基于主成分分析的玉米DDGS物理特性評價

楊 潔 王 璐 陳 嘯 孔丹丹 王紅英

基于主成分分析的玉米DDGS物理特性評價

楊 潔 王 璐 陳 嘯 孔丹丹 王紅英

（中國農業大學工學院，北京 100083）

為對玉米DDGS的物理特性進行分析及量化評價，以國內外8個玉米DDGS為試驗材料，測定分析其容重、熱物理特性、摩擦特性、粉碎特性及色差指標參數，并運用主成分分析法簡化物理特性指標，構架評價體系，得到每種樣品的綜合得分。結果表明：樣品各物理特性指標間存在不同程度的差異；各物理特性指標之間存在不同程度的相關性，比熱與熱導率呈極顯著正相關，與導溫系數呈極顯著負相關；熱導率與平均粒徑呈顯著正相關；導溫系數與容重呈極顯著負相關；摩擦系數與休止角呈極顯著正相關，與平均粒徑呈極顯著負相關；L*、b*與平均粒徑呈極顯著正相關；L*與b*呈極顯著正相關。通過主成分分析提取了3個主成分，累積方差貢獻率達到87.415%；主成分分析的結果表明進口玉米DDGS的物理特性較好。

玉米DDGS 熱物理特性 摩擦特性 粉碎特性 色澤 主成分分析

DDGS是將酒糟醪液經固液分離后的濾渣（distillers grains，DG）與蒸發濃縮后的過濾漿液（condensed distillers solubles，CDS）混合干燥而制成的［1］。與其他飼料原料相比，DDGS的蛋白質、能量和磷等含量較高，可代替部分玉米和豆粕，因而在動物飼料生產中的使用范圍越來越廣［2-3］。但由于酒精或者工業乙醇生產中所使用的原料質量及種類、發酵工藝、生產季節、副產品干燥方法等存在差異，導致DDGS理化特性不同，進而影響其飼用價值、營養特性和加工特性［4］。

目前，國內外對DDGS的研究主要集中在營養價值及其對動物生長性能的影響上［5-8］，而對其在飼料加工方面相關的物理特性研究較少。飼料原料的物理特性不僅對飼料加工及顆粒質量等有很大影響，也會對飼料運輸及動物采食產生影響。在飼料加工中，粉碎、混合、調質、制粒、冷卻都是重要的加工工序［9］。因此，與此相關的熱物理特性、摩擦特性、粉碎特性就顯得尤為重要。熱物理特性參數是飼料調質、制粒、冷卻過程中傳熱計算的重要參數，如果可以掌握飼料原料的熱物理特性參數，就可以有效地控制調質過程中熱量的供給及冷卻參數的確定。摩擦特性包含摩擦系數和休止角，摩擦系數決定了飼料原料的流動性，而休止角則是計算筒倉貯料壓力的重要參數［10］。粉碎特性主要指平均粒徑，對飼料后續加工過程、飼料產品質量和動物生產性能均有重要影響［11-12］。色澤受多種因素影響，與DDGS養分的利用率有較大的關系［13］。綜上所述，研究飼料原料的物理特性對飼料加工過程有重要的指導作用。

本試驗研究國內外玉米DDGS的物理特性參數，通過對容重、熱物理特性、摩擦特性、粉碎特性及色澤等指標參數測定，運用主成分分析法簡化物理特性指標，構架科學的評價體系，以此來初步判定每種玉米DDGS的綜合得分，為飼料加工提供理論數據基礎，對實際生產中確定適宜的加工設備、加工參數起到重要作用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要材料

2015年4月采集國內玉米DDGS樣本6個、進口玉米DDGS樣本2個，其中1號和2號為低脂玉米DDGS，3號和4號為中脂玉米DDGS，5號和6號為高脂玉米DDGS，7號和8號為進口玉米DDGS。將樣品粉碎過1.5 mm的篩片，備用。

1.1.2 主要儀器

DSC-60型差示掃描量熱儀：日本島津公司；熱特性分析儀KD2 Pro：美國Decagon公司；LabScan XE色差儀：美國HunterLab公司；PJZ-5A拍擊式振篩機：新鄉市同心機械有限責任公司；JFSD-100小型粉碎機：上海嘉定糧油儀器有限公司。

