豆粕热物理性及其测定方法综述

牛小伟，刘来亭，王瑞

（河南工业大学生物工程学院，河南郑州 450001）

豆粕是豆油加工的副产品，也是一种重要的植物性蛋白饲料原料。长期以来，有关豆粕的研究更多的偏重于感官特性，以及通过动物饲养实验对营养价值的评定，而忽略了豆粕本身的物理特性尤其是热物理特性。豆粕的热物理特性不仅可以引起贮藏过程中自身变质，更对饲料加工有着很大的影响，所以了解豆粕的热物理特性，对其贮藏和饲料加工过程中应用具有重要意义。

1 豆粕的热传递及其对其储存的影响

热传递（或称传热）是物理学上的一个物理现象，是指由于温度差引起的热能传递现象。任何物体和外界存在温度差的时候就会有热传递的发生。当豆粕被贮藏在仓库时，垛堆之间存在空隙，豆粕不同部位之间与外界有温度差，并不定时的和外界进行热交换，这就是豆粕储存过程中的热传递。根据热传递的转移规律，热量的产生和临时聚集，会导致热量向温度相对低的地方传导与扩散，热量扩散的路径上伴随着水分的迁移，温度较低部位的水分含量会不断增加。如果空气相对湿度较大，温差将造成严重的结露现象［1～2］。不论何时豆粕发生热传递，都可以引起其他部位水分的升高，当吸湿部位水分满足霉菌生长条件后，霉菌的生长代谢将产生热量和水分，并向其他部位释放和扩散，使霉变现象迅速蔓延和加剧。从而引起储粮堆中霉菌代谢活动加速，微生物的呼吸、代谢活动可以产热、产水，并且一般堆内下部更较难导热和散湿、散热，湿热的聚集会加速、加剧霉变的发生，这样就促成了一个作用与反作用的恶性循环现象；有些霉菌会分泌分解蛋白质和多糖的酶，分解豆粕中的有关成分，产生游离的氨基酸和单糖，这些产物相互作用还可能发生非酶促褐变反应，影响豆粕品质，这样的反应和温度的改变呈正相关关系［3］。

目前学科领域研究热传递的方法主要有对拟合回归方程法、可视化图表法、有限元方法、CFD数值模拟技术、纯数值计算法、灰色系统分析等多种，热传递研究方法的建立可以提高粮食贮藏的安全性。

随着计算机技术的成熟，人们可以运用更先进的模拟技术对储粮热传递规律进行探究。可视化图表法和拟合回归方程法都是在进行粮堆贮藏试验的基础上得出粮堆的热传递规律，并且其准确度不高。对于依托于计算机技术的改进逐渐变得高效化、准确化的有限元法，可以说在未来的应用程度还是很高的。CFD（Computational fluid dvnamics)技术是当前模拟领域应用最广泛的，拟合程度最高的技术之一。该方式投入成本低、监测周期短，可以在多种条件下对储粮粮堆的热传递做出很好的预测，逐渐受到有关领域人士的青睐［4］。 Thorpe 等［5～7］通过大量的试验结果，证实了CFD技术可以对不同条件下粮堆的热分布和热传递有很好的模拟。Liu等［8］的实验证实，CFD技术对于处于曝气状态下粮堆内部温度的分布同样有很好的模拟效应。

2 豆粕的导热性

2.1 了解豆粕导热性的意义

导热性是指物质传导热量的性能。两个相互接触的物体或者同种物体不同部位存在温度差而发生热传递的过程为导热。导热能力的大小一般用导热率来衡量。饲料配方中，因豆粕占有较高的配比。熟知豆粕的导热性，不但可以更好的对粉碎 （粒度）、调质制粒（时间、蒸汽量）等工段进行调控，还可以一定程度上节约成本。因此，在进行饲料配比和加工的过程中了解豆粕的导热性对于饲料加工具有重要意义。豆粕的导热特性影响饲料颗粒化的过程，了解豆粕的热特性对饲料调制器的结构设计及调质温度、调质时间、蒸汽流量等可以进行指导［9］；原料的粉碎粒度直接决定了颗粒表面积的大小，进而影响可以与蒸汽的水热传递效果，粉碎粒度越大，导热率越低［10］。随着农作物的物质状态、籽粒尺寸、温度等的变化，其导热率也会发生改变［11］，因此，在进行饲料原料配比和加工的过程中了解饲料原料及其成品的导热系数对于饲料加工具有重要意义。而测定导热系数几乎成为研究物质导热系数的唯一途径［12］。目前，测定这一热物性的方法，可以分为稳态与非稳态两大类。以下是对这两种方法所涉及的方法、特点和具体应用进行分析，以便指导实际生产中应用。

