姚占斌,相 海,張 曄,曾祥菊,盧黎明
(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,北京 100083; 2.云南滇雪糧油有限公司,云南 玉溪 653100)
油莎豆是一種榨取高端食用植物油的重要原料[1]。油莎豆油中維生素E含量約56.4 mg/100 g,且富含不飽和脂肪酸,其中油酸、亞油酸含量分別為64.12%、15.14%。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)油莎豆油提取工藝的研究主要集中在浸出法[2]和一些新型的制油方法,如水酶法[3-4]、超聲波輔助提取法[5]、超臨界二氧化碳萃取法[6]等。而對(duì)于油莎豆使用螺旋榨油機(jī)壓榨制油的研究鮮有報(bào)道。
關(guān)于螺旋榨油技術(shù)的應(yīng)用已有大量研究成果,其中大部分是關(guān)于常見油料的研究,且研究成果主要集中在壓榨溫度[7-8]和原料含水率[9]等因素對(duì)出油率、油脂品質(zhì)的影響。對(duì)于榨油機(jī)螺旋的結(jié)構(gòu)參數(shù)及榨籠參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)壓榨效果的研究還很少。
低溫壓榨法[10]是一種油料在壓榨前不經(jīng)過蒸炒等高溫處理而直接壓榨的制油技術(shù),目前低溫壓榨法餅殘油較高。采用低溫壓榨法,能有效減少高溫對(duì)油脂和餅營養(yǎng)物質(zhì)的影響,提高油脂和餅的營養(yǎng)價(jià)值,利于餅的進(jìn)一步加工利用。由于油莎豆中淀粉含量較高,餅有較高利用價(jià)值,為提高油莎豆餅的利用價(jià)值,適宜選擇低溫壓榨法,即直接壓榨不經(jīng)過蒸炒的油莎豆,并控制壓榨溫度不超過65 ℃[11]。油莎豆低溫榨油后的餅中淀粉含量高于原料油莎豆,且油脂含量降低,糖類含量提高,適用于提取淀粉、糖和釀制優(yōu)質(zhì)白酒等[12]。
基于以上分析,本文進(jìn)行了油莎豆低溫壓榨單螺桿榨油機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究,以餅殘油率和油樣含雜率為指標(biāo),對(duì)螺旋榨油機(jī)的理論總壓縮比、榨條間隙和出餅間隙進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn),為油莎豆低溫螺旋壓榨制油提供參考。
1.1.1 原料
以新疆種植的自然曬干的豐產(chǎn)八號(hào)油莎豆為壓榨原料,通過取樣測(cè)定,得到油莎豆基本成分,見表1。
表1 油莎豆基本成分
油莎豆平均容重為0.70 kg/L。油莎豆呈不規(guī)則的球形、橢球形、扁平形,大小不一,且表面粗糙,有溝壑。隨機(jī)選取100個(gè)油莎豆作為樣本,用游標(biāo)卡尺分別測(cè)定其最大和最小兩個(gè)方向的尺寸,得到油莎豆粒徑主要分布在6~17 mm,最大尺寸在10~15 mm 范圍內(nèi)的分布較多(97%),最小尺寸在6~10 mm范圍內(nèi)的分布較多(99%),粒徑分布的中位數(shù)為10 mm。
1.1.2 小型單螺桿榨油機(jī)
本文研究的油莎豆小型單螺桿榨油機(jī)主要由喂料、壓榨、出餅、冷卻和機(jī)架等部分組成,其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。喂料部分可調(diào)節(jié)油莎豆喂料速度,將料斗中的油莎豆勻速送入榨膛;壓榨部分通過螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)油莎豆向出餅端移動(dòng),同時(shí)沿軸向螺旋每個(gè)導(dǎo)程的空余體積依次減小,實(shí)現(xiàn)對(duì)油莎豆的摩擦和擠壓,壓榨得到的油從榨籠的榨條間隙中流出,殘?jiān)竭_(dá)出餅部分形成餅;冷卻部分通過向榨螺軸芯內(nèi)通入冷卻水,配合溫度傳感器可控制榨膛內(nèi)溫度不高于65℃。
