不同品種大麥熱物理特性參數(shù)的研究

楊 潔 陳 嘯 沈 祥 孔丹丹 彭 飛 王紅英

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

不同品種大麥熱物理特性參數(shù)的研究

楊 潔 陳 嘯 沈 祥 孔丹丹 彭 飛 王紅英

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

為研究大麥的熱物理特性參數(shù)，收集不同品種大麥，分析其營(yíng)養(yǎng)組成、容重和熱物理特性參數(shù)及其之間的相關(guān)性，并進(jìn)行聚類(lèi)分析。結(jié)果表明：大麥的比熱隨著溫度的升高而增大，不同品種大麥的比熱差異并不顯著。在25 ℃時(shí)，大麥的比熱范圍為1 523.5～2 066.0 J·kg-1K-1。不同品種大麥的熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)差異顯著，其中熱傳導(dǎo)系數(shù)的范圍為0.063～0.074 W·m-1K-1，熱擴(kuò)散系數(shù)的范圍為0.177 0～0.250 8 m2·s-1·10-6。同時(shí)比熱與原糧容重之間呈顯著負(fù)相關(guān)；熱傳導(dǎo)系數(shù)與粗灰分含量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，與粉料容重之間呈極顯著正相關(guān)，與酸洗纖維含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)，與原糧容重之間呈顯著正相關(guān)。基于大麥的熱物理特性參數(shù)對(duì)大麥進(jìn)行聚類(lèi)分析，將參試品種分為3個(gè)類(lèi)群以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

大麥 品種 比熱 熱傳導(dǎo)系數(shù) 熱擴(kuò)散系數(shù) 聚類(lèi)分析

大麥?zhǔn)侨蛑匾任镌现唬哂猩谙鄬?duì)較短、耐瘠、抗旱、抗寒和抗鹽堿能力較強(qiáng)以及適應(yīng)性較廣等特性[1-3]。大麥主要作為飼料原料(粗蛋白低于11.5%才可用于釀造啤酒等)，其營(yíng)養(yǎng)成分和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與玉米相近，可以作為替代玉米的一個(gè)重要選擇[4]。近年來(lái)，飼料市場(chǎng)需求量和生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，并以生產(chǎn)顆粒料為主，所以降低加工成本、提高加工技術(shù)、保存配合飼料中熱敏性物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值等成為當(dāng)前配合飼料濕熱加工中的瓶頸問(wèn)題[5-6]。熱物理特性參數(shù)主要用于分析和模擬傳熱過(guò)程中的換熱速率和換熱量，是飼料濕熱加工中的關(guān)鍵參數(shù)[7]。

熱物理特性參數(shù)包括比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)，而關(guān)于物料熱物理特性參數(shù)只有一些半理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式，很難進(jìn)行理論計(jì)算，想要獲得物料的熱物理特性參數(shù)主要方法還是依賴實(shí)測(cè)。國(guó)內(nèi)外比熱測(cè)定主要采用混合法和量熱法[8]，混合法已經(jīng)測(cè)定了小麥等農(nóng)產(chǎn)品和食品的比熱[9-15]。雖然混合法是最常見(jiàn)的比熱測(cè)定方法，但是測(cè)量過(guò)程會(huì)有熱損失，產(chǎn)生誤差。近年來(lái)，差示掃描量熱儀(DSC)開(kāi)始較為普遍地用于測(cè)定物料的比熱[16-22]。國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的研究較少，有關(guān)文獻(xiàn)中給出的數(shù)值都是采用自制裝置測(cè)定或計(jì)算而得的[23-26]。目前，關(guān)于大麥熱物理特性的研究報(bào)道較少，尤其是品種對(duì)其熱物理特性參數(shù)的影響還未見(jiàn)報(bào)道，不能滿足生產(chǎn)和科研工作的需要。

本試驗(yàn)研究不同品種大麥的熱物理特性參數(shù)，用DSC測(cè)定比熱，用KD2 Pro 熱特性分析儀測(cè)定熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)，分析熱物理特性參數(shù)與大麥自身化學(xué)組成、組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并進(jìn)行聚類(lèi)分析。大麥熱物理特性參數(shù)的變化規(guī)律可以作為熱質(zhì)傳遞過(guò)程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可用來(lái)指導(dǎo)飼料生產(chǎn)中調(diào)質(zhì)器、冷卻器的設(shè)計(jì)及加工工藝參數(shù)的優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

