■宋 欣 李艷聰 萬(wàn)志生 李艷琳 鄭爽爽

（1.天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津300384；2.天津市世昌科技發(fā)展有限公司，天津301508）

科學(xué)合理的飼料加工工藝是保證飼料適口性、改善消化率和提高動(dòng)物生產(chǎn)性能的關(guān)鍵。其中，顆粒飼料加工質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有顆粒大小、含水率、粉化率和硬度等。但是魚(yú)類(lèi)不同于畜禽類(lèi)，其消化器官比較簡(jiǎn)單而且較短，消化腸長(zhǎng)度只相當(dāng)于豬的1/10，而且魚(yú)類(lèi)的攝食方式、攝食環(huán)境也不同于畜禽，因此就要求水產(chǎn)飼料要更易消化，而且其顆粒形狀、大小和水中沉浮性必須與魚(yú)的大小、種類(lèi)和自然采食習(xí)慣相適應(yīng)。由于飼料密度決定了飼料在水中的沉浮特性，并且對(duì)生產(chǎn)能力、飼料外觀和噴涂物的吸收效果等指標(biāo)均有影響，因此常被作為評(píng)價(jià)水產(chǎn)顆粒飼料質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。影響飼料顆粒密度的因素有很多，如成型工藝及參數(shù)、成型設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)、飼料原料與配方等，但目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中對(duì)于飼料顆粒密度的研究很少，僅局限于對(duì)其影響因素和控制方法的定性分析，或者從飼料原料和配方角度分析對(duì)密度的影響，而在成型設(shè)備和工藝參數(shù)的影響方面研究甚少，僅有李艷聰?shù)龋?006）中對(duì)制粒機(jī)顆粒密度特性與環(huán)模結(jié)構(gòu)間的關(guān)系進(jìn)行了研究，并建立了環(huán)模、壓輥結(jié)構(gòu)參數(shù)和粉料密度、顆粒料密度間的映射關(guān)系模型。但該模型中沒(méi)有考慮成型工藝參數(shù)的影響。另外，吳勁峰等（2007）通過(guò)環(huán)模制粒試驗(yàn)得出了苜蓿草粉制粒擠出力與粒度、制粒密度間的關(guān)系。連瀟等（2012）中以苜蓿草粉制粒密度為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行了擠出力、含水率及草粉粒度的正交試驗(yàn)，確定出了草顆粒產(chǎn)品成型工藝的最優(yōu)參數(shù)組合。上述研究成果對(duì)于本研究的開(kāi)展具有一定的借鑒意義。

為此，本文采用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)顆粒密度與壓縮比、壓制速度之間的影響規(guī)律進(jìn)行研究分析，旨在實(shí)現(xiàn)飼料顆粒密度的預(yù)測(cè)，以及為成型設(shè)備主要結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和成型工藝方案的選擇提供理論依據(jù)。

1 顆粒壓制試驗(yàn)裝置

該顆粒壓制試驗(yàn)裝置用于模擬顆粒飼料在環(huán)模孔中的成型過(guò)程。主要由孔徑模具、加壓柱、加熱電阻絲、外套、頂蓋和底座構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。其中，核心部件是孔徑模具，為可更換件，不同模具具有不同的孔徑和孔深。試驗(yàn)中通過(guò)更換模具，即可達(dá)到改變?？讐嚎s比(孔徑/有效孔深)的目的。此外，為了考慮溫度對(duì)顆粒性能的影響，在裝置中嵌入了加熱電阻絲和溫控元件。

試驗(yàn)時(shí)將此試驗(yàn)裝置放在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)控制進(jìn)料的壓力和速度，由試驗(yàn)機(jī)的頂桿推動(dòng)加壓柱，對(duì)粉狀飼料進(jìn)行施壓，實(shí)現(xiàn)飼料顆粒的成型。

圖1 顆粒壓制試驗(yàn)裝置

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的粉料是鯽魚(yú)顆粒料原料，其粉料配比見(jiàn)表1。由于鯽魚(yú)習(xí)慣生活在水面的中下層，需要飼料顆粒具備良好的下沉性，因此，該飼料顆粒密度要大于水面生活魚(yú)類(lèi)的飼料顆粒密度。

表1 粉料配方

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

顆粒壓制試驗(yàn)裝置、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(美斯特CMT6502型)、游標(biāo)卡尺(精度：0.01 mm)、分析天平(精度：0.1 mg，量程：100～300 g)、量筒。

2.3 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)方案：模具選用魚(yú)類(lèi)飼料壓制普遍使用的模孔尺寸Φ2 mm。根據(jù)不同的壓縮比要求，對(duì)應(yīng)不同的有效孔深，如表2所示，壓縮比越大，有效孔深越深。試驗(yàn)中，以飼料顆粒密度為響應(yīng)值，以壓制速度和壓縮比為影響因子，采用中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(central composite design，CCD)，確定2因素5水平共25個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)方案。

表2 不同壓縮比下的有效孔深

影響因子的取值范圍及各自水平確定如下：魚(yú)類(lèi)飼料壓制成型中，環(huán)模壓縮比通常為1∶10～1∶18，如果此值過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致飼料顆粒的致密度和耐水性不好，而過(guò)大則會(huì)容易造成出料難甚至塞料現(xiàn)象，因此試驗(yàn)中將壓縮比分別設(shè)置為1∶10、1∶12、1∶14、1∶16和1∶18五個(gè)水平。壓制速度決定了粉料在模具中的壓制時(shí)間和流動(dòng)速率，將其分別設(shè)定為2、4、6、8、10 mm/s五個(gè)水平。