注:1.喂料螺旋; 2.料斗; 3.榨籠; 4.榨螺; 5.出餅盤;6.出水口; 7.進(jìn)水口。
圖1 榨油機(jī)主要部件示意圖
1.2.1 榨油機(jī)主要部件設(shè)計(jì)
1.2.1.1 榨螺部件設(shè)計(jì)
榨螺在推動(dòng)物料前進(jìn)的同時(shí)對(duì)其產(chǎn)生擠壓、摩擦作用。本機(jī)榨螺采用套裝式結(jié)構(gòu),方便更換。榨螺由螺旋、齒圈、光套和主軸等組件構(gòu)成,見圖2。本機(jī)榨螺有效長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為567 mm,即榨籠包裹的螺桿部分,入料端的主軸通過聯(lián)軸器與減速機(jī)連接,出餅端主軸與冷卻部件連接。
注:1.1#螺旋; 2.2#螺旋; 3.齒圈; 4.3#螺旋; 5.4#螺旋; 6.5#螺旋; 7.6#螺旋; 8.光套。
圖2 榨螺部件示意圖
為適用于低溫壓榨和油莎豆整粒壓榨,選擇連續(xù)式螺旋,即相鄰螺旋的螺牙相互連接,這樣設(shè)計(jì)使榨膛內(nèi)壓力更大,工作時(shí)回料少,壓榨時(shí)間較短。
榨螺包括6節(jié)螺旋,其中1#、3#、5#螺旋為圓柱底螺旋,主要作用是向前推進(jìn)物料、2#、4#、6#螺旋為錐底螺旋,在推進(jìn)物料向前的同時(shí)可以形成瞬時(shí)高壓,達(dá)到擠壓出油目的。螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。
物料每次經(jīng)過錐底螺旋的大徑后,壓力得到適度釋放,物料內(nèi)部形成新的油路,利于出油和多級(jí)壓榨。1#螺旋的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了榨油機(jī)的處理量。由粒徑分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,99%油莎豆粒徑最小尺寸在6~10 mm范圍內(nèi),粒徑分布的中位數(shù)為10 mm,據(jù)此將1#螺旋底徑與榨膛內(nèi)壁距離設(shè)計(jì)為10.5 mm,這樣可以確保油莎豆能夠進(jìn)入榨膛并且避免其在榨膛內(nèi)滾動(dòng)或滑動(dòng),有利于物料被高效擠壓、破裂和摩擦。
表2 螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)
2#螺旋后放置1個(gè)齒圈[13],齒圈旋轉(zhuǎn)會(huì)給予前進(jìn)中的物料徑向壓力和周向摩擦力,可增加物料受到的剪切力,加速物料的破碎,配合螺旋使壓縮比分配更高效、合理,有助于簡(jiǎn)化榨螺結(jié)構(gòu),縮短榨螺長(zhǎng)徑比。
6#螺旋后連接光套,即表面光滑的套筒,通過改變套筒外徑可以調(diào)節(jié)出餅間隙的大小。
1.2.1.2 冷卻部件的設(shè)計(jì)
榨螺軸芯內(nèi)可以通入冷卻水(見圖1),在出餅端的主軸末端護(hù)罩上設(shè)計(jì)進(jìn)水口和出水口。進(jìn)水閥門打開后,冷卻水通過空心主軸內(nèi)的一根細(xì)長(zhǎng)水管流到進(jìn)料端,之后在空心主軸和進(jìn)水管的間隙內(nèi)流經(jīng)整根主軸,回到出餅端,從而達(dá)到冷卻榨膛的目的。配合溫度傳感器,可將榨膛內(nèi)溫度控制在65 ℃以下,達(dá)到低溫壓榨的要求。
1.2.1.3 轉(zhuǎn)速和處理量的確定
本文的小型單螺桿榨油機(jī),為方便試驗(yàn)中改裝配件和節(jié)約試驗(yàn)物料,設(shè)計(jì)產(chǎn)量約為1 t/d,結(jié)合國產(chǎn)中小型榨油機(jī)[14]動(dòng)力參數(shù),按比例縮小電機(jī)功率及主軸轉(zhuǎn)速,確定使用功率3 kW的六級(jí)電機(jī),為提供足夠的扭力,選擇主軸轉(zhuǎn)速為11 r/min。
