基于主成分分析的玉米DDGS物理特性评价

杨 洁 王 璐 陈 啸 孔丹丹 王红英

基于主成分分析的玉米DDGS物理特性评价

杨 洁 王 璐 陈 啸 孔丹丹 王红英

（中国农业大学工学院，北京 100083）

为对玉米DDGS的物理特性进行分析及量化评价，以国内外8个玉米DDGS为试验材料，测定分析其容重、热物理特性、摩擦特性、粉碎特性及色差指标参数，并运用主成分分析法简化物理特性指标，构架评价体系，得到每种样品的综合得分。结果表明：样品各物理特性指标间存在不同程度的差异；各物理特性指标之间存在不同程度的相关性，比热与热导率呈极显著正相关，与导温系数呈极显著负相关；热导率与平均粒径呈显著正相关；导温系数与容重呈极显著负相关；摩擦系数与休止角呈极显著正相关，与平均粒径呈极显著负相关；L*、b*与平均粒径呈极显著正相关；L*与b*呈极显著正相关。通过主成分分析提取了3个主成分，累积方差贡献率达到87.415%；主成分分析的结果表明进口玉米DDGS的物理特性较好。

玉米DDGS 热物理特性 摩擦特性 粉碎特性 色泽 主成分分析

DDGS是将酒糟醪液经固液分离后的滤渣（distillers grains，DG）与蒸发浓缩后的过滤浆液（condensed distillers solubles，CDS）混合干燥而制成的［1］。与其他饲料原料相比，DDGS的蛋白质、能量和磷等含量较高，可代替部分玉米和豆粕，因而在动物饲料生产中的使用范围越来越广［2-3］。但由于酒精或者工业乙醇生产中所使用的原料质量及种类、发酵工艺、生产季节、副产品干燥方法等存在差异，导致DDGS理化特性不同，进而影响其饲用价值、营养特性和加工特性［4］。

目前，国内外对DDGS的研究主要集中在营养价值及其对动物生长性能的影响上［5-8］，而对其在饲料加工方面相关的物理特性研究较少。饲料原料的物理特性不仅对饲料加工及颗粒质量等有很大影响，也会对饲料运输及动物采食产生影响。在饲料加工中，粉碎、混合、调质、制粒、冷却都是重要的加工工序［9］。因此，与此相关的热物理特性、摩擦特性、粉碎特性就显得尤为重要。热物理特性参数是饲料调质、制粒、冷却过程中传热计算的重要参数，如果可以掌握饲料原料的热物理特性参数，就可以有效地控制调质过程中热量的供给及冷却参数的确定。摩擦特性包含摩擦系数和休止角，摩擦系数决定了饲料原料的流动性，而休止角则是计算筒仓贮料压力的重要参数［10］。粉碎特性主要指平均粒径，对饲料后续加工过程、饲料产品质量和动物生产性能均有重要影响［11-12］。色泽受多种因素影响，与DDGS养分的利用率有较大的关系［13］。综上所述，研究饲料原料的物理特性对饲料加工过程有重要的指导作用。

本试验研究国内外玉米DDGS的物理特性参数，通过对容重、热物理特性、摩擦特性、粉碎特性及色泽等指标参数测定，运用主成分分析法简化物理特性指标，构架科学的评价体系，以此来初步判定每种玉米DDGS的综合得分，为饲料加工提供理论数据基础，对实际生产中确定适宜的加工设备、加工参数起到重要作用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 主要材料

2015年4月采集国内玉米DDGS样本6个、进口玉米DDGS样本2个，其中1号和2号为低脂玉米DDGS，3号和4号为中脂玉米DDGS，5号和6号为高脂玉米DDGS，7号和8号为进口玉米DDGS。将样品粉碎过1.5 mm的筛片，备用。

1.1.2 主要仪器

DSC-60型差示扫描量热仪：日本岛津公司；热特性分析仪KD2 Pro：美国Decagon公司；LabScan XE色差仪：美国HunterLab公司；PJZ-5A拍击式振筛机：新乡市同心机械有限责任公司；JFSD-100小型粉碎机：上海嘉定粮油仪器有限公司。

1.2 试验方法

玉米DDGS的容重按照ASAE S269.4 DEC1991方法进行测定。

1.2.1 玉米DDGS热物理特性参数的测定

比热用DSC进行测定，具体做法是先用2个空白坩埚在25℃保持5 min，然后以10℃／min的速度升温到120℃，在此温度条件下保持10 min获得基线，然后放入标准物蓝宝石样品，在同样的条件下获得标准样品曲线，最后在同样的条件下测定玉米DDGS样品的DSC曲线，玉米DDGS的取样量为8 mg［14］。每个样品进行3次试验，取3次试验平均值作为最终结果。