1.2 試驗方法

玉米DDGS的容重按照ASAE S269.4 DEC1991方法進行測定。

1.2.1 玉米DDGS熱物理特性參數的測定

比熱用DSC進行測定，具體做法是先用2個空白坩堝在25℃保持5 min，然后以10℃／min的速度升溫到120℃，在此溫度條件下保持10 min獲得基線，然后放入標準物藍寶石樣品，在同樣的條件下獲得標準樣品曲線，最后在同樣的條件下測定玉米DDGS樣品的DSC曲線，玉米DDGS的取樣量為8 mg［14］。每個樣品進行3次試驗，取3次試驗平均值作為最終結果。

熱導率和導溫系數利用KD2 pro熱特性分析儀進行測定，具體做法是將玉米DDGS樣品置于直徑25 mm，高35 mm的小燒杯內，裝滿后壓實。并用封口膜和保鮮膜將燒杯口密封。將長30 mm，直徑1.28 mm，間距6 mm的SH-1探針垂直插入樣品中，加熱絲提供一定的熱量，熱電偶不斷測量溫度的變化。經過2 min后，讀取儀器顯示屏上的熱導率與導溫系數數值。每個樣品進行3次試驗，取3次試驗平均值作為最終結果。

1.2.2 玉米DDGS摩擦特性參數的測定

休止角用基于Kansas State University推薦的方法，由自主研制的休止角測定裝置進行測定，測定裝置見圖1（專利號：201320101172.9）。將玉米DDGS放置于漏斗中，使樣品自然下落至長方體容器內形成截面接近三角形的堆積體，待堆積體形狀穩定后停止添加，然后在截面的輪廓線上找到斜率最大的點，以該點為切點做直線與輪廓線相切，此切線與水平線的夾角即為物料的休止角。

圖1 休止角測定裝置

摩擦系數用基于斜面儀法，由自主研制的斜面儀裝置進行測定，測定裝置見圖2（專利號：20120413462.7）。將玉米DDGS均勻鋪在安放好的板件上，并不斷增加板件與水平面的夾角直至板件上的物料滑落至接料盤中，然后通過測量裝置得出摩擦角或摩擦系數。

圖2 斜面儀裝置

1.2.3 玉米DDGS粉碎特性參數的測定

平均粒徑和顆粒表面積按照ANSI／ASAE S319.4方法進行測定。

具體的操作方法為：將100 g樣品放在篩組最上層，使用拍擊式振篩機使其振動10 min。分別稱量并記錄各層篩上物料的質量，并按下式計算物料的對數幾何平均粒度。

式中：dgw為幾何平均直徑／μm；為第i層篩子上物料顆粒的幾何平均直徑，di＝ （di× di＋1；di為第i層篩的篩孔直徑／μm；di＋1為比第i層篩孔大的相鄰篩子的篩孔直徑／μm；Wi為第i層篩子上物料的質量／g。

1.2.4 玉米DDGS色差參數的測定

色差采用LabScan XE色差儀進行測定。以L*、a*、b*色空間表示，L*稱為亮度，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*表示紅-綠方向，b*表示黃-藍方向。

1.3 數據處理

使用Excel 2007對數據進行統計分析，利用SPSS16.0統計軟件進行方差分析，標記字母法表示組間差異顯著性，然后進行主成分分析。

2 結果與討論

2.1 玉米DDGS物理特性分析

玉米DDGS物理特性參數分析結果見表1。容重反映單位體積玉米DDGS的質量，是確定儲存容量的一個重要因素。由表1可以看出，玉米DDGS的平均容重為529.4 g／L，中等變幅，變幅為（489.9～583.8）g／L，容重最大和最小的分別為2號（583.8±4.5）g／L 和3 號（489.9 ±7.5）g／L，與任善茂等［15］和Rosentrater［16］的研究結果相一致。

