大豆膨化浸出及應(yīng)用實(shí)踐

張世杰，張勁韜

（1.中儲糧油脂成都有限公司，成都 611434；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118）

物料擠壓膨化是利用擠壓膨化設(shè)備將經(jīng)過破碎、軋胚、或整粒物料轉(zhuǎn)變成多孔物料的過程。物料擠壓膨化可應(yīng)用于大豆浸出工藝，在菜籽生胚、棉籽生胚以及米糠的浸出工藝中也得到了廣泛應(yīng)用［1］。軋胚后的胚片料進(jìn)入膨化機(jī)后處于高溫、高壓以及高剪切力、高水分的環(huán)境中，通過連續(xù)混和、調(diào)質(zhì)、升溫增壓、熟化、擠出?？缀腕E然降壓后形成多微孔的膨化料。

1 膨化工藝的機(jī)理

膨化工藝的作用機(jī)理比較復(fù)雜，主要認(rèn)為是機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)。另外水分釋放被認(rèn)為是膨化的動力之一，膨化后大約5%的水分會在脫離膨化機(jī)瞬間消失。在膨化機(jī)中，胚片被揉搓、捏合并因劇烈摩擦產(chǎn)生自熱，直接及間接蒸汽的注入更有利于物料溫度的升高。在膨化機(jī)的機(jī)膛中使物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以破壞，油脂與其它成分結(jié)合變得疏松，蛋白質(zhì)部分變性。當(dāng)物料被擠出膨化機(jī)的機(jī)膛時，在突然減壓的作用下，膨化料的水分迅速蒸發(fā)，膨化機(jī)出料處的物料形狀呈小餅狀和凝膠疏松多微孔結(jié)構(gòu)，泛油。經(jīng)干燥、冷卻后，物料變硬，不再泛油，多微孔結(jié)構(gòu)極大改善了物料的浸出特性，使油脂浸出更容易。

2 膨化工藝的優(yōu)點(diǎn)

2.1 顯著提高生產(chǎn)加工能力

大豆膨化浸出在油料加工中具明顯的優(yōu)越性 ,與生坯直接浸出相比生產(chǎn)能力提高 40%,動力消耗降低 30%,蒸汽消耗減少 15%［2］。增加膨化工藝后，膨化料相比胚片料體積變小而容重增加，大豆胚片容重為 0.36，膨化料容重為 0.5～0.55，容重增加了1.4到1.5倍，因此大豆制油生產(chǎn)線產(chǎn)量可以提高30%～50%。大豆破碎粒度4到6瓣，可以適當(dāng)增加4瓣的比重，減少6至8瓣豆粒，同時允許適量兩瓣豆粒。破碎機(jī)和軋胚機(jī)輥間距放大，增加了處理量，減少了設(shè)備磨損。大豆軋胚厚度可以放寬到0.40～0.45毫米,可得到等同于胚片料一次浸出 (軋胚厚度0.28～0.35 mm) 的浸出殘油水平。如保持原軋胚厚度，浸出殘油會更低。即加裝膨化機(jī)后，軋胚機(jī)能力可提高30%～50%。膨化料粒疏松多孔易于浸出和瀝干，濕粕殘溶低，混合油濃度高，浸出器、DT蒸脫機(jī)和蒸發(fā)系統(tǒng)的處理能力也可大幅提高。大豆脫皮或不脫皮對整個膨化工藝影響不大，對于脫皮或不脫皮大豆都有很好的膨化效果 （因?yàn)樽畛醯呐蚧瘷C(jī)就是處理不脫皮大豆的）。但在同樣的電機(jī)和調(diào)質(zhì)的情況下，處理脫皮大豆的產(chǎn)能會稍高一些。

2.2 膨化料更有利于浸出

膨化料在浸出速率、溶劑滲透速度、濕粕含溶量諸方面均明顯優(yōu)于軋制胚［3］。膨化工藝使細(xì)胞組織被徹底破壞，油料多孔性增加，更多游離油脂附著于油料細(xì)胞外表面，油料的機(jī)械強(qiáng)度和粒度感均增大，油料接近良好的浸出臨界狀態(tài)，使溶劑對料層的滲透性和排泄性增強(qiáng)，膨化料具有均勻性和均一性，因此更有利于油脂的浸出，從而增強(qiáng)浸出器和DT蒸脫機(jī)的生產(chǎn)能力。

