影響硬顆粒飼料水分含量的因素及水分在線控制技術(shù)研究

■楊 強(qiáng) 王金榮趙銀麗 于翠萍 李國輝 胡凱飛

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

目前飼料行業(yè)競(jìng)爭日益激烈，而顆粒飼料水分含量的不穩(wěn)定不僅導(dǎo)致顆粒品質(zhì)的不穩(wěn)定，使飼料生產(chǎn)廠家品牌的信譽(yù)受損，更為嚴(yán)重的是給飼料企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。顆粒飼料加工質(zhì)量直接影響著顆粒飼料品質(zhì)，根據(jù)美國堪薩斯大學(xué)的研究，影響顆粒料品質(zhì)的因素中，飼料配方占40%、粉碎占20%、調(diào)質(zhì)占20%、制粒占15%，冷卻占5%[1-3]。顆粒飼料的水分含量是評(píng)價(jià)顆粒飼料加工質(zhì)量的重要參數(shù)之一，顆粒飼料產(chǎn)品最終水分含量與生產(chǎn)原料的水分含量之間的關(guān)系與飼料生產(chǎn)過程有關(guān)。影響顆粒飼料產(chǎn)品最終水分含量的因素主要有原料本身的水分含量、調(diào)質(zhì)過程中水分添加量和冷卻效果[4]。在生產(chǎn)過程中綜合調(diào)控這些因素，使飼料產(chǎn)品最終水分含量達(dá)到預(yù)期，達(dá)到水分控制的目的[5]。本文將從原料粉碎、蒸汽調(diào)質(zhì)、制粒和冷卻等方面對(duì)影響水分含量的主要因素進(jìn)行綜述。

1 硬顆粒飼料生產(chǎn)過程影響水分含量的主要因素

1.1 原料粉碎對(duì)飼料水分含量的影響

飼料原料在粉碎過程中水分會(huì)有一部分的損失，其損失程度與粉碎粒度、溫度及粉碎工藝有關(guān)[5]。隨著粉碎粒度的減小，水分損失逐漸增大。在粉碎過程中，粉碎機(jī)錘片和篩面與物料相互作用，造成物料快速升溫，進(jìn)而使粉碎機(jī)內(nèi)溫度升高，進(jìn)一步增加了水分的損失，所以要盡量降低粉碎室的溫度，以減少水分的損耗。此外，粉碎機(jī)類型不同，粉碎工藝不同，也會(huì)對(duì)水分的損失有影響。粉碎機(jī)的錘片越多或者粉碎次數(shù)越多，水分損失越嚴(yán)重。微粉碎比普通粉碎水分損失大，二次粉碎比一次粉碎水分損失大。有研究表明，在粉碎過程中原料水分的最大損耗接近1%[6]。

1.2 飼料調(diào)質(zhì)過程水分的變化

飼料的調(diào)質(zhì)過程是指物料進(jìn)入制粒機(jī)前，通過引入水和蒸汽對(duì)物料進(jìn)行水熱處理，從而改善粉狀物料的理化性質(zhì)[7]。調(diào)質(zhì)的機(jī)理是物料吸水軟化、淀粉糊化以及蛋白質(zhì)變性。調(diào)質(zhì)的關(guān)鍵是飼料的糊化，影響飼料糊化的主要因素是溫度、時(shí)間和水分。調(diào)質(zhì)溫度會(huì)隨著飼料的種類不同而有所變化，一般情況下禽料調(diào)質(zhì)溫度在70℃左右，而豬料和水產(chǎn)料則分別在80℃和90℃左右。顆粒飼料淀粉糊化度會(huì)隨著調(diào)質(zhì)溫度和調(diào)質(zhì)時(shí)間的增加而增大，而調(diào)質(zhì)水分對(duì)淀粉糊化度的影響最大。蒸汽質(zhì)量對(duì)物料變性至關(guān)重要，蒸汽作為傳熱傳濕的載體直接影響到調(diào)質(zhì)效果。調(diào)質(zhì)水分影響調(diào)質(zhì)溫度，控制蒸汽添加量可調(diào)節(jié)水分，調(diào)質(zhì)時(shí)間影響著蒸汽中水分和熱能的利用率[8]。調(diào)質(zhì)水分可以通過調(diào)節(jié)蒸汽量和調(diào)質(zhì)時(shí)間來控制，調(diào)質(zhì)時(shí)間可以通過改變調(diào)質(zhì)器內(nèi)物料的充滿系數(shù)來調(diào)節(jié)[9]。蒸汽含水量隨著鍋爐蒸汽壓力的升高而降低，在生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整蒸汽壓力，以取得良好的蒸汽質(zhì)量。同等條件下，物料粉碎粒度越小，調(diào)質(zhì)效果越好。物料與蒸汽接觸時(shí)間越長，調(diào)質(zhì)越充分，但是此時(shí)物料吸收的水分就越多，水分含量就越高。有研究表明，飼料半成品在加蒸汽調(diào)質(zhì)時(shí)，每凝結(jié)1%優(yōu)質(zhì)飽和蒸汽，粉料升溫14.5～15℃[10]?；旌虾笪锪纤趾吭?%～14%之間，調(diào)質(zhì)后物料水分含量在15%～17%之間比較合理[11]。在此條件下生產(chǎn)加工顆粒飼料的加工品質(zhì)好，粉化率低，穩(wěn)定性好，水分易達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)飼料生產(chǎn)的能耗也低。