2.1.1 玉米DDGS熱物理特性參數分析

熱物理特性參數（比熱、熱導率、導溫系數）是農產品和食品熱特性的3個重要工程參數，這些參數受物料的化學成分、物理結構、物質狀態、含水率、溫度等影響［17-18］。目前，玉米DDGS的熱物理特性參數測定較少，實踐中主要引用國外數據。

在表1中可以看出，在25℃時，玉米DDGS的比熱范圍為（1 862.0 ～2 205.0）J·kg-1·K-1，熱導率范圍為（0.064 5～0.074 0）W·m-1·K-1，導溫系數的范圍為（0.057 5 ～0.069 8）m2·s-1·10-6，中等變幅，其中熱導率與Rosentrater［16］的研究結果相一致。

玉米DDGS的熱物理特性參數之間存在一定的差異，這可能是因為不同玉米DDGS生產時采用的原料、加工工藝等不同造成的。同時玉米DDGS的熱物理特性也比較復雜，不但與組成成分有關，也與組織結構，粉碎粒度等有關。

2.1.2 玉米DDGS摩擦特性參數分析

玉米DDGS的摩擦特性在飼料加工有著非常重要的作用。摩擦分為外摩擦和內摩擦兩大類。外摩擦指的是DDGS與固體材料的摩擦，內摩擦指的是DDGS內部的摩擦，外摩擦特性是通過摩擦系數來表示，內摩擦特性則是用休止角來衡量。摩擦系數的高低決定了其流動性程度，而內摩擦角則是應用楊森公式計算筒倉貯料壓力的重要參數。

表1中可以看出，玉米DDGS休止角的平均值為39.4°，中等變幅，為35.5°～43.5°，休止角最大和最小的分別為3號（43.5±0.7）°和7號（35.5±0.7）°。本研究休止角的值比Rosentrater［16］的研究結果偏大，這可能與樣本來源和測定方法有關。玉米DDGS摩擦系數的平均值為1.42，變幅較大，為0.95～1.92，摩擦系數最大和最小的分別為5號（1.92±0.06）和8 號（0.95±0.03）。國外玉米DDGS的摩擦系數低于國內玉米DDGS，并且國內玉米DDGS的摩擦系數隨著脂肪含量的增加而增加。

表1 玉米DDGS物理特性參數

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平均粒徑為345.59μm，變幅較大，其平均粒徑最大和最小的分別為8號（421.47±7.86）μm和3號（287.04±10.17）μm。

從圖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。本試驗中玉米DDGS粉碎后的粒度分布是比較理想的。

圖3 粉碎后玉米DDGS粒度分布圖

2.1.4 玉米DDGS色差分析

DDGS外觀顏色的不同，暗示著其營養價值的差異，不同來源DDGS的顏色所呈現的顏色差異主要與谷物原料的天然顏色有關。玉米DDGS顏色的差異主要是因為玉米籽實的顏色因品種的差異而不同，對最終的DDGS顏色也有影響。

由表1中可以看出，玉米DDGS的L*、a*、b*的平均值分別為51.70、12.59和34.33，其中L*和b*變幅較大，變幅分別為45.98～61.94和29.42～39.58，a*為中等變幅，變幅為11.67～13.68。進口玉米DDGS的L*和b*顯著高于國產玉米DDGS，a*顯著低于國產玉米DDGS，進口玉米DDGS呈黃色，而國產玉米DDGS呈黃褐色，不同脂肪含量的玉米DDGS之間的色澤有一定差異。這可能是因為不同生產廠家生產玉米DDGS時所使用谷物原料品種存在差異，并且玉米DDGS的顏色與生產工藝中干燥前所加谷物的可溶物數量和速度、干燥時間和干燥溫度有關。同時，玉米DDGS的顏色也會隨可溶物添加量的增加而變深。Noll等［19］研究在干燥前分別以不同添加速度和不同添加比例加入可溶物，結果發現玉米DDGS顏色亮度和黃色度隨著谷物可溶物添加比例和添加速度的增加而降低，該結果也與Ganesan 等［20］的研究結果相一致。郭亮等［21］在研究中指出，玉米DDGS的顏色與干燥釜的溫度有關，Spiehs等［2］也認為干燥溫度與顏色相關。一般情況下，干燥器溫度越高，玉米DDGS在干燥釜中時間越長，則玉米DDGS顏色越深。

