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1、挤压膨化对玉米秸秆中粗纤维含量的影响第39卷第3期2008年3月东北农业大学JournalofNortheastAgriculturalUniversity39f31:105-109Mar.2008文章编号10059369(2008)03010505挤压膨化对玉米秸秆中粗纤维含量的影响赵凤芹1,2申德超L,刘远洋,张祖立(1.东北农业大学工程学院,哈尔滨150030;2.沈阳农业大学工程学院,沈阳1101613.山东理工大学轻工与农业工程学院,山东淄博255049)摘要;通过五因素五水平正交旋转组合试验,研究了挤压膨化系统参数(套筒温度,螺杆转速,螺杆末端至模板内表面的距离,模孔间隙和物料含水
2、率)对挤压膨化后的玉米秸秆粗纤维含量的影响规律.结果表明,挤压系统参数对粗纤维含量都有不同程度的影响,其中螺杆转速和物料的含水率对粗纤维的影响显着.通过分析得出粗纤维含量在25%28%的综合工艺措施:模孔间隙为4mm,6段长度为12mm,套筒温度为140oc,螺杆转速为65r?rain-,含水率为32%,为生产中应用膨化秸秆做饲料提供参考.关键词:挤压;王米秸秆;粗纤维中图分类号:TS223.4文献标识码:A我国农作物秸秆资源十分丰富,占全世界秸秆总产量的20%30%f1.然而,由于秸秆质地粗硬,粗纤维含量高达35%40%,还含有木质素,半纤维素以及硅酸盐等,直接作为反刍动物的粗饲料时,其消化
3、率低(45%50%),粗蛋白含量低(3%左右),适口性差,采食量也很低,限制了秸秆的应用,目前,农作物秸秆用于饲料部分远不足10%f1.但是,秸秆经过合理加工后,饲喂草食家畜或作为配制全价饲料的基础日粮,可提高采食量,营养价值和消化率,对草食家畜的生长和增重,提高饲料报酬和经济效益有良好作用I2_.目前有报道的秸秆膨化方法为罐式膨化法,即热喷,经热喷处理的秸秆饲料,明显增加了可溶性成分和可消化,吸收成分,使适口性变好,从而提高了饲用价值,但这种方法尚存在一些问题,如设备复杂,占地面积大,所需费用高等,未能广泛使用【31.而挤压膨化方法是目前秸秆处理的一项新技术l41,秸秆中粗纤维含量的变化能有
4、效地反映秸秆的饲用价值,挤压膨化各参数对秸秆粗纤维含量的影响规律,因此,研究秸秆挤压膨化处理方法,不仅对了解秸秆挤压膨化机理,增加营养价值,收稿日期:20060404作者简介:赵风芹(1966一),女,辽宁人,博士,教授,主要从事农产品加工教学和科研工作.通讯作者Email:shendc126.con提高消化率有重要价值,而且为秸秆资源的合理利用开辟一条新途径.1材料与方法1.1材料与设备材料:玉米秸秆,品种:富友,购于东北农业大学试验场;其它试剂为化学分析纯,购于化学试剂商店;设备:自制的单螺杆挤压膨化机见图1;1一电机;2-小带轮;3-皮带;4一大带轮;5-轴承座;6一喂料斗;7一第一节套
5、筒;8一第二节套筒;9一第三节套筒;10一第四节套筒;11一机座1-Electromotor;2-Smallpulley;3-Belt;4-Biggerpulley;5-Bearingbody;6-Feedhopper;7-No.1Sleeve;8-No.2Sleeve;9一No.3Sleeve;10一No.4Sleeve;11一Statorframe图1单螺杆秸秆挤压膨化机Fig.1Thesingleextruderforpressingmaterialstraw?106?东北农业大学第39卷DF一110型电子分析天平,精度0.1mg;HG1011型电热鼓风干燥箱,灵敏度4-1;DWF一10
6、0型电动植物粉碎机;9FFQ一3320型侧切揉搓粉碎多功能机;茂福炉(可控制炉温在5502);SHZD()型循环水真空泵(河南巩义市英峪予华仪器厂).1.2试验方法1.2.1试验步骤玉米秸秆一粉碎一挤压膨化一调质一挤压膨化秸秆一指标的测定.1.2.2粉碎由于黑龙江气候比较干燥,放置一段时间的玉米秸秆水分一般为8%左右.用锤片式秸秆粉碎机将玉米秸秆粉碎.粉碎后秸秆的平均长度约为15mln.1.2-3挤压膨化使用单螺杆挤压膨化机将粉碎后的玉米秸秆进行挤压膨化处理,根据需要可以控制不同的挤压膨化参数进行挤压膨化试验51.1.2.4考察指标的测定将挤压膨化后的样品进行粗纤维测定.测定方法为GB厂T34
7、94.1.2.5试验安排试验因素:选择挤压机模孔间隙A(mm),螺杆末端至模板内表面距离(段长度)(mm),套筒温度T(),螺杆转速N(r?min1),含水率w(%),分别为l,2,3,丘,5.因素水平安排见表1.考察指标:粗纤维含量y(.表1试验因素水平编码Table1Experimentalvariablesandlevels22.1结果与分析挤压膨化工艺参数对粗纤维含量的影响规律结果见表2.表2试验方案及结果Table2Experimentalplanandresults第3期赵凤芹等:挤压膨化对玉米秸秆中粗纤维含量的影响?107玉米秸秆经挤压膨化处理可以改变秸秆的理化性状和营养成分,提
