱線法研究了不同溫度和水分下小麥和稻谷熱導(dǎo)率的變化規(guī)律，并擬合了回歸方程；以上研究為DDGS比熱和熱導(dǎo)率的測定提供了研究方法和模型驗(yàn)證等理論基礎(chǔ)。國內(nèi)外有關(guān)DDGS的研究主要集中在營養(yǎng)特性、質(zhì)量評價(jià)及其對動物生長性能、生化指標(biāo)的影響等方面[13-14]，對其熱物理特性的研究鮮有報(bào)道；因此本試驗(yàn)通過對不同含水率、不同溫度的DDGS的比熱、熱導(dǎo)率進(jìn)行測定，分析其熱物理特性隨含水率和溫度的變化規(guī)律，研究對于其生產(chǎn)加工尤其是在干燥、調(diào)質(zhì)、冷卻等傳熱傳質(zhì)過程中的利用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的DDGS，取自遼源市巨峰生化科技有限責(zé)任公司。水分、粗蛋白、粗灰分、粗脂肪的測定分別基于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6435—2006、GB/T 6432—1994、GB/T 6438—2007、GB/T 6433—2006；中性洗滌纖維（NDF）采用GB/T 20806—2006，酸性洗滌纖維（ADF）參見張麗英（2007）方法[15]；基于以上營養(yǎng)測定方法，測得DDGS中水分為10.84%，粗蛋白為26.66%，粗脂肪為9.97%，粗灰分為4.98%，酸性纖維為7.38%和中性纖維為23.52%。取樣后放入自封袋中，在4℃的環(huán)境下進(jìn)行貯藏。相關(guān)研究表明，合理的原料粉碎粒度有利于動物吸收原料中的營養(yǎng)物質(zhì)，本文取過2.0 mm孔徑篩片粉碎后的DDGS為研究對象。

試驗(yàn)前，對DDGS進(jìn)行烘干和水分處理，5個含水率的調(diào)控方法具體為：由公式（1）計(jì)算調(diào)節(jié)到目標(biāo)水分應(yīng)添加蒸餾水的質(zhì)量，然后稱取蒸餾水并均勻噴灑到DDGS上，將賦水處理后的DDGS放置于密封袋中一晝夜期使水分均勻。

式中：Q——需要添加蒸餾水的質(zhì)量（g）；

wi——DDGS質(zhì)量（g）；

mi——DDGS含水量（%）；

mf——調(diào)節(jié)后DDGS含水量（%）。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

差示掃描量熱儀一臺（配有密封鋁制坩堝），DSC-60，日本島津公司；熱特性分析儀一套，KD2 Pro，美國Decagon公司；電子精密天平一臺，AL204，梅特勒-托利多儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱一臺，DHG-9240A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；小型粉碎機(jī)一臺，JFSD-100，上海嘉定糧油儀器有限公司；標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩一套，GB/T 6003.1—1997，河南新鄉(xiāng)市同心機(jī)械有限責(zé)任公司。

1.3 指標(biāo)測定方法

1.3.1 比熱的含義和測定方法

比熱是指單位質(zhì)量物質(zhì)溫度每升高（或降低）1℃所增加（或減少）的能量，其原理計(jì)算公式為：

式中：CP——比熱[J/（g·K）]；

Q——熱量（J）；

m——質(zhì)量（g）；

ΔT——溫差（℃）。

基于差示掃描量熱法，調(diào)控程序使得樣品和參比物溫度保持一致，通過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(guān)系，求得樣品比熱。具體方法是：將空白坩堝放入到DSC儀器的左右兩個樣品池中，同時(shí)加熱并控制兩者升溫速度一致，設(shè)定起始溫度為25℃，升溫速度為10℃/min，保持10 min，然后將儀器冷卻，得到第一條基線；換用一種比熱已知的標(biāo)準(zhǔn)樣品（藍(lán)寶石），以相同條件獲得第二條基線；將樣品池左側(cè)放入空坩堝，右側(cè)放入稱有5～10 mg試驗(yàn)樣品的坩堝，設(shè)置升溫速度為10℃/min（試驗(yàn)測定30～90℃下的比熱值，升溫速度太低會無意義地延長試驗(yàn)時(shí)間，升溫速度太高將會產(chǎn)生較大的測定溫度與實(shí)際溫度的滯后），重復(fù)上述步驟，得出該樣品的DSC曲線。

