双低油菜籽脱皮冷榨的关键技术研究.doc

第20卷第6期2004年11月农业工程学报T ransacti ons of the CSA E V o l . 20N o. 6N ov . 2004双低油菜籽脱皮冷榨的关键技术研究李诗龙1, 胡健华2, 刘协舫1, 林国祥1(1. 武汉工业学院机械工程系, 武汉430023; 2. 武汉工业学院食品科学与工程系, 武汉430023摘要:针对双低油菜籽脱皮籽仁在冷榨过程中存在的一些关键技术问题, 提出了双阶多级压榨的冷榨结构模型, 对现有的螺旋榨油机的榨膛结构进行了改进, 设计并制造了一种小型实验型冷榨机。在该机上, 对操作工艺参数对脱皮籽仁的冷榨性能的影响进行了实验研究, 结果表明, 榨油机设定在较低转速(11r m in 有利于油料的冷榨, 对入榨油料进行适度的调质(水分在6. 4% 处理能改善油脂的提取效率, 5%以下的仁中含皮率的要求是适宜的。冷榨脱皮菜籽仁的最大料筒温度始终低于70, 确保了冷榨的需要。所研究的成果将为大型商用冷榨机的开发铺平道路。关键词:双低油菜; 脱皮菜籽仁; 螺旋榨油机; 冷榨中图分类号:S 379. 9文献标识码:B 文章编号:100226819(2004 0620181205收稿日期:2004203215修订日期:2004206201作者简介:李诗龙(1966- , 男, 湖北监利人, 硕士, 副教授, 主要从事粮油加工与食品机械的教学与研究工作。武汉市汉口常青花园中环西路特1号武汉工业学院机械工程系, 430023。Em ail :lsl 6710sohu . com0引言双低油菜籽是一种优质的油料资源, 低油菜带”, 的调整和农民增收1, 2。质产品, 世界各国对油菜籽的加工利用的新工艺方法进行了不断地研发, 并在优质油脂、蛋白的制备, 油脂蛋白的精深加工, 以及菜籽饼粕的饲用及综合利用等方面取得了许多新的成果3。近几年来, 国内外已开始对双低油菜籽脱皮冷榨的制油工艺的研究4, 5。传统的油菜籽制油方法是用带皮的整粒籽热榨制油6, 所得的毛油颜色深暗, 质量低劣, 精炼困难; 饼粕中含有一些对动物生长不利的成分, 如硫甙、植酸、多酚类物质和粗纤维等, 不宜直接利用。与传统的高温热榨工艺相比, 脱皮冷榨可避免高温加工产生有害物质, 保持易于丢失的油脂天然成分, 提升饼粕的质量和使用价值。所得到的菜籽油是天然的绿色食用油, 色泽清澈, 营养价值高; 饼粕中多酚类物质、粗纤维的含量减少, 能改善动物的适口性, 提高消化率和转化率, 不需深加工就能直接替代豆粕作饲料使用。此外, 脱皮菜粕进行深加工后, 可以得到一系列极有价值的产品, 诸如饲料蛋白、食用蛋白、植酸钠、单宁、羧甲基纤维素钠等。德国凯姆瑞亚斯凯特公司与埃森综合大学食品工艺系合作, 对油菜籽脱皮和冷榨的工艺与设备进行了多年的研究, 并在德国萨克森州的科朋斯德特油厂中建起了一相应的菜籽脱皮冷榨中试厂4。目前, 我国对油菜籽的干燥、脱皮及皮仁分离技术已经成熟, 但高效的冷榨制油装备还有待开发7, 8。本文研究的目的旨在针对脱皮的双低菜籽仁这种高油份、低粗纤维含量的软油料在冷榨中存在的问题, 对冷态压榨制油的装备及其操作工艺参数, 如榨油机转速、油料的仁中含皮率和水份1动力连续螺旋压榨是世界上从植物油料中提取油脂最广泛采用的一种方法9, 10。在传统的95型双级螺旋榨油机上, 对脱皮菜籽仁进行了冷态压榨试验, 结果表明饼不成型, 油料在榨膛内难于推进。这可能有以下几个方面的原因。首先, 脱皮菜籽仁含油量高、粗纤维含量少, 使得榨料的物理特性, 如密度、摩擦因数、弹性模量和泊松比、渗透性和吸附性等, 与未脱皮的油菜籽有明显的不同, 尤其是榨料粒子间, 榨料与榨笼内壁的摩擦系数大为减小, 使得油料在喂料段输送困难, 榨料在压榨段难以向前推进, 因而在整个压榨过程中压力难以建立。其次, 脱皮后的菜籽仁在冷榨时, 入机油料未进行任何加热和轧胚等预处理, 因此细胞壁很少被破坏, 脂类体与蛋白质的亲合力仍很强。