基于均勻板加熱法的飼料糊化參數(shù)試驗(yàn)研究

金 楠 方 鵬 王紅英 段恩澤

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

調(diào)質(zhì)工藝是影響顆粒飼料加工質(zhì)量的重要因素之一。飼料原料通過調(diào)質(zhì)器槳葉的攪拌混合，在與飽和蒸汽充分進(jìn)行濕熱傳遞的過程中發(fā)生糊化，在提高飼料中營養(yǎng)物質(zhì)消化利用率的同時(shí)，改善了飼料成型特性[1]。文獻(xiàn)[2]指出，溫度和時(shí)間是影響糊化的主要因素，但目前尚無文獻(xiàn)給出優(yōu)化飼料糊化的確切參數(shù)。

現(xiàn)有飼料調(diào)質(zhì)工藝研究中，主要包括對(duì)飼料及飼料原料比熱、熱導(dǎo)率等熱特性的分析[3-5]，飼料調(diào)質(zhì)器的傳質(zhì)過程、物料運(yùn)動(dòng)過程的建模仿真模擬及優(yōu)化[6-7]，飼料糊化度的測(cè)定方法[8]，以及在生產(chǎn)條件下探究調(diào)質(zhì)溫度、調(diào)質(zhì)時(shí)間對(duì)飼料熱敏性組分和飼料質(zhì)量的影響等方面[2, 9-10]，而對(duì)飼料糊化特性、糊化過程和糊化參數(shù)的基礎(chǔ)研究較少[11]。

在飼料淀粉源原料的糊化特性及其動(dòng)力學(xué)研究中，往往需要對(duì)原料進(jìn)行可控參數(shù)的水熱處理。文獻(xiàn)[12]使用DSC(差示掃描量熱法)程序控溫，對(duì)不同糖添加量的木薯淀粉進(jìn)行熱處理，研究其糊化動(dòng)力學(xué)；文獻(xiàn)[13]將糯玉米淀粉懸浮液密封于鋁坩堝后，置于熱水浴中對(duì)其進(jìn)行加熱處理；文獻(xiàn)[14]則是將小麥淀粉樣品加水后置于試管內(nèi)，放入水浴鍋隔水加熱；此外還有油浴加熱[15]等處理方式。在熱處理過程中樣品溫度的均勻性通常被忽視，達(dá)到溫度均勻分布所需的時(shí)間尺度可能比糊化時(shí)間尺度大得多，這對(duì)糊化時(shí)間的控制、重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性是不利的。

本文提出一種應(yīng)用鑄鋁板對(duì)飼料樣品夾持加熱的裝置及方法，并使用樣品從室溫加熱到設(shè)定溫度的溫度曲線，對(duì)板加熱裝置實(shí)現(xiàn)樣品均勻加熱的方法進(jìn)行評(píng)估。以育肥豬配合飼料粉料為對(duì)象，基于該裝置研究溫度、時(shí)間、含水率3個(gè)糊化參數(shù)對(duì)飼料糊化度的影響，并分析飼料熱處理后的色差變化，以期為飼料熱處理及糊化參數(shù)的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)原理，以飼料糊化過程中的糊化溫度、糊化時(shí)間和飼料含水率3個(gè)參數(shù)為試驗(yàn)因素，以飼料熱處理后的糊化度Y為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，因素編碼如表1所示，各試驗(yàn)因素取值范圍參照文獻(xiàn)[15]及飼料調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)，共進(jìn)行23次試驗(yàn)[16]。并利用Design-Expert軟件回歸分析法和響應(yīng)面分析法，建立飼料糊化度的數(shù)學(xué)模型。

表1 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Factors and codes of quadratic regression orthogonal rotatory combination design

1.2 試驗(yàn)材料及預(yù)處理

本試驗(yàn)所用飼料為育肥豬配合飼料粉料(混合后調(diào)質(zhì)處理前)，取自北京首農(nóng)畜牧發(fā)展有限公司飼料分公司，其配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：玉米66.52%、豆粕15.15%、麥麩8.00%、玉米干全酒糟7.00%、石粉0.85%、磷酸氫鈣0.48%、復(fù)合預(yù)混料2.00%。經(jīng)高速萬能粉碎機(jī)(天津泰斯特儀器有限公司)粉碎后過70目篩，樣品初始含水率為10.78%，根據(jù)不同試驗(yàn)組別水分要求調(diào)整飼料含水率，通過往原始粉料中噴灑計(jì)算好的達(dá)到目標(biāo)含水率所需蒸餾水量，并充分混合15 min后裝入聚乙烯密封袋中，置于4℃的冰箱平衡48 h，期間每隔8 h晃動(dòng)一次，每次持續(xù)1 min，以保證獲得含水率均一的已知含水率樣品。根據(jù)試驗(yàn)要求分別取2 g樣品于自封袋(60 mm×85 mm)中密封，共23份不同含水率處理組飼料樣品用于后續(xù)熱處理。