1.3 制粒過程對(duì)顆粒飼料水分的影響

制粒是將粉狀原料添加水或蒸汽進(jìn)行調(diào)質(zhì)，使飼料中的蛋白質(zhì)和淀粉在熱力作用下被水稀釋，變成可塑性強(qiáng)的料體。同時(shí)粗纖維被加溫軟化，然后用制粒機(jī)壓制成各種形狀的顆粒，并經(jīng)冷卻、篩選等處理設(shè)備，得到合格的顆粒飼料成品。制粒所用壓模設(shè)備的孔徑大小不同，環(huán)模厚度不同，生產(chǎn)出來的顆粒飼料產(chǎn)品水分含量也不相同[12]。環(huán)?？讖?jīng)Q定了顆粒直徑。環(huán)模厚度不同，制粒過程中產(chǎn)生的摩擦阻力也不同。環(huán)模厚度越大，摩擦阻力越大，產(chǎn)生的熱量越多，水分損失越大。反之，環(huán)模厚度越小，摩擦阻力越小，產(chǎn)生的熱量越少，水分損失越少。制粒時(shí)因摩擦和擠壓使飼料溫度上升約2～3℃，水分增加0.2%～0.3%。一般要求飼料水分在17%～18%和制粒溫度在80～90℃，均符合制粒要求[13]。合理選擇壓模孔徑和厚度適合的制粒環(huán)模，對(duì)制粒過程中的水分控制至關(guān)重要。

1.4 顆粒飼料冷卻過程中水分的變化

冷卻器的作用是將由制粒機(jī)出來的熱顆粒從80℃左右冷卻至略高于室溫。冷卻溫度不超過室溫3～5℃，同時(shí)降低顆粒飼料水分，增加飼料顆粒硬度，降低3%～5%的水分[14]。冷卻顆粒飼料常用的介質(zhì)是自然空氣，目前飼料廠大多使用逆流式冷卻機(jī)，通過控制顆粒飼料溫度來進(jìn)行水分控制，這種方法已經(jīng)被生產(chǎn)企業(yè)嘗試后應(yīng)用于生產(chǎn)中，并取得了好的效果。與調(diào)質(zhì)器內(nèi)水分提高和溫度升高呈對(duì)應(yīng)關(guān)系相類似，在冷卻時(shí)，水分降低和溫度降低是相關(guān)的[6]。有研究表明，在制粒后的冷卻階段，溫度一般每降低11℃，顆粒水分減少1%[15]。此外，冷卻效果與顆粒飼料的大小有關(guān)。飼料顆粒的直徑越大，冷卻的空氣（冷風(fēng)）越難穿透顆粒，顆粒飼料的水分損失越少。因此在顆粒飼料的冷卻階段，應(yīng)合理調(diào)控冷卻風(fēng)量的大小和冷卻時(shí)間，嚴(yán)格操作，均勻出料，使生產(chǎn)出來的顆粒飼料既能達(dá)到水分含量要求，也使溫度降低到要求的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還能保證顆粒飼料質(zhì)量和顆粒品質(zhì)。制粒完成后，應(yīng)保持冷卻器繼續(xù)工作一段時(shí)間（約幾分鐘，視不同冷卻器而定），保證飼料顆粒全部出機(jī)。

2 硬顆粒飼料生產(chǎn)實(shí)時(shí)在線水分控制技術(shù)

飼料水分的測(cè)定通常采用常壓烘箱干燥法對(duì)飼料原料及成品進(jìn)行水分測(cè)定。其原理是試樣在(105±2)℃烘箱內(nèi)，在一個(gè)大氣壓下烘干直至恒重，逸失的重量為水分含量[16]。該法雖然測(cè)定結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是通常用時(shí)6～8 h，對(duì)于飼料生產(chǎn)企業(yè)而言，操作繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。由于飼料原料種類繁多，來源廣泛，還有許多自然或人為的不可控制因素，造成了顆粒飼料產(chǎn)品水分控制難度加大。為了對(duì)飼料生產(chǎn)過程中水分進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)時(shí)在線水分控制技術(shù)是較為理想的技術(shù)手段。

