马铃薯渣可压缩性研究

高晶晶

郭文斌2

郁志宏2

(1.内蒙古商贸职业学院，内蒙古 呼和浩特 010070；2.内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

作为中国北方地区主要农作物收获及加工后剩余的残留物，马铃薯渣每年秋冬季产量巨大，富含淀粉、纤维素、果胶、蛋白质等有用成分，具有松散、含水率高、易腐败造成污染等特点[1-2]，使得马铃薯渣加工处理能耗高、处理技术手段落后、再利用率较低。目前薯渣经机械脱水后含水率约为60%，作为可以二次利用的生物质原料，国内外对其进行开发利用主要集中在制备饲料及燃料，用于制作培养基、粘结剂、包装材料，提取制备果胶、膳食纤维等方面[3-7]，但由于处理成本高、储运困难、转化收益小，大部分开发利用方法仍停留在研发阶段，未发展成为大规模工业化生产。为降低薯渣的处理成本、解决其储运难的问题，本研究针对马铃薯渣松散的特点，以冷态下单轴压缩的方法对不同条件下薯渣的可压缩性进行试验研究与分析，为其前处理及再利用过程中的压缩成型提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马铃薯废渣：内蒙古呼和浩特市淀粉加工企业提供，经前处理脱水后，含水率为(60±2)%，为防止物料腐败变质并减少其水分的散失，试验前将薯渣分装后在2～4 ℃环境下冷藏保存，并于1周内完成相关试验。

1.2 试验装置

可压缩性试验主要采用WAW-200C微机控制电液伺服万能试验机配以自制的闭式压缩装置[8](见图1)完成，压缩装置由活塞与压缩筒组成，其中压缩筒内径95 mm，深190 mm，底部开有导流孔以便压缩过程中排出气体与水分；薯渣含水率的测定通过电子天平与电热恒温鼓风烘箱完成。

图1 薯渣闭式压缩试验装置Figure 1 Compression equipment with closed mold for potato pulp

1.3 试验方法

试验采用单轴压缩的方式完成，将薯渣按100，300，500 g 3种不同喂入量喂入压缩筒，均匀堆积后，以10，20，30 mm/min 速率压缩，得到应力-应变曲线，相同条件下试验重复3次。试验过程由提前计算设定好的分段程序控制，薯渣受压时通过计算机自动采集计算力、位移与时间数据，对所得数据回归分析建立模型后，获取相关力学特性参数，并以此分析压缩过程中薯渣可压缩性变化规律及压缩速率、喂入量对可压缩性、压缩能耗的影响。

1.4 数据处理

为获取压缩薯渣时应力随应变变化的规律，根据压缩试验所得马铃薯渣应力-应变曲线，参考相关农业物料压缩曲线回归模型[9-12]，并应用统计分析软件SPSS进行曲线估计(Curve Estimation)后，确定薯渣应力-应变曲线回归模型见式(1)，回归决定系数R2>0.99，薯渣应力-应变关系曲线(压缩速率10 mm/min)及回归拟合曲线见图2。

σ=aeb(ε-c)+dε+f，

(1)

式中：

σ——压应力，MPa；

ε——应变；

a、b、c、d、f——待定系数。

由图2可以看出，压缩初期随着应变的增加，物料所受应力增长缓慢且应力值较小，应力与应变关系接近于线性；随着薯渣密度进一步增大，当应变达到一定程度时(图2中应变达到约0.6时)，应力随应变增加而增长的速率逐渐加快，曲线在较短时间内出现转折，应力与应变的非线性关系显现，随后应力随应变增加而增长的速率继续加快。为获取应力随应变变化的转折点，本研究以割线模量Eg与切线模量Eq[13]的比值r为判定参数，其值随应变增加而变化的规律见图3。压缩过程中，由于薯渣所产生的应力与应变间存在非线性关系，试验所得曲线各点处割线模量均小于切线模量，模量比r<1。压缩初期主要为物料填充间隙的松散阶段[14]，应力值、应变值较小，受机器振动及环境因素等造成的误差影响较大，模量比r值在一定范围内波动；如图3所示，随着应变的增加，Eg与Eq的值逐渐接近，二者比值r呈稳定上升趋势，应变达到0.613时r达到最大值(rmax=0.72)，此时应力-应变曲线最接近线性，取模量比r最大时应力-应变曲线上的对应点为转折点1，此时的应力与应变为σ1、ε1；随后曲线进入过渡阶段，切线模量Eq迅速增加，其增速高于割线模量Eg的增速，模量比r下降，直至过渡阶段结束开始进入应力急速上升的压紧阶段[14]，当应变达到0.697，模量比达到最小值rmin=0.014时，取对应点为进入压紧阶段的转折点2，其应力与应变为σ2、ε2；随后切线模量Eq趋于稳定，而割线模量Eg的继续增加，模量比r逐渐上升，直至压缩试验结束。

图2 薯渣压缩应力-应变曲线及拟合曲线Figure 2 Stress-strain curve and fitted curve of compression test using potato pulp

图3 薯渣压缩过程中模量比的变化规律Figure 3 The variation of modulus ratio in compression test of potato pulp

2 结果与分析

松散农业物料的可压缩性为外力作用下，密度增大或体积减小的特性或能力，常以体积模量来表征[9-12]，体积模量越大物料越不易被压缩，可压缩性越差。根据薯渣压缩试验所得应力随应变变化的规律，可得到体积模量表达式：

(2)

式中：

K——体积模量，MPa；

σ——压应力，MPa；

V——物料体积，mm3。

为获取压缩单位质量薯渣时所需能耗[15-17]，根据所得薯渣应力-应变曲线可得比能耗的计算表达式：

(3)