1.3 飼料板加熱處理裝置

利用自主搭建的鑄鋁板加熱裝置對(duì)不同含水率處理組的飼料進(jìn)行熱處理，如圖1所示。智能溫控器開啟并設(shè)定加熱溫度后，鑄鋁加熱板(150 mm×150 mm×20 mm)開始升溫加熱，溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鑄鋁板溫度并反饋至溫控箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱板溫度的精準(zhǔn)控制；待實(shí)時(shí)溫度達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值，將裝有樣品的自封袋鋪平后放入兩加熱板間夾持熱處理使飼料糊化，處理時(shí)間依據(jù)各試驗(yàn)組別；待達(dá)到加熱時(shí)長(zhǎng)，將裝有樣品的自封袋立即取出置于冰袋上，以迅速停止飼料的糊化進(jìn)程。該鑄鋁板加熱裝置升溫速度快、發(fā)熱均勻、導(dǎo)熱性能好，同時(shí)樣品的需要量少、操作方便，可以很好地實(shí)現(xiàn)飼料樣品在熱處理過程中的均勻糊化。

圖1 基于均勻板加熱法的飼料熱處理裝置Fig.1 Heat treatment device for feed based on homogeneous plate heating method1.鑄鋁加熱板 2.智能溫控器 3.溫度傳感器 4.接線柱 5.樣品 6.隔熱墊板

1.4 飼料糊化度的測(cè)定

飼料樣品糊化度的測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[17]提出的簡(jiǎn)易酶法。酶溶液選用糖化酶(Amyloglucosidase，CAS: 9032-08-0，上海源葉生物科技有限公司)配制，酶解最適溫度為50℃。在紫外可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司) 420 nm波長(zhǎng)下讀取吸光度，糊化度計(jì)算公式為

(1)

式中As——待測(cè)樣品的吸光度

Ab——空白吸光度

At——全糊化樣品的吸光度

1.5 飼料色差的測(cè)定

將飼料原樣及熱處理后的各試驗(yàn)組樣品放置于鋁盒中，在溫度設(shè)定為40℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)中靜置12 h，干燥至質(zhì)量恒定，用于樣品的色差測(cè)定，以排除水分對(duì)色度的影響。樣品的色度參數(shù)使用LabScan XE型分光測(cè)色儀(美國HunterLab公司)測(cè)定，色差計(jì)算公式為

ΔE*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2

(2)

式中 ΔL*、ΔA*、ΔB*——標(biāo)準(zhǔn)參考白板與被測(cè)樣品色度參數(shù)L*、A*、B*值的差值

2 結(jié)果與分析

2.1 飼料板加熱處理的均勻性分析

2.1.1一維熱傳導(dǎo)方程的有限差分法求解

本文提出了一種運(yùn)用鑄鋁板夾持對(duì)飼料進(jìn)行熱處理的方法，為評(píng)估整個(gè)樣品在受熱過程中的溫度均勻性，將飼料的傳熱過程假設(shè)為一維熱傳導(dǎo)方程，公式為

(3)

(4)

式中u——樣品溫度，℃

t——傳熱時(shí)間，s

x——樣品厚度，mm

α——導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s

k——熱導(dǎo)率，W/(m·K)

ρ——堆積密度，kg/m3

c——比熱容，J/(kg·K)

通過測(cè)量，本研究熱處理樣品厚度x=0.8 mm，同時(shí)參照相關(guān)飼料熱特性的研究[4-5]，確定樣品在25℃初始條件下，c=2 025.60 J/(kg·K)，ρ=671.00 kg/m3，k=0.092 W/(m·K)，計(jì)算得到α=6.77×10-8m2/s。并借助Matlab有限差分法編程求解熱傳導(dǎo)方程。

有限差分法是將求解區(qū)域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)代替連續(xù)的求解域，通過已知的傳熱方程，建立一個(gè)關(guān)于時(shí)間和樣品厚度的函數(shù)，如圖2所示，圖中，T為傳熱總時(shí)長(zhǎng)，L為樣品總厚度，時(shí)間步長(zhǎng)Δt=T/N，空間步長(zhǎng)Δx=L/M，M、N分別為差分網(wǎng)格設(shè)置的空間點(diǎn)數(shù)和時(shí)間點(diǎn)數(shù)[18]。通過對(duì)原方程建立的差分格式，把原方程離散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)而計(jì)算數(shù)值近似解。