热导率和导温系数利用KD2 pro热特性分析仪进行测定，具体做法是将玉米DDGS样品置于直径25 mm，高35 mm的小烧杯内，装满后压实。并用封口膜和保鲜膜将烧杯口密封。将长30 mm，直径1.28 mm，间距6 mm的SH-1探针垂直插入样品中，加热丝提供一定的热量，热电偶不断测量温度的变化。经过2 min后，读取仪器显示屏上的热导率与导温系数数值。每个样品进行3次试验，取3次试验平均值作为最终结果。

1.2.2 玉米DDGS摩擦特性参数的测定

休止角用基于Kansas State University推荐的方法，由自主研制的休止角测定装置进行测定，测定装置见图1（专利号：201320101172.9）。将玉米DDGS放置于漏斗中，使样品自然下落至长方体容器内形成截面接近三角形的堆积体，待堆积体形状稳定后停止添加，然后在截面的轮廓线上找到斜率最大的点，以该点为切点做直线与轮廓线相切，此切线与水平线的夹角即为物料的休止角。

图1 休止角测定装置

摩擦系数用基于斜面仪法，由自主研制的斜面仪装置进行测定，测定装置见图2（专利号：20120413462.7）。将玉米DDGS均匀铺在安放好的板件上，并不断增加板件与水平面的夹角直至板件上的物料滑落至接料盘中，然后通过测量装置得出摩擦角或摩擦系数。

图2 斜面仪装置

1.2.3 玉米DDGS粉碎特性参数的测定

平均粒径和颗粒表面积按照ANSI／ASAE S319.4方法进行测定。

具体的操作方法为：将100 g样品放在筛组最上层，使用拍击式振筛机使其振动10 min。分别称量并记录各层筛上物料的质量，并按下式计算物料的对数几何平均粒度。

式中：dgw为几何平均直径／μm；为第i层筛子上物料颗粒的几何平均直径，di＝ （di× di＋1；di为第i层筛的筛孔直径／μm；di＋1为比第i层筛孔大的相邻筛子的筛孔直径／μm；Wi为第i层筛子上物料的质量／g。

1.2.4 玉米DDGS色差参数的测定

色差采用LabScan XE色差仪进行测定。以L*、a*、b*色空间表示，L*称为亮度，L*＝0表示黑色，L*＝100表示白色。a*和b*表示不同的色彩方向，a*表示红-绿方向，b*表示黄-蓝方向。

1.3 数据处理

使用Excel 2007对数据进行统计分析，利用SPSS16.0统计软件进行方差分析，标记字母法表示组间差异显著性，然后进行主成分分析。

2 结果与讨论

2.1 玉米DDGS物理特性分析

玉米DDGS物理特性参数分析结果见表1。容重反映单位体积玉米DDGS的质量，是确定储存容量的一个重要因素。由表1可以看出，玉米DDGS的平均容重为529.4 g／L，中等变幅，变幅为（489.9～583.8）g／L，容重最大和最小的分别为2号（583.8±4.5）g／L 和3 号（489.9 ±7.5）g／L，与任善茂等［15］和Rosentrater［16］的研究结果相一致。

2.1.1 玉米DDGS热物理特性参数分析

热物理特性参数（比热、热导率、导温系数）是农产品和食品热特性的3个重要工程参数，这些参数受物料的化学成分、物理结构、物质状态、含水率、温度等影响［17-18］。目前，玉米DDGS的热物理特性参数测定较少，实践中主要引用国外数据。

在表1中可以看出，在25℃时，玉米DDGS的比热范围为（1 862.0 ～2 205.0）J·kg-1·K-1，热导率范围为（0.064 5～0.074 0）W·m-1·K-1，导温系数的范围为（0.057 5 ～0.069 8）m2·s-1·10-6，中等变幅，其中热导率与Rosentrater［16］的研究结果相一致。

玉米DDGS的热物理特性参数之间存在一定的差异，这可能是因为不同玉米DDGS生产时采用的原料、加工工艺等不同造成的。同时玉米DDGS的热物理特性也比较复杂，不但与组成成分有关，也与组织结构，粉碎粒度等有关。

2.1.2 玉米DDGS摩擦特性参数分析

玉米DDGS的摩擦特性在饲料加工有着非常重要的作用。摩擦分为外摩擦和内摩擦两大类。外摩擦指的是DDGS与固体材料的摩擦，内摩擦指的是DDGS内部的摩擦，外摩擦特性是通过摩擦系数来表示，内摩擦特性则是用休止角来衡量。摩擦系数的高低决定了其流动性程度，而内摩擦角则是应用杨森公式计算筒仓贮料压力的重要参数。

