壓榨時間和壓力對蓖麻籽壓榨性能的影響及其數學擬合研究

劉汝寬 施亮林 肖志紅 李昌珠 黃志輝 葉紅齊

（中南大學化學與化工學院1，長沙 410083）

（湖南省林業(yè)科學院2，長沙 410004）

（中南大學機電工程學院3，長沙 410083）

蓖麻是世界十大油料作物之一，其籽中蓖麻油質量分數為46%～55%［1］，這種油脂中富含羥基和雙鍵，有利于進行化學改性，用于生產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［2-5］。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70%以上［6-8］。蓖麻籽高含油的特性必然要求獨特的加工制油工藝［9-10］，針對蓖麻籽低溫壓榨出油特性的研究還相對不足，其壓榨出油規(guī)律的研究目前國內外文獻鮮見報道。鄭曉等［11-13］提出了常見食用油料（菜籽、葵花籽和花生）的出油效率及出油應變與壓榨壓力的單因素經驗關系式，不足以反映蓖麻籽實際壓榨規(guī)律；Sukumaran等［14-15］分別利用側限式圓環(huán)試驗裝置和柱塞式試驗裝置對菜籽進行了壓榨試驗，研究了出油壓力與油料含水率、加載速率及出油效率與壓榨時間的關系，沒有量化說明影響菜籽出油效果的主要因素與殘油率之間的具體關系；Bargale等［16-17］利用單向加載試驗裝置對大豆進行了壓榨研究，得到了餅粕油液滲流速度與加載壓力、加速率之間的關系式，并不適用于蓖麻籽等高含油量的軟性油料。

本試驗利用雙視窗單軸壓榨試驗裝置對蓖麻籽（湘蓖1號）進行了低溫壓榨試驗，建立了蓖麻籽餅粕殘油率與壓榨時間和壓榨壓力的關系式，為蓖麻籽低溫壓榨設備的研制和工藝改進提供了基礎數據。

1 材料與方法

1.1 試驗設備與材料

蓖麻籽（湘蓖1號，自然干燥，含水量6.8%）：湖南省林業(yè)科技示范園；其他化學試劑均為分析純。

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

圖1 雙視窗單軸壓榨試驗裝置

1.2 試驗方法

1.2.1 液壓加載試驗安排

主要考察壓榨壓力和壓榨時間，分別設定5個水平，25組試驗。定義加載壓力等級：P1、P2、P3、P4、P5分別表示 2、4、6、8、10 MPa，對應作用到單軸壓榨試驗裝置壓榨腔內的壓榨壓力Ps分別為12.5、25、37.5、50、62.5 MPa。定義壓榨時間：t1、t2、t3、t4、t5分別表示 2、5、8、11、14 min。詳見表 1。

表1 蓖麻籽單軸壓榨試驗條件（25組）

1.2.2 低溫壓榨步驟［18］

在室溫（25℃）條件下，調節(jié)加載試驗機的加載壓力，將40 g蓖麻籽（含水率為6.8%）放入單軸壓榨試驗裝置的壓榨腔內，插入柱塞，然后將單軸壓榨試驗裝置放置于液壓自動加載保壓試驗機上，采用1 mm／s的加載速度，按照各組標簽上的壓榨時間進行加載，取餅粕并測其殘油率。

1.2.3 平均殘油率

平均殘油率是指在同一壓榨壓力下，5個不同壓榨時間的蓖麻籽餅粕殘油率的平均值。文中除特別明確為“平均殘油率”外，其他均為單次試驗的餅粕殘油率。例如：Ps為12.5 MPa時的平均殘油率＝（P1t1的殘油率+P1t2的殘油率+P1t3的殘油率+P1t4的殘油率+P1t5的殘油率）／5。

1.2.4 蓖麻籽主要內含物含量的測定方法

仁與殼所占比例［19］：剝殼后直接稱量計算；水分［20］：GB／T 14489.1—2008；粗脂肪含量［21］：GB／T 14488.1—2008；粗蛋白含量［22］：GB／T 14489.2—2008；淀粉含量［23］：GB 5514—2008；粗纖維含量［24］：GB／T 5515—2008；灰分［25］：GB／T 5505—2008。

2 試驗結果與分析

2.1 蓖麻籽的基本成分分析

油料的主要內含物（如水分、脂肪、纖維素和蛋白質等）會影響油料果實的物理結構，這些指標對油料壓榨制油過程影響很大［26］。其中，水分含量的變化會直接影響其他指標的變化，一定程度上會影響油料的物理結構進而影響其強度［27］，并且該因素方便調整。針對蓖麻籽而言，在研究其剝殼的過程中發(fā)現，成熟的蓖麻籽在采收后，其水分很快降至6%～8%［28］。因此，本論文主要從實際生產出發(fā)，選用自然干燥的蓖麻籽為壓榨原料進行相關的試驗研究。表2列出了蓖麻籽的主要成分及其含量。