2.2 导热系数测定方法

稳态法和非稳态法(或瞬态法)是按热流状态划分为两大类方法。物体中各点温度不随时间改变的传热过程称为稳态传热，反之，则为非稳态。稳态法可以根据Fourier方程直接测量导热系数，物料内部各点温度不随时间的变化而变化测量精度较高。但必须在导热过程达到稳定后才可以测量，测量时间较长，温度范围与导热系数范围较窄，主要适用于在中等温度下测量中低导热系数材料，不适合测量高水分含量的物料的测量，只对水分含量在10%左右的物料有良好的适应性［13］。非稳态法有快速、准确、温度范围和量程广等优点，在含水量低的理想绝缘体的测量中效果更好。传统的非稳态法，使用热线法测量不良导体材料时,由于测量过程中有效的升温时间只有数秒,不易实现温升和时间的同步准确测量,从而产生较大的方法误差［14］。这两种方法又因为所用的装置的不同又可细分为以下多种方法。如稳态法又可分为红外线纵向热流法、平板法、同心圆球法等。非稳态法又可分为热线法、热探针法、激光闪射法等。各种方法各有特点，均有研究者采用。

红外线纵向热流法热源稳定，效率高，加热均匀适用于测定农业物料、不良导体及空气的导热系数。该法适用于导热系数较小的固体材料、纤维材料和多空隙材料，例如各种保温材料。但在测试过程中存在横向热损失。 彭小飞［13］在颗粒饲料的热特性参数的研究中曾用红外线纵向热流法测定颗粒饲料的导热系数，得到温度与含水率和导热系数成线性关系。

平板法一般适用于不易破碎的物料的导热系数的测定。而且测量所用平板必须足够大，确保传热均匀。但是此方法试样太大，加工困难，径向热损很难减小到最低限度，测试周期长。

同心圆球法适用一般的容易破碎的物料或其本身就是散碎的物料。用同心圆的方法，确保了传热的均匀，保证了热量不会流失，但是同样存在缺点，比如试样制备难度较大［15］。 易维明［15］在生物质导热系数的测定中用使用平板法和同心圆球法对几种生物质的导热系数进行了测定，均得到温度和导热系数呈线性关系。

热线法既可用于各向同性也可用于各向异性材料,材料可以是均质的也可以是非均质，但是不太适用于导热系数太大的测定。陈瑜［16］在玉米热导率的测定中使用热线法对导热系数进行了测定。龚红菊［17］使用非稳态热线法测定了大麦的导热系数，张来林等［14］利用自制的粮食导热系数的测定仪对粮食的导热系数进行测定，也得到温度与水分对粮食的导热系数的影响成线性关系。

热探针法较适合于测定松散材料的导热系数，由于热探针法用于测量松散的农业颗粒物时，热探针表面温升小，所引起的试样物性变化很小，测定结果能够比较准确地反映物料的真实状态，因此很适合于测定高含水率农业物料［18］及一些谷物产品的测量［19］，热探针升温不匀，误差性大。 刘情超［20］在混合农业物料的导热系数研究中使用热探针法对玉米粉、豆粕、小麦粉、脱脂米糠、棉粕、菜粕、鱼粉、石粉及玉米与其他物料进行混合的物料进行了测量，得出物料以不同比例混合其导热系数的变化的规律。陈坤杰等［21］在稻谷导热系数的测定中使用非稳态热探针法对稻谷的导热系数进行了测量。

激光闪射法是一种用于测量高导热材料与小体积固体材料的技术，该法最早提出。 该方法先直接测量材料的热扩散率，并由此得出其导热系数，适合于高温导热系数的测量，可是激光闪射法测出的热扩散率会随脉冲激光能量的增加而降低，该法只适用于各向均匀、不透光的固体材料。Parker［22］使用激光闪射法对固体材料的导热系数进行了测量。

3 结语

近年来，越来越多的人开始关注物料的热物理特性，研究出了多种测量物料热传递的方法。对于豆粕这一农作物饲料原料而言，上述提到的检测方法中，热探针法对其导热性检测更为准确，在现今社会使用更加广泛。随着现代技术越来越成熟，未来的发展方向应该是通过热探针、传感器和计算机相结合，通过监测贮藏和加工过程中CO2、水分和温度的变化更准确的拟合量化物料的热物理特性。

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（收稿日期：2018-04-03）

信息之窗

农业农村部发文：深入推进生猪屠宰标准化创建工作

农业农村部近日下发通知要求，从现在起至2020年，各地要在坚持屠宰厂自愿申请的原则上，积极鼓励、引导部分屠宰厂加大投入力度，提升质量管理水平，按照质量管理制度化、厂区环境整洁化、设施设备标准化等要求，全面强化从生猪进厂到产品出厂全过程质量安全控制，创建一批生猪屠宰标准化示范厂，进一步带动各地屠宰厂标准化建设，提升标准化水平。