表1中可以看出，玉米DDGS休止角的平均值为39.4°，中等变幅，为35.5°～43.5°，休止角最大和最小的分别为3号（43.5±0.7）°和7号（35.5±0.7）°。本研究休止角的值比Rosentrater［16］的研究结果偏大，这可能与样本来源和测定方法有关。玉米DDGS摩擦系数的平均值为1.42，变幅较大，为0.95～1.92，摩擦系数最大和最小的分别为5号（1.92±0.06）和8 号（0.95±0.03）。国外玉米DDGS的摩擦系数低于国内玉米DDGS，并且国内玉米DDGS的摩擦系数随着脂肪含量的增加而增加。

表1 玉米DDGS物理特性参数

2.1.3 玉米DDGS粉碎特性分析

在表1中可以看出，粉碎后玉米DDGS平均粒径为345.59μm，变幅较大，其平均粒径最大和最小的分别为8号（421.47±7.86）μm和3号（287.04±10.17）μm。

从图3中可以看出粉碎后玉米DDGS的粒度主要集中在850μm以下，其中粒度在75、250、425、600 μm所占比重很大。本试验中玉米DDGS粉碎后的粒度分布是比较理想的。

图3 粉碎后玉米DDGS粒度分布图

2.1.4 玉米DDGS色差分析

DDGS外观颜色的不同，暗示着其营养价值的差异，不同来源DDGS的颜色所呈现的颜色差异主要与谷物原料的天然颜色有关。玉米DDGS颜色的差异主要是因为玉米籽实的颜色因品种的差异而不同，对最终的DDGS颜色也有影响。

由表1中可以看出，玉米DDGS的L*、a*、b*的平均值分别为51.70、12.59和34.33，其中L*和b*变幅较大，变幅分别为45.98～61.94和29.42～39.58，a*为中等变幅，变幅为11.67～13.68。进口玉米DDGS的L*和b*显著高于国产玉米DDGS，a*显著低于国产玉米DDGS，进口玉米DDGS呈黄色，而国产玉米DDGS呈黄褐色，不同脂肪含量的玉米DDGS之间的色泽有一定差异。这可能是因为不同生产厂家生产玉米DDGS时所使用谷物原料品种存在差异，并且玉米DDGS的颜色与生产工艺中干燥前所加谷物的可溶物数量和速度、干燥时间和干燥温度有关。同时，玉米DDGS的颜色也会随可溶物添加量的增加而变深。Noll等［19］研究在干燥前分别以不同添加速度和不同添加比例加入可溶物，结果发现玉米DDGS颜色亮度和黄色度随着谷物可溶物添加比例和添加速度的增加而降低，该结果也与Ganesan 等［20］的研究结果相一致。郭亮等［21］在研究中指出，玉米DDGS的颜色与干燥釜的温度有关，Spiehs等［2］也认为干燥温度与颜色相关。一般情况下，干燥器温度越高，玉米DDGS在干燥釜中时间越长，则玉米DDGS颜色越深。

2.2 玉米DDGS物理特性主成分分析

主成分分析法的原理是利用降维的思想，通过研究指标体系的内在结构关系，把多指标转化成少数几个相互独立而且包含原有指标大部分信息的综合指标。其优点是确定的权数是基于数据分析而得到的指标之间的内在结构关系，不受主观因素的影响，而得到的综合指标（主成分）之间彼此独立，减少信息的交叉，使得分析评价结果具有客观性和准确性。

采用SPSS16.0分析工具，通过主成分分析得到相关系数矩阵、方差贡献分析表、主成分荷载矩阵和相应的特征向量，如表2～表4所示。

由表2可知，各指标之间存在不同程度的相关性，说明其反映的信息有一定重叠。其中比热与热导率呈极显著正相关，与导温系数呈极显著负相关；热导率与平均粒径呈显著正相关；导温系数与容重呈极显著负相关；摩擦系数与休止角呈极显著正相关，与平均粒径呈极显著负相关；L*、b*与平均粒径呈极显著正相关；L*与b*呈极显著正相关。

每个主成分的方差即特征值，表示对应成分能够描述原有信息的多少，主成分特征值越大，其变量包含的信息就越多。由表3可知，前3个主成分的特征值大于1，累计贡献率为87.415%（＞85%），说明前3个主成分能够代表原来10个指标的信息。因此，可以将玉米DDGS的10个物理特性指标综合成3个主成分。