第三, 从油菜籽微观结构看, 其细胞壁的孔隙度和微孔直径较其他油料要小得多11, 因此油脂渗流出来的阻力大。这就是说现有的螺旋榨油机的榨膛结构不适宜冷态压榨取油。事实上, 在脱皮冷榨制油过程中, 存在以下几方面的矛盾:1 尽管在制油前脱除菜籽中强烈显色的菜籽皮, 可提高其主产品油与粕的质量, 但在油脂的提取过程中, 种皮的高粗纤维含量在榨膛内既可以增加榨料基质的孔隙度, 便于油脂的渗透, 又可以增大摩擦系数, 有利于榨料在榨膛内的输送; 2 细胞壁和榨料基质中的毛细管, 既提供了油脂流出的通道, 即当油料受到挤压时, 油脂会通过毛细孔逸出, 又会由于当挤压力的解除而使油脂产生回吸; 3 高压有利于油脂通过毛细管被挤出, 但与此同时, 由于毛细管受到收缩、剪切乃至最终被封堵, 使得压榨制油的提取率受到限制, 这是冷榨过程中的主要矛盾。对实践而言, 首要的问题就是如何增强喂料输送螺旋的推进能力, 提高预压段的起始压力, 保证压榨的顺利进行。其次是如何增大压榨力和延长压榨时间, 以及在高压下提高油脂通过榨料基质的渗流能力。要解决这些问题, 既要从结构上加以改进, 又要从操作工艺方面181 考虑。2对现有螺旋榨油机的几点改进2. 1采用双阶多级压榨的榨膛结构目前, 世界各国所通用的连续螺旋榨油机, 其结构与原理已为人所知。根据现有的压榨工艺, 螺旋榨油机可分为两大类:全压榨油机和预榨榨油机。冷榨机应属于全压榨油机的范畴。根据现有的全压榨油机的几种典型的结构形式和H . J . 拉泽洪等人的研究成果4, 构想了这样一种结构, 即采用水平布置的双阶多级的复合压榨式的榨膛结构, 如图1所示。它由喂料段、主压榨段和成饼段三段构成。喂料段由喂料螺旋和预压榨螺组成, 具有送料和预榨的功能, 而多级压榨则在主压榨段。榨笼的末端榨螺将饼粕排除机外 。图1双阶多级压榨的结构模型简图F ig . 1Sketch draw ing of double 2stairand m ulti p le 2stage p ressing2. 2适当增大理论压缩比脱皮后菜籽仁的冷榨既不同于现行的蒸炒后的预榨, 也不同于未脱皮的冷榨, 这是由榨料的性质所决定的。脱皮后的菜籽仁呈碎粒状, 细胞壁极少破损, 细胞内含物几乎保持原状。为了取得良好的压榨取油效果, 螺旋压榨机应该具有较高的榨膛压力和足够的停留时间, 这是影响出油效果的主要因素之一。要增加榨膛压力, 就必须增大理论压缩比。一般来说, 油料的压缩比与饼中残油率具有相反的关系, 榨料的压缩比越大, 榨料体积的压缩程度越高, 油料的残油率就越低。但对于冷榨, 并非压缩比越大越好。试验表明, 当压缩比达到20时, 其干饼残油率为16%17%, 且漏渣现象严重5。我们知道, 一般的全压榨油机的理论压缩比都在9. 0以上9, 因此将冷榨机的压缩比确定在16左右。通过后面的实验验证这一值较为理想, 其干饼残油率可达到10. 3%。当然, 增大榨油机的压缩比, 由于回料量的增加, 其压榨时间也必然延长。2. 3改善喂料段的输送特性在理想的情况下, 榨料沿榨轴方向的移动应该是纯轴向的。但事实证明绝大部分油料的滑移和随轴转动大都发生在榨轴的喂料段, 并因此降低榨油机的产量乃至堵塞或送料不畅。这一点对于软油料尤为明显。这是因为在喂料段的末端朝着喂料口方向存在着较大的压力梯度12, 榨膛内的榨料在反抗压力急剧增加的同时, 而又不得不向前推移的后果就是引起榨料的反向滑移和随轴转动。因此, 喂料段的设计必须要抵消这个背压。在喂料段的入口处附加一个带阻转槽的衬套(如图2所示 可成功地解决诸如脱皮菜籽仁、葵花籽仁和亚麻籽这一类高油份、低粗纤维含量的软油料的输送, 无须专门的强制喂料装置。衬套内壁沿纵向开有若干矩形沟槽, 沟槽的面积大约占内径的1 10, 沟槽深必须大于颗粒的最大尺寸, 沟槽宽度也应大于颗粒的最大尺寸。衬套与喂料螺旋之间的间隙应小于油料颗粒厚度, 脱皮的菜籽仁一般小于1mm 。喂料螺旋被衬套整圆覆盖的长度l (见图2 也是一个重要参数。覆盖长度l 与螺纹导程S 的关系为:l =S 。