1.1.1 主要儀器

SRJX-3-9高溫電爐：上海陽(yáng)光實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；Fibertec 2010粗纖維測(cè)定儀：瑞典FOSS公司、Kjeltec 2300凱氏定氮儀、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(guó)Decagon公司；GHCS-1000型谷物容重器：鄭州中谷科技有限公司；JFSD-100小型粉碎機(jī)：上海嘉定糧油儀器有限公司。

1.1.2 主要材料

本研究選取國(guó)內(nèi)廣泛種植的大麥品種13個(gè)，每個(gè)品種取3份，樣品品種及來(lái)源見(jiàn)表1。2014年采集新鮮大麥均自然干燥到安全水分11 %，然后用粉碎機(jī)粉碎備用。

表1 大麥品種及來(lái)源

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 大麥主要營(yíng)養(yǎng)成分含量測(cè)定

水分、粗蛋白、粗灰分分別按照GB/T 21305—2007、GB/T 5511—2008、GB/T 22510—2008方法進(jìn)行測(cè)定；中性洗滌纖維的測(cè)定分別按照GB/T 20806—2006方法進(jìn)行測(cè)定；酸性洗滌纖維按照NY/T1459—2007方法進(jìn)行測(cè)定；容重按照GB/T 5498—2013方法進(jìn)行測(cè)定，粉料容重按照ASAE S269.4 DEC1991方法進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2 大麥熱物理特性參數(shù)測(cè)定

比熱用DSC進(jìn)行測(cè)定，具體做法是先用2個(gè)空白坩堝在25 ℃保持5 min，然后以10 ℃/min的速度升溫到130 ℃，在此溫度條件下保持10 min獲得基線，然后放入標(biāo)準(zhǔn)物藍(lán)寶石樣品，在同樣的條件下獲得標(biāo)準(zhǔn)樣品曲線，最后在同樣的條件下測(cè)定大麥樣品的DSC曲線，大麥的取樣量為8 mg。每個(gè)樣品至少進(jìn)行3次試驗(yàn)，取3次試驗(yàn)平均值作為最終結(jié)果。

熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)利用KD2 pro熱特性分析儀進(jìn)行測(cè)定，具體做法是將被測(cè)樣品置于直徑25 mm，高35 mm 的小燒杯內(nèi)，裝滿后壓實(shí)。并用封口膜和保鮮膜將燒杯口密封。將長(zhǎng)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(cè)量溫度的變化。經(jīng)過(guò)2 min后，讀取儀器顯示屏上的熱傳導(dǎo)系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)數(shù)值。每個(gè)樣品至少進(jìn)行3次試驗(yàn)，取3次試驗(yàn)平均值作為最終結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用 Excel 2007 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用SPSS 16.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，標(biāo)記字母法表示組間差異顯著性，并選用Q型聚類(lèi)法，以歐式距離平方作為距離的測(cè)度方法，以離差平方和法進(jìn)行聚類(lèi)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 大麥主要營(yíng)養(yǎng)成分含量及容重分析

13個(gè)不同品種大麥樣品的營(yíng)養(yǎng)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，大麥的粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.26%～16.30%，屬于飼用大麥(粗蛋白低于11.5%才可用于釀造啤酒等)。大麥的粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸洗纖維和中洗纖維的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.15%、2.30%、4.73%、12.26%。

整體來(lái)看，不同品種大麥的營(yíng)養(yǎng)成分均存在不同程度的差異。酸洗纖維和中洗纖維的含量變幅較大，變幅分別為3.22%～5.50%和11.15%～16.99%，表明不同品種大麥的酸洗纖維和中洗纖維差異顯著(P<0.05)，其中酸洗纖維含量最高和最低的品種分別是11號(hào)(5.50±0.08)%和8號(hào)(3.22±0.07)%，中洗纖維含量最高和最低的品種分別是3號(hào)(16.99±0.09)%和8號(hào) (11.15±0.06)%。粗蛋白、粗灰分的含量變化均為中等變幅，變幅分別為11.26～16.30%和2.12～2.62%，其中粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高和最低的品種分別是10號(hào)(16.30±0.01)%和3號(hào)(11.26±0.13)%，粗灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高和最低的品種分別是 11號(hào)(2.62±0.06)%和6號(hào)(2.12±0.11)%。變異系數(shù)由高到低依次為酸洗纖維(12.90 %)、中洗纖維(11.64 %)、粗蛋白(9.96 %)和粗脂肪(5.65%)。