顆粒飼料的實(shí)時(shí)在線水分檢測(cè)與控制技術(shù)有兩種控制方式，即前饋式和反饋式[6]。前饋式控制技術(shù)是在調(diào)質(zhì)前對(duì)粉狀料進(jìn)行檢測(cè)，反饋式控制技術(shù)是在冷卻后對(duì)顆粒料進(jìn)行檢測(cè)，兩者都可以使顆粒飼料產(chǎn)品的水分穩(wěn)定控制在合適范圍，最終達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。從控制效果來看，前饋式技術(shù)優(yōu)于反饋式技術(shù)，因?yàn)轱暳显谡{(diào)質(zhì)前進(jìn)行水分調(diào)控的可行性強(qiáng)，調(diào)控時(shí)間更為充分，在生產(chǎn)中易于操作，因此大多數(shù)飼料廠都采用前饋控制技術(shù)。在線水分控制技術(shù)需要對(duì)生產(chǎn)過程中的水分進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定，目前飼料廠大多采用微波和紅外兩種水分測(cè)量方式，通過高精度在線水分傳感器以提高水分控制精度。湖南某飼料企業(yè)同時(shí)采用前饋式和反饋式兩種控制方式，分別在混合調(diào)質(zhì)前和制粒冷卻后安裝近紅外檢測(cè)探頭，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)原料粉料和成品顆粒飼料的水分在線檢測(cè)與控制，生產(chǎn)的顆粒飼料產(chǎn)品均達(dá)到預(yù)期要求。

目前性能最好的水分控制設(shè)備是全自動(dòng)在線水分控制系統(tǒng)，其原理是利用微波技術(shù)對(duì)倉內(nèi)物料水分進(jìn)行高頻掃描，得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后與設(shè)定水分對(duì)比。水分控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是在線水分傳感器，其精度直接影響控制效果。大多數(shù)飼料企業(yè)采用稱重型傳感器系統(tǒng)，精度良好，能夠滿足不同配方的水分要求，并且可以把顆粒飼料產(chǎn)品水分穩(wěn)定控制在12.5%左右。此外，還有部分飼料廠采用流量計(jì)控制系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是投資低，缺點(diǎn)是精度差?；旌弦阂追謱樱暳弦装l(fā)霉，顆粒飼料品質(zhì)無法保障。

顆粒飼料加工實(shí)時(shí)水分在線檢測(cè)與控制系統(tǒng)是一項(xiàng)具有創(chuàng)新性和實(shí)用性的技術(shù)，并且在行業(yè)內(nèi)外人士的努力下取得了突破性的進(jìn)展，近年來對(duì)顆粒飼料生產(chǎn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)與控制技術(shù)的研究逐漸增加。例如張麗娟綜述的由德國生產(chǎn)商Doescher制造的“水分掃描器”和“水分管理者4000”兩種產(chǎn)品，可以準(zhǔn)確測(cè)量工藝流程中的水分含量，控制水分的閉合環(huán)路，其中“水分掃描器”采用獨(dú)特的微波技術(shù)，可以獨(dú)立于溫度、顏色、密度、重量、表層結(jié)構(gòu)、組織和料層厚度之外運(yùn)行[17]。姜建宏介紹的由美國建明工業(yè)開發(fā)研究的MOP（moisture optimization program）系統(tǒng)即水分優(yōu)化系統(tǒng)，包括界面活性劑、防霉體系以及精準(zhǔn)添加體系。MOP既能夠優(yōu)化飼料水分又能抑制霉菌生長，能夠改善工藝，降低損耗，提高效率。MOP還可以根據(jù)客戶需求量身定做，操作靈活簡便，為飼料生產(chǎn)過程中水分的控制提供系統(tǒng)、可行的解決方案[18]。我國也開始了對(duì)水分實(shí)時(shí)在線檢測(cè)技術(shù)的研究，由江蘇正昌集團(tuán)研制開發(fā)的SZCSJK飼料品質(zhì)優(yōu)化系統(tǒng)，通過在待制粒倉前安裝在線水分傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)物料水分，然后與目標(biāo)水分值進(jìn)行比對(duì)，綜合調(diào)控使水分達(dá)標(biāo)，即便是在混合添加多種液體的情況下，依然能夠滿足飼料廠精確測(cè)水、補(bǔ)水的要求[19]。雖然這幾種水分控制技術(shù)在應(yīng)用過程中有著各自的優(yōu)點(diǎn)，但由于應(yīng)用成本較高，目前還不能在生產(chǎn)中進(jìn)行廣泛的推廣和應(yīng)用。

3 小結(jié)

原料水分、調(diào)質(zhì)質(zhì)量和冷卻效果是影響顆粒飼料產(chǎn)品水分含量的主要因素。雖然顆粒飼料產(chǎn)品水分控制起來十分困難，但是在飼料加工過程中利用水分實(shí)時(shí)在線檢測(cè)與控制技術(shù)，對(duì)各環(huán)節(jié)飼料水分含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，規(guī)范操作流程，是一項(xiàng)切實(shí)可行的技術(shù)。國外對(duì)顆粒飼料水分實(shí)時(shí)在線控制技術(shù)的研究較早，也在少數(shù)飼料廠得到了應(yīng)用，但是由于其成本較高，在國內(nèi)使用這項(xiàng)技術(shù)的飼料企業(yè)非常少。因此這項(xiàng)技術(shù)的市場(chǎng)潛力巨大，應(yīng)用前景廣闊。