動(dòng)態(tài)圖像顆粒分析法在豆粕粉碎粒度及粒度分布測(cè)定中的應(yīng)用

■張燕鳴楊秀娟曹志勇高映紅白迪文曹勝雄呂朝金賀德永陶琳麗

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院云南省動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南昆明650201；3.昆明云嶺廣大種禽飼料有限公司，云南昆明650000；4.云南省普洱市墨江縣龍?zhí)多l(xiāng)畜牧獸醫(yī)工作站，云南墨江664811）

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動(dòng)態(tài)圖像顆粒分析法在豆粕粉碎粒度及粒度分布測(cè)定中的應(yīng)用

■張燕鳴1楊秀娟1曹志勇2高映紅3白迪文4曹勝雄1呂朝金1賀德永1陶琳麗1

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院云南省動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650201；
2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南昆明650201；3.昆明云嶺廣大種禽飼料有限公司，云南昆明650000；4.云南省普洱市墨江縣龍?zhí)多l(xiāng)畜牧獸醫(yī)工作站，云南墨江664811）

摘要：文章將動(dòng)態(tài)圖像法引入到豆粕粉碎粒度的評(píng)價(jià)中，旨在為飼料粉碎粒度的研究提供了一種新的評(píng)價(jià)方法。用SFSP56×40錘片粉碎機(jī)，在4.50、6.00 mm和8.00 mm 3種篩片規(guī)格條件下，粉碎水分含量為12%的豆粕，應(yīng)用BT-2900干法圖像粒度粒形分析系統(tǒng)測(cè)定其粒度大小、粒度分布和顆粒形態(tài)。結(jié)果表明，通過(guò)這3種篩孔直徑粉碎的豆粕最大粒徑分別為2 875、3 432、3 652 μm，與篩片孔徑4 500、6 000 μm和8 000 μm偏差分別為1 625、2 568 μm和4 348 μm，且3種豆粕粒度基本都在3 000 μm以?xún)?nèi)，分別占100%、99.57%和99.54%，重量幾何平均直徑分別為668.00、676.86 μm和689.78 μm。3種篩孔條件下的豆粕顆粒形態(tài)基本一致。綜上所述，3種孔徑篩片獲得的豆粕粉碎粒度相近，應(yīng)用動(dòng)態(tài)圖像法測(cè)定豆粕粒度及粒度分布，操作簡(jiǎn)便、快速、結(jié)果準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)圖像法；飼料粒度；粒度分布；豆粕

豆粕是畜禽飼料中重要的蛋白質(zhì)來(lái)源，在飼料配方中占有重要比例，是飼料中需要粉碎的原料之一。粉碎是飼料加工過(guò)程中的一個(gè)重要工段，一般情況下飼料配方中需要粉碎的原料占配方比例的50%～80%，粉碎工序的電耗占飼料廠生產(chǎn)車(chē)間總電耗的30%～70%[1]。有研究表明：錘片式粉碎機(jī)篩片篩孔直徑由4.76 mm增加到7.94 mm時(shí)，粉碎機(jī)能耗降低了35%[2]，隨篩孔直徑的增大，錘片粉碎機(jī)的生產(chǎn)效率也會(huì)提高[3-5]。對(duì)原料進(jìn)行粉碎處理，不僅能增大飼料暴露的表面積，使畜禽易于消化和吸收，還可以提高畜禽對(duì)飼料營(yíng)養(yǎng)的利用率，促進(jìn)其生長(zhǎng)以及降低消化道疾病[6]。對(duì)飼料粒度大小進(jìn)行控制，不僅可以提高畜禽生產(chǎn)性能，還可以降低飼料加工成本，所以飼料粒度的測(cè)定至關(guān)重要。

粒度是指顆粒的大小，可用幾何平均粒徑來(lái)表示，其均勻度用“篩上物不得大于”來(lái)表示[7]。一般情況下除微量成分要求顆粒很小，需要采用顯微鏡方法測(cè)定其粒度外，飼料多用篩分法測(cè)定粒度[8]。目前我國(guó)采用的飼料產(chǎn)品粒度測(cè)定和表示方法有三層篩法，4層篩法，8層篩法和15層篩法4種方法[9]。然而，篩分法在測(cè)定和計(jì)算過(guò)程中都較為繁瑣，且消耗的時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)定結(jié)果精確程度低，不利于飼料產(chǎn)品的日常檢驗(yàn)。圖像法是以像素分析為基礎(chǔ)，借用圖像處理和分析軟件進(jìn)行大量圖像的定量分析[10]。