1.2.2 預(yù)試驗(yàn)
為觀察和檢測(cè)榨油機(jī)壓榨裝置的可靠性,選擇理論總壓縮比為9.02的榨螺組合,5檔榨條間隙分別為1.2、1.0、0.8、0.8、0.8 mm,出餅間隙為2.0 mm的組合進(jìn)行油莎豆低溫壓榨預(yù)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中榨膛溫度有效控制在65 ℃以下,榨油機(jī)出油、出餅正常,電流穩(wěn)定保持在額定電流之下。通過預(yù)試驗(yàn)可知該榨油機(jī)油莎豆最大處理量達(dá)40 kg/h,喂料后3 min 左右即有油液從榨條間隙中滴落,喂料后6 min 榨油機(jī)出餅端有榨餅排出,15 min 后出餅連續(xù),即該機(jī)進(jìn)入了完整的工作狀態(tài)。
1.2.3 單因素試驗(yàn)
分別以螺旋理論總壓縮比、榨條間隙和出餅間隙為因素,每個(gè)因素取5個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn),通過餅殘油率和油樣含雜率衡量試驗(yàn)榨油機(jī)榨油效果的優(yōu)劣。每次試驗(yàn)將前15 min內(nèi)得到的餅舍棄,收集余下的餅,使用GB 5009.6—2016中的方法檢測(cè)餅殘油率,收集榨機(jī)榨取的油脂,使用GB/T 15688—2008中的方法檢測(cè)油樣不溶性雜質(zhì)含量。每次試驗(yàn)壓榨時(shí)間為1 h。
1.2.3.1 理論總壓縮比對(duì)榨油指標(biāo)的影響試驗(yàn)
螺旋榨油機(jī)的榨膛壓力是影響出油效果的重要因素[15]。榨膛壓力主要是靠榨膛空余體積的逐步縮小,迫使榨料壓縮而形成的。理論總壓縮比(ε)=VJ/VCH,即進(jìn)料端首節(jié)螺旋一個(gè)導(dǎo)程的空余體積(VJ)與末節(jié)螺旋一個(gè)導(dǎo)程內(nèi)的空余體積(VCH)之比,ε值通常為6~20.8。
固定1#、2# 螺旋參數(shù),調(diào)整末4節(jié)螺旋的螺距和長(zhǎng)度,使理論總壓縮比約為7、8、9、10、11,合理分配壓縮比,設(shè)計(jì)并制造5組螺旋,參數(shù)及理論壓縮比如表3所示。滿負(fù)荷進(jìn)料,5檔榨條間隙分別選擇1.2、1.0、0.8、0.8、0.8 mm,出餅間隙為2.0 mm,進(jìn)行壓榨試驗(yàn)。
表3 螺旋理論壓縮比單因素試驗(yàn)分組
1.2.3.2 榨條間隙對(duì)榨油指標(biāo)的影響試驗(yàn)
該榨油機(jī)的榨籠是由左右對(duì)開的兩個(gè)榨籠殼裝配組合而成,每個(gè)榨籠殼由榨籠支撐板、壓板和榨條組成,榨籠沿軸向被支撐板分為6段,其中第1段對(duì)應(yīng)榨籠內(nèi)的進(jìn)料口,設(shè)計(jì)為封閉結(jié)構(gòu),其余5段需要排布榨條,榨條間安放墊片,墊片的厚度決定了濾油縫隙的大小。隨著榨膛內(nèi)物料顆粒粒徑的減小,榨條間隙一般沿軸向推進(jìn)方向依次減小。
結(jié)合類似油料榨油機(jī)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)設(shè)置5組排布榨條方式(見表4),滿負(fù)荷進(jìn)料,榨螺理論總壓縮比為9.02,出餅間隙為2.0 mm,進(jìn)行壓榨試驗(yàn)。由于前兩檔榨條對(duì)應(yīng)榨膛內(nèi)的位置壓力較小,且物料顆粒較大,通常不會(huì)發(fā)生漏料,因此5組試驗(yàn)的前兩檔榨條間隙相同。
表4 榨條間隙單因素試驗(yàn)分組
1.2.3.3 出餅間隙對(duì)榨油指標(biāo)的影響試驗(yàn)
