肉大鸡颗粒饲料的吸湿解吸平衡模型.pdf

第2 6 卷 2 0 1 0 笠 第3 期 3 月 农业工程学报 T r a n s a ct io n so ft h eC S A E V 0 1 2 6N o 3 M a r 2 0 1 03 6 9 肉大鸡颗粒饲料的吸湿解吸平衡模型 刘焕龙1 ，潘宝海2 李军国2 ，徐学明1 ，金征宇睬 ( 1 江南大学食品学院，江南大学食品科学与技术国家重点实验室，无锡2 1 4 1 2 2 ； 2 中国农业科学院饲料研究所，北京1 0 0 0 8 1 ) 摘要：为了研究成品饲料的吸湿解吸平衡规律，用G A B 模型及其含温度变量的改良模型( m G A B ，m o d if ie dG A B ) 拟合静态法获得的肉大鸡颗粒料在1 5 、2 5 、3 5 和4 5 “ C 环境下，在1 1 至9 7 平衡相对湿度( 即水活度0 1 1 N 0 9 7 ) 范 围内的吸湿平衡以及1 1 7 5 ( 即水活度O 1 l 0 7 5 ) 范围内的解吸平衡，得到优异的拟合精度。结果表明：随温度 上升，饲料的平衡含水率下降，吸湿和解吸之间存在明显的滞后现象。用B E T 解吸模型计算的1 5 4 5 “ C 范围内单层含 水率为6 3 4 5 3 9 ( 干基) ，并且随温度升高线性下降。以水活度O 6 5 为安全贮存的临界点，对应于吸湿和解吸过 程，用改良G A B 模型估计4 个温度点的安全水分( 干基) 分别为1 3 0 9 和1 4 7 1 、1 2 9 2 和1 4 3 3 、1 2 7 4 和1 4 0 0 、 1 2 5 6 和1 3 6 6 。研究结果为饲料的贮存和冷却过程规律研究提供了参考。 关键词：物料，模型，贮存，水分控制，肉鸡饲料，吸湿解吸平衡 d o i：1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 2 6 8 1 9 2 0 1 0 0 3 0 6 2 中图分类号：$ 8 1 6 3 3文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2 - 6 8 1 9 ( 2 0 1 0 ) - 0 3 - 0 3 6 9 0 5 刘焕龙，潘宝海，李军国，等肉大鸡颗粒饲料的吸湿解吸平衡模型 J 农业工程学报，2 0 1 0 ，2 6 ( 3 ) ：3 6 9 - - 3 7 3 L iuH u a n l o n g ，P a nB a o h a i，L i J u n g u o ，e ta 1 M o d e l so fm o is t u r es o r p t io nis o t h e r m sf o rp e l l e t e df in is h in gb r o il e rf e e d J T r a n s a ct io n so f t h eC S A E ，2 0 1 0 ，2 6 ( 3 ) ：3 6 9 - - 3 7 3 ( inC h in e s ew i血E n g l is ha b s t r a ct ) 0 引言 饲料企业普遍存在颗粒饲料含水率难以控制等问 题。食品以及饲料等的吸湿解吸平衡曲线也称为水分吸 着等温线，其规律是产品干燥、冷却、包装和贮存等工 艺乃至配方的重要依据。与饲料有关的吸湿解吸平衡研 究丰要在原料方面，并且缺乏相关的化学成分和物理性 质等背景描述。即使在国际范围内也极少看到有关成品 饲料吸湿解吸平衡及其数学模型的研究报道。国内较早 的报道来自于牛智有等对颗粒饲料的研究l l J 。D E M a ie r 在其研究逆流冷却过程的论文中提到1 2 】，唯一能够找到的 颗粒饲料吸湿平衡数据来自于F r ie d r ich 在1 9 8 0 年的研究。 F r ie d r ich 给出了2 5 时4 个相对湿度( 3 0 9 0 ) 环境 下肉鸡、猪和奶牛颗粒饲料的吸湿模型，认为高淀粉的 奶牛精饲料、猪饲料和肉鸡饲料的吸湿特点没有显著区 别，除非含有高比例脂肪和糖蜜。吸湿解吸曲线还被广 泛应用于蒸发潜热等热力学参数的计算p j 。 单层水( m o n o l a y e rm o is t u r e ) 是指所有能够结合水 分的初级活性位点被单层水分子平衡后的水分，这些结 合可通过水合作用、氢键和范德华力等实现，以后吸湿 收稿日期：2 0 0 8 1 2 - 1 2修订日期：2 0 0 9 - 0 3 1 0 基金项目：江南大学食品科学与技术国家重点试验室目标导向资助项目 ( S K L F M B - 2 0 0 8 0 4 ) 作者简介：刘焕龙( 1 9 6 6 一) ，男，内蒙古赤峰人，博士研究生，主要研究 方向为粮油与植物蛋白工程。