BT-2900干法圖像粒度粒形分析系統(tǒng)主要適用于粗的、粒狀材料的粒度粒形分析領(lǐng)域。它采用電磁振動(dòng)加料系統(tǒng)，高亮度LED陣列光源，進(jìn)口高速CCD，小相差遠(yuǎn)心鏡頭等先進(jìn)硬件技術(shù)，在顆粒自由下落過(guò)程中隨機(jī)拍攝通過(guò)鏡頭的顆粒圖像，在拍攝圖像的同時(shí)電腦軟件對(duì)顆粒進(jìn)行快速識(shí)別和處理，在屏幕上實(shí)時(shí)顯示每個(gè)顆粒的圖像和粒度、粒形數(shù)據(jù)。分析結(jié)果包括反映顆粒形貌的圓形度和凹凸度，反映顆粒大小的粒度分布、典型值、最大顆粒值、特定區(qū)間含量、小于或大于某一粒徑含量等。其測(cè)量范圍在0.03～10 mm之間，應(yīng)用領(lǐng)域包括所有需要進(jìn)行顆粒和粒形分析的材料，如鹽、糖、塑料制品、催化劑、研磨劑、碳制品、沙、煤炭、咖啡、耐火材料、食品、聚苯乙烯、玻璃、陶瓷、肥料、藥物、礦石等。具有成像清晰、分析速度快、操作簡(jiǎn)單、結(jié)果準(zhǔn)確可靠等特點(diǎn)，為粒狀粉體材料的研究、質(zhì)量控制和應(yīng)用提供了一種快速科學(xué)的分析手段。目前我國(guó)該法普遍用于化學(xué)工業(yè)中，在飼料工業(yè)中尚未應(yīng)用。本文主要通過(guò)動(dòng)態(tài)圖像顆粒分析系統(tǒng)對(duì)通過(guò)3種篩孔直徑的粉碎豆粕進(jìn)行粒度及粒度分布的測(cè)定及分析研究，為飼料粉碎工藝的研究提供了一種新的評(píng)價(jià)方法。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)儀器及原料

BT-2900動(dòng)態(tài)圖像顆粒分析系統(tǒng)（丹東百特儀器有限公司），錘片粉碎機(jī)(正昌SFSP56×40，錘片數(shù)16)；

將含水量為12%的豆粕分別通過(guò)4.50、6.00 mm 和8.00 mm 3種篩片規(guī)格的錘片粉碎機(jī)粉碎，制成3種不同粉碎粒度的豆粕。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1系統(tǒng)標(biāo)定

在第一次使用時(shí)，系統(tǒng)要先進(jìn)行標(biāo)定，用顯微鏡專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)刻度尺直接標(biāo)定每個(gè)像素的尺寸，再根據(jù)每個(gè)顆粒圖像面積所占的像素多少來(lái)計(jì)算顆粒的大小。以mm為單位。

1.2.2取樣及測(cè)定

為保證所測(cè)樣品具有充分的代表性，采用四分法取樣，一個(gè)樣品取3次，將取好的樣品分別放在燒杯中。樣品量滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)置拍攝150 000張顆粒圖片的要求。設(shè)置參數(shù)及輸入樣品信息，向儲(chǔ)料斗中加入取好的樣品，調(diào)整好儲(chǔ)料斗與布料槽之間的距離，啟動(dòng)振動(dòng)加料器，開(kāi)始測(cè)定。顆粒將沿著布料槽流動(dòng)，在槽口處下落，經(jīng)過(guò)鏡頭時(shí)CCD將快速拍攝顆粒圖像，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)通過(guò)的顆粒數(shù)量和每個(gè)顆粒所包含的像素?cái)?shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出每個(gè)顆粒圖像的投影面積，然后計(jì)算出與實(shí)際顆粒面積相等的圓面積和球體積，再計(jì)算出顆粒的等效面積直徑和等效球體積直徑，且對(duì)所有顆粒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后得到粒度分布、長(zhǎng)徑比分布等信息，并保存計(jì)算結(jié)果。

1.3數(shù)據(jù)處理

最大粒徑取3次測(cè)量結(jié)果最大的值，豆粕顆粒平均粒徑取3次結(jié)果平均值，粒度及粒度分布圖、粒度形態(tài)圖、顆粒圖像由系統(tǒng)直接給出。