表2 玉米DDGS物理特性参数间的相关系数矩阵

表3 方差贡献分析表

表4 各主成分的载荷矩阵和特征向量

根据表4，构建玉米DDGS各主成分与物理特性指标之间的线性关系式，如下式：

第一主成分Z1＝0.210X1＋0.160X2＋0.320X3-0.045X4-0.452X5-0.466X6＋0.423X7＋0.317X8-0.253X9＋0.246X10

第二主成分Z2＝-0.471X1-0.382X2-0.186X3＋0.499X4＋0.059X5＋0.066X6＋0.144X7＋0.410X8＋0.049X9＋0.444X10

第三主成分Z3＝-0.116X1＋0.409X2＋0.440X3＋0.084X4＋0.235X5＋0.105X6＋0.283X7-0.071X8＋0.657X9＋0.189X10

通过表4所示的主成分载荷矩阵，得到以每个载荷量来表示的主成分与对应变量的相关关系，通过计算得到主成分的表达式。

第一主成分的方差贡献率为40.062%，包含的信息量较大，主要提取了休止角、摩擦系数和平均粒径；第二主成分的方差贡献率为32.494%，主要提取了容重、导温系数、L*和b*；第三主成分的方差贡献率为14.859%，主要提取了比热、热导率和a*。

综合主成分的系数及其对应的方差贡献率，得到评价公式Z＝0.401Z1＋0.325Z2＋0.149Z3。通过评价公式计算出玉米DDGS的物理特性指标综合得分，根据综合得分的排序，可以看出不同玉米DDGS物理特性指标的优劣。由表5可知，7号和8号样品的得分最高，即进口玉米DDGS的物理特性指标较好。

表5 玉米DDGS物理特性指标评价结果及排序

3 结论

本研究测定了6种国产玉米DDGS和2种进口玉米DDGS的容重、热物理特性、摩擦特性、粉碎特性及色差指标，并对这10个指标进行了主成分分析。

3.1 由于每种产品的原料、加工工艺各有不同，各物理特性指标均存在不同程度的差异。

3.2 各物理特性指标之间存在不同程度的相关性，比热与热导率呈极显著正相关，与导温系数呈极显著负相关；热导率与平均粒径呈显著正相关；导温系数与容重呈极显著负相关；摩擦系数与休止角呈极显著正相关，与平均粒径呈极显著负相关；L*、b*与平均粒径呈极显著正相关；L*与b*呈极显著正相关。

3.3 通过主成分分析提取了前3个主成分，累积方差贡献率达到87.415%（＞85%），能够代表原来10个物理特性指标中的绝大部分的信息。

3.4 主成分分析的结果得到玉米DDGS物理特性指标的综合得分，7号和8号样品的得分最高，即进口玉米DDGS的物理特性指标较好。

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Quality Evaluation of Physical Properties of Corn DDGSBased on Principal Component Analysis

Yang Jie Wang Lu Chen Xiao Kong Dandan Wang Hongying
（College of Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083）

In order to analyze and quantify the physical properties of corn distillers dried grains with solubles（DDGS），8 DDGSsamples from home and abroad were taken as materials to evaluate their qualities.Principal component analysis（PCA）was used to establish a comprehensive evaluation model with indexes including the density，the thermal physical properties，friction characteristics，grinding characteristics and color.Score of each sample was obtained by PCA.The results showed that there were different degrees of variation in physical properties between samples.There were correlations between different indexes.The specific heat was very significantly positively correlated with the thermal conductivity，and it was very significantly negatively correlated with the thermal diffusivity.The thermal conductivity was significantly positively correlated with the geometric mean particle size.The thermal diffusivity was very significantly negatively correlated with the density.The friction coefficient was very significantly positively correlated with the angle of repose，and it was very significantly negatively correlated with the geometric mean particle size.L*and b*value were very significantly positively correlated with the geometric mean particle size.L*value was very significantly positively correlated with b*value.The first three principal components，which contained 87.415%information of the initial indexes，were extracted by PCA.According to the result of PCA，DDGS from abroad had better physical properties.

corn distillers dried grains with solubles（DDGS），thermal physical properties，friction characteristics，grinding characteristics，color，principal component analysis

TS210.9

A

1003-0174（2016）09-0019-07

时间：2016-08-10 17：07：19

网络出版地址：http：／／www.cnki.net／kcms／detail／11.2864.TS.20160810.1707.002.html

“十二五”国家科技计划（2011BAD26B0401），公益性行业（农业）科研专项（201203015）

2015-09-30

杨洁，女，1983年出生，博士，饲料原料加工特性

王红英，女，1966年出生，教授，饲料加工技术与装备