旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法對(duì)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193；2.霍克光儀北京科技有限公司，北京 100012；3.國(guó)家能源非糧生物質(zhì)原料研發(fā)中心，北京 100193)

作物籽粒樣品的物理和化學(xué)性質(zhì)分析是作物種子試驗(yàn)、生產(chǎn)加工企業(yè)以及質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域的重要內(nèi)容，分樣是樣品前處理不可或缺的環(huán)節(jié)，分樣的代表性關(guān)系著檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)室處理較少份數(shù)的樣品。手工四分法是被廣泛接受的分樣方法，既在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)中應(yīng)用于土壤[1-5]、種子[6]和作物[7]的相關(guān)檢測(cè)，也納入了相關(guān)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8-9]。當(dāng)樣品份數(shù)較大，尤其在糧食和種子檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)樣品的分樣往往用分樣器操作。從早期的瓊斯分樣器，發(fā)展到現(xiàn)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(jìn)行多次分樣操作；其次，分樣時(shí)樣品經(jīng)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(dǎo)致樣品混雜。針對(duì)以上問題，北京慧明雨實(shí)驗(yàn)科技有限公司研發(fā)了實(shí)用新型專利產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)扇盒分樣器(專利號(hào)：ZL202020336759.8)[10]。該設(shè)備應(yīng)用若干個(gè)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(jìn)行內(nèi)部清掃，操作方便快捷。有關(guān)旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法的可行性研究尚未見報(bào)道。本研究以4種作物籽粒為樣品材料，以手工四分法為對(duì)照，分析旋轉(zhuǎn)扇盒分樣器分樣的代表性和縮分比誤差，旨在驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法的可行性，以期為固體樣品的分樣技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試的旋轉(zhuǎn)扇盒分樣器樣機(jī)由專利研發(fā)單位(北京慧明雨實(shí)驗(yàn)科技有限公司)提供。該設(shè)備主要由底座、旋轉(zhuǎn)部件、支架、分樣扇盒、外罩、導(dǎo)樣圓錐體和進(jìn)樣漏斗等部件組成，見圖1。分樣時(shí)，樣品從進(jìn)樣漏斗進(jìn)入后，下落在導(dǎo)樣圓錐體頂點(diǎn)及其周圍，沿著導(dǎo)樣圓錐體的側(cè)面繼續(xù)分散下落進(jìn)入旋轉(zhuǎn)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(duì)稱的位置上，應(yīng)用的上層扇盒比例為1/8、1/16和1/32共3種，以及2個(gè)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(zhuǎn)扇盒分樣器時(shí)，打開電源后調(diào)節(jié)指定的轉(zhuǎn)速，然后將樣品從入料口倒入分樣器內(nèi)，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(dǎo)樣圓錐體;5.進(jìn)樣漏斗;6.旋轉(zhuǎn)軸;7.上層扇盒;8.下層扇盒;9.旋轉(zhuǎn)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(yàn)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(zhǎng)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(yàn)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(gè)子樣中的這4種作物籽粒分離出來。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

用旋轉(zhuǎn)扇盒分樣器進(jìn)行分樣操作時(shí)，將轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為0、7.5、15.0、22.5和30.0 r/min(樣機(jī)最大轉(zhuǎn)速)。同時(shí)，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室的操作經(jīng)驗(yàn)，在每個(gè)轉(zhuǎn)速下將進(jìn)樣時(shí)間分別設(shè)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(jù)扇盒組合不同共有3種方式獲得子樣。一是單盒，指由1個(gè)扇盒獲得1份子樣；二是雙盒，由相對(duì)的2個(gè)同比例扇盒獲得1份子樣(例如，2個(gè)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(duì)的4個(gè)同比例扇盒獲得1份子樣(例如，4個(gè)1/32扇盒中的樣品組成1份縮分比為1/8的子樣)。同時(shí)，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(duì)照(CK)。每個(gè)處理和對(duì)照均設(shè)5次重復(fù)，屬于完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。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(zhì)量。

需要說明的是，該專利產(chǎn)品的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括導(dǎo)樣圓錐體旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和扇盒旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，本研究的轉(zhuǎn)速處理指扇盒旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，其作用是使分樣更均勻，而導(dǎo)樣圓錐體旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)則用于對(duì)分樣器內(nèi)部進(jìn)行清掃處理。

1.3 統(tǒng)計(jì)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(duì)誤差絕對(duì)值。本研究應(yīng)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《糧油機(jī)械檢驗(yàn)用分樣器LS/T 3545—2017》[18]的計(jì)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(shí)際縮分比與標(biāo)稱縮分比差的絕對(duì)值，表示分樣獲得子樣縮分比的準(zhǔn)確性。

(2)

式中：r，縮分比誤差；1/Ds，子樣實(shí)際縮分比；1/Db，子樣標(biāo)稱縮分比。

利用SPSS軟件按完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)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(duì)于有顯著和極顯著差異的數(shù)據(jù)，以最小顯著差數(shù)法(LSD)作多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)不同縮分比的分樣代表性的影響