2.3 膨化工藝能提高豆粕質(zhì)量

膨化處理加工技術(shù)對蛋白質(zhì)和脂肪消化率的提高以及對熱敏性抗?fàn)I養(yǎng)因子的降低作用顯著因此而受到大豆加工業(yè)重視［4］。天然大豆中含有多種抗?fàn)I養(yǎng)因子，如脲酶、胰蛋白酶抑制因子、外源凝集素、促甲狀腺腫素、低聚糖類等，這些抗?fàn)I養(yǎng)因子大多不耐熱，經(jīng)膨化處理，可以消除大部分不耐熱的抗?fàn)I養(yǎng)因子［5］。高溫能破壞大豆中的脂肪氧化酶、尿素酶、胰蛋白酶抑制素、紅細(xì)胞凝集素，同時又因高溫僅持續(xù)幾秒，不會降低氨基酸的利用價值。膨化料經(jīng)過高溫高壓處理，有害微生物被殺滅，使豆粕和油脂更耐儲存。膨化料浸出后粕中有效賴氨酸含量為3.08%,尿素酶活性為 0.06,達(dá)到國家飼用標(biāo)準(zhǔn)［6］。因?yàn)橹狙趸笇τ椭土字衼喡樗岬难趸徽J(rèn)為是造成豆粕苦腥味的原因之一，而膨化過程對酶的鈍化作用基本脫除了豆粕的苦腥味。膨化加工可使淀粉糊化度提高，纖維結(jié)構(gòu)的細(xì)胞壁部分被破壞和軟化，釋放出部分被包圍、結(jié)合的可消化物質(zhì)，同時脂肪從顆粒內(nèi)部滲透到表面，使飼料具有特殊的香味，而且膨化豆粕色澤更鮮亮，顆粒均勻，故膨化豆粕質(zhì)量提高，具有較好的適口性和誘食性，提高了畜禽的采食量和使用安全性等。添加到乳豬飼料中，明顯減少乳豬腹瀉現(xiàn)象。長期喂食膨化豆粕會增加豬、雞的產(chǎn)出率。膨化豆粕有一種特殊的香味，比普通豆粕更具適口性，比較適合于制作雛雞、仔豬等高檔飼料。

膨化工藝使豆粕蛋白質(zhì)中的氫鍵和其他次級鍵遭到破壞，引起多肽鏈原有空間構(gòu)象發(fā)生改變，致使蛋白質(zhì)變性，變性后的蛋白質(zhì)分子成纖維狀，肽鏈伸展疏松，分子表面積增加，流動阻滯，增加了與動物體內(nèi)酶的接觸，因而有利于水產(chǎn)動物的消化吸收，可提高營養(yǎng)成分消化利用率。

2.4 膨化工藝可以降低能耗

采用膨化技術(shù)，使溶劑和蒸汽的噸料消耗量大大減少。膨化料粒使溶劑在浸出時易于瀝干，浸出后濕粕含溶量大幅降低，在脫溶時所需的能量大大降低。膨化料在進(jìn)入蒸脫機(jī)時含溶僅20%～28%，而未膨化料浸出時濕粕含溶量則為30%～42%。因此蒸脫時需要的蒸汽耗量減少30%，膨化料粒也使溶劑易于蒸脫，能耗大大降低，粕殘溶也較低。混合油含渣量減少，降低了蒸發(fā)系統(tǒng)負(fù)荷?；旌嫌蜐舛瓤梢蕴岣?%～20%，蒸發(fā)和汽提可以節(jié)省20%的蒸汽消耗，豆粕殘油可降至 0.4%～0.8%，提高 0.2%～0.4%的出油率。生產(chǎn)能力的提高，使噸料的動力消耗相應(yīng)降低。膨化料容重增加，表面光滑，輸送設(shè)備不增加動力的條件下，產(chǎn)量相應(yīng)提高。

2.5 膨化技術(shù)可以降低精煉成本

引人注意的現(xiàn)象是使用膨化機(jī)后，與常規(guī)料胚浸出相比浸出毛油中含磷量增多，但脫膠油中非水化磷脂含量較低。脫膠油質(zhì)量較高［7］。

膨化浸出水化脫膠油的磷脂殘留量顯著降低,油腳中卵磷脂、腦磷脂的含量提高;膨化浸出毛油的油脂精煉得率提高［8］。膨化機(jī)的高溫瞬時濕式蒸煮，有效地鈍化了大豆中磷脂酶、脂肪氧化酶的活性，減少了非水化磷脂的形成，毛油酸值和過氧化值降低，降低了后續(xù)精煉難度及消耗，提高了精煉得率。