基于空白、標(biāo)準(zhǔn)樣品和試驗(yàn)樣品的DSC曲線，由式（3）計(jì)算樣品的比熱：

式中：CP、Cp.std——分別為試驗(yàn)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品在溫度

T時(shí)的比熱[J/（g·K）]；

ms、mstd——分別為試驗(yàn)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的質(zhì)量（mg）；

DSCs——試驗(yàn)樣品曲線在溫度T時(shí)的DSC信號值（mW）；

DSCstd——標(biāo)準(zhǔn)樣品曲線在溫度T時(shí)的DSC信號值（mW）；

DSCb1——基線在溫度T時(shí)的DSC信號值（mW）。

1.3.2 熱導(dǎo)率的含義和測定方法

熱導(dǎo)率是材料傳遞能量的能力，單位為W/（m·K）?；谒矔r(shí)線性熱源法，熱特性分析儀KD2 Pro通過監(jiān)測樣品在特定電壓下線性探針的熱消散和溫度，計(jì)算樣品的熱特性，經(jīng)一段時(shí)間后，溫度T和時(shí)間的對數(shù)lnt出現(xiàn)線性關(guān)系。根據(jù)此直線的斜率可以求出材料的熱導(dǎo)率k，如式（4）所示。儀器由控制器和探針兩部分構(gòu)成，其探針（長30 mm、直徑1.28 mm、間距6 mm）具有發(fā)熱和監(jiān)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(huán)境溫度之差（℃）；

ΔT0——開始時(shí)刻樣品溫度與環(huán)境溫度之差（℃）；

t0——系統(tǒng)穩(wěn)定后的時(shí)間（s）。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理

所有數(shù)據(jù)用Excel軟件進(jìn)行初步整理后，然后采用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS2.0進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含水率和溫度對DDGS比熱的影響

由差示掃描量熱儀DSC分別測得5種濕基含水率、5種溫度下DDGS的比熱值，為減少試驗(yàn)誤差，每個試驗(yàn)重復(fù)3次，求出比熱的平均值，如表1所示。

表1 溫度和水分對DDGS比熱值的影響

表2 DDGS比熱方差分析

由表1分析可知，當(dāng)含水率為4.22%～20.43%，溫度為30～90℃時(shí)，DDGS比熱變化范圍為2.63～5.16 J/（g·K）。由表2分析可知，含水率F=28.56，P＜0.01，差異極顯著；溫度的F=66.81，P＜0.01，差異極顯著。檢驗(yàn)結(jié)果表明，含水率和溫度對DDGS的比熱值都有極顯著性影響。含水率一定時(shí)，溫度越高，DDGS比熱越大；溫度一定時(shí)，DDGS含水率越高，其比熱值也越大，這是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)物料的比熱主要取決于組成成分和含量，水的比熱值最大，常溫下約為4.2 J/（g·K），是其它干物質(zhì)組分的2～3倍，水分含量越高，實(shí)際配方中所用的DDGS的比熱越高。

通過SPSS進(jìn)行回歸分析，建立DDGS含水率、溫度與比熱值之間的關(guān)聯(lián)方程，如式（5）所示。方差分析顯示，回歸方程的擬合度較高，可以用來預(yù)測在不同含水率和溫度下DDGS的比熱值。

2.2 含水率和溫度對DDGS熱導(dǎo)率的影響

基于KD2 Pro熱特性分析儀，分別測得5種含水率、5種溫度下DDGS的熱導(dǎo)率值，重復(fù)3次試驗(yàn)后得到DDGS熱導(dǎo)率的平均值，如表3所示。