8、高家畜对秸秆的采食率和消化率.粗纤维含量是衡量秸秆营养成分的一个重要指标.2.1.1建立回归方程应用二次正交旋转组合设计和reda软件包进行试验数据的处理嗍,得到挤压膨化参数对粗纤维含量的回归方程.】,粗纤维含量,.为模孔间隙,为6段长度,为套筒温度,为螺杆转速,为物料含水率.Y=28.00+0.091l一0.0220.53+0.61X4+0.54X5+0.02XlX2+0.44XlX3+0.03XlX4+0.26XlX5+0.85X22-0.14X2X30.364-_0.5950.17X32+0.11Xf4+0.21X5+0.63X420.66XX+0.17X2.1.2回归方程的方差分析回归
9、方程的方差分析见表3.表3回归方程方差分析Table3Thevarianceanalysisofcrudefibre由表3可见,=1.88<F(6,9):3.37,说明回归方程拟合的较好,又因为=2.56>F(20,15)=2.33,说明方程在0.05水平是显着的,即试验数据与所采用的二次数学模型基本相符.2.1.3采用统计选优寻求最佳挤压参数的范围对所得的二次方程进行优化处理,采用频数分析方法寻找最佳挤压工艺参数.频数选优结果中,粗纤维含量25%28%之间的有470个,占组合方案的15.04%,频数选优结果换算成实际值模孔间隙为4mm,螺杆末端至模板内表面距离(6段长度)为13m
10、m,套筒温度为140,螺杆转速为65r?min,含水率为32%.2.2挤压膨化参数对膨化秸秆粗纤维含量的影响2.2.1双因素分析挤压参数对秸秆粗纤维含量的影响程度,由因子贡献率(l=02,2=1.34,=0.92,X4=2.11,=1.31)可知,各因素对膨化秸秆中粗纤维含量的影响大小依次为螺杆转速,6段长度,物料的含水率,套筒温度,模孔间隙.其中,螺杆转速和6段长度粗纤维的影响都很显着.由图2可知,8段长度和螺杆转速都取中水平时,粗纤维含量最低,为25.3%,说明适宜螺杆转速和6段长度有利于粗纤维含量的降低.图2粗纤维含量随螺杆转速和段长度的变化规律Fig.2Therelationshipb
11、etweencontentofcrudefibreandscrewspeedandlength2.2.2单因素分析在研究单因素对挤压秸秆中粗纤维含量的影响时,由于其它各因素固定在不同水平时对粗纤维含量影响规律不一样,因此选择挤压膨化参数为零水平研究范围.下面具体分析一下各因素对粗纤维含量的影响.粗纤维含量随着各因素的变化曲线见图3.由图3可知,粗纤维含量随模孔间隙的增加而增加,最后几乎没有什么变化.由于模孔间隙加大,滞留时间短,物料受剪切的时间短,纤维破坏勰2IJ0Joglu00一一姐好靼东北农业大学第39卷减弱;粗纤维含量随段长度的增加先减小后增加;随段长度的增加,滞留时间增加,受剪切的力量
12、增加,粗纤维下降;但随着6段长度的进一步增加,受各种因素的影响,粗纤维含量又有所上升.说明合适6段长度对纤维的破坏有利0】.蔓ij31一.29,.一?一2一l0l2挤压参数水平值Extrusionparameterslevel+模孔间隙Nozzlegap+6段长度6length十套筒温度Temperature*一螺杆转速Screwspeed+物料的含水率Strawmoisture图3粗纤维含量随挤压系统参数的变化规律Fig.3Therelationshipbetweencontentofcrudefibreandparametersofextrusionsystem粗纤维含量先随套筒温度的增加
13、而减小,最后变化平稳.温度高使纤维破坏强所致,但当温度达到一定的程度时,纤维会糊化,所以随着温度的增加,粗纤维含量变化平稳.粗纤维含量先随螺杆转速的增加先减小后增加.一定条件下,转速高剪切强,促使纤维破坏,但随着转速的进一步加大,物料在套筒内的滞留时间缩短,使物料受剪切的时间缩短,致使粗纤维含量增加.粗纤维含量随含水率的增加而增加.因为水分越大吸收热量越多,致使温度降低,纤维破坏降低.2.2.3膨化前后粗纤维含量对比分析秸秆膨化前粗纤维的含量为33.69%,由试验可知经过挤压膨化的玉米秸秆的粗纤维含量都有不同程度的下降.通过分析可知,秸秆在挤压膨化过程中,秸秆在挤压腔内与螺杆,螺套壁及秸秆之间
14、挤压,摩擦,剪切,产生的高温,高压,使秸秆细胞间及细胞壁内各层间的木质素熔化,部分氢键断裂而吸水,木质素,纤维素,半纤维素发生高温水解,增加了可溶性成分的含量,从而使粗纤维含量降低,由此可以说明,挤压膨化改善了玉米秸秆作为粗饲料的营养价值.2.2.4验证试验结果分析用优化的挤压参数模孔间隙A=4mm,6段长度为12mm,套筒温度T=140o【=,螺杆转速N=65r?min一,含水率W=32%进行挤压验证试验,测得粗纤维含量为28.02%,理论的粗纤维含量为26.56%,二者的相对误差为5.2%,在允许的范围内,表明试验数据与回归方程所得数据基本相符.3结论a.挤压系统参数对挤压膨化秸秆粗纤维含