根據(jù)中國(guó)飼料營(yíng)養(yǎng)成分及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值表，大麥的粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.0%～13.0 %，粗蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于玉米(8.0%～8.7%)[27]。Feedipedia綜合上萬(wàn)份皮大麥樣品的理化指標(biāo)均值得出，皮大麥的粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)與小麥接近(9.5%～13 %)，酸性洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～7%，中性洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)約18%～24%[28]。受大麥中纖維、脂肪含量及抗?fàn)I養(yǎng)成分等因素的影響，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值明顯低于玉米、小麥。本試驗(yàn)中測(cè)定的大麥的蛋白質(zhì)含量比以上研究結(jié)果稍高，酸洗纖維和中洗纖維含量比以上研究結(jié)果稍低，這可能是因?yàn)槠贩N、生長(zhǎng)地區(qū)、氣候條件、施肥及儲(chǔ)存條件等的不同，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)成分存在差異。

13個(gè)不同品種大麥樣品的容重分析見(jiàn)表2。大麥的容重為636.00～690.00 g/L，大麥粉的容重為552.80～631.60 g/L。整體來(lái)看，不同品種大麥的容重存在不同程度的差異(P<0.05)，但變幅較小。

表2 不同品種大麥的主要營(yíng)養(yǎng)成分及容重

注：結(jié)果表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，同列肩標(biāo)不包含相同字母表示差異顯著(P≤0.05)。變異系數(shù)大于10%為強(qiáng)變異，變異系數(shù)在5%～10%為中等變異，變異系數(shù)小于5%為弱變異，余同。

2.2 大麥熱物理特性參數(shù)分析

比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)是農(nóng)產(chǎn)品和食品熱(傳遞)特性的3個(gè)重要工程參數(shù)，這些參數(shù)受物料的化學(xué)成分、物理結(jié)構(gòu)、物質(zhì)狀態(tài)、含水率、溫度等所影響。熱物理特性參數(shù)是飼料加工中調(diào)質(zhì)制粒、冷卻過(guò)程中傳熱計(jì)算的重要參數(shù)[29]。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)大麥比熱測(cè)定的研究很少。

2.2.1 不同品種大麥比熱分析

比熱是單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度每升高或降低1 ℃(K)所吸收或放出的熱量，是物料傳熱特性的重要參數(shù)。

由圖1可以看出，大麥的比熱隨著溫度的升高而增大，并且所有大麥比熱隨溫度的變化趨勢(shì)一致。溫度對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的比熱具有影響，但是長(zhǎng)期被忽視。Taiwo等[13]觀察到磨細(xì)豇豆的比熱隨溫度增加到一定水平而增加，隨著溫度再升高則比熱減少。Wang等[17]采用DSC方法分析了溫度對(duì)馬鈴薯比熱的影響，結(jié)果表明比熱隨著溫度的升高而增大。Yang等[18-19]測(cè)定了琉璃苣種子的比熱隨溫度的變化規(guī)律，結(jié)果表明含水率在1.2%～30.3%，溫度在6～20 ℃時(shí)，琉璃苣種子的比熱由770 J·kg-1K-1增加到1 990 J·kg-1K-1。Kaletun?等[20]利用DSC研究了溫度對(duì)不同蛋白質(zhì)含量谷物比熱的影響，結(jié)果表明谷物比熱與溫度成正相關(guān)關(guān)系。王紅英等[21-22]利用DSC 測(cè)定了溫度對(duì)飼料玉米、豆粕、乳清粉比熱的影響，結(jié)果表明比熱值與溫度成正相關(guān)關(guān)系。Alma等[30]指出大豆的比熱隨溫度增加到一定值，接著隨溫度增加而減少。本試驗(yàn)的研究結(jié)果與以上研究結(jié)果相一致，大麥的比熱隨溫度的升高而增大。