圖2 熱傳導(dǎo)方程隱格式網(wǎng)格劃分Fig.2 Implicit scheme mesh generation for heat conduction equation

u(x,t)關(guān)于t的向后差商為[18]

(5)

關(guān)于t的二階中心差商為[18]

(6)

對(duì)式(3)進(jìn)行離散，離散后的方程為

(7)

(1+2r)u(j,n)-ru(j+1,n)-
ru(j-1,n)=u(j,n-1)

(8)

可轉(zhuǎn)換為矩陣形式

(9)

2.1.2熱處理中的溫度變化

以鑄鋁板加熱溫度設(shè)定為75℃為例，分析樣品自夾持在板間加熱開始后的溫度曲線分布情況，如圖3所示。樣品的初始溫度為25℃，隨著加熱時(shí)間變化，由樣品與鑄鋁板接觸處逐漸向樣品內(nèi)部傳熱，自起始加熱后5 s內(nèi)達(dá)到均勻的溫度分布，若提高加熱板設(shè)定溫度，將會(huì)縮短樣品溫度均勻分布的時(shí)間。由此可見，在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)，本文所采用的板加熱裝置保證了樣品溫度分布的充分均勻性，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品處理時(shí)間的準(zhǔn)確控制。

圖3 樣品加熱處理中溫度曲線分布Fig.3 Calculated temperature profiles of sample during heating treatment

熱處理過程中樣品溫度分布的均勻性在淀粉源物料糊化等研究中至關(guān)重要，不均勻加熱可能導(dǎo)致樣品不同區(qū)域糊化程度的差異，使試驗(yàn)結(jié)果的原因分析復(fù)雜化[20]。水分子在淀粉顆粒中的擴(kuò)散對(duì)于糊化過程起著重要作用，但樣品的不均勻加熱會(huì)出現(xiàn)“水分掠奪效應(yīng)”，即當(dāng)樣品的某一區(qū)域比其周圍更早達(dá)到糊化溫度時(shí)，淀粉顆粒會(huì)從周圍吸收可用的水分子，給水分子向相鄰區(qū)域的擴(kuò)散帶來阻力，尤其在限制水分條件下更加明顯[21]。

2.2 糊化度回歸模型的建立

2.2.1回歸模型及顯著性檢驗(yàn)

以溫度、時(shí)間、含水率3個(gè)試驗(yàn)因素的編碼值X1、X2、X3為自變量，以飼料熱處理后測(cè)定的糊化度Y為評(píng)價(jià)指標(biāo)的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.2 Scheme and results of quadratic regression orthogonal rotatory combination design

應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到糊化度Y與各試驗(yàn)因素編碼值的二次回歸模型為

(10)

表3 糊化度回歸模型方差分析Tab.3 ANOVA for regression model of degree of gelatinization

注：** 表示差異極顯著，下同。

2.2.2回歸模型中的因素主效應(yīng)分析

由方差分析可知，飼料糊化時(shí)間X2對(duì)糊化度的影響不顯著，因此僅對(duì)溫度X1和含水率X3兩個(gè)因素的主效應(yīng)進(jìn)行分析。圖5a所示為糊化溫度X1對(duì)糊化度的主效應(yīng)影響圖，可見當(dāng)含水率X3取0、1水平時(shí)，溫度對(duì)糊化度的影響呈上升趨勢(shì)，當(dāng)含水率X3取-1水平時(shí)，隨著溫度的增加對(duì)糊化度的影響呈下降趨勢(shì)。也就是說，在含水率較高情況下尤其是大于24%水平，糊化度隨溫度升高而上升，但低含水率情況下升溫甚至可使飼料糊化度下降。這可能是因?yàn)榈秃侍幚盹暳?，使淀粉分子形成了高分子淀粉的集聚體，進(jìn)而使淀粉晶型更加緊密，分子間氫鍵難以斷裂，導(dǎo)致糊化度下降[22-23]。在實(shí)際加工中，飼料往往是在限制水分條件下加熱的，低含水率高溫處理對(duì)飼料糊化度下降的影響有待進(jìn)一步研究。

圖4 試驗(yàn)因素交互作用響應(yīng)曲面Fig.4 Surface diagrams of interaction of test factors

圖5 主效應(yīng)影響分析Fig.5 Validation results of regression model

圖5b所示為飼料含水率X3對(duì)糊化度的主效應(yīng)影響圖，可見當(dāng)溫度X1取0、1水平時(shí)，隨著含水率的升高糊化度增長(zhǎng)趨勢(shì)較明顯，而當(dāng)溫度X1取-1水平，即低溫75℃時(shí)，在低含水率區(qū)域隨著含水率增加糊化度略有降低，但隨后糊化度呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.2.3回歸模型的驗(yàn)證

