数学模型与方法在颗粒饲料预测的应用:数学预测模型

数学模型与方法在颗粒饲料预测的应用

1颗粒饲料成型机理与影响因素概述 制粒成型是饲料成型技术之一，是饲料加工技术的重要 组成部分。所获得的颗粒料产品相对于粉料有很大的优越 性：经过制粒后产品减少了分级现象，改善了动物的挑食情 况，避免了饲料的过度浪费，同时也减少了由于粉尘多而引 起的对动物饮水及环境的污染；
另外，饲料原料通过调质、 制粒等热加工过程能够杀灭部分有害微生物，使产品卫生质 量得到保证，还可以钝化饲料中抗营养因子以保证其营养价 值，同时热处理能提高饲料淀粉糊化度、使蛋白质变性，从 而提高动物适口性，提高饲料利用率和生产性能[1-3]。1.1颗粒饲料成型机理与过程简述 饲料制粒成型的众多技术中，应用较为普遍的为旋转挤 压制粒成型即环模-压辊方式（见图1）。颗粒成型过程，主 要建立在原料粉粒体间存在间隙的基础上。粉料在水分、温 度、摩擦力、挤压力等综合因素的作用下，粉粒体空隙不断 缩小；
而在这一过程中，某些营养成分如蛋白质或淀粉在水 热条件下发生特定理化变化从而产生粘结效果，共同作用下 使物料形成具有一定密度和强度的颗粒。制粒机工作时根据 粉料受挤压的不同状态，一般可以分为供料区、变形压紧区 和挤压成型区[4]。调质后的粉体物料由送料机构添加到环 模和压辊之间，在环模转动带来的离心力的影响下紧贴在环 模内壁上；
随着环模、压辊的相对旋转，依靠物料、环模、 压辊之间的摩擦作用，物料进入变形压紧区，粉粒体之间产 生相对位移，而随着挤压力的逐渐增大，粉粒体间空隙逐步 减小使物料产生不可逆的变形；
在挤压成型区内，由于环模 压辊之间的间隙大幅度降低，随之产生的挤压力急剧增大， 粉粒体之间的接触表面积增大，伴随相应的水热作用，粉粒 体间产生较好的粘结作用，并被压入模孔；
挤入环模模孔的 物料产生弹性、塑性变形等组合变形，并继续受到挤压作用 从模孔外端挤出成型。

1.2颗粒饲料成型质量评价与影响因素 好的颗粒成型质量能减少饲料的粉化，防止动物挑食和 饲料的浪费，提高生产性能。现行行业标准中，一般通过颗粒饲料外观、含粉率、耐久度、硬度、淀粉糊化度、沉浮性 等指标衡量颗粒饲料的加工质量[4]。如颗粒饲料投喂前的 含粉率直接影响颗粒饲料本身的优势的发挥，若含粉率过高 则会大幅度降低饲料的利用效率。颗粒水产饲料含粉率过高 还会造成水质的污染[6]。而颗粒的粉化率若过高则会导致 颗粒饲料产品未经送达用户就损失部分营养，无疑是对饲料 营养全面性、产品经济性的极大损害[7-8]。在颗粒饲料加 工过程中，影响颗粒成型质量的因素主要分为加工工艺参数 （包括调质工艺）和原料特性参数，国内外大量的学者针对 这两个方面进行了丰富的研究。林云鉴等研究了调质工艺的 改善对鹌鹑料制粒效果的影响，发现颗粒饲料质量得到明显 改善，含粉率减小了12.5%[9]。同时研究显示若调质时间过 短，由于粉料之间不能充分吸收蒸汽，会使颗粒饲料的硬度 降低，含粉率升高。若调质的蒸汽压力过小，随之产生的蒸 汽含水高，不能使粉料充分糊化，最终影响到颗粒饲料的硬 度，而含粉率亦会升高。S.E.CUTLIP等研究发现，高压调质 （552kPa）相对于低压调质（138kPa）对基于玉米-大豆型 日粮配方所生产的颗粒的耐久度并无显著性影响。而其后续 研究发现对于提高颗粒质量，蒸汽调质中的温度变化所产生 的影响程度要远远显著于蒸汽压力变化所产生的影响[10]。

在制粒工艺中，环模及其相关工作参数也是影响制粒性能的 重要因素。当喂料量不变时，提高环模速度，颗粒挤出模孔 的速度不变，挤压时间不变，而颗粒从挤压点到切刀运动时间减少，离心力增加。这一工艺参数的调整使颗粒更短，从 而使含粉率增加[11]。而R.LWE等研究发现，随着环模孔长 度的增加，物料在模孔内停留的时间越长,增加了其通过模 孔的摩擦力，提高了饲料颗粒之间互相粘结的可能性，使得 颗粒饲料的硬度、强度增加，含粉率则降低[12]。