表1 蓖麻籽的主要內含物含量

2.2 壓榨壓力對殘油率的影響

2.2.1 不同壓榨時間下殘油率與壓榨壓力關系

由圖2知，在相同壓榨時間下，蓖麻籽餅粕殘油率隨壓榨壓力升高而降低，即壓榨壓力越大，蓖麻籽出油效率越高。在等幅度增大壓榨壓力的過程中，殘油率變化越來越平緩，這種變化趨勢符合植物油料壓榨規(guī)律，即超過臨界壓力后，隨著壓力增大，蓖麻籽餅粕變得越來越致密，油液滲流速度愈來愈小，殘油率變化趨于平緩，蓖麻餅粕逐漸變成飽和濾餅物［29］。

圖2 不同壓榨時間下殘油率與壓榨壓力數學擬合關系

2.2.2 平均殘油率與壓榨壓力關系

由圖3可看出，并，得出當壓力超過80 MPa（在10噸級萬能試驗機上試驗）后，相同壓力增幅下（即付出相同的功耗），殘油率減小的幅度很小，“功效比”會越來越大。即超過臨界壓力后，一味追求“高壓低殘油率”的壓榨效果，需要付出較高的成本代價。因此，蓖麻籽臨界壓榨壓力近似為80 MPa。

圖3 平均殘油率與壓榨壓力關系

2.2.3 平均殘油率與壓榨壓力之間的關系

根據最小二乘原理，采用對數函數對平均殘油率（R）與壓榨壓力之間的關系進行擬合，擬合表達式如下：

式中：Rp為與壓榨壓力相關的平均殘油率／%；Ps為壓榨壓力／MPa。由式（1）計算得到的蓖麻籽餅粕殘油率與試驗值的最大誤差為0.7%。

2.3 壓榨時間對殘油率的影響

2.3.1 不同壓榨壓力下殘油率與壓榨時間關系

由圖4可看出，當壓榨壓力相同時，蓖麻籽餅粕殘油率隨壓榨時間的增大而降低。

圖4 不同壓榨壓力下殘油率與壓榨時間數學擬合關系

2.3.2 平均殘油率與壓榨時間關系

由圖5可知，當壓榨時間t＜5 min時，殘油率隨壓榨時間增大迅速減小；當壓榨時間超過5 min后，殘油率與壓榨時間近似線性關系，殘油率變化幅度很小，餅粕近似達到飽和狀。這種現象可由Darcy滲流理論［30］進行解釋——在壓榨的初始階段（t＜5 min時），蓖麻籽內部和蓖麻籽顆粒間充滿了油液，油液從餅粕縫隙中滲流到壓榨裝置外要一定的時間，因此，在t＝2 min和t＝5 min時的殘油率差值比其他相同時間間隔的殘油率差值大得多。當壓榨時間t＞5 min后，蓖麻籽餅粕形成了飽和濾餅結構，若壓力不變，則油液的滲流速度不變，餅粕殘油率與壓榨時間近似線性關系。因此，蓖麻籽最佳壓榨時間為5 min。

圖5 平均殘油率與壓榨時間關系

2.3.3 殘油率與壓榨時間之間的關系

同樣采用對數函數對殘油率與壓榨時間之間的關系進行擬合，擬合表達式如式（2）。

式中：Rt為與壓榨時間相關的平均殘油率／%；t為壓榨時間／min，范圍為0～14 min。由式（2）計算得到的蓖麻籽餅粕殘油率與試驗值的最大誤差為0.4%。

2.4 殘油率影響因素綜合分析

綜合分析蓖麻籽餅粕殘油率與壓榨壓力和壓榨時間的關系可以發(fā)現，在低于臨界壓力時，壓榨壓力對殘油率的影響比壓榨時間對其影響大得多。利用對數函數擬合殘油率與壓榨壓力和壓榨時間之間的關系，如式（3）所示。壓榨壓力權重系數比壓榨時間權重系數大，說明壓力比時間對殘油率的影響要大，因此，在設計榨油機時，可適當提高壓榨壓力，同時減小壓榨時間來降低“功效比”，獲得最大經濟效益。

式中：R為蓖麻餅粕籽殘油率／%；P為壓榨壓力／MPa，范圍為 0～80 MPa。式（3）計算得到的蓖麻籽餅粕殘油率與試驗值的最大誤差為0.9%。由式（3）也可以看出，ln t的系數僅是ln P的十分之一，若忽略時間t的影響，蓖麻餅粕殘油率R與ln1成近似線性關系，由此得出式（4）。

3 結論

3.1 壓榨壓力和時間對蓖麻籽出油特性的影響不同，同等條件下，壓榨壓力比時間對蓖麻籽餅粕殘油率的影響要大。蓖麻籽餅粕殘油率隨壓榨壓力和時間增大而減小，其臨界壓榨壓力為80 MPa，最佳壓榨時間為5 min。

