旋轉式多比例分樣方法對作物籽粒分樣效果的研究

楊富淇 謝美西 薛鳴星 高中斗 謝光輝*

(1.中國農業大學 農學院，北京 100193；2.霍克光儀北京科技有限公司，北京 100012；3.國家能源非糧生物質原料研發中心，北京 100193)

作物籽粒樣品的物理和化學性質分析是作物種子試驗、生產加工企業以及質量檢測領域的重要內容，分樣是樣品前處理不可或缺的環節，分樣的代表性關系著檢測結果的準確性[1]。手工四分法和分樣器是常見的分樣方法。手工四分法以人工操作為主，分樣速度較慢，適合于研究性實驗室處理較少份數的樣品。手工四分法是被廣泛接受的分樣方法，既在實驗指導中應用于土壤[1-5]、種子[6]和作物[7]的相關檢測，也納入了相關農業標準[8-9]。當樣品份數較大，尤其在糧食和種子檢驗時，對樣品的分樣往往用分樣器操作。從早期的瓊斯分樣器，發展到現在的鐘鼎式[12]、離心式[13]和橫格式[14]分樣器等，分樣器的種類越來越多。但這些分樣器都存在缺陷, 首先，每次分樣操作只能獲得1種縮分比例的子樣，若需要獲得更小縮分比例的子樣，則需進行多次分樣操作；其次，分樣時樣品經過較多的封閉管路，容易殘留顆粒度較小的樣品，不易清理，容易導致樣品混雜。針對以上問題，北京慧明雨實驗科技有限公司研發了實用新型專利產品旋轉扇盒分樣器(專利號：ZL202020336759.8)[10]。該設備應用若干個扇盒，一次分樣最多可獲得10份子樣，縮分比例包括1/2、1/4、1/8和1/16可任意選擇。該裝置分樣完畢后可進行內部清掃，操作方便快捷。有關旋轉式多比例分樣方法的可行性研究尚未見報道。本研究以4種作物籽粒為樣品材料，以手工四分法為對照，分析旋轉扇盒分樣器分樣的代表性和縮分比誤差，旨在驗證旋轉式多比例分樣方法的可行性，以期為固體樣品的分樣技術研發與應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試的旋轉扇盒分樣器樣機由專利研發單位(北京慧明雨實驗科技有限公司)提供。該設備主要由底座、旋轉部件、支架、分樣扇盒、外罩、導樣圓錐體和進樣漏斗等部件組成，見圖1。分樣時，樣品從進樣漏斗進入后，下落在導樣圓錐體頂點及其周圍，沿著導樣圓錐體的側面繼續分散下落進入旋轉的上層扇盒和下層扇盒中。這些扇盒是按圓周比例制作的，將相同比例的扇盒擺放在圓心對稱的位置上，應用的上層扇盒比例為1/8、1/16和1/32共3種，以及2個半圓形的下層扇盒，樣品從上層未安裝扇盒的位置落入下層扇盒中。在使用旋轉扇盒分樣器時，打開電源后調節指定的轉速，然后將樣品從入料口倒入分樣器內，待樣品下落完畢后，從扇盒中取出樣品獲得不同縮分比的子樣。

1.底座;2.支架;3.外罩;4.導樣圓錐體;5.進樣漏斗;6.旋轉軸;7.上層扇盒;8.下層扇盒;9.旋轉托盤1.Base; 2.Support frame; 3.Outer cover; 4.Guide cone for sampling; 5.Sampling funnel; 6.Rotating axle; 7.Upper fan-shaped boxes; 8.Lower fan-shaped boxes; 9.Rotating plate

為檢驗分樣效果，選擇4種作物籽粒，分別為谷子(平均直徑1.5 mm)、綠豆(平均直徑3.7 mm)、大豆(平均直徑6.0 mm)和玉米(平均長度12.6 mm、寬度9.4 mm)。這4種作物籽粒粒徑和形狀差異較大，幾乎包括了糧食作物籽粒的最小至最大粒徑，以便檢驗分樣效果。稱取這些作物籽粒各150 g混合后作為需要分樣的樣品。分樣后，選擇篩孔為2.8、6.0和10.0目的篩子，將每個子樣中的這4種作物籽粒分離出來。