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維的思想，通過研究指標體系的內在結構關系，把多指標轉化成少數幾個相互獨立而且包含原有指標大部分信息的綜合指標。其優點是確定的權數是基于數據分析而得到的指標之間的內在結構關系，不受主觀因素的影響，而得到的綜合指標（主成分）之間彼此獨立，減少信息的交叉，使得分析評價結果具有客觀性和準確性。

采用SPSS16.0分析工具，通過主成分分析得到相關系數矩陣、方差貢獻分析表、主成分荷載矩陣和相應的特征向量，如表2～表4所示。

由表2可知，各指標之間存在不同程度的相關性，說明其反映的信息有一定重疊。其中比熱與熱導率呈極顯著正相關，與導溫系數呈極顯著負相關；熱導率與平均粒徑呈顯著正相關；導溫系數與容重呈極顯著負相關；摩擦系數與休止角呈極顯著正相關，與平均粒徑呈極顯著負相關；L*、b*與平均粒徑呈極顯著正相關；L*與b*呈極顯著正相關。

每個主成分的方差即特征值，表示對應成分能夠描述原有信息的多少，主成分特征值越大，其變量包含的信息就越多。由表3可知，前3個主成分的特征值大于1，累計貢獻率為87.415%（＞85%），說明前3個主成分能夠代表原來10個指標的信息。因此，可以將玉米DDGS的10個物理特性指標綜合成3個主成分。

表2 玉米DDGS物理特性參數間的相關系數矩陣

表3 方差貢獻分析表

表4 各主成分的載荷矩陣和特征向量

根據表4，構建玉米DDGS各主成分與物理特性指標之間的線性關系式，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

通過表4所示的主成分載荷矩陣，得到以每個載荷量來表示的主成分與對應變量的相關關系，通過計算得到主成分的表達式。

第一主成分的方差貢獻率為40.062%，包含的信息量較大，主要提取了休止角、摩擦系數和平均粒徑；第二主成分的方差貢獻率為32.494%，主要提取了容重、導溫系數、L*和b*；第三主成分的方差貢獻率為14.859%，主要提取了比熱、熱導率和a*。

綜合主成分的系數及其對應的方差貢獻率，得到評價公式Z＝0.401Z1＋0.325Z2＋0.149Z3。通過評價公式計算出玉米DDGS的物理特性指標綜合得分，根據綜合得分的排序，可以看出不同玉米DDGS物理特性指標的優劣。由表5可知，7號和8號樣品的得分最高，即進口玉米DDGS的物理特性指標較好。

表5 玉米DDGS物理特性指標評價結果及排序

3 結論

本研究測定了6種國產玉米DDGS和2種進口玉米DDGS的容重、熱物理特性、摩擦特性、粉碎特性及色差指標，并對這10個指標進行了主成分分析。

3.1 由于每種產品的原料、加工工藝各有不同，各物理特性指標均存在不同程度的差異。

3.2 各物理特性指標之間存在不同程度的相關性，比熱與熱導率呈極顯著正相關，與導溫系數呈極顯著負相關；熱導率與平均粒徑呈顯著正相關；導溫系數與容重呈極顯著負相關；摩擦系數與休止角呈極顯著正相關，與平均粒徑呈極顯著負相關；L*、b*與平均粒徑呈極顯著正相關；L*與b*呈極顯著正相關。

3.3 通過主成分分析提取了前3個主成分，累積方差貢獻率達到87.415%（＞85%），能夠代表原來10個物理特性指標中的絕大部分的信息。

3.4 主成分分析的結果得到玉米DDGS物理特性指標的綜合得分，7號和8號樣品的得分最高，即進口玉米DDGS的物理特性指標較好。

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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

時間：2016-08-10 17：07：19

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

“十二五”國家科技計劃（2011BAD26B0401），公益性行業（農業）科研專項（201203015）

2015-09-30

楊潔，女，1983年出生，博士，飼料原料加工特性

王紅英，女，1966年出生，教授，飼料加工技術與裝備