3 膨化機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

大豆膨化機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，見圖1：

圖1 大豆膨化機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

大豆膨化機(jī)結(jié)構(gòu)主要部件，見表1：

表1 大豆膨化機(jī)結(jié)構(gòu)主要部件

3.1 變頻定量密封絞龍喂料系統(tǒng)

膨化機(jī)設(shè)有胚片進(jìn)料定量喂料系統(tǒng)。該喂料系統(tǒng)采用一條變頻定量密封絞龍，以確保喂料的定量、連續(xù)和穩(wěn)定。絞龍殼體采用圓形密封結(jié)構(gòu)，絞龍一端上部為進(jìn)料口，另一端下部為出料口，出料口之前有600 mm長的料封段，以防止膨化機(jī)倒汽。密封絞龍直徑為500 mm,長度為4 000 mm。

在密封絞龍和膨化機(jī)之間有一段物料折流段，同樣起到防止倒汽的作用，一側(cè)還安裝有除鐵裝置和觀察視鏡。

3.2 膨化機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)

3.2.1 帶冷卻裝置的驅(qū)動頭潤滑系統(tǒng)

潤滑系統(tǒng)由潤滑油箱、齒輪油泵、熱交換器、吸油過濾器、空氣濾芯、液位計(jì)及壓力表等部件組成。

有動力驅(qū)動的潤滑系統(tǒng)能降低由軸承引起的高溫并增加各部件的使用壽命。潤滑系統(tǒng)的潤滑油箱內(nèi)設(shè)計(jì)有熱交換器，使用冷水冷卻潤滑油，保證潤滑油在合適的溫度下工作。

3.2.2 自動出料模頭及液壓站控制系統(tǒng)

自動出料模頭包括錐形齒形頭和環(huán)、出料斗、活塞、推桿、前活塞頭、后活塞頭、活塞缸、活塞導(dǎo)向板及活塞導(dǎo)向螺桿等部件。

出料模頭的液壓站控制系統(tǒng)包括油箱、液壓齒輪油泵、液壓壓力閥、液壓換向閥、油位計(jì)、空氣濾芯、吸油過濾器、回油過濾器、用于冷卻液壓油的熱交換器及壓力表等。

膨化機(jī)通過液壓錐形齒輪或模板出料。錐形頭的每一個半圓齒必須和錐形環(huán)的每一個半圓齒正好形成完整的圓形，膨化料由此圓環(huán)內(nèi)排出。液壓系統(tǒng)控制的錐形齒輪塞能自動調(diào)整，從而使膨化機(jī)機(jī)膛內(nèi)保持恒定預(yù)設(shè)的壓力，確保膨化質(zhì)量。根據(jù)最佳膨化質(zhì)量、電機(jī)電流和蒸汽量，設(shè)置出料模頭的壓力。在預(yù)設(shè)壓力下，模頭不斷進(jìn)退的浮動狀態(tài)是最理想的。自動出料模頭（靠本身的進(jìn)退）在一定程度上來補(bǔ)償，或者說抵消前端進(jìn)料量的波動。補(bǔ)償范圍取決于進(jìn)料量波動的特性，以及物料本身的質(zhì)量特征。

膨化機(jī)將在保持主電機(jī)最佳電流的前提下，在恒定的和預(yù)設(shè)的壓力下出料。這使得膨化物料具有均勻一致的質(zhì)量，也使膨化工序?qū)崿F(xiàn)最佳的生產(chǎn)效率。如偶遇突發(fā)的雜質(zhì)和小異物，出料模頭會向后做較大幅度的退出動作，使它們自動從出料端排出。從而排除卡死或堵死機(jī)器的可能。

3.2.3 膨化筒、膨化襯套及剪切螺栓

膨化機(jī)設(shè)計(jì)四段膨化筒，為特制鋼經(jīng)過焊接、加工、處理制造完成。其中有進(jìn)料膨化筒和另外三段膨化筒組成。各段筒體間只需螺栓便可固定和連接。

膨化筒內(nèi)部有四段膨化襯套，材質(zhì)為合金耐磨損高硬度材料，經(jīng)處理研磨裝配在膨化筒內(nèi)，磨損后可以快速更換。

剪切螺栓包括常規(guī)剪切螺栓、蒸汽噴射剪切螺栓和溫度計(jì)插座剪切螺栓組成。蒸汽通過蒸汽噴射剪切螺栓的中空蒸汽噴射孔進(jìn)入膨化機(jī)機(jī)膛內(nèi)部，用于調(diào)節(jié)物料溫度和膨化機(jī)主電機(jī)電流。一般膨化機(jī)主電機(jī)電流控制在額定電流的85%以內(nèi)。

