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

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 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

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 試驗(yàn)方法

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 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

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 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%。

3 結(jié) 論

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。