3.2 采用對數函數對蓖麻籽餅粕殘油率與壓榨壓力和時間之間的關系進行了模擬計算。結果表明，所擬合的殘油率與壓榨壓力和時間的數學表達式具有較高的精度。與試驗值比較，其最大誤差為0.9%，這為科學設計榨油機提供了理論依據。

［1］卲麗，謝文磊 李會，等.蓖麻油深加工方法及產品用途［J］.精細石油化工進展，2007，8（7）：51-54

［2］栗鐵申.推進我國蓖麻產業(yè)化發(fā)展［J］.中國農技推廣，2002（6）：7-8

［3］張研，喬金友.淺析中國蓖麻產業(yè)化發(fā)展前景［J］.中國農學通報，2009，25（16）：316-319

［4］孫振鈞，呂麗媛，伍玉鵬.蓖麻產業(yè)發(fā)展：從種植到利用［J］.中國農業(yè)大學學報，2012，17（6）：204-214

［5］蔣洪權，宋湛謙，商士斌.蓖麻油及其衍生物在聚氨酯中的應用研究進展［J］.高分子通報，2009（8）：44-48

［6］何亞鑫，李國明，劉星.環(huán)氧化蓖麻油的合成與表征［J］.應用化學，2010，27（1）：27-31

［7］杜輝，殷寧，趙雨花，等.蓖麻油基聚醚多元醇的制備及其表征［J］.聚氨酯工業(yè)，2008，23（5）：39-41

［8］黃曉義，路遙.蓖麻油及其衍生物的制備與應用研究進展［J］.中國油脂，2011，36（3）：52-56

［9］張麟，劉大川，劉金波，等.LYZX型低溫螺旋預榨機的研制［J］.農業(yè)工程學報，2006，22（8）：125-128

［10］李文林，黃鳳洪，顧強華，等.雙螺桿冷榨機的研制與應用［J］.農業(yè)工程學報，2006，22（6）：91-95

［11］鄭曉，林國祥，游燕，等.棉籽和蓖麻籽的冷榨試驗與數值模擬［J］.農業(yè)工程學報，2007，23（9）：260-264

［12］張亞新，鄭曉，林國祥.葵花籽壓榨過程中的塑性模型［J］.農業(yè)機械學報，2009，40（7）：138-142

［13］何東平，鄭曉，林國強，等.花生冷榨過程中的基本特性研究［J］.中國油脂，2007，32（5）：19-23

［14］SUKUMARAN C R，SINGH B P N.Compression of a Bed of Rapeseeds：The Oil-point［J］.Journal of Agricultural Engineering Research，1989，42：77-84

［15］MREMA G C，MCNULTY PB.MathematicalModel of Mechanical Oil Expression from Oilseeds［J］.Journal of Agricultural Engineering Research，1985，31：361-370

［16］BARGALE PC，FORD R J，SOSULSKI FW，et al.Mechanical Oil Expression from Extruded Soybean Samples［J］.Journal of the American oil Chemists society，1999，76（2）：223-229

［17］BARGALE P C，WULFSOHN D，IRUDAYARAJ J，et al.Prediction of Oil Expression by Uniaxial Compression using Time-varying Oilseed Properties［J］.Journal of Agricultural Engineering Research，2000，77（2）：171-181

［18］李昌珠，肖志紅，劉汝寬.光皮樹果實專用型螺旋冷榨機的壓榨性能研究［J］.湖南林業(yè)科技，2013（2）：6-8

［19］周瑞寶.特種植物油料加工工藝［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010

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

［21］GB／T 14488.1—2008植物油料含油量測定［S］

［22］GB／T 14489.2—2008植物油料粗蛋白質的測定［S］

［23］GB 5514—2008糧食、油料檢驗 淀粉測定法［S］

［24］GB／T 5515—2008糧食中粗纖維素含量測定［S］

［25］GB／T 5505—2008灰分測定法［S］

［26］李曉霞.帶殼物料脫殼方法及脫殼裝備現狀與分析［J］.農產品加工，2007（4）：83-86

［27］李詩龍，張永林，劉協舫.雙階多級壓榨雙螺桿榨油機研制［J］.農業(yè)工程學報，2010，26（8）：102-107

［28］曹玉華，李長友，張增學，等.蓖麻蒴果剝殼裝置關鍵部件改進設計與試驗［J］.農業(yè)工程學報，2012，28（18）：16-22

［29］劉玉蘭，陳劉楊，汪學德，等.不同壓榨工藝對芝麻油和芝麻餅品質的影響［J］.農業(yè)工程學報，2011，27（6）：382-386

［30］鄭曉.油料壓榨理論與試驗研究［D］.武漢：武漢理工大學，2005.