油菜籽的物理特性浅析_李诗龙.pdf

收稿日期 2004 09 21 修回日期 2004 10 20 作者简介 李诗龙 1966 男 副教授 硕士 主要从事 粮油与食品机械的教学与研究工作 文章编号 1003 7969 2005 02 0017 04 中图分类号 TS221 文献标识码 A 油 菜 籽 的 物 理 特 性 浅 析 李诗龙 武汉工业学院机械工程系 430023武汉市常青花园中环西路特1号 摘要 油菜籽细胞壁的显微结构与其他油料有明显不同 油菜籽散体的密度 摩擦因数 弹性 模量和泊松比以及渗透性和吸附性等物理特性对油料的输送和压榨均有直接或间接的影响 根据 油菜籽的这些固有特性 选择适宜的预处理方法和压榨工艺对改善油脂的提取效率具有实际意义 关键词 油菜籽 物理特性 显微结构 散体特性 油菜是世界上一种重要的油料作物 1 油菜籽 含有极其丰富的营养成分 其中含有大约38 45 的油脂 20 25 的蛋白质和25 的碳水化 合物 油菜籽中的油脂主要包含在籽仁的细胞中 从油菜籽中提取油脂绝大多数是通过机械压榨的方 法来实现的 2 为了提取油脂 油菜籽既可以直接 进行冷榨 也可以先经过轧坯和蒸炒后再进行压榨 无论哪一种方法 都是通过含油固体的聚集和变形 使得油脂和固形物之间产生分离的一个过程 在压 榨过程中 油脂必须首先从每粒油籽细胞的内部迁 移到其表面 然后充满粒子之间的空隙 最后才能从 榨料中释出 因此 正确认识单颗油菜籽的微观结 构和油料散体的物理特性对解决机械榨取油脂过程 中的工艺问题具有相当重要的实际意义 本文就此 展开讨论 1 油菜籽的形态和结构 成熟的油菜籽多为球形或近似球形的小颗粒 其直径为1 27 2 05 mm 油菜籽的横断面显微结 构 3 如图1所示 油菜籽由种皮和胚两部分组成 胚乳已退化 胚是油菜籽的主要组成部分 有两片 发达的子叶 呈黄色 子叶内含有丰富的脂肪和蛋白 质 在子叶外部可看到胚乳的遗迹 油脂 蛋白质 维生素及微量元素等营养物质主要集中在两片子叶 内 种皮根据品种的不同分为淡黄 深黄 淡红 红 褐和黑紫等颜色 有浮浅网纹 黑色籽的网纹比较明 显 种皮占油菜籽总含量的14 20 厚度在26 28 m之间 种皮和子叶结合紧密 较难去除 种 皮含有30 以上的粗纤维 油菜籽中绝大部分的芥 子碱和色素以及部分植酸和单宁等抗营养物质也存 在于种皮中 因此种皮是影响菜籽饼粕蛋白饲用的 主要因素 更是限制进一步开发菜籽食用蛋白的关 键 图1 油菜BrassicaNapus籽粒横断面 160 及构造 S1 种皮 ep1 外表皮 sub1 亚表皮 pal1 栏栅细胞 pig1 色素细胞 E1 胚乳 C1 子叶 aep1 子叶的外表皮 2 油菜籽的细胞结构 油菜籽和其他油料一样 由大量的细胞组织构 成 油菜籽细胞的微观结构如图2所示 一般单个 细胞呈球形 由细胞壁和填充于其内的细胞内容物 组成 图2 菜籽细胞的显微结构 4 2 1 细胞壁 细胞壁犹如细胞的外壳 使每个细胞具有一定 712005年第30卷第2期 中 国 油 脂 的特殊形状 油菜籽的细胞壁由纤维素 半纤维素 等物质组成 这些纤维素分子呈细丝状 并互相交织 成毡状结构或不规则的小网结构 plasmodesmata 在 网眼中充满了水 木质素和果胶等 油菜籽细胞壁 的厚度一般均在1 m之内 Mrema等 5 对不同油 料的孔隙度和微孔直径进行了观测 结果表明 油菜 籽细胞壁的孔隙度和微孔直径分别是0 093 和87 nm 而漆树籽分别是0 17 和126 nm 由此看出 油菜籽的细胞壁的孔隙度和微孔直径相对其他油料 要小 这意味着油脂穿过细胞壁渗流出来的阻力相 