豆粕熱物理性及其測(cè)定方法綜述

牛小偉，劉來亭，王瑞

（河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

豆粕是豆油加工的副產(chǎn)品，也是一種重要的植物性蛋白飼料原料。長(zhǎng)期以來，有關(guān)豆粕的研究更多的偏重于感官特性，以及通過動(dòng)物飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的評(píng)定，而忽略了豆粕本身的物理特性尤其是熱物理特性。豆粕的熱物理特性不僅可以引起貯藏過程中自身變質(zhì)，更對(duì)飼料加工有著很大的影響，所以了解豆粕的熱物理特性，對(duì)其貯藏和飼料加工過程中應(yīng)用具有重要意義。

1 豆粕的熱傳遞及其對(duì)其儲(chǔ)存的影響

熱傳遞（或稱傳熱）是物理學(xué)上的一個(gè)物理現(xiàn)象，是指由于溫度差引起的熱能傳遞現(xiàn)象。任何物體和外界存在溫度差的時(shí)候就會(huì)有熱傳遞的發(fā)生。當(dāng)豆粕被貯藏在倉(cāng)庫(kù)時(shí)，垛堆之間存在空隙，豆粕不同部位之間與外界有溫度差，并不定時(shí)的和外界進(jìn)行熱交換，這就是豆粕儲(chǔ)存過程中的熱傳遞。根據(jù)熱傳遞的轉(zhuǎn)移規(guī)律，熱量的產(chǎn)生和臨時(shí)聚集，會(huì)導(dǎo)致熱量向溫度相對(duì)低的地方傳導(dǎo)與擴(kuò)散，熱量擴(kuò)散的路徑上伴隨著水分的遷移，溫度較低部位的水分含量會(huì)不斷增加。如果空氣相對(duì)濕度較大，溫差將造成嚴(yán)重的結(jié)露現(xiàn)象［1～2］。不論何時(shí)豆粕發(fā)生熱傳遞，都可以引起其他部位水分的升高，當(dāng)吸濕部位水分滿足霉菌生長(zhǎng)條件后，霉菌的生長(zhǎng)代謝將產(chǎn)生熱量和水分，并向其他部位釋放和擴(kuò)散，使霉變現(xiàn)象迅速蔓延和加劇。從而引起儲(chǔ)糧堆中霉菌代謝活動(dòng)加速，微生物的呼吸、代謝活動(dòng)可以產(chǎn)熱、產(chǎn)水，并且一般堆內(nèi)下部更較難導(dǎo)熱和散濕、散熱，濕熱的聚集會(huì)加速、加劇霉變的發(fā)生，這樣就促成了一個(gè)作用與反作用的惡性循環(huán)現(xiàn)象；有些霉菌會(huì)分泌分解蛋白質(zhì)和多糖的酶，分解豆粕中的有關(guān)成分，產(chǎn)生游離的氨基酸和單糖，這些產(chǎn)物相互作用還可能發(fā)生非酶促褐變反應(yīng)，影響豆粕品質(zhì)，這樣的反應(yīng)和溫度的改變呈正相關(guān)關(guān)系［3］。

目前學(xué)科領(lǐng)域研究熱傳遞的方法主要有對(duì)擬合回歸方程法、可視化圖表法、有限元方法、CFD數(shù)值模擬技術(shù)、純數(shù)值計(jì)算法、灰色系統(tǒng)分析等多種，熱傳遞研究方法的建立可以提高糧食貯藏的安全性。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，人們可以運(yùn)用更先進(jìn)的模擬技術(shù)對(duì)儲(chǔ)糧熱傳遞規(guī)律進(jìn)行探究?？梢暬瘓D表法和擬合回歸方程法都是在進(jìn)行糧堆貯藏試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出糧堆的熱傳遞規(guī)律，并且其準(zhǔn)確度不高。對(duì)于依托于計(jì)算機(jī)技術(shù)的改進(jìn)逐漸變得高效化、準(zhǔn)確化的有限元法，可以說在未來的應(yīng)用程度還是很高的。CFD（Computational fluid dvnamics)技術(shù)是當(dāng)前模擬領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的，擬合程度最高的技術(shù)之一。該方式投入成本低、監(jiān)測(cè)周期短，可以在多種條件下對(duì)儲(chǔ)糧糧堆的熱傳遞做出很好的預(yù)測(cè)，逐漸受到有關(guān)領(lǐng)域人士的青睞［4］。 Thorpe 等［5～7］通過大量的試驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了CFD技術(shù)可以對(duì)不同條件下糧堆的熱分布和熱傳遞有很好的模擬。Liu等［8］的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，CFD技術(shù)對(duì)于處于曝氣狀態(tài)下糧堆內(nèi)部溫度的分布同樣有很好的模擬效應(yīng)。

