擠壓膨化對玉米秸稈中粗纖維含量的影響

1、擠壓膨化對玉米秸稈中粗纖維含量的影響第39卷第3期2008年3月東北農(nóng)業(yè)大學(xué)journalofnortheastagriculturaluniversity39f31:105-109mar.2008文章編號10059369(2008)03010505擠壓膨化對玉米秸稈中粗纖維含量的影響趙鳳芹1,2申德超l,劉遠(yuǎn)洋,張祖立(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,哈爾濱150030;2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,沈陽1101613.山東理工大學(xué)輕工與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,山東淄博255049)摘要;通過五因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗,研究了擠壓膨化系統(tǒng)參數(shù)(套筒溫度,螺桿轉(zhuǎn)速,螺桿末端至模板內(nèi)表面的距離,?？组g隙和物料含水

2、率)對擠壓膨化后的玉米秸稈粗纖維含量的影響規(guī)律.結(jié)果表明,擠壓系統(tǒng)參數(shù)對粗纖維含量都有不同程度的影響,其中螺桿轉(zhuǎn)速和物料的含水率對粗纖維的影響顯著.通過分析得出粗纖維含量在25%28%的綜合工藝措施:?？组g隙為4mm,6段長度為12mm,套筒溫度為140oc,螺桿轉(zhuǎn)速為65r?rain-,含水率為32%,為生產(chǎn)中應(yīng)用膨化秸稈做飼料提供參考.關(guān)鍵詞:擠壓;王米秸稈;粗纖維中圖分類號:ts223.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:a我國農(nóng)作物秸稈資源十分豐富,占全世界秸稈總產(chǎn)量的20%30%f1.然而,由于秸稈質(zhì)地粗硬,粗纖維含量高達(dá)35%40%,還含有木質(zhì)素,半纖維素以及硅酸鹽等,直接作為反芻動物的粗飼料時,其消化

3、率低(45%50%),粗蛋白含量低(3%左右),適口性差,采食量也很低,限制了秸稈的應(yīng)用,目前,農(nóng)作物秸稈用于飼料部分遠(yuǎn)不足10%f1.但是,秸稈經(jīng)過合理加工后,飼喂草食家畜或作為配制全價飼料的基礎(chǔ)日糧,可提高采食量,營養(yǎng)價值和消化率,對草食家畜的生長和增重,提高飼料報酬和經(jīng)濟效益有良好作用i2_.目前有報道的秸稈膨化方法為罐式膨化法,即熱噴,經(jīng)熱噴處理的秸稈飼料,明顯增加了可溶性成分和可消化,吸收成分,使適口性變好,從而提高了飼用價值,但這種方法尚存在一些問題,如設(shè)備復(fù)雜,占地面積大,所需費用高等,未能廣泛使用【31.而擠壓膨化方法是目前秸稈處理的一項新技術(shù)l41,秸稈中粗纖維含量的變化能有

4、效地反映秸稈的飼用價值,擠壓膨化各參數(shù)對秸稈粗纖維含量的影響規(guī)律,因此,研究秸稈擠壓膨化處理方法,不僅對了解秸稈擠壓膨化機理,增加營養(yǎng)價值,收稿日期:20060404作者簡介:趙風(fēng)芹(1966一),女,遼寧人,博士,教授,主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工教學(xué)和科研工作.通訊作者email:shendc126.con提高消化率有重要價值,而且為秸稈資源的合理利用開辟一條新途徑.1材料與方法1.1材料與設(shè)備材料:玉米秸稈,品種:富友,購于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗場;其它試劑為化學(xué)分析純,購于化學(xué)試劑商店;設(shè)備:自制的單螺桿擠壓膨化機見圖1;1一電機;2-小帶輪;3-皮帶;4一大帶輪;5-軸承座;6一喂料斗;7一第一節(jié)套

5、筒;8一第二節(jié)套筒;9一第三節(jié)套筒;10一第四節(jié)套筒;11一機座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圖1單螺桿秸稈擠壓膨化機fig.1thesingleextruderforpressingmaterialstraw?106?東北農(nóng)業(yè)大學(xué)第39卷df一110型電子分析天平,精度0.1mg;hg1011型電熱鼓風(fēng)干燥箱,靈敏度4-1;dwf一10

6、0型電動植物粉碎機;9ffq一3320型側(cè)切揉搓粉碎多功能機;茂福爐(可控制爐溫在5502);shzd()型循環(huán)水真空泵(河南鞏義市英峪予華儀器廠).1.2試驗方法1.2.1試驗步驟玉米秸稈一粉碎一擠壓膨化一調(diào)質(zhì)一擠壓膨化秸稈一指標(biāo)的測定.1.2.2粉碎由于黑龍江氣候比較干燥,放置一段時間的玉米秸稈水分一般為8%左右.用錘片式秸稈粉碎機將玉米秸稈粉碎.粉碎后秸稈的平均長度約為15mln.1.2-3擠壓膨化使用單螺桿擠壓膨化機將粉碎后的玉米秸稈進(jìn)行擠壓膨化處理,根據(jù)需要可以控制不同的擠壓膨化參數(shù)進(jìn)行擠壓膨化試驗51.1.2.4考察指標(biāo)的測定將擠壓膨化后的樣品進(jìn)行粗纖維測定.測定方法為gb廠t34