对较大 油菜籽细胞壁的这种结构使其具有较强的 韧性和较低的渗透性 这给油脂的有效提取增大了 难度 因此 通过各种预处理方法使细胞壁广泛地 破裂对油脂的有效提取变得尤为重要 破碎 轧坯 蒸炒 挤压膨化 热水浸泡以及水酶法等预处理方 法 都可以大大改善油脂的提取效率 2 2 细胞内容物 细胞的内容物由球形 脂类体 细胞核 小油滴 及蛋白质等组成 油料中的油脂主要以极小直径 超显微的 的球形 脂类体 存在于油料细胞内容物 中 脂类体一般含油90 以上 其他成分是磷脂和 脂肪酶等 每个脂类体的外面都由一层以蛋白质 60 和磷脂 40 为主要成分的单边膜所包围 蛋白质存在于细胞内容物的蛋白体中 其含量最高 可达97 5 其他还有植酸盐等 蛋白体外面也有 一层由磷脂和蛋白之类的分子组成的膜 蛋白体的 直径远远大于脂类体 球形脂类体被缠在以蛋白体 为主要成分的细胞内质网结构中 而小油滴则密密 麻麻地充塞在细胞内蛋白体之间的空隙中 由于脂 类体单边膜的极性面朝外向着胞质 而非极性面与 内部包容物脂类相接触 所以脂类体与蛋白质有很 强的亲和力 因此 油菜籽在油脂的提取过程中 必 须解除细胞内容物中的脂类体与蛋白质的紧密结 合 使脂类体和小油滴自由聚集 这样才能保证油脂 的尽快释出 由于水或有机溶剂能通过细胞壁渗透 到细胞的内部 可使得脂类体和小油滴迅速聚集 通 过细胞内外物质的交换以及细胞内物质吸水膨胀导 致细胞壁的破裂而达到有效提取油脂的目的 3 油菜籽散体的物理特性 油菜籽散体的物理特性 如密度 摩擦因数 力 学性能 渗透性和吸附性等 对油料的输送和压榨均 有直接或间接的影响 3 1 密度 单位体积内油料的质量称为密度 通常用kg m3来表示 油菜籽的密度与籽粒大小 表面性状 整齐度 含水量高低以及内部化学成分有关 根据 密度大小可以评定油料的优劣 确定输送设备及生 产设备的生产量 也可以反映油料的压缩特性 不同水分含量的油菜籽的密度和压缩特性是不 同的 Sukumaran等 6 对不同水分含量下的油菜籽 密度和压缩特性进行了测定 测定采用如图3所示 的装置 即将一个内径为160 mm和一个外径为140 mm的两个空心圆筒固定在一个坚固的底座上 形 成10 mm宽的环形空间 一个刚好适合环形空间的 环形圆筒作为加载活塞 为方便排油 在内外圆筒 上均开有1 mm宽 距底平面6 mm高 节距为7 mm 的长矩形缝隙 数量分别为65和43个 加载采用 一台立式材料试验机 与试验机的配套装置能够记 录油菜籽床在压缩时的容积变形和对应的载荷 图3 薄层油菜籽压榨的实验装置 笔者对测试的相关数据进行了分析 得到压力 P与密度 之间的回归方程为 P c 0 k 1 式中 P 为所施加的压力 MPa 0 为油料散粒体的初始密度 kg m3 c k 为实验的回归系数 见表 1 表1 油菜籽密度的实验回归系数 m 3 0 c 10 6 k 4 67306 2222 256 6 57103 7432 324 9 46902 5722 386 12 46802 2542 410 注 3m为油菜籽的水分含量 油菜籽散体在不同的水分含量下的密度是不同 的 随着水分含量的增加 散体的密度减小 在不同 的水分含量下 油菜籽从压缩开始到刚好出油时止 其密度大致由680 kg m3增加到1 211 kg m3 且随 着水分含量的增加 指数k增加 即随着油料含水 量的增加 压力增长的趋势越来越大 这就意味着 81中 国 油 脂 2005年第30卷第2期 高水分的油料更加难于压榨 3 2 摩擦因数 对油菜籽散体而言 粒子之间的内摩擦因数fi 及其与金属之间的外摩擦因数fa是另一个重要的 