无锡江南大学食品学院，2 1 4 1 2 2 。 E m a il ：l iu h l y a h o o cn 通信作者：金征宇( 1 9 6 2 一) ，男，江苏扬州人，教授，博士生导师。主 要研究方向为碳水化合物、农副产品的综合利用。无锡江南大学食品学 院，2 1 4 1 2 2 。E m a il ：j in l a b 2 0 0 8 y a h o o co m 结合的水分被称为第二层水乃至多层水和游离水。单层 水的蒸发潜热显著高于纯水。G A B 模型理论认为单层水 热力学性质与第二层和多层水有显著区别。单层水对于 脱水后产品的物理和化学性质具有重要意义，与其结构 特性、脂肪氧化、酶活、非酶褐变等密切相关卜5 1 。食品 农产品的单层含水率( m o n o l a y e rm o is t u r eco n t e n t ，M m ) 一般为3 8 ( 干基) ，主要取决于产品具体的化学成 分和温度。在粮油食品行业中安全水分是实现安全储存 的重要指标，尽管安全水分还没有严格的名词术语标准。 安全水分与产品质量和企业效益密切相关。 本研究以代表性的肉大鸡颗粒料为对象，采用优选 的G A B ( g u g g e n h e im a n d e r s o n - d e b o e r ) 和改良型( m G A B ， m o d if l e dG A B ，引入温度变量) 以及B E T ( b r u n a u e r e m m e t - t e l l e r ) 模型及其改良型( m B E T ) ，计算相应的模 型参数，并以此估计单层含水率和安全水分，为完善干 燥、冷却和贮存等工艺提供参考数据。 1 吸湿与解吸模型的选择及其评估指标 美国农业工程师学会( A S A E ) 推荐了几种常用模型， 而这些模型具有不同的适用范围，例如A S A E 把经过改 良的H e n d e r s o n 和C h u n g - P f o s t 模型作为谷物和油籽的标 准模型【6 l 。迄今尚未找到一个普适性模型能够覆盖不同温 度和水活度状态的所有产品。水活度( w a t e ra ct iv it y , A w ) 的高低直接影响微生物的活动。G A B 是目前最好的模型 之一，已经作为欧美等地区食品研究中的推荐模型。B E T 模型适用于低水活度范围，例如A w 0 8 4 ) 以内之 后( O 0 0 5 鲫1 样品质量) ，认定达到平衡状态。1 5 。C 时从1 2d 后每2d 称量一次。用平衡后最后连续两次的 质量平均数作为平衡结果。依初始含水率和样品质量变 化计算平衡水分，统一用干基表示。 吸湿平衡结束后，将样品转入低两个水活度点( 例 如从A w - - - - 0 7 5 转移至A w - - - 0 5 8 ) 的密封容器内继续完成解 吸过程，称量方法和平衡的确认同上。O y e l a d e 等对去皮 玉米粉吸湿曲线的研究过程中也采用了类似的转移方 法I l9 1 。剔除最高水活度样品以避免解吸过程中可能出现 的霉变。因此解吸数据仅有0 1 1 O 7 5 共8 点( 4 5 “ C 有9 第3 期刘焕龙等：肉大鸡颗粒饲料的吸湿解吸平衡模型 3 7 1 个点，4 5 。C 时饲料样品未观察到霉变现象) 。点的拟合精度超过了G A B ，r n B E T 也优于m G A B ，估计 3 结果与分析 盏羹妻雾笑，篇篇畿篇勰 3 1 等温吸湿解吸曲线和数学模型参数标准差分别为0 1 4 5 1 、0 1 0 9 6 、0 0 4 9 5 和0 4 7 0 3 ，而在最 图1 给出了4 个温度下吸湿和解吸平衡的试验结果，高水活度点A w = 0 9 6 - - - 0 9 7 时分别为0 4 1 2 6 、0 2 8 2 5 、 图2 以2 5 为例给出了G A B 模型的拟合曲线。表2 和0 9 0 6 7 和1 5 6 1 1 。参数较少的数学模型更便于理解和应 表3 分别列出了所述模型的参数估计和拟合效果评估。 用。改良型中增加温度变最经常增加参数的个数，但 两组模型和改良型都给出了优异的拟合精度( 形 1 0 9 8 8 )m G A B 模型由于把温度变量与G A B 参数C 相关联，参数 和随机化残差分布。加入温度变量后的改良型拟合精度 仍为3 个。G A B 以及B E T 模型参数随温度呈现明显的上 略有下降，但平均相对偏差M R D 5 。B E T 模型在部分升或下降趋势( 表2 ) ，进步显示了模型的合理性。 