15、量的影响程度大小依次为螺杆转速,6段长度,物料的含水率,套筒温度,模孑L间隙.其中螺杆转速和6段长度粗纤维含量的影响显着,6段长度和螺杆转速都取中水平时,粗纤维含量最低,为25.3%.b.采用统计选优的方法,得出最佳挤压系统参数为模孔间隙4mm,8段长度12mm,套筒温度140,螺杆转速65r?rain一,含水率32%.验证试验实际测得的粗纤维含量与理论分析结果的相对误差为5.2%,表明回归方程结果可信.c.挤压膨化前后的秸秆粗纤维含量的对比分析表明,经过挤压膨化的玉米秸秆的粗纤维含量下降了2.2%一8.6%,挤压膨化能够改善玉米秸秆作为粗饲料的营养价值.参考文献1晏向华,瞿明仁,黎观红,等.
16、秸秆饲料资源的开发与应用研究最新进展【J1.粮食饲料工业,2000(5):2225.2梁培庆.以秸秆为主料颗粒饲料工业化生产探讨【J1.饲料工业,1992,1331:22-23.3齐胜利.秸秆饲料的营养与JJlJ.粮食饲料工业,1998(12):2829.4张魁学,武康凯,周佩成,等.影响单螺杆挤压膨化机性能因素的试验研究【J.农业机械,1999(3):96_】03.【5张祖立,朱永文,刘晓峰,等.螺杆挤压膨化机加工农作物秸杆的试验研究【J1_农业工程,2001,17(6):97101.6张祖立.农作物秸秆膨化技术及膨化机理的研究【J1_沈阳农业大学,2001(32):128130.7徐中儒.
17、农业试验最优回归设计【M.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1988.第3期赵风芹等:挤压膨化对玉米秸秆中粗纤维含量的影响【8王宏立.秸秆挤压膨化技术J1_农产品加工,2003(6):33一resJ1.Journa1ofFoodEngineerig,2002,54(1):6373341OIsmailFA,ZahranGH.Studiesonextrusionconditionsofsome【9CindioB,GabrieleD,MariaPolliniC,eta1.FilledsnackproduccerealsandlegumesJ.EgyptianJourna1ofFoodScience.20
18、02.tionbycoextrusioncooking:effectofprocessingoncerealmixtu一3Of1):5976TheexperimentalstudyontheinfluenceregularityofextrudingexpandingoncrudefibrecontentofcornstrawZHAOFengqin.一,SHENDechao.一,LIUYuanyang.,ZHANGZuli(1.EngineeringCollege,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China;2.EngineeringC
19、ollege,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110161,China;3?LightIndustryandAgriculturalEngineeringCollege,ShandongUniversityofTechnology,ZiboShandong255049,China1Abstract:Therelationshipbetweencrudefibrecontentandextrusionsystemparameterswasstudiedthr0ughsquarecombinationexperimentoffivefactorsand
20、fivelevelswithorthogonalityandrevolve.TheseDaI_ameterSwerethenozzleSgap,thelengthofsection6,thetemperatureofSleeve,thescrewspeedandstrawm0isture.Resultshowedthatcrudefibrecontenthavechangedbydifferentprocess,aswellasthescrewsDeedandthelengthofsection6weremoreeffectivethanother.Throughanalysis,thetec
21、hnologicmeasureofcnJdefibrecontentbetween25%and28%werestudiedbasedonexperimentsasfollow,then0zzIeSgapis4mm.thelengthofsection6is12mm,thetemperatureis140,thescrewspeedis65r?min一andstrawmoistureis32%,whichprovidescertainreferencefordesignofhoppersandmakestrawfeed.Keywords:extruding;cornstraw;crudefibre