此外，對(duì)于試驗(yàn)裝置溫度的設(shè)定，通常粉碎后的原料經(jīng)調(diào)質(zhì)進(jìn)入環(huán)模制粒前的物料溫度要求達(dá)到85～91℃，因此為了模擬的真實(shí)性，將試驗(yàn)裝置的加熱溫度設(shè)定為90℃，并且在模擬壓制的過(guò)程中，制粒溫度始終保持在這一溫度。

2.3.2 飼料顆粒密度計(jì)算：參考楊俊成等(2000)中蹾實(shí)后表觀密度的測(cè)量方法：首先，在量筒中裝入200 cm3飼料并進(jìn)行蹾實(shí)(蹾實(shí)的目的是為了盡量減少物料內(nèi)的空隙)。然后，測(cè)定量筒內(nèi)飼料的質(zhì)量和體積。最后，計(jì)算蹾實(shí)后的表觀密度，等于量筒內(nèi)飼料質(zhì)量/量筒內(nèi)飼料體積，單位為g/cm3。

2.4 結(jié)果與分析

按照試驗(yàn)方案重復(fù)做兩次，得到兩組試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。選取第一組試驗(yàn)結(jié)果，得到飼料顆粒密度Y與壓縮比A、壓制速度B的二階響應(yīng)面回歸模型：

表3 飼料顆粒密度與壓制速度、壓縮比關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)面回歸模型的方差分析如表4所示，回歸模型的F值為334.12，P<0.000 1，差異極為顯著，證明試驗(yàn)是可靠的。模型決定系數(shù)R2=0.988 8，校正決定系數(shù)Adj R2=0.985 8，表明模型可以解釋98.58%的響應(yīng)變化，模型擬合度高，試驗(yàn)誤差小，能夠很好的描述各影響因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系。依據(jù)回歸模型中的系數(shù)和方差分析可知，響應(yīng)面試驗(yàn)范圍內(nèi)各影響因子的主效應(yīng)關(guān)系為：壓制速度>壓縮比>壓制速度和壓縮比的交互作用。

表4 回歸模型的方差分析

2.4.1 單一影響因子對(duì)飼料顆粒密度的影響分析

圖2中的平滑曲線由二階響應(yīng)面回歸模型得到，圖中散點(diǎn)為影響因子各水平下的試驗(yàn)結(jié)果。其中圖2(a)為壓制速度6 mm/s時(shí)，壓縮比對(duì)顆粒密度的影響，可以看出當(dāng)壓制速度一定的情況下，顆粒密度隨壓縮比的增加而提高；圖2(b)為壓縮比為1∶14時(shí)，壓制速度對(duì)顆粒密度的影響，可以得到當(dāng)壓縮比一定的情況下，顆粒密度會(huì)隨著壓制速度的提升而降低。上述結(jié)論與生產(chǎn)中的實(shí)際情況相符。

圖2 單一因素對(duì)飼料顆粒密度的影響

2.4.2 影響因子交互作用下對(duì)飼料顆粒密度的影響

圖3分別用響應(yīng)曲面和等高線圖兩種方式表達(dá)了影響因子交互作用下對(duì)顆粒密度的影響，圖中圓點(diǎn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。響應(yīng)曲面坡度越陡峭，表明響應(yīng)值對(duì)于影響因子的改變?cè)矫舾校环粗嫫露仍狡骄?，影響因子的改變?duì)響應(yīng)值的影響也就越小。圖3(a)直觀地反映了壓縮比和壓制速度交互作用對(duì)顆粒密度的影響程度。圖3(b)中顯示，當(dāng)顆粒密度一定時(shí)，選用環(huán)模的壓縮比越小，所需設(shè)置的壓制速度則越慢；反之，壓縮比越大，壓制速度則需要相應(yīng)提高。較低的壓制速度和較高的壓縮比作用下可獲得高顆粒密度，反之，較高的壓制速度和較低的壓縮比作用可獲得低顆粒密度。從等高線的變化趨勢(shì)來(lái)看，當(dāng)壓縮比增加到一定數(shù)值后，壓制速度的變化將不再會(huì)對(duì)顆粒密度產(chǎn)生顯著的影響。根據(jù)該等高線圖，可以確定出獲得某指定顆粒密度所需的壓縮比和壓制速度的選擇范圍，并且可以制定出多種壓制速度和壓縮比組合的壓制方案，為成型設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化以及工藝參數(shù)設(shè)置提供理論依據(jù)，或者根據(jù)現(xiàn)有的壓制速度和壓縮比組合方案，預(yù)測(cè)出所獲得的飼料顆粒的密度。

圖3 影響因子交互作用下對(duì)飼料顆粒密度的影響

3 預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

利用第II組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二階響應(yīng)模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性驗(yàn)證，結(jié)果如表5所示。預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差率在0.024 5%～0.675 9%之間，平均誤差率為0.247 3%。由此可知，該二階響應(yīng)回歸模型具備一定的準(zhǔn)確性，可以在生產(chǎn)實(shí)踐中用于顆粒密度的預(yù)測(cè)、成型設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化以及工藝方案的選擇。

表5 預(yù)測(cè)效果驗(yàn)證

4 結(jié)論

本文以飼料顆粒密度為響應(yīng)值，以環(huán)模壓縮比和壓制速度為影響因子進(jìn)行了魚(yú)類(lèi)顆粒飼料的壓制模擬試驗(yàn)。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合出飼料顆粒密度的二階響應(yīng)面回歸模型，基于該響應(yīng)面模型分析出了因子單一作用和交互作用下對(duì)飼料顆粒密度的影響。此外，還利用另一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型可以用于飼料顆粒密度的預(yù)測(cè)、成型設(shè)備主要結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和工藝方案的選擇，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。