7、94.1.2.5試驗安排試驗因素:選擇擠壓機?？组g隙a(mm),螺桿末端至模板內(nèi)表面距離(段長度)(mm),套筒溫度t(),螺桿轉(zhuǎn)速n(r?min1),含水率w(%),分別為l,2,3,丘,5.因素水平安排見表1.考察指標(biāo):粗纖維含量y(.表1試驗因素水平編碼table1experimentalvariablesandlevels22.1結(jié)果與分析擠壓膨化工藝參數(shù)對粗纖維含量的影響規(guī)律結(jié)果見表2.表2試驗方案及結(jié)果table2experimentalplanandresults第3期趙鳳芹等:擠壓膨化對玉米秸稈中粗纖維含量的影響?107玉米秸稈經(jīng)擠壓膨化處理可以改變秸稈的理化性狀和營養(yǎng)成分,提

8、高家畜對秸稈的采食率和消化率.粗纖維含量是衡量秸稈營養(yǎng)成分的一個重要指標(biāo).2.1.1建立回歸方程應(yīng)用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計和reda軟件包進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的處理嗍,得到擠壓膨化參數(shù)對粗纖維含量的回歸方程.】,粗纖維含量,.為模孔間隙,為6段長度,為套筒溫度,為螺桿轉(zhuǎn)速,為物料含水率.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回歸方程的方差分析回歸

9、方程的方差分析見表3.表3回歸方程方差分析table3thevarianceanalysisofcrudefibre由表3可見,=1.88<f(6,9):3.37,說明回歸方程擬合的較好,又因為=2.56>f(20,15)=2.33,說明方程在0.05水平是顯著的,即試驗數(shù)據(jù)與所采用的二次數(shù)學(xué)模型基本相符.2.1.3采用統(tǒng)計選優(yōu)尋求最佳擠壓參數(shù)的范圍對所得的二次方程進(jìn)行優(yōu)化處理,采用頻數(shù)分析方法尋找最佳擠壓工藝參數(shù).頻數(shù)選優(yōu)結(jié)果中,粗纖維含量25%28%之間的有470個,占組合方案的15.04%,頻數(shù)選優(yōu)結(jié)果換算成實際值?？组g隙為4mm,螺桿末端至模板內(nèi)表面距離(6段長度)為13m

10、m,套筒溫度為140,螺桿轉(zhuǎn)速為65r?min,含水率為32%.2.2擠壓膨化參數(shù)對膨化秸稈粗纖維含量的影響2.2.1雙因素分析擠壓參數(shù)對秸稈粗纖維含量的影響程度,由因子貢獻(xiàn)率(l=02,2=1.34,=0.92,x4=2.11,=1.31)可知,各因素對膨化秸稈中粗纖維含量的影響大小依次為螺桿轉(zhuǎn)速,6段長度,物料的含水率,套筒溫度,模孔間隙.其中,螺桿轉(zhuǎn)速和6段長度粗纖維的影響都很顯著.由圖2可知,8段長度和螺桿轉(zhuǎn)速都取中水平時,粗纖維含量最低,為25.3%,說明適宜螺桿轉(zhuǎn)速和6段長度有利于粗纖維含量的降低.圖2粗纖維含量隨螺桿轉(zhuǎn)速和段長度的變化規(guī)律fig.2therelationshipb

11、etweencontentofcrudefibreandscrewspeedandlength2.2.2單因素分析在研究單因素對擠壓秸稈中粗纖維含量的影響時,由于其它各因素固定在不同水平時對粗纖維含量影響規(guī)律不一樣,因此選擇擠壓膨化參數(shù)為零水平研究范圍.下面具體分析一下各因素對粗纖維含量的影響.粗纖維含量隨著各因素的變化曲線見圖3.由圖3可知,粗纖維含量隨?？组g隙的增加而增加,最后幾乎沒有什么變化.由于?？组g隙加大,滯留時間短,物料受剪切的時間短,纖維破壞勰2ij0joglu00一一姐好靼東北農(nóng)業(yè)大學(xué)第39卷減弱;粗纖維含量隨段長度的增加先減小后增加;隨段長度的增加,滯留時間增加,受剪切的力量

12、增加,粗纖維下降;但隨著6段長度的進(jìn)一步增加,受各種因素的影響,粗纖維含量又有所上升.說明合適6段長度對纖維的破壞有利0】.蔓ij31一.29,.一?一2一l0l2擠壓參數(shù)水平值extrusionparameterslevel+模孔間隙nozzlegap+6段長度6length十套筒溫度temperature*一螺桿轉(zhuǎn)速screwspeed+物料的含水率strawmoisture圖3粗纖維含量隨擠壓系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律fig.3therelationshipbetweencontentofcrudefibreandparametersofextrusionsystem粗纖維含量先隨套筒溫度的增加