由表3可以看出，不同品種大麥在不同溫度下的比熱值為中等變異，差異并不顯著，只有9號(hào)大麥的比熱值顯著低于其他大麥品種，這可能是因?yàn)椴煌贩N大麥的營(yíng)養(yǎng)組分之間存在一定的差異。在25 ℃時(shí)，大麥的比熱在1 523.5～2 066.0 J·kg-1K-1之間，比徐昭[31]測(cè)定的大麥比熱值(800 J·kg-1K-1)更大。這可能與大麥的品種、組成成分、組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，也可能與測(cè)定方法有關(guān)，徐昭[31]測(cè)定大麥比熱時(shí)采用的是磁力攪拌式水卡計(jì)和電位計(jì)等二次儀表組裝的測(cè)定裝置，存在一定的熱量散失，有可能測(cè)定的大麥比熱值偏小。

圖1 不同品種大麥比熱隨溫度的變化曲線

樣品編號(hào)25℃/J·kg-1K-135℃/J·kg-1K-145℃/J·kg-1K-155℃/J·kg-1K-165℃/J·kg-1K-111858.5±204.4ab2429.5±160.5ab2654.0±121.6ab2823.0±96.2a2986.5±72.8a21904.5±122.3ab2443.0±100.4ab2694.5±85.6a2891.5±78.5a3080.5±87.0a31963.0±4.2a2433.0±49.5ab2705.0±53.7a2895.5±61.5a3076.0±86.3a42066.0±192.3a2628.0±376.2a2893.5±409.4a3099.0±437.0a3317.0±470.9a51974.0±282.8a2490.5±287.8a2721.0±285.7a2970.0±284.3a3180.0±289.9a61800.5±24.8ab2400.5±16.3ab2594.5±10.6ab2756.5±34.6ab2903.5±55.9ab71958.5±321.7a2481.0±288.5a2719.0±304.1a2910.5±323.1a3096.0±335.2a81822.5±75.7ab2378.5±137.9ab2645.0±157.0ab2849.5±167.6a3000.5±180.3a91523.5±2.1b2053.5±77.1b2232.5±96.9b2360.0±108.9b2477.5±112.4b101885.5±149.2ab2528.5±85.6a2792.0±99.0a2981.5±106.8a3176.5±106.8a111886.5±251.0ab2354.5±65.8ab2603.5±71.4ab2803.0±83.4a3001.5±95.5a121746.5±105.4ab2369.5±41.7ab2607.5±46.0ab2822.0±50.9a3010.0±70.7a131803.5±65.8ab2292.0±84.9ab2539.0±93.3ab2738.5±91.2ab2923.5±96.9ab平均值1861.02406.32646.22838.53017.6變幅1523.5～2066.02053.5～2628.02232.5～2893.52360.0～3099.02477.5～3317.0標(biāo)準(zhǔn)差180.1182.8200.2218.6241.8變異系數(shù)/%9.77.67.67.78.0樣品編號(hào)75℃/J·kg-1K-185℃/J·kg-1K-195℃/J·kg-1K-1105℃/J·kg-1K-1115℃/J·kg-1K-113135.5±51.6a3298.0±22.6ab3575.5±26.2abc3840.5±72.8ab4065.0±73.5a23263.0±89.1a3466.0±104.7ab3797.5±125.2ab4101.0±134.4ab4342.5±146.4a33264.5±89.8a3461.5±106.8ab3763.0±134.4ab4047.5±139.3ab4258.5±133.6a43536.5±490.0a3768.0±511.9a4129.0±554.4a4442.5±587.6a4689.5±597.5a53320.5±318.9a3511.5±350.0ab3839.0±383.3ab4147.5±402.3ab4411.5±412.2a63051.5±78.5ab3226.0±127.3bc3518.0±196.6bc3881.0±345.1ab4503.5±723.4a73301.0±342.2a3490.0±352.1ab3810.5±382.5ab4129.0±427.1ab4368.5±444.8a83177.0±176.8a3369.5±184.6ab3669.5±215.7abc3973.0±250.3ab4206.5±275.1a92611.0±101.8b2783.5±91.2c3109.0±56.6c3561.5±12.0b4318.0±111.7a103375.0±104.7a3579.5±109.6ab3906.5±105.4ab4202.5±102.5ab4427.5±108.2a113186.5±84.1a3363.0±83.4ab3674.5±96.9abc3987.5±126.8ab4257.5±139.3a123193.0±72.1a3399.5±57.3ab3718.5±54.5ab4027.5±61.5ab4241.5±71.4a133088.5±101.1a3269.5±99.7abc3565.0±103.2abc3855.5±85.6ab4097.5±78.5a平均值3192.63383.53698.14015.14322.1變幅2611.0～3536.52783.5～3768.03109.0～4129.03561.5～4442.54065.0～4689.5標(biāo)準(zhǔn)差259.5274.8292.4285.0289.3變異系數(shù)/%8.18.17.97.16.7