由圖2可知，進(jìn)樣時(shí)間90 s，轉(zhuǎn)速為0～30.0 r/min時(shí)，除1/16縮分比的轉(zhuǎn)速0 r/min單盒外，旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法的1/2、1/4、1/8和1/16共4個(gè)縮分比子樣的分樣誤差和范圍為10.88%～56.26%，這4個(gè)縮分比的“四分法”對(duì)照子樣的分樣誤差和范圍在25.28%～60.18%。旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法的分樣誤差和都小于相應(yīng)縮分比的“四分法”對(duì)照。而且，1/8和1/16單盒子樣的分樣誤差和會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的升高而下降，轉(zhuǎn)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(xiàn)出這樣的趨勢(shì)，是因?yàn)樵诓恍D(zhuǎn)或同一轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速對(duì)這4個(gè)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(zhuǎn)速處理及對(duì)照的1/2和1/8縮分比子樣的分樣誤差和之間的差異達(dá)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(gè)不同轉(zhuǎn)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(duì)于1/8縮分比的子樣，除單盒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為0～30.0 r/min，大多數(shù)處理組中有轉(zhuǎn)速比無轉(zhuǎn)速能使旋轉(zhuǎn)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(jié)果最為穩(wěn)定且分樣誤差和的值最低。因此，對(duì)于5個(gè)轉(zhuǎn)速處理，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下，不同扇盒數(shù)對(duì)1/4、1/8和1/16子樣的分樣誤差和影響趨勢(shì)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(zhuǎn)式多比例分樣方法的轉(zhuǎn)速和進(jìn)樣時(shí)間對(duì)分樣誤差和、縮分比誤差的影響及對(duì)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(zhuǎn)速影響 Influence of RS分樣誤差和均方(進(jìn)樣時(shí)間:90 s)SSSE mean square(ST: 90 s)縮分比誤差均方(進(jìn)樣時(shí)間120 s)SRE mean square(ST: 120 s)自由度df進(jìn)樣時(shí)間影響 Influence of ST分樣誤差和均方(轉(zhuǎn)速30 r/min)SSSE mean square(RS: 30 r/min)縮分比誤差均方(轉(zhuǎn)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(xù))

2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)縮分比誤差的影響

根據(jù)進(jìn)樣時(shí)間120 s試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法不同轉(zhuǎn)速處理的1/8和1/16子樣的縮分比誤差都達(dá)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(zhuǎn)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(duì)照為0.71%～1.57%，見圖3。多重比較分析結(jié)果表明，對(duì)于1/8子樣，除轉(zhuǎn)速0 r/min的四盒子樣縮分比誤差顯著高于對(duì)照外，其他處理與對(duì)照均無顯著差異；對(duì)于1/16子樣，除轉(zhuǎn)速0和30 r/min的單盒子樣縮分比誤差顯著高于對(duì)照外，其他處理的縮分比誤差與對(duì)照均無顯著差異?？偟膩砜矗徽摱嗌賯€(gè)扇盒數(shù)，轉(zhuǎn)速0 r/min的多數(shù)縮分比子樣誤差比其他轉(zhuǎn)速的高。轉(zhuǎn)速7.5、15.0、22.5和30.0 r/min對(duì)各子樣縮分比誤差沒有顯著影響。

不同扇盒數(shù)對(duì)1/4、1/8和1/16子樣縮分比誤差的影響不同。對(duì)于1/8和1/16子樣，除1/8四盒子樣例外，相同轉(zhuǎn)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?？梢娝暮谢螂p盒對(duì)縮分比誤差的影響有一定的隨機(jī)性。

2.3 進(jìn)樣時(shí)間對(duì)不同縮分比的分樣代表性的影響

由圖4可知，旋轉(zhuǎn)分樣器轉(zhuǎn)速為30 r/min，進(jìn)樣時(shí)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(dá)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(jié)果顯示，3個(gè)進(jìn)樣時(shí)間處理的1/2子樣的分樣誤差和都極顯著小于對(duì)照，但3個(gè)進(jìn)樣時(shí)間的分樣誤差和之間均無顯著差異。3個(gè)進(jìn)樣時(shí)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(duì)照，但單盒、雙盒和四盒子樣之間以及3個(gè)進(jìn)樣時(shí)間處理間的分樣誤差和均無顯著差異，見圖4。因此，旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法分樣的代表性不低于人工四分法(CK)，進(jìn)樣時(shí)間對(duì)分樣的代表性沒有顯著影響。

圖4 不同進(jìn)樣時(shí)間下1/2(a)、1/4(b)、1/8(c)和1/16(d)縮分比子樣及對(duì)照的分樣誤差和(轉(zhuǎn)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(jìn)樣時(shí)間內(nèi)，不同扇盒數(shù)對(duì)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(shù)增多，子樣的分樣誤差和有下降的趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)不明顯。