1.2 試驗設計

用旋轉扇盒分樣器進行分樣操作時，將轉速分別設置為0、7.5、15.0、22.5和30.0 r/min(樣機最大轉速)。同時，根據本實驗室的操作經驗，在每個轉速下將進樣時間分別設為60、90和120 s。分樣后，將扇盒中的樣品取出即獲得縮分比為1/2、1/4、1/8和1/16的子樣。根據扇盒組合不同共有3種方式獲得子樣。一是單盒，指由1個扇盒獲得1份子樣；二是雙盒，由相對的2個同比例扇盒獲得1份子樣(例如，2個1/32扇盒中的樣品組成1份縮分比為1/16的子樣)；三是四盒，由十字型相對的4個同比例扇盒獲得1份子樣(例如，4個1/32扇盒中的樣品組成1份縮分比為1/8的子樣)。同時，以手工四分法[1](即錐堆四分法)也分出縮分比為1/2、1/4、1/8和1/16的子樣作為對照(CK)。每個處理和對照均設5次重復，屬于完全隨機試驗設計。每次分樣后將子樣中的4種作物籽粒分離出來，記錄4種籽粒的質量。

需要說明的是，該專利產品的旋轉系統包括導樣圓錐體旋轉系統和扇盒旋轉系統，本研究的轉速處理指扇盒旋轉系統，其作用是使分樣更均勻，而導樣圓錐體旋轉系統則用于對分樣器內部進行清掃處理。

1.3 統計分析

子樣的代表性由分樣誤差表示。分樣誤差是子樣與被分樣品組成的差異，分樣誤差是子樣中某種籽粒組分含量與被分樣品同一籽粒組分含量的相對誤差絕對值。本研究應用行業標準《糧油機械檢驗用分樣器LS/T 3545—2017》[18]的計算原理，將每份子樣的4種籽粒的分樣誤差相加得到該子樣的分樣誤差和(R)。

(1)

式中：R，分樣誤差和；CD，子樣中某一籽粒組分含量；Cb，被分樣品某一籽粒組分含量；i=1為谷子，i=2為綠豆，i=3為大豆，i=4為玉米。

縮分比誤差是子樣實際縮分比與標稱縮分比差的絕對值，表示分樣獲得子樣縮分比的準確性。

(2)

式中：r，縮分比誤差；1/Ds，子樣實際縮分比；1/Db，子樣標稱縮分比。

利用SPSS軟件按完全隨機試驗設計進行方差分析,方差分析在P<0.05水平上差異顯著性為顯著，在P<0.01水平上差異顯著性為極顯著。對于有顯著和極顯著差異的數據，以最小顯著差數法(LSD)作多重比較。

2 結果與分析

2.1 轉速對不同縮分比的分樣代表性的影響

由圖2可知，進樣時間90 s，轉速為0～30.0 r/min時，除1/16縮分比的轉速0 r/min單盒外，旋轉式多比例分樣方法的1/2、1/4、1/8和1/16共4個縮分比子樣的分樣誤差和范圍為10.88%～56.26%，這4個縮分比的“四分法”對照子樣的分樣誤差和范圍在25.28%～60.18%。旋轉式多比例分樣方法的分樣誤差和都小于相應縮分比的“四分法”對照。而且，1/8和1/16單盒子樣的分樣誤差和會隨著轉速的升高而下降，轉速30.0 r/min的分樣誤差和最低。相比之下，1/2和1/4子樣沒有表現出這樣的趨勢，是因為在不旋轉或同一轉速下子樣占所分樣品比例越大則代表性越好。但總體來看，轉速對這4個縮分比子樣的分樣誤差和沒有顯著影響。

由表1可知，不同轉速處理及對照的1/2和1/8縮分比子樣的分樣誤差和之間的差異達到顯著水平，1/4和1/16子樣的差異不顯著。多重比較分析顯示，5個不同轉速的1/2縮分比子樣的分樣誤差和均顯著小于“四分法”(CK)，見圖2；對于1/8縮分比的子樣，除單盒轉速0 r/min與CK不存在顯著差異外，其他子樣的分樣誤差和都顯著小于CK。此外，在轉速為0～30.0 r/min，大多數處理組中有轉速比無轉速能使旋轉式多比例分樣方法的代表性有所提高，但差異均不顯著，其中30.0 r/min的結果最為穩定且分樣誤差和的值最低。因此，對于5個轉速處理，旋轉式多比例分樣方法的1/2、1/4、1/8和1/16子樣的代表性都不低于四分法(CK)。在不同轉速下，不同扇盒數對1/4、1/8和1/16子樣的分樣誤差和影響趨勢一致，見圖2。

不同小寫字母表示在0.05水平上有顯著差異。下同。The different small letters indicate significant differences at 0.05 level. The same below.

