基于量纲分析对花生挤压膨化制油参数的试验研究

王迪 张兆国 马佳乐 张永成 赵菲菲

摘要[目的]研究花生挤压膨化制油工艺，简化制油工序，降低粕残油率。[方法]通过高含油料单螺杆剖分式挤压机对花生进行浸油的前处理，根据量纲分析理论进行试验设计和函数组成，以物料含水率、套筒温度、主轴转速、模孔直径、模孔长度、喂料速度6因素设计试验，找出花生挤压膨化工艺参数对粕残油率的影响规律。[结果]通过该试验建立的方法得到的关于粕残油率的经验公式可以对粕残油率进行精确预测，经验公式在现有试验条件下可反映花生残油率与挤压膨化试验参数间的关系。[结论]通过试验建立粕残油率和试验参数的经验公式，且经验公式对粕残油率能进行较好地预测。

关键词 花生；挤压膨化；量纲分析；相似理论

中图分类号 S509.9 文献标识码 A 文章编号 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

花生是我国主要的油料作物，传统的花生油制备中一般采用压榨法和溶剂浸出法提取毛油，然后经脱胶、脱酸、脱色、脱臭和脱蜡等工序制备精制油，而压榨法残油率高，劳动强度高，动力消耗大，而且经过高温蒸炒之后的花生粕变性程度较高，只能用作饲料或肥料，致使花生蛋白利用率低，进而导致大量优质植物蛋白质的浪费[1]。因此，探索一种提油率高、无有机溶剂残留，同时所得蛋白变性低的分离花生油和花生蛋白的新工藝十分必要，也具有现实意义。

油料制取油脂前进行挤压膨化是一种新兴的、适宜于多种油料的生产工艺。自挤压机问世以来，人们逐渐意识到挤压膨化技术对改进传统制油工艺的作用[2-4]。笔者以花生制油工艺为研究对象，重点研究了花生的干法挤压膨化浸出制油预处理工艺。

1 材料与方法

1.1 材料 试验材料为山东小粒红皮花生（购于云南省昆明市吴家营菜市场）：平均含油率36.32%（湿基），原始含水率6.05%，原始蛋白质含量46.27%。

挤压设备为山东理工大学自制的单螺杆剖分式挤压机，设备主要由加热系统、传动系统、喂料系统、冷却系统等部件构成。螺杆转速为0～1 200 r/min无级可调，套筒温度0～300 ℃连续可调，配有温度数显仪表闭环自控系统，挤压机模孔孔径有级可调。

1.2 方法

花生直接挤压膨化工艺为：花生→清理→粉碎→挤压→花生挤压油。

1.2.1 花生挤压膨化试验参数相似准则建立。表1中共有7个变量，该问题属于一般工程技术问题，该试验选择长度L、质量M、时间T为3个基本量纲，可以得到量纲矩阵，根据相似理论π定理，可以推导出4个相似准则。

根据Jiang定理关于“各个自变π项必须都有变化机会，而且变化要有足够的幅度”[5]的原则，此组分方程研究的是固定π2、π3（分别用2、3表示），研究自变量π项π4对因变量π1的影响，先设计π4，π4=w/tnΔ，

在设计前2组试验时，已经满足d、v的变化机会，因此通过此次设计满足w、n与t的变化。为了达到“变化要有足够幅度”要求，选取物料含水率由低到高，分别对应温度由高到低来组合试验，具体方案见表6。

2：因为π2= Δ/d，根据研究基础选择，Δ=24 mm，d=12 mm，则2=2。

3：由于π3=v/n，在实际意义范围内（以预备试验为研究基础，花生在挤压膨化工艺喂料速度及主轴转速不宜过高）改变n及v，但使得总的3保持不变。

为了证实用组合组分方程的有效性，就得令π2、π3之一为另一定值，在此改变轴头间隙Δ，令Δ=12 mm，则π2=1，Δ的变化导致π4的变化，但此组分方程中π4本身就是变化的得π项，不与Jiang定理矛盾[6]。具体试验安排见表6。

2.2 π关系式有效性的检验

组合的π关系式或经验公式需要经过3种检验：

第1种π关系式组合后要检验它与求组分方程时各试验点的拟合程度，即在各组分方程曲线上各试验点工况下对π关系式有效性的检验[7]。由各试验点的参数值换算成π2、π3、π4。值代入式（14）求得π1与θ，θ与实测值θ实的相对误差均很小，原因是各组分方程的形式选择合适，且相关系数R很高（表7）。

近时，有效性检验所的误差较小。当偏离2、3、4越远时，误差缓慢增至10%以上，个别值更高。检验误差达到18.15%的为试验的“边缘点”，即含水率取试验范围的最大值12%，模头温度为85 ℃，这样此试验由于温度低含水率高，物料膨化效果差、强度低，在浸出时经常发生“糊底”（由于物料松软，浸出时物料将混合油渗漏孔封住阻碍混合油的渗漏，所以此试验点属于非正常试验）。

第3种，选取试验参数范围内其他点（不同于组分方程组建时需要的试验点）进行验证，选取的试验点具体安排参见表9。将试验参数分别带入式（7）、（8）、（9）计算π2、π3、π4，将计算所得π2、π3、π4值带入π关系式（13），计算残油率的值并与实际值进行比较，误差列于表9。

由表9可知，π关系式的第3种检验误差较小，最大的仅为4.40%，最小的小于1%。由此可见，利用该方法得到的关于粕残油率的经验公式可以对粕残油率进行预测，预测精度高，说明经验公式能够反映在现有试验条件下（如设备结构、环境条件、物料的条件）花生残油率与挤压膨化试验参数之间的关系。

3 结论与讨论

该试验通过相似理论的G.MurphyJiang定理试验得到残油率与6个试验参数之间经验公式为：

通过验证试验证明，经验公式对残油率的预测误差较小，而且通过试验证明粕残油率可以降到1%以下。由此得出，通过量纲分析建立的残油率与试验参数之间的经验公式是合理的，可以较好地预测试验结果。

参考文献

[1]陈艳君.我国花生及花生油市场分析[J].粮食与油脂，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.以球体的沉降试验检验π关系式预测的可行性[J].农业工程学报，1996，12（3）：1-6.

[6]蒋亦元.相似准则方程的确定建立及其与回归正交旋转设计的比较[J].农业工程学报，1996，12（3）：7-11.

[7]蒋亦元.以π实验设计的实验验证适用于不同阻力区段的球体沉降公式[J].农业工程学报，1996，12（3）：12-15.