2.4 進(jìn)樣時(shí)間對(duì)縮分比誤差的影響

應(yīng)用旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法在轉(zhuǎn)速30.0 r/min分樣時(shí)，3個(gè)進(jìn)樣時(shí)間的1/2、1/4和1/16子樣的縮分比誤差與對(duì)照相比均未達(dá)到顯著水平，只有1/8縮分比子樣的縮分比誤差與對(duì)照間存在顯著差異，見表1。根據(jù)多重比較，1/8縮分比子樣的各處理與對(duì)照的縮分比誤差均無顯著差異，見圖5。因此，旋轉(zhuǎn)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(jìn)樣時(shí)間對(duì)縮分比誤差沒有顯著影響。

圖5 不同進(jìn)樣時(shí)間下1/2(a)、1/4(b)、1/8(c)和1/16(d)縮分比子樣及對(duì)照的縮分比誤差(轉(zhuǎn)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(shí)，不同進(jìn)樣時(shí)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(shì)，但是雙盒和四盒之間的差異很小，且都接近對(duì)照的縮分比誤差。雙盒、四盒子樣的縮分比誤差與對(duì)照間的差異未達(dá)到顯著水平。

3 討 論

目前，旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法盡管已獲得專利[10]授權(quán)，但是該方法的原理完全不同于當(dāng)前試驗(yàn)中應(yīng)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(yīng)用了國(guó)家糧食行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《糧油機(jī)械 檢驗(yàn)用分樣器(LS/T 3545—2017)》[8]中規(guī)定的檢驗(yàn)指標(biāo)檢測(cè)了旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法的分樣誤差和與縮分比誤差。由于旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法及其分樣器不但可用于糧食檢驗(yàn)，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(duì)照，應(yīng)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(yīng)用了分樣誤差和這一指標(biāo)，即通過檢驗(yàn)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(jié)果表明，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法在不同轉(zhuǎn)速處理下，進(jìn)樣時(shí)間60、90和120 s對(duì)子樣的分樣誤差和及縮分比誤差均沒有顯著影響。在轉(zhuǎn)速為0～30.0 r/min，隨著轉(zhuǎn)速提高，分樣誤差和有降低趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著水平，單盒子樣的效果尤為明顯。5個(gè)轉(zhuǎn)速處理子樣的分樣誤差和都低于或不高于四分法。本試驗(yàn)研究中的最大轉(zhuǎn)速為30.0 r/min，也是所提供專利樣機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。根據(jù)該分樣器設(shè)計(jì)原則，未設(shè)計(jì)更快轉(zhuǎn)速是為避免小顆粒成分成為揚(yáng)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(jìn)樣時(shí)間對(duì)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(shí)間，既然60、90、120 s三個(gè)時(shí)間對(duì)結(jié)果沒有顯著影響，說明應(yīng)用60 s進(jìn)樣是可行的。本研究設(shè)置的對(duì)照是實(shí)驗(yàn)室普遍適用的四分法。當(dāng)本研究處理結(jié)果和對(duì)照沒有顯著差異時(shí)，即旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法可以代替手工四分法。但是，轉(zhuǎn)速對(duì)縮分比誤差的影響較大，總的來看，轉(zhuǎn)速為0 r/min的多數(shù)子樣比其他轉(zhuǎn)速的縮分比誤差較高，可見轉(zhuǎn)速有降低縮分比誤差的效果，而當(dāng)轉(zhuǎn)速為7.5、15.0、22.5和30.0 r/min時(shí)，雙盒或四盒組成子樣的分樣誤差和不高于四分法。這是因?yàn)橐砸欢ㄋ俣刃D(zhuǎn)能夠促進(jìn)樣品更為均勻地分散落入分樣的扇盒中。

各個(gè)進(jìn)樣時(shí)間處理的子樣都顯示，相同轉(zhuǎn)速處理的單盒比雙盒和四盒的縮分比誤差有升高的趨勢(shì)，但是雙盒和四盒之間的差異很小，都接近對(duì)照的縮分比誤差，且差異未達(dá)到顯著水平。這個(gè)結(jié)果符合四分法分樣原理[1,6-7]，應(yīng)用四分法分樣時(shí)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(duì)的兩份形成子樣。旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法通過旋轉(zhuǎn)將樣品均勻分散到不同的扇盒中，取相對(duì)兩個(gè)扇盒或十字相對(duì)四個(gè)扇盒形成子樣，這顯然和四分法的對(duì)稱取樣原理相同。

4 結(jié) 論

應(yīng)用旋轉(zhuǎn)式多比例分樣方法在不同轉(zhuǎn)速處理下，進(jìn)樣時(shí)間60～120 s對(duì)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(zhuǎn)式多比例分樣方法的5個(gè)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)處理(轉(zhuǎn)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(zhuǎn)式多比例分樣方法是可行的，建議應(yīng)用時(shí)設(shè)置轉(zhuǎn)速≥7.5 r/min，取相對(duì)兩個(gè)扇盒或十字相對(duì)四個(gè)扇盒形成子樣。