圖6為用式(10)得到的育肥豬配合飼料粉料糊化度的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的對(duì)比結(jié)果。可見預(yù)測(cè)方程斜率較接近于1，截距相較于0略有偏差，但式(10)仍可對(duì)育肥豬配合飼料粉料在不同溫度、時(shí)間、含水率條件下熱處理后的糊化度進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

圖6 回歸模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.6 Validation results of regression model

2.3 飼料色差變化的相關(guān)性分析

如圖7所示，不同試驗(yàn)組別經(jīng)過板加熱處理后的飼料顏色發(fā)生了變化，且顏色差異明顯。各試驗(yàn)組別的色差ΔE*結(jié)果見表2，色差越大，表明飼料顏色越深。飼料色澤是飼料外觀質(zhì)量之一，從動(dòng)物視覺角度來看，影響畜禽對(duì)飼料的采食量[24]，飼料色澤主要受飼料配方、加工工藝和有色添加劑等的影響[25]。為研究飼料熱處理對(duì)飼料色澤的影響，對(duì)樣品熱處理后的色差、糊化度與糊化參數(shù)進(jìn)行了Pearson相關(guān)性分析，如表4所示。

圖7 熱處理后風(fēng)干飼料樣品Fig.7 Air-dried feed samples after heating treatment

表4 色差、糊化度與糊化參數(shù)的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of chromatic aberration, gelatinization degree and gelatinization parameters

結(jié)果顯示，在本研究中，色差ΔE*與糊化度Y、溫度x1、含水率x3存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)并不高，從大到小依次為糊化度、含水率、溫度。而糊化度只與糊化參數(shù)中的含水率存在極顯著的相關(guān)性。對(duì)比分析可知，飼料熱處理色差的變化除與糊化度有關(guān)外，還存在獨(dú)立于糊化度且與溫度相關(guān)的因素。由此推斷，美拉德反應(yīng)是試驗(yàn)中引起色差變深的另一重要原因，美拉德反應(yīng)是還原糖和蛋白質(zhì)氨基之間化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，且溫度是影響其反應(yīng)速率的最重要參數(shù)之一，通常溫度每提升10℃，反應(yīng)速率可提高3～5倍[26]，這種反應(yīng)通常在食品及飼料的加工和儲(chǔ)存中發(fā)生，反應(yīng)過程伴隨褐變現(xiàn)象，并產(chǎn)生非揮發(fā)性有色化合物和含氮的棕色聚合物等反應(yīng)產(chǎn)物，隨反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)體系的顏色變得越來越深[27]。

綜上所述，過高的熱處理溫度，在某些特定條件下并不會(huì)提高飼料的糊化度，反而會(huì)加劇美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致飼料顏色加深影響外觀質(zhì)量。

3 結(jié)論

(1)提出一種應(yīng)用鑄鋁板對(duì)飼料樣品夾持加熱的裝置及方法。通過將預(yù)調(diào)好含水率的飼料密封于自封袋中，夾持于一組平行可控溫的鑄鋁板內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的加熱。并將該傳熱過程表示為一維熱傳導(dǎo)方程，借助Matlab有限差分法求解得到樣品從室溫加熱到設(shè)定溫度的溫度曲線。對(duì)飼料樣品在受熱過程中溫度均勻性的評(píng)估結(jié)果表明，該裝置可以在較短時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)樣品溫度分布的充分均勻性，樣品達(dá)到溫度均勻分布所需的時(shí)間尺度遠(yuǎn)小于糊化的時(shí)間尺度，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品熱處理時(shí)間的準(zhǔn)確控制。

(2)基于板加熱裝置及方法，以育肥豬配合飼料粉料為研究對(duì)象，通過三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，得出各試驗(yàn)因素對(duì)飼料糊化度的影響大小依次為：飼料含水率、糊化溫度、糊化時(shí)間。通過Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到飼料糊化度與各試驗(yàn)因素的二次回歸模型(R2=0.942 0)，通過對(duì)比試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值，驗(yàn)證了回歸模型的有效性。在對(duì)飼料熱處理后的色差分析中發(fā)現(xiàn)，在某些條件下，過高的熱處理溫度并不能提高飼料的糊化度，反而會(huì)加劇美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致飼料顏色加深，影響外觀質(zhì)量。