蓖麻籽壓榨制油過程中的壓縮比與殘油率曲線擬合

劉汝寬， 肖志紅， 許方雷， 李昌珠*， 黃志輝， 葉紅齊

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院生物能源研究所, 湖南 長沙 410004; 2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 湖南 長沙 410083;3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

蓖麻籽壓榨制油過程中的壓縮比與殘油率曲線擬合

劉汝寬1, 2， 肖志紅1， 許方雷3， 李昌珠1*， 黃志輝3， 葉紅齊2

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院生物能源研究所, 湖南 長沙 410004; 2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 湖南 長沙 410083;3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

研究了蓖麻籽壓榨過程中油料自身特性及壓榨方式等要素對壓榨效果的影響，結(jié)果表明：采用單螺旋壓榨和液壓壓榨這兩種方式均可以實現(xiàn)對蓖麻籽油的提取。單純從降低餅殘油率的角度考慮，采用單螺旋壓榨法更有優(yōu)勢。螺旋壓榨前，蓖麻籽是否進(jìn)行破碎化預(yù)處理對壓榨后的餅殘油率影響不大。

蓖麻籽； 螺旋壓榨； 曲線擬合； 殘油率； 壓縮比

蓖麻是世界十大油料作物之一，其籽中蓖麻油含量為46%～55%[1]，多采用物理壓榨法制油，其方式有單軸液壓壓榨、單螺桿壓榨、雙螺桿壓榨、多螺旋壓榨等[2-4]。螺旋壓榨具有效率高、過程連續(xù)和餅殘油率低等特點，應(yīng)用廣泛。蓖麻油中富含羥基和雙鍵，有利于進(jìn)行化學(xué)改性，多用于生產(chǎn)可降解生物材料和制備航空、航天和精密儀器等的生物潤滑劑[5-6]。我國是世界第二大蓖麻種植國，對蓖麻油的需求量大，缺口達(dá)70%以上。

本試驗旨在探究壓榨過程中油料自身特性及壓榨方式等要素對壓榨效果的影響，通過測定一系列壓縮比所對應(yīng)的殘油率[7]，擬合繪制壓縮比—殘油率關(guān)系曲線，以期為蓖麻籽壓榨制油設(shè)備的研制及工藝優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備與材料

蓖麻籽(湘蓖1號，自然干燥)： 湖南省林業(yè)科技示范園；乙醚、正己烷等化學(xué)試劑均為分析純：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(上海)。

螺旋榨油機(jī)(XLK — 2010)： 自制；脂肪測定儀(SZF — 06A)： 浙江托普儀器有限公司；天平(AB104 — N)： 梅特勒-托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司；電熱鼓風(fēng)烘箱(101 — E)：上海和呈儀器制造有限公司，雙視窗單軸壓榨試驗裝置(自制，內(nèi)徑為39mm，見圖1)；液壓自動加載保壓試驗機(jī)(WEW)：上海和晟儀器科技有限公司。

圖1 雙視窗單軸壓榨試驗裝置Fig.1 Experimental device for single axis press with double windows

1.2 試驗方法

1.2.1 蓖麻籽主要內(nèi)含物含量的測定方法 水分[8]：GB/T 14489.1—2008；粗脂肪含量[9]：GB/T 14488.1—2008；粗蛋白含量[10]：GB/T 14489.2—2008；淀粉含量[11]：GB 5514—2008；粗纖維含量[12]：GB/T 5515—2008；灰分[13]：GB/T 5505—2008。

1.2.2 蓖麻籽破碎預(yù)處理 取100g蓖麻籽裝入粉碎機(jī)內(nèi)，開機(jī)粉碎30s，得到粉碎處理的蓖麻籽稱為“碾碎蓖麻籽”，用于壓榨試驗。

1.2.3 低溫壓榨步驟 在室溫(25℃)條件下，調(diào)節(jié)壓榨條件，將一定量的蓖麻籽放入螺旋榨機(jī)內(nèi)進(jìn)行壓榨，同時取餅并測其殘油率等相關(guān)指標(biāo)[14]。

1.2.4 壓縮比ε

(1)

式中：H——壓榨后的油料高度，mm；

H0——壓榨前油料的起始高度，mm；

εn——壓榨壓縮比；

V0——壓榨前油料的起始體積，mm3；

V——壓榨后油料的體積，mm3。

1.2.5 均值化處理 均值化處理是指實際操作過程中，各操作參數(shù)不斷調(diào)整變化，其試驗結(jié)果亦會呈現(xiàn)不同的變化。為了方便研究，對這些操作參數(shù)及結(jié)果進(jìn)行先求和再平均[15]，然后再進(jìn)行合理分析。如平均殘油率是指在不同壓榨條件下，幾種不同蓖麻籽餅殘油率的平均值。文中除特別明確為“平均殘油率”外，其他均為單次試驗的餅殘油率。

2 結(jié)果與分析

2.1 蓖麻籽的基本成分分析

蓖麻籽中的主要內(nèi)含物(如水分、脂肪、纖維素和蛋白質(zhì)等)會影響其物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響壓榨制油過程及效果。在研究其剝殼的過程中發(fā)現(xiàn)，成熟的蓖麻籽在采收后，其水分很快降至6%～8%[16]。圖2列出了蓖麻籽的主要成分及其含量。

