基于量綱分析對花生擠壓膨化制油參數(shù)的試驗研究

王迪 張兆國 馬佳樂 張永成 趙菲菲

摘要[目的]研究花生擠壓膨化制油工藝，簡化制油工序，降低粕殘油率。[方法]通過高含油料單螺桿剖分式擠壓機對花生進行浸油的前處理，根據(jù)量綱分析理論進行試驗設(shè)計和函數(shù)組成，以物料含水率、套筒溫度、主軸轉(zhuǎn)速、模孔直徑、?？组L度、喂料速度6因素設(shè)計試驗，找出花生擠壓膨化工藝參數(shù)對粕殘油率的影響規(guī)律。[結(jié)果]通過該試驗建立的方法得到的關(guān)于粕殘油率的經(jīng)驗公式可以對粕殘油率進行精確預(yù)測，經(jīng)驗公式在現(xiàn)有試驗條件下可反映花生殘油率與擠壓膨化試驗參數(shù)間的關(guān)系。[結(jié)論]通過試驗建立粕殘油率和試驗參數(shù)的經(jīng)驗公式，且經(jīng)驗公式對粕殘油率能進行較好地預(yù)測。

關(guān)鍵詞 花生；擠壓膨化；量綱分析；相似理論

中圖分類號 S509.9 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）09-112-04

Abstract[Objective]The aim was to study peanut oil extrusion parameters， simplify oil production process， reduce residual oil ratio.

[Method]The pretreatment technology of peanut extrusion for solvent extraction of oil was discussed. The experimental design based on the dimensional analysis was conducted by using factors including moisture content of material， temperature of barrel， rotational speed of screw， diameter and length of die nozzle， feeding speed， the effects of parameters on residucal oil ratio were obtained.[Result]The established experience formula could predict residual oil ratio exactly and indicate the relationship between peanut residual oil ratio and extrusion parameters.[Conclusion]The experience formula is founded indicating the relationship between ratio of residual oil and extrusion parameters， which can predict the ratio of residual oil exactly.

Key words Peanut； Extrusion； Dimensional analysis； Similarity theory

花生是我國主要的油料作物，傳統(tǒng)的花生油制備中一般采用壓榨法和溶劑浸出法提取毛油，然后經(jīng)脫膠、脫酸、脫色、脫臭和脫蠟等工序制備精制油，而壓榨法殘油率高，勞動強度高，動力消耗大，而且經(jīng)過高溫蒸炒之后的花生粕變性程度較高，只能用作飼料或肥料，致使花生蛋白利用率低，進而導(dǎo)致大量優(yōu)質(zhì)植物蛋白質(zhì)的浪費[1]。因此，探索一種提油率高、無有機溶劑殘留，同時所得蛋白變性低的分離花生油和花生蛋白的新工藝十分必要，也具有現(xiàn)實意義。

油料制取油脂前進行擠壓膨化是一種新興的、適宜于多種油料的生產(chǎn)工藝。自擠壓機問世以來，人們逐漸意識到擠壓膨化技術(shù)對改進傳統(tǒng)制油工藝的作用[2-4]。筆者以花生制油工藝為研究對象，重點研究了花生的干法擠壓膨化浸出制油預(yù)處理工藝。

1 材料與方法

1.1 材料 試驗材料為山東小粒紅皮花生（購于云南省昆明市吳家營菜市場）：平均含油率36.32%（濕基），原始含水率6.05%，原始蛋白質(zhì)含量46.27%。

擠壓設(shè)備為山東理工大學(xué)自制的單螺桿剖分式擠壓機，設(shè)備主要由加熱系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等部件構(gòu)成。螺桿轉(zhuǎn)速為0～1 200 r/min無級可調(diào)，套筒溫度0～300 ℃連續(xù)可調(diào)，配有溫度數(shù)顯儀表閉環(huán)自控系統(tǒng)，擠壓機模孔孔徑有級可調(diào)。

1.2 方法

花生直接擠壓膨化工藝為：花生→清理→粉碎→擠壓→花生擠壓油。

1.2.1 花生擠壓膨化試驗參數(shù)相似準則建立。表1中共有7個變量，該問題屬于一般工程技術(shù)問題，該試驗選擇長度L、質(zhì)量M、時間T為3個基本量綱，可以得到量綱矩陣，根據(jù)相似理論π定理，可以推導(dǎo)出4個相似準則。

根據(jù)Jiang定理關(guān)于“各個自變π項必須都有變化機會，而且變化要有足夠的幅度”[5]的原則，此組分方程研究的是固定π2、π3（分別用2、3表示），研究自變量π項π4對因變量π1的影響，先設(shè)計π4，π4=w/tnΔ，