2.2.2 不同品種大麥熱傳導(dǎo)系數(shù)分析

熱傳導(dǎo)系數(shù)又稱熱導(dǎo)率，反映了物質(zhì)傳導(dǎo)熱量的能力，是一個(gè)重要的熱物理參數(shù)。由圖2可以看出，不同品種大麥熱傳導(dǎo)系數(shù)的范圍為0.063～0.074 W·m-1K-1，比龔紅菊等[31]測(cè)定的含水量為10%時(shí)大麥的熱傳導(dǎo)系數(shù)(0.153 6 W·m-1K-1)偏小。這可能與大麥的品種、組成成分、組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，也可能與測(cè)定方法的精確性有一定關(guān)系，龔紅菊測(cè)定大麥熱傳導(dǎo)系數(shù)時(shí)采用的是導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置和電位差計(jì)、功率表等二次儀表組裝的測(cè)定裝置，存在一定的熱量散失，由于比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù)成反比，所以測(cè)定的大麥熱傳導(dǎo)系數(shù)值偏大。本試驗(yàn)采用的是探針?lè)ǎ捎跍y(cè)量過(guò)程中試樣在探針表面只有幾攝氏度的升溫，其余部分的溫升更小，試樣的物性變化極小，測(cè)試結(jié)果能更準(zhǔn)確地反映出試樣的真實(shí)狀態(tài)。

圖2 不同品種大麥的熱傳導(dǎo)系數(shù)

由圖2可以看出，不同品種大麥的熱傳導(dǎo)系數(shù)差異顯著，這可能是因?yàn)椴煌篼溒贩N的營(yíng)養(yǎng)成分存在差異。同時(shí)大麥的熱傳導(dǎo)系數(shù)也比較復(fù)雜，不但與組成成分有關(guān)，也與組織結(jié)構(gòu)，孔隙大小，孔隙形狀、孔隙分布、孔隙填充物質(zhì)有關(guān)，并且常溫下谷物的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的變化較小。

2.2.3 不同品種大麥熱擴(kuò)散系數(shù)分析

熱擴(kuò)散系數(shù)又稱熱擴(kuò)散率，它反映了導(dǎo)熱過(guò)程中大麥導(dǎo)熱能力和儲(chǔ)熱能力之間的關(guān)系。在同樣的加熱條件下, 大麥的熱擴(kuò)散率越大, 大麥內(nèi)部各處的溫度差別就越小。一般熱擴(kuò)散系數(shù)是由比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)和密度數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)的，本試驗(yàn)中數(shù)據(jù)是由KD2 Pro熱特性分析儀測(cè)定的。

由圖3可以看出，不同品種大麥的熱擴(kuò)散系數(shù)差異顯著，其中熱擴(kuò)散系數(shù)的范圍為0.177 0～0.250 8 m2·s-1·10-6，熱擴(kuò)散系數(shù)最大的為7號(hào)樣品，最小的為9號(hào)樣品。目前熱擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很少，沒(méi)有大麥熱擴(kuò)散系數(shù)的相關(guān)報(bào)道。

圖3 不同品種大麥的熱擴(kuò)散系數(shù)

2.3不同品種大麥主要營(yíng)養(yǎng)成分和熱物理特性參數(shù)的相關(guān)性分析

通過(guò)不同品種大麥營(yíng)養(yǎng)成分和熱物理特性參數(shù)的相關(guān)性分析, 可以了解它們之間存在的內(nèi)在聯(lián)系。表4顯示13種大麥的營(yíng)養(yǎng)成分與熱物理特性參數(shù)的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)性分析表明, 比熱與原糧容重之間呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.442*)；熱傳導(dǎo)系數(shù)與粗灰分含量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.582**)，與粉料容重之間呈極顯著正相關(guān)(r=0.542**)，與酸洗纖維含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.391*)，與原糧容重之間呈顯著正相關(guān)(r=0.484*)；熱擴(kuò)散系數(shù)與比熱之間呈極顯著正相關(guān)(r=0.910**)。