榨膛中的物料經(jīng)過擠壓出油后,至榨螺上的光套部分,光套與榨籠末端的出餅盤形成一圈縫隙,至此,壓力完全釋放,物料形成餅。通過改變出餅端光套外徑,可以調(diào)節(jié)出餅間隙大小。本文選擇出餅間隙分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm,理論總壓縮比為9.02,5檔榨條間隙選擇1.2、1.0、0.8、0.8、0.8 mm進(jìn)行單因素試驗(yàn),測(cè)試出餅間隙對(duì)榨油指標(biāo)的影響。
2.1.1 理論總壓縮比對(duì)榨油指標(biāo)的影響(見圖3)
圖3 理論總壓縮比的影響
由圖3可知,螺旋理論總壓縮比為7時(shí),餅殘油率達(dá)16.4%,油樣含雜率為5.65%,觀察發(fā)現(xiàn)餅質(zhì)地松軟,雖然有少量油脂流出,但榨膛內(nèi)壓力明顯不足,不適用于壓榨油莎豆。隨著螺旋理論總壓縮比的增大,榨膛內(nèi)壓力增加,餅殘油降低,同時(shí)有更多的物料從榨條間隙中被擠出,導(dǎo)致獲得的油脂中含雜率上升。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),滿負(fù)荷進(jìn)料條件下,理論總壓縮比為11的螺旋在工作時(shí)會(huì)引起主電機(jī)工作電流超過額定電流??赡苁怯捎诼菪龎嚎s比過大,導(dǎo)致物料所受的壓力和摩擦阻力過大,榨螺需要的扭力增加,此時(shí)需要人為降低進(jìn)料速度。故選擇理論總壓縮比約為8、9、10的榨螺組合進(jìn)行正交試驗(yàn)。
2.1.2 榨條間隙對(duì)榨油指標(biāo)的影響(見圖4)
由圖4可知,第3檔榨條為1.0 mm的2個(gè)試驗(yàn)組,油樣含雜率均高于20%,餅殘油率均高于14%。推測(cè)原因是榨條間隙過大,造成間隙漏料,即冒渣嚴(yán)重,影響毛油品質(zhì),同時(shí)影響榨膛內(nèi)壓力的形成,造成餅殘油高。第3檔榨條間隙為0.8 mm的3個(gè)試驗(yàn)組,隨著最后兩檔榨條間隙依次減小,油樣含雜率逐漸降低,餅殘油率也維持在10%左右。推測(cè)第5組試驗(yàn)中殘油率升高是由于榨條間隙過小,出油不暢,或排油通道過小,出油槽發(fā)生堵塞,導(dǎo)致榨膛內(nèi)淌積油液,油料與油再次混合所致。確定第3檔榨條間隙為0.8 mm,調(diào)整最后兩檔榨條的間隙進(jìn)行正交試驗(yàn)。
圖4 榨條間隙的影響
2.1.3 出餅間隙對(duì)榨油指標(biāo)的影響(見圖5)
圖5 出餅間隙的影響
由圖5可知,在螺旋總壓縮比不變的前提下,隨著出餅間隙增大,殘油率增加,含雜率下降。推測(cè)是由于餅成型壓力減小,榨膛內(nèi)形成的最大壓力也隨之減小,因此物料壓榨不充分,同時(shí)導(dǎo)致不溶性雜質(zhì)難以與油脂一起被擠出。出餅間隙過小會(huì)造成入料口流油,即回油,還可能造成榨膛壓力過大,螺旋軸停止轉(zhuǎn)動(dòng),即悶車;出餅間隙過大,榨膛內(nèi)無法形成足夠大的壓力環(huán)境。因此,選擇1.5、2.0、2.5 mm的出餅間隙進(jìn)行正交試驗(yàn)。
2.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
根據(jù)榨油機(jī)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)可知,螺旋理論總壓縮比、榨條間隙和出餅間隙對(duì)榨油效果的影響較大,且可能存在交互作用。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,以螺旋理論總壓縮比、榨條間隙和出餅間隙為考察因素,以餅殘油率和油樣含雜率為指標(biāo),進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn),運(yùn)用SPSS20.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。正交試驗(yàn)因素水平見表5,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表6,正交試驗(yàn)方差分析見表7。