在設(shè)計前2組試驗時，已經(jīng)滿足d、v的變化機會，因此通過此次設(shè)計滿足w、n與t的變化。為了達到“變化要有足夠幅度”要求，選取物料含水率由低到高，分別對應(yīng)溫度由高到低來組合試驗，具體方案見表6。

2：因為π2= Δ/d，根據(jù)研究基礎(chǔ)選擇，Δ=24 mm，d=12 mm，則2=2。

3：由于π3=v/n，在實際意義范圍內(nèi)（以預(yù)備試驗為研究基礎(chǔ)，花生在擠壓膨化工藝喂料速度及主軸轉(zhuǎn)速不宜過高）改變n及v，但使得總的3保持不變。

為了證實用組合組分方程的有效性，就得令π2、π3之一為另一定值，在此改變軸頭間隙Δ，令Δ=12 mm，則π2=1，Δ的變化導(dǎo)致π4的變化，但此組分方程中π4本身就是變化的得π項，不與Jiang定理矛盾[6]。具體試驗安排見表6。

2.2 π關(guān)系式有效性的檢驗

組合的π關(guān)系式或經(jīng)驗公式需要經(jīng)過3種檢驗：

第1種π關(guān)系式組合后要檢驗它與求組分方程時各試驗點的擬合程度，即在各組分方程曲線上各試驗點工況下對π關(guān)系式有效性的檢驗[7]。由各試驗點的參數(shù)值換算成π2、π3、π4。值代入式（14）求得π1與θ，θ與實測值θ實的相對誤差均很小，原因是各組分方程的形式選擇合適，且相關(guān)系數(shù)R很高（表7）。

近時，有效性檢驗所的誤差較小。當(dāng)偏離2、3、4越遠時，誤差緩慢增至10%以上，個別值更高。檢驗誤差達到18.15%的為試驗的“邊緣點”，即含水率取試驗范圍的最大值12%，模頭溫度為85 ℃，這樣此試驗由于溫度低含水率高，物料膨化效果差、強度低，在浸出時經(jīng)常發(fā)生“糊底”（由于物料松軟，浸出時物料將混合油滲漏孔封住阻礙混合油的滲漏，所以此試驗點屬于非正常試驗）。

第3種，選取試驗參數(shù)范圍內(nèi)其他點（不同于組分方程組建時需要的試驗點）進行驗證，選取的試驗點具體安排參見表9。將試驗參數(shù)分別帶入式（7）、（8）、（9）計算π2、π3、π4，將計算所得π2、π3、π4值帶入π關(guān)系式（13），計算殘油率的值并與實際值進行比較，誤差列于表9。

由表9可知，π關(guān)系式的第3種檢驗誤差較小，最大的僅為4.40%，最小的小于1%。由此可見，利用該方法得到的關(guān)于粕殘油率的經(jīng)驗公式可以對粕殘油率進行預(yù)測，預(yù)測精度高，說明經(jīng)驗公式能夠反映在現(xiàn)有試驗條件下（如設(shè)備結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件、物料的條件）花生殘油率與擠壓膨化試驗參數(shù)之間的關(guān)系。

3 結(jié)論與討論

該試驗通過相似理論的G.MurphyJiang定理試驗得到殘油率與6個試驗參數(shù)之間經(jīng)驗公式為：

通過驗證試驗證明，經(jīng)驗公式對殘油率的預(yù)測誤差較小，而且通過試驗證明粕殘油率可以降到1%以下。由此得出，通過量綱分析建立的殘油率與試驗參數(shù)之間的經(jīng)驗公式是合理的，可以較好地預(yù)測試驗結(jié)果。

參考文獻

[1]陳艷君.我國花生及花生油市場分析[J].糧食與油脂，2010（9）：32-34.

[2] LUSAS E W，WATKINS L R.Oilseeds：Extrusion for solvent extraction[J].J Am Oil Chem Soc，1988，65（7）：1109-1114.

[3]OILLIAMS M A.Extrusion preparation for oil extraction[J]. Inform，1995，6（3）：289-293.

[4]DUFAURE C，LEYRIS J，RIGAL L，et al.A twinscrew extruder for oil extraction：Ⅰ. Direct expression of oleic sunflower seeds[J].J Am Oil Chem Soc，1999，76（9）：107.

[5]蔣亦元.以球體的沉降試驗檢驗π關(guān)系式預(yù)測的可行性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1996，12（3）：1-6.

[6]蔣亦元.相似準則方程的確定建立及其與回歸正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計的比較[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1996，12（3）：7-11.

[7]蔣亦元.以π實驗設(shè)計的實驗驗證適用于不同阻力區(qū)段的球體沉降公式[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1996，12（3）：12-15.