2 豆粕的導(dǎo)熱性

2.1 了解豆粕導(dǎo)熱性的意義

導(dǎo)熱性是指物質(zhì)傳導(dǎo)熱量的性能。兩個(gè)相互接觸的物體或者同種物體不同部位存在溫度差而發(fā)生熱傳遞的過程為導(dǎo)熱。導(dǎo)熱能力的大小一般用導(dǎo)熱率來衡量。飼料配方中，因豆粕占有較高的配比。熟知豆粕的導(dǎo)熱性，不但可以更好的對(duì)粉碎 （粒度）、調(diào)質(zhì)制粒（時(shí)間、蒸汽量）等工段進(jìn)行調(diào)控，還可以一定程度上節(jié)約成本。因此，在進(jìn)行飼料配比和加工的過程中了解豆粕的導(dǎo)熱性對(duì)于飼料加工具有重要意義。豆粕的導(dǎo)熱特性影響飼料顆?；倪^程，了解豆粕的熱特性對(duì)飼料調(diào)制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及調(diào)質(zhì)溫度、調(diào)質(zhì)時(shí)間、蒸汽流量等可以進(jìn)行指導(dǎo)［9］；原料的粉碎粒度直接決定了顆粒表面積的大小，進(jìn)而影響可以與蒸汽的水熱傳遞效果，粉碎粒度越大，導(dǎo)熱率越低［10］。隨著農(nóng)作物的物質(zhì)狀態(tài)、籽粒尺寸、溫度等的變化，其導(dǎo)熱率也會(huì)發(fā)生改變［11］，因此，在進(jìn)行飼料原料配比和加工的過程中了解飼料原料及其成品的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于飼料加工具有重要意義。而測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)幾乎成為研究物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的唯一途徑［12］。目前，測(cè)定這一熱物性的方法，可以分為穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)兩大類。以下是對(duì)這兩種方法所涉及的方法、特點(diǎn)和具體應(yīng)用進(jìn)行分析，以便指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法

穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法(或瞬態(tài)法)是按熱流狀態(tài)劃分為兩大類方法。物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間改變的傳熱過程稱為穩(wěn)態(tài)傳熱，反之，則為非穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)法可以根據(jù)Fourier方程直接測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)，物料內(nèi)部各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間的變化而變化測(cè)量精度較高。但必須在導(dǎo)熱過程達(dá)到穩(wěn)定后才可以測(cè)量，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，溫度范圍與導(dǎo)熱系數(shù)范圍較窄，主要適用于在中等溫度下測(cè)量中低導(dǎo)熱系數(shù)材料，不適合測(cè)量高水分含量的物料的測(cè)量，只對(duì)水分含量在10%左右的物料有良好的適應(yīng)性［13］。非穩(wěn)態(tài)法有快速、準(zhǔn)確、溫度范圍和量程廣等優(yōu)點(diǎn)，在含水量低的理想絕緣體的測(cè)量中效果更好。傳統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)法，使用熱線法測(cè)量不良導(dǎo)體材料時(shí),由于測(cè)量過程中有效的升溫時(shí)間只有數(shù)秒,不易實(shí)現(xiàn)溫升和時(shí)間的同步準(zhǔn)確測(cè)量,從而產(chǎn)生較大的方法誤差［14］。這兩種方法又因?yàn)樗玫难b置的不同又可細(xì)分為以下多種方法。如穩(wěn)態(tài)法又可分為紅外線縱向熱流法、平板法、同心圓球法等。非穩(wěn)態(tài)法又可分為熱線法、熱探針法、激光閃射法等。各種方法各有特點(diǎn)，均有研究者采用。

紅外線縱向熱流法熱源穩(wěn)定，效率高，加熱均勻適用于測(cè)定農(nóng)業(yè)物料、不良導(dǎo)體及空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。該法適用于導(dǎo)熱系數(shù)較小的固體材料、纖維材料和多空隙材料，例如各種保溫材料。但在測(cè)試過程中存在橫向熱損失。 彭小飛［13］在顆粒飼料的熱特性參數(shù)的研究中曾用紅外線縱向熱流法測(cè)定顆粒飼料的導(dǎo)熱系數(shù)，得到溫度與含水率和導(dǎo)熱系數(shù)成線性關(guān)系。