采用綜合加權(quán)評(píng)分法可綜合考慮最佳參數(shù)組合對(duì)餅殘油率和油樣含雜率的影響,綜合加權(quán)評(píng)分值越小越好。餅殘油率的高低直接關(guān)系到該設(shè)備及糧油生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,在實(shí)際生產(chǎn)中油樣含雜率可通過過濾吸附等精煉工藝降低,因此在這里餅殘油率權(quán)重取0.7,油樣含雜率權(quán)重取0.3。綜合加權(quán)評(píng)分按下式計(jì)算。
式中:Y為綜合加權(quán)評(píng)分值;Y1j為第j號(hào)試驗(yàn)的殘油率;Y1min為殘油率的最小值;Y1max為殘油率最大值;Y2j為第j號(hào)試驗(yàn)的油樣含雜率;Y2min為油樣含雜率最小值;Y2max為油樣含雜率最大值。
表5 正交試驗(yàn)因素水平
表6 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
表7 正交試驗(yàn)方差分析
注:*代表顯著(P<0.05);**代表極顯著(P<0.01)。
由表6、表7可知,3個(gè)因素的極差值(R)均大于空列的,所以各因素的效應(yīng)R可靠,對(duì)油莎豆低溫壓榨效果的影響程度順序?yàn)锳>B>C,即螺旋理論總壓縮比對(duì)榨油效果(殘油率和含雜率)的影響最大,榨條間隙次之,出餅間隙的影響最小。榨油效果最佳的參數(shù)組合方案是A3B2C1,即理論總壓縮比為10,榨條間隙依次為1.2、1.0、0.8、0.8、0.6 mm,出餅間隙為1.5 mm。
2.2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)
以正交試驗(yàn)確定的最佳參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),每組試驗(yàn)重復(fù)3次,結(jié)果如表8所示。
表8 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果 %
由表8可知,在最佳參數(shù)組合下,油莎豆試驗(yàn)榨油機(jī)的餅殘油率為5.1%,油樣含雜率為7.11%,綜合加權(quán)評(píng)分為13.57%。
油莎豆物性參數(shù)的研究表明,該批次自然曬干的油莎豆含水率為6.71%,容重為0.70 kg/L,粒徑分布范圍為6~17 mm,且99%的油莎豆最小尺寸在6~10 mm 范圍內(nèi)。結(jié)合油莎豆特性,設(shè)計(jì)制造出功率3 kW、主軸轉(zhuǎn)速11 r/min的小型單螺桿榨油機(jī)。低溫壓榨預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明該榨油機(jī)最大處理量約40 kg/h,喂料3 min后開始出油,15 min后出餅連續(xù)。針對(duì)油莎豆低溫壓榨,以餅殘油率和油樣含雜率為指標(biāo),對(duì)榨油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化,結(jié)果表明:影響榨油機(jī)榨油效果的主次因素依次為螺旋理論總壓縮比、榨條間隙、出餅間隙。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出適用于油莎豆低溫壓榨的榨油機(jī)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合:理論總壓縮比為10,榨條間隙依次為1.2、1.0、0.8、0.8、0.6 mm,出餅間隙為1.5 mm。在最佳條件下,榨油機(jī)工作電流穩(wěn)定,出油、出餅情況正常,餅殘油率為5.1%,油樣含雜率為7.11%。該參數(shù)可以滿足油莎豆低溫壓榨實(shí)際生產(chǎn)需求,對(duì)于放大壓榨產(chǎn)量有指導(dǎo)意義。