3.2.4 螺旋絞葉和支撐主軸

膨化機(jī)機(jī)膛內(nèi)是螺旋絞葉和螺旋絞葉支撐主軸。螺旋絞葉包括喂料螺旋絞葉、膨化加壓螺旋絞葉和排料螺旋絞葉共十四節(jié)。螺旋絞葉安裝在螺旋絞葉支撐主軸上。螺旋絞葉起到物料輸送和加壓作用。

物料進(jìn)入膨化襯套和螺旋絞葉及螺旋軸的空隙內(nèi)（又稱為榨膛或機(jī)膛），由于螺旋軸的旋轉(zhuǎn)及榨膛空隙的逐漸縮小，料胚受到螺旋軸和螺旋絞葉與出料模頭之間的強(qiáng)大壓力，隨著螺旋軸及螺旋絞葉的旋轉(zhuǎn)，料胚向前推進(jìn)，物料在出料模頭處出料，完成連續(xù)膨化過程。

3.2.5 其它部件

膨化機(jī)還包括直接蒸汽系統(tǒng)和蒸汽夾層系統(tǒng)、主電機(jī)驅(qū)動和皮帶輪傳動系統(tǒng)等裝置。

4 膨化機(jī)操作要點(diǎn)

4.1 啟動前準(zhǔn)備工作

膨化機(jī)啟動前要確保其他上下游設(shè)備工作正常；檢查膨化機(jī)主電機(jī)、螺旋絞葉主軸、潤滑油泵、液壓油泵的轉(zhuǎn)向正確；調(diào)整自動出料模頭的液壓泵處于最低壓力40 bar；調(diào)整驅(qū)動頭潤滑系統(tǒng)的壓力最高為6 bar；檢查膨化機(jī)表面和機(jī)筒內(nèi)、進(jìn)料輸送系統(tǒng)及溜管以及所有管路內(nèi)無異物。打開蒸汽夾層的間接蒸汽開始預(yù)熱機(jī)器。

4.2 膨化機(jī)啟動和正常運(yùn)行

設(shè)備預(yù)熱后，啟動膨化機(jī)的主電機(jī)。稍稍打開直接蒸汽閥預(yù)熱機(jī)器。檢查出料模頭液壓換向閥的操縱桿，使其處于“退出”狀態(tài)。在蒸汽管路系統(tǒng)熱起來后，關(guān)閉蒸汽夾層的間接蒸汽。先少量喂料，喂料后將直接蒸汽再開大一些，不要合上出料模頭，使錐形頭遠(yuǎn)離出料端齒形環(huán)，讓膨化機(jī)出料端自由出料。逐步同比例地增加進(jìn)料量和直接蒸汽量。將液壓換向閥的操縱桿推到“合上”位置，根據(jù)進(jìn)料量、蒸汽量、主電機(jī)電流和膨化效果，調(diào)整出料模頭的液壓壓力，一般為90～120 bar,最大允許壓力為200 bar。合適的工作壓力取決于膨化物料的種類和它的質(zhì)量狀況。主電機(jī)電流一般控制在額定電流的85%范圍內(nèi)，直接蒸汽的噴射量、出料模頭的液壓壓力及進(jìn)料量影響電流大小。當(dāng)膨化料溫度達(dá)到90～110℃，調(diào)整包括蒸汽量和模頭壓力以及進(jìn)料胚片厚度和水分等因素，達(dá)到最佳膨化效果。連續(xù)滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行對好的膨化效果是至關(guān)重要的。膨化機(jī)不能長時間空機(jī)無物料運(yùn)轉(zhuǎn)，如果有必要就停機(jī)。膨化機(jī)保持穩(wěn)定的滿負(fù)荷喂料和壓力穩(wěn)定的蒸汽供應(yīng)是取得良好膨化效果的基本條件。

4.3 停機(jī)

正常停機(jī)時停止進(jìn)料，關(guān)閉進(jìn)料絞龍的進(jìn)料閘板閥。膨化筒內(nèi)部清空后，立即關(guān)閉直接汽和間接汽。完全退出出料模頭，清空膨化筒內(nèi)所有殘余物料之后，停止膨化機(jī)。