逞 U 毫 静 * 它 褪 昝 注：A D S P - - - a d s o t p t io n ，吸湿；D S P - - d e s o r p t io n ，解吸 图1 肉大鸡颗粒料在4 个温度和1 1 个水活度点下的吸湿 和解吸平衡含水率 F ig 1 A d s o r p t io na n dd e s o r p t io nE M Ca tf o u rt e m p e r a t u r e sa t v a r io u sA wp o in t s 皂 逞 基 静 薹 馨 oo 2 0 o 4 0o 6 0o 8 0 1 o o 水活度A w 注：A D S P 2 5 - - o b s2 5 “ C 吸湿观察值：A D S P 2 5 - G A B 吸湿模型预测值 D S P 2 5 - o b s - 2 5 解吸观察值；D S P 2 5 - G A B 解吸模型预测值 图22 5 “ C 时肉大鸡颗粒料吸湿和解吸平衡及G A B 模型的 拟合曲线 F ig 2 O b s e r v e ds o r p t io nE M Cw it hp r e d ict io nb yG A B e q u a t io n ( 2 5 、 表2G A B 和m G A B 模型吸湿解吸曲线的参数及评估表 T a b l e2E s t im a t e dp a r a m e t e r sa n de v a l u a t io no fG A Ba n dm G A Be q u a t io n sf o rs o r p t io nis o t h e r m 注： 厶一单层水含水率，( 干基) ；t a ，b ，C c一模型参数：产 - 温度，。卜决定系数；艘伊 平均相对偏差，；距E 一回归估计标准误。 表3B E T 和m B E T 模型吸湿解吸曲线的参数及评估表 T a b l e3E s t im a t e dp a r a m e t e r sa n de v a l u a t io no fB E Ta n dm B E Te q u a t io n sf o rs o r p t io nis o t h e r m 吸湿5 9 7 “ 一一 6 0 4 l1 90 9 9 7 40 2 3 7 6 1 8 6随机 解吸6 3 3 6 6 一一 9 1 2 6 7 60 9 9 4 5 0 3 6 9 42 7 7随机 B E T ( A w 0 4 5 ) = 一 吸湿 5 5 2 4 6 一一4 6 1 6 2 0 9 9 6 80 2 3 7 31 9 8 随机 解吸 5 8 9 5 7 一一 2 7 3 0 1 70 9 9 6 10 2 8 2 3 8随机 转下页 鲐 笛 加b m ， 3 7 2 农业工程学报2 0 1 0 年 注：广一单层含水率，( 干基) ：a ，b ，C 一模型参数；产 - i岛度，。萨一决定系数；揪伊 _ 平均相对偏差，；娓卜回归估计标准误。 3 2 滞后现象、安全水分和单层含水率( 帆) 的估计 数据表明肉鸡料同许多农产品一样，平衡含水率随 温度上升而下降，解吸E M C 高于吸湿E M C ，即在吸湿 和解吸等温线上存在滞后现象。由图2 中例举的2 5 时 的吸湿和解吸曲线显示，在0 4 4 0 7 5 之间滞后表现最 为明显。这就要求在应用过程中注意在同样含水率条件 下，吸湿过程的水活度高于解吸过程的水活度。用m G A B 模型( 式( 2 ) ) 估计1 5 、2 5 、3 5 和4 5 时吸湿和解吸 过程所对应的安全水分( 干基) 分别为1 3 0 9 和1 4 7 1 、 1 2 9 2 和1 4 3 3 、1 2 7 4 和1 4 o o 、1 2 5 6 和1 3 6 6 。 虽在安全水分以下时如果没有水分吸收或转移，不易发 生霉变现象，但水活度在0 6 0 0 8 0 范围内恰好是脂类 氧化、非酶褐变等相对速率的峰值区剧z o 】。因此需要尽 量缩短配合饲料的贮存时间，特别是高脂肪、高赖氨酸 添加量的产品。实际生产中还可根据包装袋的水分渗透 速率，结合A w 与E M C 之间的关系估计货架寿命。平衡 水与温度的关系是颗粒饲料冷却的重要参考，E M C 数值 也是冷却的最终平衡点。 用解吸平衡计算出的眠高于吸湿平衡计算的数值 ( 表2 ，表3 ) 。由G A B 解吸模型计算出的心高于B E T 计算的结果，与T im m e r m a n n 等【7 】的报道一致。因参数a 已被同定，含温度变量的m G A B 不再适用于不同温度下 单层水的计算。尥随温度升高而下降。较高温度下分子 运动趋于活跃，使水分子与结合位点的结合力下降是造 成这种趋势的主要原因。按照解吸数据，用G A B 估计的 与温度的线性关系为眠= ( 一0 0 2 5 0 ) T + 7 9 3 ( R 2 = O 9 8 0 3 ) ，用B E T 模型为尥= ( 一0 0 3 3 6 ) T + 6 4 4 8 8 ( 评- - 0 9 7 5 4 ) 。