平板法一般適用于不易破碎的物料的導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定。而且測(cè)量所用平板必須足夠大，確保傳熱均勻。但是此方法試樣太大，加工困難，徑向熱損很難減小到最低限度，測(cè)試周期長(zhǎng)。

同心圓球法適用一般的容易破碎的物料或其本身就是散碎的物料。用同心圓的方法，確保了傳熱的均勻，保證了熱量不會(huì)流失，但是同樣存在缺點(diǎn)，比如試樣制備難度較大［15］。 易維明［15］在生物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定中用使用平板法和同心圓球法對(duì)幾種生物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，均得到溫度和導(dǎo)熱系數(shù)呈線性關(guān)系。

熱線法既可用于各向同性也可用于各向異性材料,材料可以是均質(zhì)的也可以是非均質(zhì)，但是不太適用于導(dǎo)熱系數(shù)太大的測(cè)定。陳瑜［16］在玉米熱導(dǎo)率的測(cè)定中使用熱線法對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。龔紅菊［17］使用非穩(wěn)態(tài)熱線法測(cè)定了大麥的導(dǎo)熱系數(shù)，張來林等［14］利用自制的糧食導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定儀對(duì)糧食的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，也得到溫度與水分對(duì)糧食的導(dǎo)熱系數(shù)的影響成線性關(guān)系。

熱探針法較適合于測(cè)定松散材料的導(dǎo)熱系數(shù)，由于熱探針法用于測(cè)量松散的農(nóng)業(yè)顆粒物時(shí)，熱探針表面溫升小，所引起的試樣物性變化很小，測(cè)定結(jié)果能夠比較準(zhǔn)確地反映物料的真實(shí)狀態(tài)，因此很適合于測(cè)定高含水率農(nóng)業(yè)物料［18］及一些谷物產(chǎn)品的測(cè)量［19］，熱探針升溫不勻，誤差性大。 劉情超［20］在混合農(nóng)業(yè)物料的導(dǎo)熱系數(shù)研究中使用熱探針法對(duì)玉米粉、豆粕、小麥粉、脫脂米糠、棉粕、菜粕、魚粉、石粉及玉米與其他物料進(jìn)行混合的物料進(jìn)行了測(cè)量，得出物料以不同比例混合其導(dǎo)熱系數(shù)的變化的規(guī)律。陳坤杰等［21］在稻谷導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定中使用非穩(wěn)態(tài)熱探針法對(duì)稻谷的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。

激光閃射法是一種用于測(cè)量高導(dǎo)熱材料與小體積固體材料的技術(shù)，該法最早提出。 該方法先直接測(cè)量材料的熱擴(kuò)散率，并由此得出其導(dǎo)熱系數(shù)，適合于高溫導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量，可是激光閃射法測(cè)出的熱擴(kuò)散率會(huì)隨脈沖激光能量的增加而降低，該法只適用于各向均勻、不透光的固體材料。Parker［22］使用激光閃射法對(duì)固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來，越來越多的人開始關(guān)注物料的熱物理特性，研究出了多種測(cè)量物料熱傳遞的方法。對(duì)于豆粕這一農(nóng)作物飼料原料而言，上述提到的檢測(cè)方法中，熱探針法對(duì)其導(dǎo)熱性檢測(cè)更為準(zhǔn)確，在現(xiàn)今社會(huì)使用更加廣泛。隨著現(xiàn)代技術(shù)越來越成熟，未來的發(fā)展方向應(yīng)該是通過熱探針、傳感器和計(jì)算機(jī)相結(jié)合，通過監(jiān)測(cè)貯藏和加工過程中CO2、水分和溫度的變化更準(zhǔn)確的擬合量化物料的熱物理特性。

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（收稿日期：2018-04-03）

信息之窗

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)文：深入推進(jìn)生豬屠宰標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建工作

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部近日下發(fā)通知要求，從現(xiàn)在起至2020年，各地要在堅(jiān)持屠宰廠自愿申請(qǐng)的原則上，積極鼓勵(lì)、引導(dǎo)部分屠宰廠加大投入力度，提升質(zhì)量管理水平，按照質(zhì)量管理制度化、廠區(qū)環(huán)境整潔化、設(shè)施設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化等要求，全面強(qiáng)化從生豬進(jìn)廠到產(chǎn)品出廠全過程質(zhì)量安全控制，創(chuàng)建一批生豬屠宰標(biāo)準(zhǔn)化示范廠，進(jìn)一步帶動(dòng)各地屠宰廠標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，提升標(biāo)準(zhǔn)化水平。