大麥的熱物理特性不僅與溫度和水分相關(guān)，還與其自身的化學(xué)組成、組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于大麥本身的特點(diǎn)，營(yíng)養(yǎng)成分含量可以反映大麥的化學(xué)組成，而容重可以反映組織結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)大麥熱物理特性與其生理生化指標(biāo)的內(nèi)在關(guān)系分析，可以為加工提供可靠的理論數(shù)據(jù)。

2.4基于熱物理特性參數(shù)的不同品種大麥聚類(lèi)分析

基于大麥的熱物理特性參數(shù)，利用離差平方和法對(duì)13份大麥進(jìn)行聚類(lèi)分析，以歐式距離平方為5時(shí)將參試品種分為3個(gè)類(lèi)群，如圖4及表5所示。可以看出，第一類(lèi)群有8個(gè)品種，第二類(lèi)群有4個(gè)品種，第三類(lèi)群有1個(gè)品種。

圖4 不同品種大麥聚類(lèi)圖

不同品種大麥的熱物理特性參數(shù)平均值見(jiàn)表6。從表6中可以看出，第一類(lèi)大麥的熱傳導(dǎo)系數(shù)最大(0.069 1 W·m-1K-1)，比熱和熱擴(kuò)散系數(shù)均屬于中等水平(分別為1 838.5 J·kg-1K-1、0.214 1 m2·s-1·10-6)，說(shuō)明其傳導(dǎo)熱量的能力較強(qiáng)，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能；第二類(lèi)大麥比熱及熱擴(kuò)散系數(shù)最大(分別為1 990.4 J·kg-1K-1、0.236 9 m2·s-1·10-6)，熱傳導(dǎo)系數(shù)最小(0.068 0 W·m-1K-1)，說(shuō)明其在加工過(guò)程中(如飼料的調(diào)質(zhì)制粒)達(dá)到同等溫度時(shí)吸收的熱量較多，并且物料內(nèi)部各處的溫度差別較小；第三類(lèi)大麥的比熱及熱擴(kuò)散系數(shù)最小(分別為1 523.5 J·kg-1K-1、0.177 0 m2·s-1·10-6)，熱傳導(dǎo)系數(shù)屬于中等水平(0.069 0 W·m-1K-1)，說(shuō)明其在加工中達(dá)到同等溫度時(shí)吸收的熱量較少，并且物料內(nèi)部各處的溫度差別較大。

表4 不同品種大麥主要營(yíng)養(yǎng)成分和熱物理特性參數(shù)的相關(guān)性分析

注：*和**分別表示0.05和0.01水平上差異顯著。

表5 不同品種大麥聚類(lèi)結(jié)果

表6 不同品種大麥熱物理特性參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)論

3.1 在營(yíng)養(yǎng)組分方面，大麥的粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.26%～16.30%，屬于飼用大麥。大麥的粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸洗纖維和中洗纖維的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.15%、2.30%、4.73%、12.26%。不同品種大麥的營(yíng)養(yǎng)成分均存在不同程度的差異。酸洗纖維和中洗纖維的含量變幅較大，粗蛋白、粗灰分的含量變化均為中等變幅。

3.2 在熱物理特性方面，大麥的比熱隨著溫度的升高而增大，并且所有大麥比熱隨溫度的變化趨勢(shì)一致。不同品種大麥在不同溫度下的比熱值為中等變異，差異并不顯著，只有9號(hào)大麥的比熱值顯著低于其他的大麥品種，這可能是因?yàn)椴煌贩N大麥的營(yíng)養(yǎng)組分存在一定差異。在25 ℃時(shí)，大麥的比熱在1 523.5～2 066.0 J·kg-1K-1之間。不同品種大麥的熱傳導(dǎo)系數(shù)差異顯著，其中熱傳導(dǎo)系數(shù)的范圍為0.063～0.074 W·m-1K-1。不同品種大麥的熱擴(kuò)散系數(shù)差異顯著，其中熱擴(kuò)散系數(shù)的范圍為0.177 0～0.250 8 m2·s-1·10-6。