在试验的基础上, 得出使用效果较好的喂料螺旋的覆盖长度系数为:对于单头螺纹, =23; 双头螺纹, =1. 5 2。图2带阻转槽衬套的喂料段F ig . 2Schem atic of a grooved feed secti on2. 4提高主压榨段的压榨效率主压榨段是油脂大量挤出的阶段, 因此必须做到:1 施于榨料上压力的大小须确保油脂的尽量挤出和克服榨料粒子变形时的阻力; 2 榨料的多孔性好且在压榨过程中随着榨料的变形仍能保持到终了; 3 流油毛细管的长度尽量短, 即实现榨料的层薄压榨, 使排油路程缩短; 4 保证必要的压榨时间。通常增大理论压缩比, 即减少榨螺的通道深度、减小螺距, 就能有效地增大压力。但对于脱皮菜籽仁这样的软质油料仅仅通过改变榨螺的空腔容积, 其压榨效果是极其有限的。在这种情况下, 有效增大和改变压力的办法就是在两榨螺之间插入“锥形榨圈”12, 如图3所示。在主压榨段通过多次采用这一结构(至少三节锥圈 , 以实现所谓的多级压榨(如图1所示 。很显然, 随着榨螺根径沿榨轴纵向逐渐增大, 锥圈与榨笼内壁所形成的空余体积也随之减小, 对榨料产生的阻力也就越大 , 因此每一个榨螺必需产生一个更高的推力来推动榨料进入下一个榨螺。图3锥形榨圈的结构F ig . 3D esign show ing cone distance p iece281农业工程学报2004年 随着榨料向排除末端的逐级压榨, 残油量也越来越小, 榨料也逐渐被挤压得越来越密实, 形成所谓的“固体塞子”。此时, 出油毛细孔被封堵, 油脂的挤出也变得越来越困难, 油脂穿过榨料基质的渗透能力大大降低。因此, 打开新的油路和缩短油路就变得越来越重要。在现有的螺旋榨油机中, 通常是在榨膛中设置刮刀装置和沿榨螺轴向在螺棱上开有一个大约40的“缺口”(如图3所示 , 以此形成榨料粒子之间径向和轴向的相对滑移或断裂混合等现象。尽管这是打开新的油路的有效途径, 但由于油脂并非在锥圈坐落的区域的榨笼中排出, 而是在推动榨料越过锥圈的那个榨螺的地方13, 因此难以实现榨料的薄层压榨。改进的办法是将锥圈前的榨螺设计成反锥形, 即螺旋的外径沿推进方向逐渐减小(根径不变 , 如图4所示。在压榨过程中, 由于这种榨螺与榨笼之间的间隙被改变(控制在10mm 以内 , 的榨料, 速度明显降低, 使“固体塞”分裂, 重新打开油路。由于榨料密集于榨膛内壁的空间, 其压力大都作用于靠近榨膛内壁的环形薄层, 且榨料是在速度差较大的低速区运动, 因此延长了榨料的压榨时间, 加之受压榨料密集于榨膛内壁的出油缝处, 更有利于提高出油率。对于脱皮菜籽仁这样的软质油料, 榨料的薄床压榨对提高出油率是极为有利的。图4锥形榨螺的压榨情况示意图F ig . 4Comp ressing situati on w ith cone screw3实验型冷榨机的开发所开发的小型冷榨机由喂料斗、榨螺轴、榨笼、调饼机构、传动系统、集油盘和出饼槽等组成。传动系统由主电机(11k W 3p h 1440rpm 、齿轮减速箱和两个皮带轮组成, 皮带轮可提供两档主轴转速11r m in 和30r m in 。榨笼全部采用条排结构形式, 以利于更快散热。榨螺轴采用了5次压缩与5次膨胀, 即6节榨螺与5节锥形榨圈相间的结构, 如图5所示。在喂料输送螺旋与机头配合孔中, 增加一个带阻转槽的衬套。该榨油机的详细参数见表1。冷态压榨模拟机设计后进行了制造与安装, 并成功地进行了试运行。4操作工艺对冷榨取油效果的影响4. 1材料与方法实验原料:双低油菜籽(品种:中油杂2号 , 原料的1. 喂料螺旋2. 带阻转槽的衬套3. 榨笼框架4. 榨笼锥形对开圈5. 刮刀6. 榨螺7. 锥形榨圈8. 压板9. 沉头螺栓10. 紧固螺栓11. 主轴12. 出饼机构图5实验型冷榨机的榨膛结构F ig . 5Structure of the p ressing cham ber of alabo rato 2ld expellerons of the developed co ld p ress参数数值榨螺轴的总长度 mm 699. 