根據(jù)國(guó)標(biāo)《飼料粉碎機(jī)試驗(yàn)方法》（GB6971-86)計(jì)算重量幾何平均直徑dgw。

式中：di——第i層篩孔尺寸（μm）；

2結(jié)果與分析

2.1 3種篩孔粉碎條件下的豆粕粒度分析

表1通過(guò)不同篩孔直徑的3種豆粕的最大粒徑及重量幾何平均直徑

由表1和圖1可知：采用4.50、6.00 mm和8.00 mm 3種篩片粉碎的豆粕最大粒徑分別為2 875、3 432、3 652 μm，與篩孔直徑偏差較大，偏差分別為1 652、2 568 μm和4 348 μm，通過(guò)3種篩孔直徑的豆粕顆粒絕大部分都在3 000 μm以?xún)?nèi)，分別占100%、99.57% 和99.54%，重量幾何平均直徑分別為668.00、676.86、689.78 μm。通過(guò)3種篩孔直徑的豆粕粒度90%是一樣的，這與錘片粉碎機(jī)的粉碎特性有很大關(guān)系，原因之一是豆粕在轉(zhuǎn)子上方受到錘片的第一次打擊時(shí)，在初始破碎區(qū)，豆粕與錘片端部速度差異極大，豆粕流大部分被粉碎或碎裂所造成；原因之二是粉碎室中環(huán)流層現(xiàn)象導(dǎo)致豆粕存在過(guò)度粉碎，其次豆粕的物理特性也導(dǎo)致其易被過(guò)度粉碎。

圖1 3種不同篩孔直徑粉碎的豆粕粒度及粒度分布

2.2 3種篩孔粉碎條件下的豆粕粒度及粒度分布分析

由圖2可知：用4.50 mm篩片粉碎的豆粕其粒度及粒度分布曲線服從正態(tài)分布，從圖中可以看出豆粕粒度分布跨度不大，概率分布密度曲線較“瘦”，豆粕粒度的大小越集中在平均粒度大小的附近；其中大部分豆粕顆粒分布在400～2000 μm之間占80.52%，只有19.48%的豆粕顆粒分布在小于100 μm和大于2 000 μm的范圍內(nèi)；豆粕顆粒在800～900 μm區(qū)間范圍內(nèi)分布的最多，占8.74%，其余各區(qū)間之間占的比例都小于8.74%。

圖2通過(guò)4.50 mm篩孔的豆粕粒度及粒度分布

由圖3可知：用6.00 mm篩片粉碎的豆粕其粒度及粒度分布曲線服從正態(tài)分布，從圖中可以看出大部分豆粕顆粒分布在400～2 000 μm之間占80.81%，只有19.19%的豆粕顆粒分布在小于400 μm和大于2 000 μm的范圍內(nèi)；豆粕顆粒在700～800 μm區(qū)間范圍內(nèi)分布的最多，占7.92%，800～900 μm區(qū)間范圍的次之，占7.81%，其余各區(qū)間之間占的比例都小于7.81%。

由圖4可知：用8.00 mm篩片粉碎的豆粕其粒度及粒度分布曲線服從正態(tài)分布，從圖中可以看出大部分豆粕顆粒分布在400～2 000 μm之間占75.39%，只有24.61%的豆粕顆粒分布在小于400 μm和大于2 000 μm的范圍內(nèi)；豆粕顆粒在700～800 μm區(qū)間范圍內(nèi)分布的最多，占7.35%，800～900 μm區(qū)間范圍的次之，占7.07%，其余各區(qū)間之間占的比例都小于7.07%。

圖3通過(guò)6.00 mm篩孔的豆粕粒度及粒度分布

圖4通過(guò)8.00 mm篩孔的豆粕粒度及粒度分布

由圖2、圖3和圖4可知：用4.50、6.00 mm和8.00 mm篩片粉碎的豆粕絕大部分粒度都在400～2 000 μm之間分別占80.52%、80.81%和75.39%，＞3 000 μm的豆粕顆粒分別占0%、0.43%和0.46%.隨著篩孔直徑的增大，大顆粒的豆粕會(huì)隨之增加，但所占比例較少。

2.3 3種篩孔粉碎條件下豆粕粒度的形態(tài)分析

由圖5所示4.50 mm篩孔直徑下粉碎的單個(gè)顆粒的玉米碎片，呈現(xiàn)為不規(guī)則形狀。

圖6、圖7和圖8可以看出，通過(guò)3種篩孔的豆粕，在300～600 μm的區(qū)間范圍內(nèi)豆粕顆粒的形態(tài)差異很大，顆粒長(zhǎng)徑比分布在1～10之間，其次是分布在100～300 μm區(qū)間的豆粕顆粒，長(zhǎng)徑比大于6的顆粒要比300～600 μm區(qū)間范圍內(nèi)的少，大于2 000 μm的豆粕顆粒形態(tài)相近。從圖中還可看出錘片粉碎機(jī)粉碎出的豆粕無(wú)論分布在哪個(gè)區(qū)間絕大多數(shù)的顆粒形狀基本保持一致。使用同一臺(tái)粉碎機(jī)粉碎出來(lái)的不同篩孔直徑的豆粕粒度形態(tài)基本相似，只是隨著篩片的不同，所占比例略有不同。