3.3 比熱與原糧容重之間呈顯著負(fù)相關(guān)；熱傳導(dǎo)系數(shù)與粗灰分含量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，與粉料容重之間呈極顯著正相關(guān)，與酸洗纖維含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)，與原糧容重之間呈顯著正相關(guān)；熱擴(kuò)散系數(shù)與比熱之間呈極顯著正相關(guān)。

3.4 基于大麥的熱物理特性參數(shù)，利用離差平方和法對(duì)大麥進(jìn)行聚類(lèi)分析，將參試品種分為三個(gè)類(lèi)群，第一類(lèi)大麥傳導(dǎo)熱量的能力較強(qiáng)；第二類(lèi)大麥達(dá)到同等溫度時(shí)吸收的熱量較多，并且內(nèi)部各處的溫度差別較小；第三類(lèi)大麥達(dá)到同等溫度時(shí)吸收的熱量較少，并且內(nèi)部各處的溫度差別較大。

大麥熱物理特性參數(shù)的測(cè)定，對(duì)其作為飼料原料，指導(dǎo)飼料加工中調(diào)質(zhì)器、冷卻器的設(shè)計(jì)及加工工藝參數(shù)的優(yōu)化具有理論參考價(jià)值，同時(shí)熱物理特性參數(shù)的變化規(guī)律還可作為數(shù)學(xué)分析或軟件模擬中熱質(zhì)傳遞過(guò)程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]劉松柏，譚會(huì)澤，曹運(yùn)智，等. 皮大麥在家禽飼料中營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)估研究進(jìn)展[J]. 飼料工業(yè)，2015，36(2)：34-40

[2]趙春艷，曾亞文，普曉英，等. 不同大麥品種(系)營(yíng)養(yǎng)功能成分差異比較[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，23(3)：613-618

[3]任嘉嘉，孟少華，曹永政，等. 大麥品種籽粒、制粉和黏度特性研究[J]. 糧油加工，2014(6)：50-56

[4]謝申伍，田姣. 大麥在豬飼料生產(chǎn)應(yīng)用中的研究進(jìn)展[J]. 今日畜牧獸醫(yī)，2014(7)：7-10

[5]張曉亮，王紅英，王順喜，等. 顆粒飼料產(chǎn)品等級(jí)模糊綜合評(píng)判法[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36(11)： 98-101

[6]王紅英，張曉亮，薛松堂，等. 顆粒飼料產(chǎn)品等級(jí)評(píng)判系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(5)：134-136

[7]顧園華，宋春芳，崔政偉. 基于溫度和水分的紫薯熱物理特性與介電特性的分析[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015，27 (1)：97-103

[8]鄭億青，張來(lái)林，李興軍，等. 谷物和油料比熱測(cè)定的研究進(jìn)展[J]. 糧油食品科技，2014，22(4)：89-94

[9]Muri W E, Viavanichai S. Specific heat of wheat[J]. Journal of Agriculture Engineering Research, 1972, 17(4):338-342

[10]Fraser B M, Verma S S, Muir W E. Some physical properties of fababeans[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1978, 23(1):53-57

[11]Singh K K, Goswami T K. Thermal properties of cumin seed[J]. Journal of Food Engineering, 2000, 45:181-187

[12]Oje K, Ugbor E C. Some physical properties of oil bean seed[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1991, 50(4): 305-313

[13]Taiwo K A, Akanbi C T, Ajibola O O. Thermal properties of ground and hydrated cowpea[J]. Journal of Food Engineering, 1996, 29:249-256

[14]Ogunjimi L A O, Aviara N A, Aregbesola O A. Some engineering properties of locust bean seed[J]. Journal of Food Engineering, 2002, 55(2):95-99

[15]周祖鍔，趙世宏，曹崇文. 谷物和種子的熱特性研究[J]. 北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)學(xué)報(bào)，1988，8(3)：31-39

[16]Tang J, Sokhansanj S, Yannacopoulos S, et al. Specific heat capacity of lentil seeds by differential scanning calorimetry [J]. Transactions of the ASABE, 1991, (2):517-522