0喂料段的长度 mm 235. 0主压榨段的长度 mm 364. 0成饼段的长度 mm 100. 0榨笼外径 mm 250. 0第一阶榨笼内径 mm 93. 5第一阶榨螺外径 mm 92. 0第二阶榨笼内径 mm 79. 0第二阶榨螺外径 mm 78. 0生产能力 kg h -150. 0有效产量 kg h -145. 0主轴转速 r m in -111 30压缩比161长径比第一阶2. 51第二阶5. 11总计7. 61初始水分含量6. 4%(干基 , 含油率41. 6%。脱皮菜籽仁的制备:将原料菜籽在太阳下暴晒3天后, 将水分含量降到4. 00. 5%(干基 。用自制的齿辊式脱皮机进行脱皮, 用手动风车将皮壳和籽仁分离, 得到水分含量为4. 00. 5%(干基 的纯净的脱皮菜籽仁, 并保持4%5%左右的皮含量。脱皮菜籽仁的调质处理:通过直接喷水对脱皮籽仁进行水分调节, 这种方法对冷榨而言, 是简便可行的预处理方法, 无须额外的费用和能量。以每20kg 分装到4个带盖的塑料桶中, 对其中3个容器喷上预定量的水, 得到4种不同的水分含量分别为4. 0%、6. 0%、8. 0%和10. 0%(0. 5% 的辅助样品, 加水量根据原料的初始水分含量4. 00. 5%计算。然后, 将样品手工充分混合, 加盖密封塑料桶, 贮藏24h 。其间, 将容器定期振荡, 以使水份均匀一致。在压榨之前, 采用标准热风电烤箱方法(GB T 643521986 测定每一个样品的水分含量。实验前, 先压榨带皮的原料菜籽, 将榨油机预热到大约50的温度。一旦压榨过程稳定, 就开始实验。将381第6期李诗龙等:双低油菜籽脱皮冷榨的关键技术研究 未脱皮整籽样品和脱皮籽仁样品分别以10kg 的批量喂入榨油机, 每个实验重复2次。在榨油时, 分别测出样品重量、榨笼温度、输入功率和压榨时间, 测量采用电子称(精度:0. 1g 、数字温度仪(精度:0. 8; 型号:WM T 201 、数字功率表(型号:M S 2203; 精度:3. 0% 和电子秒表(精度:0. 01s 。压榨时, 饼厚保持在0. 8mm 左右(游标卡尺测出 。采用自重式的喂料方式。榨油机可以30r m in 和11r m in 两档转速分别进行运行。榨油机产量是用10kg 样品除以压榨该样品所需时间。每次榨出的饼粕捣碎后, 封装到塑料袋中编号, 其干饼残油率以及样品的初始含油率采用索氏浸提仪和GB T 6433-1994要求的程序进行测定。4. 2结果与讨论4. 2. 1主轴转速的影响主轴转速对压榨性能的影响如表2速, 干饼残油率显著下降, 也略为上升。主轴11r r m in 转速的产量减小了约10%, 干饼残油率下降两个以上百分点。随着转速的减小, 榨笼的温度也略为降低。冷榨的主要目的是为了在适中的榨笼温度下, 获得最大的油脂提取率即最低残油率, 并保证有一定的产量, 因此在较低转速下将得到较好的提取率和较低的榨笼温度。表2双低菜籽冷榨实验中不同榨轴转速对压榨性能的影响3T able 2Effect of different shaft speeds on perfo r m anceof co ld p ressing fo r de 2hulled rapeseed kernel 榨轴转速 r m in-1性能指标产量kg h -1干饼残油率 %单位喂入料能耗k W h kg -1榨笼最大温度 3039. 513. 20. 04561. 51135. 310. 80. 04660. 5注:3油料:未预处理的脱皮籽仁, 水份6. 4%(干 , 初始含油率44.7%; 出饼厚度约0. 8mm 。4. 2. 2原料调质处理的影响油料调质对压榨性能的影响如表3所示。当油料水分从4. 5%增加到10. 1%时, 能量消耗逐步下降, 榨笼温度也逐步下降。当油料的水分为6. 4%时, 产量最大, 干饼残油率最小。当水分含量从4. 5%增加到6. 4%时, 产量增约20%, 然后随着水分增加而稳定下降。10. 1%水分的油料其产量下降到在6. 