3　討論

利用動(dòng)態(tài)圖像系統(tǒng)法測(cè)定豆粕粉碎粒度及粒度分布克服了顯微鏡圖像法測(cè)定粒度及粒度分布時(shí)由于圖片少使結(jié)果不具有代表性的不足，動(dòng)態(tài)圖像系統(tǒng)可以一次分析處理上百萬(wàn)張顆粒圖片。Dez等指出圖像法測(cè)量粒度分布必須對(duì)數(shù)百?gòu)垐D片分析得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果才具有代表性[11]。Faris也認(rèn)為圖像法測(cè)定粒度時(shí)要得到共約600個(gè)顆粒圖像才可獲得正確粒度統(tǒng)計(jì)結(jié)果[12]。在傳統(tǒng)的篩分法測(cè)定粒度過(guò)程中，由于待測(cè)物在長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)過(guò)程中，強(qiáng)度不夠的顆粒容易造成破損，導(dǎo)致結(jié)果偏差[13]。然而在用動(dòng)態(tài)圖像系統(tǒng)法測(cè)定粒度的過(guò)程中，由于測(cè)定時(shí)間短，振動(dòng)緩慢，不易對(duì)測(cè)定物顆粒造成破壞。

圖5通過(guò)4.50 mm篩孔的豆粕顆粒圖片

圖6通過(guò)4.50 mm篩孔的豆粕顆粒形態(tài)（長(zhǎng)徑比）

圖7通過(guò)6.00 mm篩孔的豆粕顆粒形態(tài)（長(zhǎng)徑比）

圖8通過(guò)8.00 mm篩孔的豆粕顆粒形態(tài)（長(zhǎng)徑比）

4　結(jié)論

利用動(dòng)態(tài)圖像系統(tǒng)測(cè)定飼料粒度及粒度分布，操作簡(jiǎn)單、快速，結(jié)果具有代表性，準(zhǔn)確程度高。傳統(tǒng)的篩分法只能得出飼料顆粒的大小和分布，動(dòng)態(tài)圖像法不僅可以獲得粒度及粒度分布，同時(shí)還可以得出最大粒徑、最小粒徑、長(zhǎng)徑比、顆粒圖像等細(xì)致結(jié)果。然而由于動(dòng)態(tài)圖像分析系統(tǒng)價(jià)格昂貴，在飼料生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用較少。

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（編輯：崔成德，cuichengde88@sina.com）

The application of dynamic image analysis in soybean particle size and distribution of measurement

Zhang Yanming, Yang Xiujuan, Cao Zhiyong, Gao yinghong, Bai diwen, Cao Shengxiong, Lü Chaojin, He Deyong, Tao Linli

Abstract：The paper introduce a dynamic imaging method to evaluate the particle size of soybean grinding, grinding study aims to feed particle size provides a new evaluation method. through the BT -2 900 dry image size grain shape analysis system were determined size、particle size distribution and par?ticle morphology of water content 12% soybean after hammer grind by 4.50 mm, 6.00 mm and 8.00 mm sieve diameter, the results showed that the largest soybean particle size and dgwwas 2 875 μm, 3 432 μm, 3 652 μm and 668,00 μm, 676.86 μm, 689.78 μm grind by the 3 sieve,have large deviation for 4 500 μm、6 000 μm and 8 000 μm,were 1 625 μm, 2 568 μm and 4 348 μm, sieve diameter by 3 groups of soy?bean the vast majority of the particles are less than 3 000 μm, accounting for 100%, 99.57% and 99.54%,soybean particle morphology under 3 conditions are basically the same mesh. In summary the soybean particle size and particle size distribution was similar by three sieve diameters.dynamic image method is simple，rapid and accurate in determining particle size.

Key words：dynamic image method；feed particle；particle size distribution；soybean

收稿日期：2015-10-03

通訊作者：陶琳麗，副教授。

作者簡(jiǎn)介：張燕鳴，碩士，主要從事飼料加工工藝的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：S816.17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-991X（2016）03-0005-05

doi:10.13302/j.cnki.fi.2016.03.002

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)（863計(jì)劃）項(xiàng)目[2011AAI00305]武定雞營(yíng)養(yǎng)需要量研究