然而依照m B E T 中的参数估计，眠= ( 一0 0 4 9 6 ) T + 6 8 8 2 6 ( 表3 ) ，显示温度对单层水的影响更 大，这一区别源于模型的设计和回归估计。在单层水状 态下可实现安全存贮，此时的水活度远低于霉菌等微生 物的最低要求，也有利于控制诸如美拉德反应等不利因 素，但会导致重量损失以及冷却或干燥能耗的增加。 4 结论与讨论 1 ) 肉大鸡颗粒料在1 5 4 5 “ C 范围内，G A B 和m G A B 是描述肉大鸡颗粒料水活度和平衡水分之间关系的优选 模型，B E T 和m - B E T 很好地拟合了低水活度区域的结果。 颗粒饲料的吸湿和解吸平衡直接存在滞后现象。由B E T 解吸模型计算的肉大鸡饲料单层含水率在1 5 - - - - 4 5 “ C 范围 内为6 3 4 5 3 9 ( 干基) ，并且随温度升高而线性下 降。 2 ) 以水活度0 6 5 为临界点，根据吸湿和解吸模型， 可分别计算吸湿和解吸过程中的安全水分，反之可用来 估计不同水分条件下的水活度。数据为合理设计颗粒饲 料冷却后产品水分提供了参考。 3 ) 建议将吸湿解吸平衡规律作为饲料的常规物理化 学性质并进行必要的日常测定。 参考文献 1 】 牛智有，谭鹤群，宗力颗粒饲料平衡含水率的试验研究 J 粮食与饲料工业，1 9 9 8 ，( 4 ) ：1 5 1 6 N iuZ h iy o u ，T a nH e q u n ，Z o n gL iS t u d yo ne q u il ib r in m m o is t u r eco n t e n to f p e l l e tf e e d J C e r e a l & F e e dI n d u s t r y , 1 9 9 8 ，( 4 ) ：1 5 1 6 ( inC h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a ct ) 【2 】 M a ie rDE T h eco u n t e r f l o wco o l in go ff e e dp e l l e t D M S D is s e r t a t io n M ich ig a nS t a t eU n iv e r s it y ，1 9 8 8 【3 A v ia r aN 八A j ib o l aOO ，D a ir oUO T h e r m o d y n a m icso f m o is t u r es o r p t io nins cs a n 舱s e e d r 1 B io s y s t e m sE n g in e e r in g 2 0 0 2 ，8 3 ( 3 ) ：4 2 3 - - 4 31 【4 】 王璋，许时婴，汤坚食品化学p 旧北京：中国轻工业 出版社，1 9 9 9 ：7 3 0 5 】N o r m a nNP o t t e ra n dJ o s e pHH o t ch k is s 食品科学【M 】5 版王璋，等译北京：中国轻工业出版社，2 0 0 1 【6 】A S A E ，19 9 6 A m e r ica nS o cie t yo fA 鲥cu l t u r a lE n g in e e r s S t a n d a r d s ( 4 3 me d it io n ) S 【7 】T im m e r m a n nEO ，C h ir if eJ ，I g l e s ia sH A W a t e rs o r p t io n is o t h e T n l So f f o o da n df o o d s t u f f s ：B E To rG A Bp a r a m e t e r s ? 阴J o u r n a lo f F o o dE n g in e e r in g ，2 0 0 1 ，4 8 ( 1 ) ：1 9 3 1 【8 】8 A v ia r aN 凡A j ib o l a00 T h e r m o d y n a m icso fm o is t u r e s o r p t io ninm e l o ns e e da n dca s s a v a J J o u r n a lo fF o o d E n g in ie e r in g ，2 0 0 2 ，5 5 ( 2 ) ：1 0 7 一1 1 3 【9 】 A v ia r aN 八A j ib o l a00 ，O n iSA S o r p t io ne q u il ib r iu ma n d t h e r m o d y n a m icch a r a ct e r is t icso fs o y ab e a n J 】B io s y s t e m s E n g in e e r in g ，2 0 0 4 ，8 7 ( 2 0 ) ：1 7 9 1 9 0 【1 0 】M e n k o vND ，P a s k a l e vHM ，G a l y a z k o vDI ，e ta l 。