如果突然停電后停機(jī)，立即停止直接汽和間接汽，手動盤電機(jī)或膨化機(jī)主軸，排出膨化筒內(nèi)物料。供電恢復(fù)后，立即將出料模頭退出，點(diǎn)動主電機(jī)，將膨化筒內(nèi)物料全部清空。

因進(jìn)入膨化筒的異物太大，也會造成停機(jī)。在這種情況下，皮帶會打滑甚至崩斷（皮帶輪驅(qū)動），此時應(yīng)立即停止進(jìn)料和蒸汽，完全退出出料模頭，點(diǎn)動電機(jī)，從出料端退出異物及物料。物料不能長時間停留在膨化筒內(nèi)，因?yàn)樗鼈儠不Ｒ蛭锪掀贩N不同，硬化時間可能小于2 h。如無法排出異物或已經(jīng)硬化的物料，則需拆出最后一段膨化筒的剪切螺栓，保持出料模頭完全退出，點(diǎn)動電機(jī)，排出異物或硬化物料。如仍然不能排出異物，繼續(xù)拆卸其他膨化筒的剪切螺栓，點(diǎn)動電機(jī)，直到取出異物為止。如還是無法排出異物，就須拆出螺旋絞葉，直到取出異物為止。

5 膨化生產(chǎn)工藝參數(shù)

5.1 膨化機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

制造商：巴西TECNAL，

型號：EXP－350 MEL－2 000 t/24 h SOYBEAN，

機(jī)筒直徑：14"，

機(jī)身凈重：5 t，

空載重量：8 t，

整機(jī)外形尺寸：7 200×2 650×2 000，

額定產(chǎn)量（大豆）：2 000 t/24 h，

配備電機(jī)功率：315 kW，

主軸轉(zhuǎn)速：290 r/min，

絞龍直徑：350 mm，

液壓站電機(jī)功率：4 kW，

液壓站油箱體積：12.5 Gallons，

驅(qū)動頭潤滑油電機(jī)功率：1.1 kW，

驅(qū)動頭潤滑油油箱體積：12.5 Gallons。

5.2 正常生產(chǎn)時工藝參數(shù)

大豆膨化一次浸出工藝制油時，大豆經(jīng)過清理、調(diào)質(zhì)、破碎、軋胚后進(jìn)入膨化工序。膨化工序正常生產(chǎn)時胚片料經(jīng)并列的1號、2號定量喂料絞龍分別喂料入并列的1號、2號膨化機(jī)。以下是正常生產(chǎn)時實(shí)測工藝參數(shù)。

實(shí)測1號、2號定量喂料絞龍喂料頻率和喂料胚片情況見表2。

表2 定量喂料絞龍頻率和喂料胚片情況

實(shí)測1號、2號膨化機(jī)正常生產(chǎn)工藝參數(shù)見表3。單臺膨化機(jī)正常運(yùn)行時日處理大豆1800～2100 t，直接蒸汽消耗約為 20kg/t，電耗為 3.6～4.2 kW·h/t。膨化浸出工藝各主要工段物料技術(shù)指標(biāo)連續(xù)3 d實(shí)測每日均值見表4。

表3 膨化機(jī)生產(chǎn)工藝參數(shù)

表4 膨化浸出工藝物料技術(shù)指標(biāo)

由于是國儲大豆，水分只有10.66%，水分較低，入浸料水分也較低。生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用膨化予處理加工大豆時，胚片厚度 0.4～0.45 mm，粕殘油可以控制在 0.6%～0.7%左右，如果胚片厚度為 0.3 mm,粕殘油可以降到0.5%以下，如果胚片厚度為0.5 mm,粕殘油也可以控制在0.8%以下。在生產(chǎn)實(shí)踐中一般綜合考慮油料品質(zhì)、產(chǎn)量、減少設(shè)備磨損及減少能耗等因素來設(shè)定工藝參數(shù)。膨化豆粕色澤淺黃鮮亮，有適宜的豆粕香味，顆粒均勻。經(jīng)膨化工藝處理后浸出毛油色澤淺，酸價低，毛油中的非水化磷脂含量減少，水化磷脂含量增加，有利于水化脫膠，水化脫膠油品質(zhì)較好，對提高精煉得率、降低精煉成本效果明顯。

6 結(jié)論

原料膨化浸出制油工藝使油料更利于油脂的浸出，提高了產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)成本。更為重要的是提高了毛油和粕的品質(zhì)。