物理性质 摩擦因数f是影响固体输送过程最重要 的参数 根据库伦定律 摩擦因数f等于摩擦力F和法 向力P之比 在压榨时 内摩擦因数fi定义为一层 粒子滑过另一层同种粒子时所产生的阻力的量度 而外摩擦因数fa则是油料粒子在另一种材料表面 滑过时的阻力的量度 简而言之 摩擦因数f是油 料在压榨过程中滑动界面上切向应力 与法向应力 之比 有 f F P 2 f 3 在不同的压力 温度和滑移速度状态下 油料的 摩擦因数的测定是一个值得研究的内容 当然 油 料的静止角还是很容易测得的 油菜籽的静止角一 般为20 27 即为油菜籽在无外压力的情况下 籽 粒之间的内摩擦角 油料的内摩擦因数fi值越大 则其输送特性越好 脱皮的菜籽仁和未脱皮的油菜 籽相比内摩擦因数fi值要小 通过调质 轧坯和预 压等方法可提高油料的内摩擦因数fi值 这对螺旋 压榨是十分有利的 3 3 弹性模量和泊松比 油料的弹性或塑性直接影响压榨取油效果 若 榨料的塑性过小 则不能形成饼块或所成形的饼松 散 无法形成毛细管的流油通道 饼中残油会大幅增 高 榨料的塑性过大 当外力作用时 料粒内外表面 相互挤压 这时油流很快 榨料猛烈地随油流出 使 压榨无法进行 出油率也会大幅度下降 因此 压榨 前油料应具有适宜的弹性和塑性 表征散粒体的弹 性和塑性的两个物理量是弹性模量E和泊松比 散粒体的弹性模量E是一个非常复杂的力学 参数 它与颗粒之间的空隙率 接触点数目 接触应 力大小 变形情况以及内摩擦因数等都有关系 一 般来说 散粒体的弹性模量要比该物料本身的弹性 模量小 作为一种简化办法 通常把这种非线性的 散粒体力学体系模拟成线弹性系统 用不变的当量 弹性模量来代替体系的实际模量 如图4所示 散粒体的泊松比 和可变形固体所定义的泊松 比有所不同 这是因为散粒体几乎不能承受拉力 而 且只能在无侧向膨胀的条件下才能承受压力所造成 的 油菜籽散粒体的泊松比 一般取0 25 0 30 图4 散粒体体系的应力与应变曲线 油菜籽的弹性和塑性是由本身的组成 水分 温 度和蛋白质变性程度等特性互相配合而表现的 一 般说来 油料的含油率高 水分高 温度高 蛋白质变 性程度低 含皮 壳 率低则籽仁的塑性大 对油料 脱皮冷榨而言 蛋白质变性程度和温度的影响可不 予考虑 且一种油料其含油率和其他成分虽有差别 但差别不大 于是 籽仁的水分和含皮 壳 率成为 影响籽仁弹性和塑性的主要因素 显然 籽仁的水 分低 其塑性小 但需更大的干燥设备和更多的能源 消耗 籽仁的含皮 壳 率低 其塑性大 但给脱皮装 置提出了更高要求 两种影响因素相互制约 各自 又受其加工条件的限制 当固定某一因素时 另一 因素可在一定的范围内变化 根据胡健华等 7 人的 研究和实践 当籽仁含皮 壳 率在5 左右时 籽仁 的水分含量在4 5 较为合适 压榨前的水分 调节可使水与细胞壁胶状结合并使其塑性化 迅速 改善油菜籽的弹性和塑性 对油脂的有效提取极为 有利 3 4 吸附性和渗透性 油料是一种多细胞的有机体 从油料表面到内 部分布着无数直径很小的毛细管 油脂可以通过这 些毛细管的内壁流出 同时也可以从周围环境中吸 附水分和油脂 当油料受到挤压时 油脂会通过毛 细孔逸出 而当挤压力解除后 油脂又会被毛细管吸 附 油料的这种性能称为渗透性和吸附性 事实上 螺旋压榨工艺也就是这样一对矛盾的 对立统一体 油料中的油脂存在于囊或纤维毛细管 中 毛细管提供了油脂流出的通道 高压有利于油 脂通过毛细管渗出 但压力过高 毛细管又会收缩乃 至最终被封堵 使得最终油脂的提取率受到限制 这 是制油过程中的主要矛盾 这对矛盾主要表现在 