表1 旋轉式多比例分樣方法的轉速和進樣時間對分樣誤差和、縮分比誤差的影響及對照的方差分析Table 1 Variance analysis for effects of rotating speed (RS) and sampling time (ST) on sum of sample separation error (SSSE) and separation ratio error (SRE) of sub-samples with different separation ratio (SR) from rotating multi-proportion sample division method and its control

縮分比SR變異來源Sourceofvariation自由度df轉速影響 Influence of RS分樣誤差和均方(進樣時間:90 s)SSSE mean square(ST: 90 s)縮分比誤差均方(進樣時間120 s)SRE mean square(ST: 120 s)自由度df進樣時間影響 Influence of ST分樣誤差和均方(轉速30 r/min)SSSE mean square(RS: 30 r/min)縮分比誤差均方(轉速30 r/min)SRE mean square(RS: 30 r/min)1/2處理間50.015*0.000 06930.031**0.000 173誤差間240.0040.000 042160.0050.000 0851/4處理間150.0100.000 07690.0120.000 053誤差間640.0070.000 061400.0060.000 058

表1(續)

2.2 轉速對縮分比誤差的影響

根據進樣時間120 s試驗結果，應用旋轉式多比例分樣方法不同轉速處理的1/8和1/16子樣的縮分比誤差都達到顯著水平，1/2和1/4子樣的縮分比誤差的差異不顯著，見表1。旋轉式多比例分樣方法的1/2和1/4子樣由雙盒或四盒組成，其縮分比誤差為0.29%～2.32%，對照為0.71%～1.57%，見圖3。多重比較分析結果表明，對于1/8子樣，除轉速0 r/min的四盒子樣縮分比誤差顯著高于對照外，其他處理與對照均無顯著差異；對于1/16子樣，除轉速0和30 r/min的單盒子樣縮分比誤差顯著高于對照外，其他處理的縮分比誤差與對照均無顯著差異。總的來看，不論多少個扇盒數，轉速0 r/min的多數縮分比子樣誤差比其他轉速的高。轉速7.5、15.0、22.5和30.0 r/min對各子樣縮分比誤差沒有顯著影響。

不同扇盒數對1/4、1/8和1/16子樣縮分比誤差的影響不同。對于1/8和1/16子樣，除1/8四盒子樣例外，相同轉速處理單盒子樣的縮分比誤差高于雙盒，差異不顯著。但四盒與雙盒相比，1/4四盒子樣的縮分比誤差低于雙盒，1/8四盒子樣的縮分比誤差高于雙盒，差異均不顯著。可見四盒或雙盒對縮分比誤差的影響有一定的隨機性。

2.3 進樣時間對不同縮分比的分樣代表性的影響

由圖4可知，旋轉分樣器轉速為30 r/min，進樣時間60、90和120 s處理的1/2、1/4、1/8和1/16子樣的分樣誤差和(7.7%～36.49%)均小于CK(25.28%～60.18%)，其中1/2和1/8子樣的分樣誤差和分別達到極顯著和顯著差異，1/4和1/16均不存在顯著差異，見表1。多重比較結果顯示，3個進樣時間處理的1/2子樣的分樣誤差和都極顯著小于對照，但3個進樣時間的分樣誤差和之間均無顯著差異。3個進樣時間處理的1/8縮分比單盒、雙盒和四盒子樣的分樣誤差和都顯著小于對照，但單盒、雙盒和四盒子樣之間以及3個進樣時間處理間的分樣誤差和均無顯著差異，見圖4。因此，旋轉式多比例分樣方法分樣的代表性不低于人工四分法(CK)，進樣時間對分樣的代表性沒有顯著影響。

圖4 不同進樣時間下1/2(a)、1/4(b)、1/8(c)和1/16(d)縮分比子樣及對照的分樣誤差和(轉速:30.0 r/min)Fig.4 Sum of sample separation errors for 1/2(a)， 1/4(b)， 1/8(c) and 1/16(d) separation sub-samples under different sampling times and the control (rotating speed: 30.0 r/min)

在不同進樣時間內，不同扇盒數對1/4、1/8和1/16子樣的分樣誤差和的影響較小，隨著組成子樣的扇盒數增多，子樣的分樣誤差和有下降的趨勢，但這種趨勢不明顯。

2.4 進樣時間對縮分比誤差的影響

應用旋轉式多比例分樣方法在轉速30.0 r/min分樣時，3個進樣時間的1/2、1/4和1/16子樣的縮分比誤差與對照相比均未達到顯著水平，只有1/8縮分比子樣的縮分比誤差與對照間存在顯著差異，見表1。根據多重比較，1/8縮分比子樣的各處理與對照的縮分比誤差均無顯著差異，見圖5。因此，旋轉式多比例分樣方法與人工四分法分樣的縮分比誤差不存在顯著差異，進樣時間對縮分比誤差沒有顯著影響。