由表3分析可知，當(dāng)含水率為4.22%～20.43%，溫度為30～90℃時(shí)，DDGS熱導(dǎo)率變化范圍為0.059～0.113 W/（m·K）。由表 4 分析可知，濕基含水率 F=29.54，P＜0.01，差異極顯著；溫度的F=18.63，P＜0.01，差異極顯著。檢驗(yàn)結(jié)果表明，濕基含水率和溫度對DDGS的熱導(dǎo)率值都有極顯著性影響。含水率一定時(shí)，溫度越高，DDGS熱導(dǎo)率越大；溫度一定時(shí)，DDGS含水率越高，其熱導(dǎo)率也越大。這一現(xiàn)象與大量農(nóng)產(chǎn)品熱導(dǎo)率隨含水率和溫度變化的規(guī)律相似，這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，分子熱運(yùn)動增強(qiáng)，DDGS空隙中空氣的導(dǎo)熱和孔隙壁間的輻射作用也隨之加強(qiáng)，因此熱導(dǎo)率升高；當(dāng)含水率升高時(shí)，DDGS分子空隙中水分增加，其空隙中蒸汽的擴(kuò)散和水分子的運(yùn)動起主要傳熱作用，由于水的熱導(dǎo)系數(shù)比空氣熱導(dǎo)系數(shù)大20倍左右，故熱導(dǎo)率隨含水率升高而增大。

表3 溫度和水分對DDGS熱導(dǎo)率的影響

表4 DDGS熱導(dǎo)率方差分析

通過SPSS進(jìn)行回歸分析，建立DDGS含水率、溫度與熱導(dǎo)率值之間的關(guān)聯(lián)方程，如式（6）所示。經(jīng)方差分析，該回歸方程擬合度較高，可以用來預(yù)測在不同濕基含水率、不同溫度下DDGS的熱導(dǎo)率值。

3 結(jié)論

試驗(yàn)測定了不同濕基含水率（分別為4.22%、7.83%、12.15%、16.37%、20.43%）和不同溫度（分別為30、45、60、75、90 ℃）條件下DDGS的比熱和熱導(dǎo)率等熱物理特性參數(shù)，分析了該熱物理參數(shù)隨含水率和溫度的變化規(guī)律，擬合了回歸方程，并對本質(zhì)原因進(jìn)行了探討，主要結(jié)論如下：

①在5種濕基含水率、5種溫度梯度下，DDGS的比熱值變化范圍為2.63～5.16 J/（g·K）。經(jīng)SPSS顯著性分析可知，濕基含水率、溫度均對DDGS的比熱值有極顯著性影響。含水率相同時(shí)，溫度越高，DDGS比熱值越大；同一溫度條件下，濕基含水率越高，其比熱值也就越大。

②在上述條件下，DDGS的熱導(dǎo)率變化范圍在0.059～0.113 W/（m·K）之間。經(jīng)顯著性分析可知，濕基含水率、溫度均對DDGS的熱導(dǎo)率有極顯著性影響。含水率相同時(shí)，溫度越高，DDGS熱導(dǎo)率越大；同一溫度條件下，含水率越高，其熱導(dǎo)率也就越大。

4 討論和展望

鑒于玉米品種各異、加工工藝不同，進(jìn)而加工生產(chǎn)的DDGS在色澤、營養(yǎng)組分、物理性狀上會有一定的差別，因此不同DDGS的比熱和熱導(dǎo)率值會有差異，故本試驗(yàn)結(jié)論有一定的局限性。本課題組正在對不同品種玉米經(jīng)過不同加工工藝得到的各類DDGS的熱特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，進(jìn)而建立完整的DDGS熱物理特性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

另外，今后可以嘗試對其它種類飼料單一原料及典型配方混料的比熱、熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)等熱物理特性進(jìn)行研究，為精確計(jì)算、測定和模擬飼料加工環(huán)節(jié)特別是調(diào)質(zhì)、干燥、冷卻等熱傳遞過程提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)而達(dá)到高效節(jié)能的生產(chǎn)效果，研究對飼料行業(yè)具有重要的指導(dǎo)作用。