式中：

U——压缩薯渣过程中的比能耗，J/kg；

σ——压应力，MPa；

ε——应变；

l0——压缩时物料的初始高度，mm；

S0——压缩活塞的面积，mm2；

m——薯渣质量，kg。

2.1 压缩密度对薯渣可压缩性的影响

薯渣压缩过程中，随着压力增加，物料应变、压缩密度的增长呈先快后慢的规律变化，为分析该变化规律对薯渣可压缩性的影响，本研究通过确定物料压缩过程中体积模量的变化规律，分析不同压缩密度(不同应变)下物料的可压缩性。由图4可以发现，随着物料压缩密度ρ的增加，体积模量K先缓慢增加，进入过渡阶段后增速加快，随后急速上升，其变化与图2中应力变化趋势相似。因此，薯渣的可压缩性随着其压缩密度的增加也按照一定规律变化，在物料压缩至过渡阶段转折点应变ε1之前，体积模量较小且增加缓慢，物料较容易被压缩，可压缩性较好；压缩至过渡阶段(应变介于ε1与ε2之间)，体积模量增速加快，物料可压缩性逐渐变差；薯渣压至转折点应变ε2之后，进入压紧阶段，物料在较短时间内变得越来越不容易压缩，直至试验结束达到最大应变εmax，此时体积模量快速增加至最大值。为获取压缩过程中上述转折点处物料体积模量、比能耗等关键参数，给薯渣的压缩成型及加工提供参考，求得以不同速率压缩至密度ρmax=1 131.836 kg/m3(应变εmax=0.710)过程中，薯渣应力-应变曲线转折点应变、压缩密度、体积模量及比能耗U1、U2、Umax见表1。

图4 体积模量与压缩密度的关系曲线Figure 4 Relationship between bulk modulus and compression density

2.2 压缩速率对薯渣可压缩性的影响

图5为不同压缩速率(10，20，30 mm/min)下，喂入量为100 g时，薯渣压缩过程中应力随应变变化的曲线。由图5可知，在压缩初期的物料松散阶段，不同压缩速率下应力-应变变化规律较为接近；而当薯渣压缩至过渡阶段，不同速率下物料应力-应变变化规律开始出现差异；在进入压紧阶段后，压缩速率越高应力随应变增加越快，达到应变εmax时产生的压力越大，压缩至εmax的比能耗Umax也越大(表1)。根据表1数据显示，不同压缩速率下，将薯渣压至过渡阶段所需的应变、压缩密度、比能耗比较接近；压缩速率越小，进入过渡阶段的应变ε1与压缩密度ρ1越小，而进入压紧阶段的应变ε2与压缩密度ρ2越大，同时压至过渡阶段和压紧阶段的比能耗U1、U2也越大。此外，薯渣以10，20，30 mm/min速率压至过渡阶段时，速率越高体积模量K1越小，但随后速率越高体积模量增加越快，在进入压紧阶段时压缩速率越高，体积模量K2越大，薯渣可压缩性越差。

图5 不同压缩速率下应力-应变关系曲线Figure 5 Stress-strain curves at different compression rates

2.3 喂入量对薯渣可压缩性的影响

表2为不同喂入量(100，300，500 g)下，薯渣以10 mm/min 的速率压缩至密度ρmax=1 168.273 kg/m3过程中所获取的应力-应变曲线转折点应变、压缩密度、体积模量及压至不同阶段的比能耗(U1、U2、Umax)。由表2可知，不同喂入量下，将薯渣压至过渡阶段和压紧阶段所需的应变(ε1、ε2)、压缩密度(ρ1、ρ2)均比较接近；而喂入量越大，薯渣压至过渡阶段和压紧阶段时的体积模量(K1、K2)越小，物料的可压缩性越好，因此同等条件下增加薯渣的喂入量可以在一定程度上改善物料整体的可压缩性。此外，不同喂入量下，薯渣压至不同阶段时的比能耗也不同，其中喂入量为100 g 时薯渣压至过渡阶段和压紧阶段转折点处的比能耗U1、U2以及压至密度ρmax处的比能耗Umax均最大，而喂入量为300 g和500 g时，比能耗U1、U2、Umax依次减小，即喂入量越大薯渣压缩至不同阶段所需的比能耗越小。

表2 不同喂入量下应力-应变曲线转折点应变ε、压缩密度ρ、体积模量K及比能耗Table 2 The strain, compression density, bulk modulus and specific energy consumption of turning points in stress-strain curves at different feed quantities

3 结论

(1) 马铃薯渣受压过程中应力随应变增加而变化的规律呈现非线性，以模量比r为判定参数，可以将其压缩过程划分为松散、过渡、压紧3个阶段，通过各阶段转折点参数的分析可以确定，薯渣压至过渡阶段压缩密度范围(766～1 149 kg/m3)时，可以兼顾生产效率与能耗，既保证了加工过程中薯渣有较好的可压缩性，又能防止由于压缩密度太大导致压力与能耗急增，其结果为薯渣前处理工艺的优化提供了参考。

(2) 不同速率下，薯渣压至压紧阶段的应力-应变曲线差异明显，速率越高应力随应变增加越快，体积模量越大，薯渣可压缩性越差，压缩过程比能耗也越大，因此实际生产时可以针对薯渣的不同压缩阶段，考虑采用不同的速率加载，提高加工效率的同时降低能耗。此外，研究结果表明，喂入量的增加一定程度上会影响物料体积模量，改善物料整体的可压缩性，降低比能耗。

马铃薯渣的可压缩性研究为其高效、低成本的生产加工提供了必要的理论与技术参考，但就如何选择合适的加工、保压方式而言，后续还应对薯渣的流变学特性作进一步分析与探讨。

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