4%水分的最大值的约65%, 而残油率的变化则刚好相反:随着水分从4. 5%增加到6. 4%, 残油率缓慢减小, 然后又急剧增加。在同样的操作条件下, 6. 4%水分的原料经调质处理后干饼残油率比未预处理的干饼残油率(表2 下降了0. 6个百分点, 产量也增加了约10%。表3双低菜籽冷榨实验中油料的调质对压榨性能的影响3T able 3Effect of mo isture conditi oning on perfo r m anceof co ld p ressing fo r de 2hulled rapeseed kernel 油料水分 %(干基性能指标产量kg h -1干饼残油率 %单位喂入料能耗-1榨笼最大温度 4. 537. 610. 90. 05062. 06. 441. 310. 30. 04861. 28. 234. 612. 60. 04660. 010. 128. 516. 00. 04555. 5注:3油料:脱皮籽仁, 干基含油率44. 7%; 转速11r m in , 出饼厚度约0. 8mm 。上述结果表明, 油料经调质处理后, 可显著改善油料的压榨特性, B argale , P . C . 等人14。因此, 对, 对于冷榨是改善油脂提取效率的最。4. 2. 3仁中含皮率的影响仁中含皮率是脱皮冷榨的一个很关键的指标, 它关系到毛油和饼粕的质量, 也关系到毛油和饼粕的后续加工利用。本研究采用含皮率为4%5%的脱壳菜籽仁和未脱皮的菜籽进行对比实验, 如表4所示。结果表明, 脱皮菜籽仁冷榨与未脱皮菜籽冷榨相比, 饼中残油率明显增加, 产量、能量消耗和温度则都有所下降, 油脚量也相对增加。这可能是由于脱皮菜籽仁本身含油率高, 且粗纤维的含量减少所致。因而, 保证仁中有较低的含皮率, 不仅仅是因为现有的脱皮机和皮仁分离机在技术上难以实现完全分离, 同时也是因为冷榨本身对榨料性质的要求。表4双低油菜籽的含皮率对冷榨性能的影响3T able 4Effect of hull content in rapeseed kernel on perfo r m ance of co ld p ressing fo r de 2hulled rapeseed kernel 含皮率 %性能指标产量kg h -1干饼残油率 %单位喂入料能耗k W h kg -1榨笼最大温度 1845. 57. 90. 05270535. 310. 80. 04660. 5注:3油料未预处理, 水分6. 4%(干 , 初始含油率44. 7%; 转速11r m in , 出饼厚度约0. 8mm 。脱皮菜籽仁冷榨的毛油经过滤后金黄透亮, 外观与市售的菜籽色拉油相差无几; 饼粕也略呈黄色, 与未脱皮饼粕呈黑色完全不同, 这说明脱皮菜籽仁中的含皮率5%以下的要求是适宜的。5结论1 为实现从脱皮菜籽仁在冷榨过程中油脂的有效提取, 提出了一种结构简单的双阶多级压榨的冷榨机模型。在喂料段的入口处附加一带阻转槽的衬套, 解决了这种特殊油料的输送, 使喂料段输送顺畅和提供预压。481农业工程学报2004年 对主压榨段的榨螺和锥圈的结构改进, 增大了压榨力, 延长了压榨时间, 缩短了油路, 实现了榨料的薄层压榨, 有利于提高冷榨取油的效率。据此设计并制造了冷态压榨模拟机。2 在实验模拟机上进行了操作工艺的性能实验, 结果表明, 榨油机设定在较低转速11r m in 时, 尽管能耗会稍高, 但得到较低的残油率和榨笼温度。对脱皮籽仁进行适度的调质处理极大地改善了榨料的输送特性和油脂的排流性, 有利于油料的冷榨。油料的调质水分在6. 4%时, 其干饼残油率最低。含皮率5%以下的要求是适宜的。冷榨脱皮菜籽仁的最大榨笼温度始终低于70, 确保了冷榨的需要。参考文献1黄凤洪. 2002UND P 双低油菜国际技术研讨会论文集C . 武汉:武汉工业学院, 2002, 9.2杨经泽. 2002UND P C . 武汉:3李诗龙, 苗秀石. 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