A p p l y in g t h el in e a re q u a t io no fco r r e l a t io no fB r a n a u e r - E m m 酏- T e l l 盱 ( B E D - m o n o l a y crm o is t u r eco n t e n t 、v it l lt e m p e r a t u r e J N a h m n g F o o d , 1 9 9 9 ，4 3 ( 2 ) ：1 1 8 1 2 1 1 1 】F u r m a n ia kS ，T e r z y kAP ，G a u d e nP 八e ta 1 A p p l ica b il it y o ft h eg e n e r a l iz e dD A r e ya n dW a t tm o d e lt od e s cr ip t io no f w a t e rs o r p t io no np in e a p p l ea n do t h e rf o o d s t u f f s J J o u r n a l o f F o o dE n g in e e r in g ，2 0 0 7 ，7 9 ( 2 ) ：7 1 8 7 2 3 第3 期刘焕龙等：肉大鸡颗粒饲料的吸湿解吸平衡模型 3 7 3 【1 2 】 【1 3 】 1 4 】 1 5 】 【1 6 N u r h a nA r s l a n ，H a s a nT o 垂 u 1 M o is t u r es o r p t io nis o t h e r r l l s f o rcr u s h e dch il ie s J B io s y s t e m sE n g in e e r in g ，2 0 0 5 ，9 0 ( 1 ) ： 4 7 6 1 P a r kKJ ，V o h n ik o v aZ ，B r o dF PR E v a l u a t io no fd r y in g p a r a m e t e r sa n dd e s o r p t io nis o t h e r m so fg a r d e nm in tl e a v e s ( M e n t h acr is p aL ) 【J 】J o u r n a lo fF o o dE n g in e e r in g ，2 0 0 2 ， 5 1 ( 3 ) ：1 9 3 1 9 9 W a n gN ，B r e n n a n JG M o is t u r es o r p t io nis o t h e r m ch a r a ct e r is t icso fp o t a t o e sa tf o u rt e m p e r a t u r e s J J o u r n a lo f F o o dE n g in e e r in g ，1 9 9 1 ，1 4 ( 4 ) ：2 6 9 - - 2 8 2 全国饲料工业标准化技术委员会，中国饲料工业协会中 国饲料工业标准汇编( 上、下) G 】北京：中国标准出版社， 1 9 9 6 W o l fW ，S p ie s sWEL ，J u n gG S t a n d a r d iz a t io no f is o t h e r mm e a s u r e m e n t s ( C O S T - P R O J E C T9 0A N D9 0B I S ) I n ：W a t e rP r o p e r t ie sinF o o d M S im a t o sD ，M u l t o nJL D o r d r e ch t B o s t o r dL a n ca s t e r ，N A T OA S IS e r ie s ：M a r t in u s N ij h o f f P u b l is h e r s 1 9 8 5 ：6 6 1 - - 6 7 9 B 7 S p ie s sWEL W o I fW C r it ica le v a l u a t io no fm