[17]Wang N, Brennan J G. The influence of moisture content and temperature on the specific heat of potato measured by differential scanning calorimetry[J]. Journal of Food Engineering, 1993, 19(3):303-310

[18]Yang W, Sokhansanj S, Tabil L, et al. Specific heat measurement for borage seeds by differential scanningcalorimetry[J]. Journal of Food Processing and Preservation, 1997, 21:395-407

[19]Yang W, Sokhansanj S, Tang J, et al. Determination of thermal conductivity, specific heat and thermal diffusivity of borage seeds [J].Biosystems Engineering, 2002, 82 (2): 169-176

[20]Kaletun? G. Prediction of specific heat of cereal flours: A quantitative empirical correlation[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 82(4): 589-594

[21]王紅英，李倪薇，高蕊，等. 不同前處理對(duì)飼料玉米比熱的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(14)：269-276

[22]王紅英，高蕊，李軍國(guó)，等. 不同原料組分的配合飼料比熱模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(9)：285-292

[23]劉建學(xué)，李建朝. 農(nóng)產(chǎn)品物料導(dǎo)溫系數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1998，14(2)：209-212

[24]楊洲，羅錫文，李長(zhǎng)友. 稻谷熱特性參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)定[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34(4)：76-78

[25]龔紅菊，陳坤杰，姬長(zhǎng)英. 基于圓筒瞬態(tài)熱流法的短粒型稻谷導(dǎo)溫系數(shù)的測(cè)定[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36(1)：68-70

[26]張大成，於海明. 特種稻谷導(dǎo)溫系數(shù)的研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35(31)：9814-9815

[27]劉宗慧，劉作華，鐘正澤，等. 不同加工方法對(duì)大麥飼用價(jià)值影響的研究[J]. 飼料博覽，2001(10)：4-7

[28]Feedipedia. 2014. http://www.feedipedia.org

[29]Standards A. Thermal properties of grain and grain products[S]. American Society of Agricultural Engineers,1991:362

[30]Alam A, Shove G C. Hygroscopicity and thermal properties of soyean[J]. Transactions of the ASAE, 1973, 16(4): 707-709

[31]徐昭. 大麥比熱系數(shù)的測(cè)量[J]. 石河子科技，2009(5)：9-11

[32]龔紅菊，陳坤杰. 大麥導(dǎo)熱率的實(shí)驗(yàn)測(cè)定[J]. 糧油加工與食品機(jī)械，2002(11)：47-48.

Study on Thermal Physical Properties of Varied Barley Cultivars

Yang Jie Chen Xiao Shen Xiang Kong Dandan Peng Fei Wang Hongying

(College of Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083)

In order to study the thermal physical properties of barley, different barley cultivars samples were collected, the nutritional composition, the density and thermal physical properties were analyzed, and cluster analysis was carried out. The results showed that the specific heat increased with the heating temperature increasing. The variation was medium for the specific heat at different temperature among barley cultivars. The variation of the specific heat was from 1 523.5 to 2 066.0 J·kg-1K-1at 25 ℃. Significant difference was found between the thermal conductivity and the thermal diffusivity among barley cultivars, and the variation was from 0.063 to 0.074 W·m-1K-1and from 0.177 0 to 0.250 8 m2·s-1·10-6. Correlation analysis showed that the specific heat was negatively correlative with the density; the thermal conductivity was significantly and negatively correlative with the content of crude ash, it was significantly and positively correlative with the density of mash, it was negatively correlative with the content of crude acid detergent fiber，and it was positively correlative with the density. Cluster analysis was conducted according to the thermal physical properties, the barley samples were clustered into three categories, and it can be used to guide the practical production.

barley, cultivar, specific heat, thermal conductivity, thermal diffusivity, cluster analysis

TS210

A

1003-0174(2016)04-0028-07

時(shí)間：2016-04-22 09:49:52

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2864.TS.20160422.0949.002.html

“十二五”國(guó)家科技計(jì)劃(2011BAD26B0401)，公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201203015)，基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(2014BH017)

2015-06-16

楊潔，女，1983年出生，博士后，飼料原料加工特性

王紅英，女，1966年出生，教授，飼料加工技術(shù)與裝備