在压榨过程中既要保证榨料粒子之间油脂尽可能多 的渗出 又要不断地重新打开因高压而封堵的油路 并不至于产生 回吸 现象 在实际的压榨过程中 榨油机必须时刻不断地解决这一对矛盾 因此 这 912005年第30卷第2期 中 国 油 脂 不仅要求油料在入榨前改善其渗透性 而且在压榨 过程中 也要不断地使得料层产生速差位移和断裂 混合 只有这样 才能最大限度地迅速提取油脂 4 结束语 油菜籽属于高油分的软油料类 油菜籽细胞的 细胞壁的显微结构与其他油料有明显不同 油菜籽 散体的密度 摩擦因数 弹性模量和泊松比以及渗透 性和吸附性等物理特性对油料的输送和压榨均有直 接或间接的影响 根据油菜籽的这些固有特性 选 择适宜的预处理方法和压榨工艺对改善油脂的提取 效率具有实际意义 值得注意的是 无论是冷榨还 是热榨 油菜籽在压榨前进行水分调节对油菜籽散 体的物理特性有明显改变 有利于油脂的提取 参考文献 1 蒋爱民 章超华 食品原料学 M 北京 中国农业出版 社 2000 2 雕鸿荪 油料预处理及压榨工艺学 M 南昌 江西科 学技术出版社 1985 3 刘玉兰 植物油脂生产与综合利用 M 北京 中国轻 工业出版社 1989 4 Singh J Singh B P N Bargale P C et al A analysis of an oil expeller expression J Journal of Oilseeds Research 1990 7 2 41 50 5 Mrema G C McNulty P B Microstructure of rapeseed and cashew as related to mechanical oil expression J Ir J Food Sci Technol 1984 8 59 66 6 Sukumaran C R Singh B P N Compression of a bed of rape2 seed the oil2point J Journal of Agricultural Engineering Re2 search 1989 42 12 77 84 7 胡健华 韦一良 刘协舫 油菜籽脱皮冷榨技术研究 J 中国油脂 2003 28 2 5 7 Simple analysis of physical property of rapeseed LI Shi2long Wuhan Polytechnic University 430023 Wuhan China Abstract The cell wall structure of rapeseed cell is obviously different from other oilseeds Rapeseed physical prop2 erties such as bulk density frictional factor module of elasticity and Poisson ratio as well as permeability and adsorbability have direct or indirect influence on oilseed transportation and squeezing It is practical significant to improve oil extraction efficiency by selecting suitable pretreatment and the squeezing process according to rapeseed inherent