MILADINOVIC.D等使用模孔直径相同(3.5mm)但厚度更大的 环模（由50mm增加到60mm）进行实验，结果显示这一措施的 确可以提升颗粒饲料的耐久度值[13]，证实了R.LWE等的研 究结论。由此可见，影响颗粒饲料制粒质量的因素很多，而 除加工工艺参数、设备结构特点之外，饲料的原料组成也是 主要影响因素之一[14]。N.P.BUCHANAN等研究报道，当在玉 米-大豆型肉鸡日粮配方中以50g/kg的添加量将玉米替代为 大豆蛋白或纤维素时[15]，颗粒质量有显著提升，其原因或 为添加纤维素使得其吸水性能改善而提升了颗粒质量。而 O.ZIMONJA等发现相对于小麦，添加燕麦后所制颗粒的耐久 度有很明显的提高，并具有更高的抗破坏强度。这一现象或 因为采用燕麦的饲料配方中含有更高含量的糊化淀粉[16]。

而于翠平等国内学者发现，谷物含量的变化颗粒饲料成品含 水量有重要影响，谷物含量越高，制粒前后的水分含量差异 越小，并且谷物含量的高低影响颗粒饲料的硬度；
而添加 2%~3%的油脂的颗粒饲料与不添加油脂的颗粒饲料相比，其 硬度没有明显的变化[17]。耐久度 （PelletDurabilityIndex）作为衡量颗粒饲料产品在贮藏、运输与使用过程中抵抗外力作用能力的指标，一直是颗粒饲 料成型质量的重要考察标准。ISRAELSEN.M等人使用甜菜根、 大麦、葵花籽粕等不同原料替代原配方中的谷物和棉籽粉， 发现某些特定成分的添加对颗粒饲料成型质量有显著的影 响（见表1）：如添加10%的甘蔗或甜菜根糖浆时，颗粒含粉 率和产能有明显的提升；
而相对于大豆粕和油菜籽粕，含棉 籽粕的配方所生产的颗粒具有更好的耐久度指标（分别为 94.5%、91.2%和97.2%）[18]。由上文论述可知，从宏观可 控的角度看，可以主要从配方成分与种类和加工参数两方面 入手，对颗粒饲料成型质量加以控制。

2质量预测方法概述及其在颗粒饲料成型质量预测领域 中的应用进展 2.1质量预测方法概述 2.2不同模型与方法 3一种基于专家数据库的颗粒饲料质量预测模型 4结语 颗粒饲料质量取决于多方面的因素，如饲料原料特性、 饲料配方以及加工中各参数如粉碎粒度、制粒工艺、冷却温 度等。在配方方面考虑到满足动物营养需要的同时提高饲料 产品质量和降低饲料成本；
在加工工艺方面应结合不同饲料 原料特性调整加工过程参数，以便按配方生产出所要求的产 品。而颗粒饲料的质量直接影响和决定了饲料企业的市场竞 争力，并对畜牧业的健康发展起着关键性的作用。因此针对颗粒饲料质量的控制与预测对饲料加工生产有着重要的意 义，可以有效地避免原料的浪费，降低生产成本和保证产品 品质的一致性。在实际生产过程中，饲料行业相关从业者往 往以“经验+实际调试”的方法探索配方变化后的加工工艺 参数，因而产生颗粒质量不同程度的波动变化，造成不必要 的浪费。因此，提出一种切合实际的基于数学方法或结构的 预测模型，在实际生产对颗粒饲料质量进行估计，以减少工 人摸索工艺参数所花费的时间和企业寻求适宜工艺参数带 来的生产成本是非常必要的。在今后的研究工作中，应针对 颗粒饲料成型过程、配方成分特性等特点对预测模型进行有 指向性的改进。如针对BP算法抗噪声和干扰的适应能力差、 鲁棒性差等问题，可以考虑采用遗传算法、小波分析和径向 基函数等方法作进一步的研究，对BP算法进行优化；
再如对 配方和加工参数种类、关系复杂这一问题，可采取主成分分 析、建模自变量降维等方法优化输入参数结构，提高模型的 工作效率和精度等。总之，随着颗粒饲料应用规模的日益扩 大，饲料行业使用者和生产者的投入不断增加，颗粒饲料成 型质量问题已经成为焦点。目前针对成型质量的预测模型的 建立与应用还存在诸多问题有待解决，应从颗粒饲料生产过 程、配方原料特性本身出发，探究其作用机理和影响规律， 不断优化改进预测模型方法和结构，使其可以更好地为饲料 行业生产者及用户服务。