13、而減小,最后變化平穩(wěn).溫度高使纖維破壞強所致,但當(dāng)溫度達(dá)到一定的程度時,纖維會糊化,所以隨著溫度的增加,粗纖維含量變化平穩(wěn).粗纖維含量先隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加先減小后增加.一定條件下,轉(zhuǎn)速高剪切強,促使纖維破壞,但隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步加大,物料在套筒內(nèi)的滯留時間縮短,使物料受剪切的時間縮短,致使粗纖維含量增加.粗纖維含量隨含水率的增加而增加.因為水分越大吸收熱量越多,致使溫度降低,纖維破壞降低.2.2.3膨化前后粗纖維含量對比分析秸稈膨化前粗纖維的含量為33.69%,由試驗可知經(jīng)過擠壓膨化的玉米秸稈的粗纖維含量都有不同程度的下降.通過分析可知,秸稈在擠壓膨化過程中,秸稈在擠壓腔內(nèi)與螺桿,螺套壁及秸稈之間

14、擠壓,摩擦,剪切,產(chǎn)生的高溫,高壓,使秸稈細(xì)胞間及細(xì)胞壁內(nèi)各層間的木質(zhì)素熔化,部分氫鍵斷裂而吸水,木質(zhì)素,纖維素,半纖維素發(fā)生高溫水解,增加了可溶性成分的含量,從而使粗纖維含量降低,由此可以說明,擠壓膨化改善了玉米秸稈作為粗飼料的營養(yǎng)價值.2.2.4驗證試驗結(jié)果分析用優(yōu)化的擠壓參數(shù)?？组g隙a=4mm,6段長度為12mm,套筒溫度t=140o【=,螺桿轉(zhuǎn)速n=65r?min一,含水率w=32%進(jìn)行擠壓驗證試驗,測得粗纖維含量為28.02%,理論的粗纖維含量為26.56%,二者的相對誤差為5.2%,在允許的范圍內(nèi),表明試驗數(shù)據(jù)與回歸方程所得數(shù)據(jù)基本相符.3結(jié)論a.擠壓系統(tǒng)參數(shù)對擠壓膨化秸稈粗纖維含

15、量的影響程度大小依次為螺桿轉(zhuǎn)速,6段長度,物料的含水率,套筒溫度,模孑l間隙.其中螺桿轉(zhuǎn)速和6段長度粗纖維含量的影響顯著,6段長度和螺桿轉(zhuǎn)速都取中水平時,粗纖維含量最低,為25.3%.b.采用統(tǒng)計選優(yōu)的方法,得出最佳擠壓系統(tǒng)參數(shù)為?？组g隙4mm,8段長度12mm,套筒溫度140,螺桿轉(zhuǎn)速65r?rain一,含水率32%.驗證試驗實際測得的粗纖維含量與理論分析結(jié)果的相對誤差為5.2%,表明回歸方程結(jié)果可信.c.擠壓膨化前后的秸稈粗纖維含量的對比分析表明,經(jīng)過擠壓膨化的玉米秸稈的粗纖維含量下降了2.2%一8.6%,擠壓膨化能夠改善玉米秸稈作為粗飼料的營養(yǎng)價值.參考文獻(xiàn)1晏向華,瞿明仁,黎觀紅,等.

16、秸稈飼料資源的開發(fā)與應(yīng)用研究最新進(jìn)展【j1.糧食飼料工業(yè),2000(5):2225.2梁培慶.以秸稈為主料顆粒飼料工業(yè)化生產(chǎn)探討【j1.飼料工業(yè),1992,1331:22-23.3齊勝利.秸稈飼料的營養(yǎng)與jjlj.糧食飼料工業(yè),1998(12):2829.4張魁學(xué),武康凱,周佩成,等.影響單螺桿擠壓膨化機性能因素的試驗研究【j.農(nóng)業(yè)機械,1999(3):96_】03.【5張祖立,朱永文,劉曉峰,等.螺桿擠壓膨化機加工農(nóng)作物秸桿的試驗研究【j1_農(nóng)業(yè)工程,2001,17(6):97101.6張祖立.農(nóng)作物秸稈膨化技術(shù)及膨化機理的研究【j1_沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué),2001(32):128130.7徐中儒.

17、農(nóng)業(yè)試驗最優(yōu)回歸設(shè)計【m.哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1988.第3期趙風(fēng)芹等:擠壓膨化對玉米秸稈中粗纖維含量的影響【8王宏立.秸稈擠壓膨化技術(shù)j1_農(nóng)產(chǎn)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.engineeringcollege,shenyangagriculturaluniversity,shenyang110161,china;3?lightindustryandagriculturalengineeringcollege,shandonguniversityoftechnology,ziboshandong255049,china1abstract:therelationshipbetweencrudefibrecontentandextrusionsystemparameterswasstudiedthr0ughsquarecombinat