e t h o d st o d e t e r m in em o is t u r es o r p t io nis o t h e r m s C h a p t e r1 0 I n ：W a t e r A ct iv it y ：T h e o r ya n dA p p l ica t io nt oF o o d M R o ck l a n dLB ， B u e ch a tLR N e wY o r k ：M a r C e lD e k k e r , 1 9 8 7 ：2 1 5 - - 2 3 2 1 8 1N o v a s in aA WT H 5 0 0U S e r 8 M a n u a l Z N o v a s in aI n c， S w e d e n 2 0 0 1 【1 9 】O y e l a d eOJ ，T u n d e A k in t u n d e bTY ，l g b e k a cJC ，e ta 1 M o d e l l in gm o is t u r es o r p r io nis o t h e r m sf o rm a iz ef l o u r J J o u r n a lo f S t o r e dP r o d u ct sR e s e a r ch 。2 0 0 8 ，4 4 ( 1 ) ：1 7 9 1 8 5 f 2 0 1L a b u z aTP ，A l t u n a k a rB W a t e ra ct iv it yp r e d ict io na n d m o is t u r es o r o t io nis o t h e r m s C W a t e rA ct iv it yinF o o d s ： F u n d a m e n t a l sa n dA p p l ica t io n s I F TP r e s s ，B l a ck w e l l P u b l is h in g O x f o r d , U I L2 0 0 7 ：1 0 9 1 5 4 M o d e l so fm o is t u r es o r p t io nis o t h e r m sf o rp e l l e t e df in is h in gb r o il e rf e e d L iuH u a n l o n 9 1 ，P a nB a o h a i2 ，L iJ u n g u 0 2 ，X uX u e m in 9 1 ，J inZ h e n g y u l ( 1 S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f F o o dS cie n cea n dT e ch n o l o g y ，S ch o o lo f F o o dS cie n cea n dT e ch n o l o g y , J ia n g n a nU n iv e r s it y ，W u x i2 1 4 1 2 2 ，C h in a ； 2 F e e d R e s e a r ch I n s t it u t e ，C h in a A ca d e m y o f A g r icu l t u r a l S cie n ce ，B e ij in 9 1 0 0 0 8 1 ，C h in a ) A b s t r a ct ：T oin v e s t ig a t et h ea d s o r p t io na n dd e s o r p t io nb e h a v io ro fco m p o u n df e e d s ，G u g g e n h e im - A n d e r s o n d eB o e r ( G A B ) e q u a t io na n dm o d if ie dG A Bw e r ea p p l ie dt of itt h ee q u il ib r iu mm o is t u r eco n t e n t ( E M C ) d a t ao fa d s o r p t io no fa p e l l e t e df in is h in gb r o il e rf e e da te q u il ib r iu mr e l a t iv eh u m id it y ( d e cim a l ，o rw a t e ra ct iv it y ，A w ) f r o m0 1 lt 00 9 7a n dt h e d e s o r p t io na