圖5 不同進樣時間下1/2(a)、1/4(b)、1/8(c)和1/16(d)縮分比子樣及對照的縮分比誤差(轉速:30 r/min)Fig.5 Separation ratio error for 1/2(a), 1/4(b), 1/8(c) and 1/16(d) separation sub-samples under different sampling times and the control (rotating speed: 30 r/min)

同時，不同進樣時間處理的子樣都顯示單盒比雙盒和四盒的縮分比誤差有升高的趨勢，但是雙盒和四盒之間的差異很小，且都接近對照的縮分比誤差。雙盒、四盒子樣的縮分比誤差與對照間的差異未達到顯著水平。

3 討 論

目前，旋轉式多比例分樣方法盡管已獲得專利[10]授權，但是該方法的原理完全不同于當前試驗中應用的各種分樣器的方法，包括瓊斯分樣器[11]以及鐘鼎式[12]、離心式[13]和橫格式[14]分樣器等分樣方法。本研究應用了國家糧食行業標準《糧油機械 檢驗用分樣器(LS/T 3545—2017)》[8]中規定的檢驗指標檢測了旋轉式多比例分樣方法的分樣誤差和與縮分比誤差。由于旋轉式多比例分樣方法及其分樣器不但可用于糧食檢驗，還能用于其他固體樣品的分樣，因此本研究以四分法作為對照，應用了粒徑差異較大的4種混合籽粒作為需要分樣的樣品，首次提出并應用了分樣誤差和這一指標，即通過檢驗子樣中4種不同粒徑材料的分樣誤差之和確定代表性。本研究結果表明，應用旋轉式多比例分樣方法在不同轉速處理下，進樣時間60、90和120 s對子樣的分樣誤差和及縮分比誤差均沒有顯著影響。在轉速為0～30.0 r/min，隨著轉速提高，分樣誤差和有降低趨勢，但未達到顯著水平，單盒子樣的效果尤為明顯。5個轉速處理子樣的分樣誤差和都低于或不高于四分法。本試驗研究中的最大轉速為30.0 r/min，也是所提供專利樣機的最大轉速。根據該分樣器設計原則，未設計更快轉速是為避免小顆粒成分成為揚塵而改變樣品的組分，從而降低分樣的代表性。分析不同的進樣時間對分樣效果的影響，是為了確定該專利方法最快又不降低分樣代表性的時間，既然60、90、120 s三個時間對結果沒有顯著影響，說明應用60 s進樣是可行的。本研究設置的對照是實驗室普遍適用的四分法。當本研究處理結果和對照沒有顯著差異時，即旋轉式多比例分樣方法可以代替手工四分法。但是，轉速對縮分比誤差的影響較大，總的來看，轉速為0 r/min的多數子樣比其他轉速的縮分比誤差較高，可見轉速有降低縮分比誤差的效果，而當轉速為7.5、15.0、22.5和30.0 r/min時，雙盒或四盒組成子樣的分樣誤差和不高于四分法。這是因為以一定速度旋轉能夠促進樣品更為均勻地分散落入分樣的扇盒中。

各個進樣時間處理的子樣都顯示，相同轉速處理的單盒比雙盒和四盒的縮分比誤差有升高的趨勢，但是雙盒和四盒之間的差異很小，都接近對照的縮分比誤差，且差異未達到顯著水平。這個結果符合四分法分樣原理[1,6-7]，應用四分法分樣時需要將樣品混勻堆成圓錐體，用十字形架分成四等份，取相對的兩份形成子樣。旋轉式多比例分樣方法通過旋轉將樣品均勻分散到不同的扇盒中，取相對兩個扇盒或十字相對四個扇盒形成子樣，這顯然和四分法的對稱取樣原理相同。

4 結 論

應用旋轉式多比例分樣方法在不同轉速處理下，進樣時間60～120 s對1/2、1/4、1/8和1/16子樣的分樣誤差和均沒有顯著影響。旋轉式多比例分樣方法的5個轉速處理形成子樣的分樣誤差和都不高于四分法(CK)。但是，除0 r/min處理1/8四盒和1/16單盒及30 r/min處理的1/16單盒子樣的縮分比誤差顯著高于CK外，旋轉處理(轉速≥7.5 r/min)的單盒、雙盒或四盒組成子樣的縮分比誤差與CK不存在顯著差異。因此，旋轉式多比例分樣方法是可行的，建議應用時設置轉速≥7.5 r/min，取相對兩個扇盒或十字相對四個扇盒形成子樣。