圖2 蓖麻籽的主要內(nèi)含物含量Fig.2 Main contents of castor beans

由圖2可知，蓖麻籽是一種高含油(47.0%)、高含蛋白(17.1%)、低含水(6.8%)的油料，其中淀粉、粗纖維及灰分含量分別為3.4%、23.6%和2.1%。

2.2 壓榨方式對蓖麻籽壓榨效果的影響

依據(jù)螺旋壓榨和單軸壓榨過程中的壓縮比與殘油率繪制其曲線并進(jìn)行擬合，如圖3所示。

圖3 不同壓榨方式下壓縮比與殘油率的關(guān)系Fig.3 Relationship between compression ratio and residual oil by different pressing ways

由圖3可知，無論是完整籽壓榨還是碾碎籽壓榨，相同壓縮比時，螺旋壓榨較單軸壓榨能夠達(dá)到更低的殘油率，因此單純從餅殘油率的角度，選擇單螺旋壓榨具有一定的優(yōu)勢。

2.3 入料形態(tài)對蓖麻籽壓榨效果的影響

應(yīng)用單軸壓榨壓縮比—殘油率數(shù)學(xué)模型進(jìn)行最小二乘法非線性擬合，對壓榨所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得不同入料形態(tài)對蓖麻籽壓榨效果的影響，如圖4。

圖4 不同入料形態(tài)下壓縮比與殘油率的關(guān)系Fig.4 Relationship between compression ratio and residual oil using different seed forms

由圖4可知，在相同的壓縮比下，碾碎蓖麻籽相對于完整蓖麻籽而言具有一定優(yōu)勢，因為碾碎蓖麻籽已經(jīng)通過破碎過程實現(xiàn)了顆粒細(xì)化，一定程度上減少了油料之間的空隙，等同于對油料進(jìn)行了預(yù)壓縮；但從最終的餅殘油率來看，其殘油率相差不大，均約10%左右。因此結(jié)合生產(chǎn)實際，蓖麻籽直接入料壓榨更符合現(xiàn)實操作要求。

3 結(jié)論與討論

(1)蓖麻籽是一種高含油(47.0%)、高含蛋白(17.1%)、低含水(6.8%)的油料，采用單螺旋壓榨和液壓壓榨這兩種方式，均可以實現(xiàn)對其油脂的提取，單純從餅殘油率低的角度考慮，采用單螺旋壓榨法更有優(yōu)勢。

(2)單螺旋壓榨前，蓖麻籽是否進(jìn)行破碎化處理對壓榨后的餅殘油率影響不大，均約為10%，一般多選直接入料壓榨，以減少預(yù)處理過程的能耗。

[1] 張良波, 劉汝寬, 廖博愛, 等. 蓖麻籽含油率測定的近紅外模型[J]. 農(nóng)學(xué)學(xué)報, 2014, 4(7): 78-81.

[2] 劉汝寬, 施亮林, 肖志紅, 等. 壓榨時間和壓力對蓖麻籽壓榨性能的影響及其數(shù)學(xué)擬合研究[J]. 中國糧油學(xué)報, 2014, 29(10): 51-55

[3] 許方雷. 蓖麻籽螺旋壓榨機(jī)理研究與螺旋榨油機(jī)雙螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計[D]. 長沙：中南大學(xué), 2014.

[4] 黃志輝, 許方雷, 李昌珠，等. 蓖麻籽不同狀態(tài)不同壓榨方式下壓縮比與軸向應(yīng)力關(guān)系的研究[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015, 36(1): 107-111.

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[8] GB/T 14489.1—2008, 油料水分及揮發(fā)物含量測定[S].

[9] GB/T 14488.1—2008, 植物油料含油量測定[S].

[10] GB/T 14489.2—2008, 植物油料粗蛋白質(zhì)的測定[S].

[11] GB 5514—2008, 糧食、油料檢驗 淀粉測定法[S].

[12] GB/T 5515—2008, 糧食中粗纖維素含量測定[S].

[13] GB/T 5505—2008, 灰分測定法[S].

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Curvefittingofcompressionratioandresidualoilinpressingofcastorbeans

LIU Rukuan1,2, XIAO Zhihong1, XU Fanglei3, LI Changzhu1*, HUANG Zhihui3, YE Hongqi2

(1.Institute of Bioenergy, Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China;2.College of Chemistry & Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 3.College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Effects of the oilseeds forms and the pressing ways were studied in pressing of castor beans. The results showed that castor oil could be obtained by using a single screw press or hydraulic press. Aiming at the lower residual oil of cake, the single screw press has more advantages. Before entering the screw press, whether the castor seed is pretreated to fine particles or not has little effect on the residual oil of cake.

castor bean; screw press; curve fitting; residual oil; compression ratio

2015-06-25

國家自然科學(xué)基金項目(31470594)；國家林業(yè)行業(yè)公益項目(201304608)。

劉汝寬(1981-)，男，山東滕州人，助理研究員，主要從事工業(yè)油料資源開發(fā)與利用研究。

* 為通訊作者。

TQ 644.13

A

1003 — 5710(2015)05 — 0018 — 03

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2015. 05. 005

(文字編校：張 珉)