核桃冷榨适宜温度的试验研究

李芃荃， 谭雪松， 张 清， 万雪琴， 刘德余， 岳 敏

(1.四川农业大学机电学院；2.食品学院， 四川 雅安 625000；3.林学院， 四川 温江 611130；4.信息工程学院， 四川 雅安625000)

核桃油作为传统的商品，有“油料作物之王”的美称[1]。核桃油中的亚麻酸含量高于常见的几种植物油，是一种珍贵的营养油[2]。榨油所剩的油粕中含有大量的蛋白质和其他营养物质，既可以用来生产副食品，也是良好的精饲料和肥料[3]。在工业方面，核桃油可用于制造上等油漆及绘画颜料[4]，还可以通过加碘制成碘化油，用于X光诊断时作造影剂[5]。因此核桃油产品有着广阔的市场前景，但是核桃油由于出油率低所以市场上的核桃油的价格比较昂贵，如果能够提高核桃油的出油率，就能降低核桃油的市场价格，获得更大的消费市场。

随着经济的发展，为确保食用植物油的质量安全，螺旋榨油机压榨油的市场广大，但其在压榨过程中温度升高比较大，破坏了油脂中的热敏性物质及饼蛋白，营养价值降低[6]。其次温度主要是通过影响油脂黏度来影响出油率的，温度高的油脂黏度低，易出油。榨油机工作时, 主要通过榨膛内部油料粒子之间、油料与螺杆及油料与榨膛之间的摩擦生热来维持所需的温度，但这种平衡模式是比较难保持的[7-9]。目前世界范围对螺旋榨油机榨油的研究较少，理论经验不足，缺乏有效的试验验证[10]。在中国生产螺旋榨油机的核心部分是榨膛[11]，而加热装置大多放置在榨膛上，通过导热的方式为榨料提供压榨时的温度条件，因此对榨油时榨膛温度的研究是很有必要的。

就目前而言，中国对核桃榨油适宜温度的研究较少，并且国内还未有用Ansys Workbench来研究榨油机榨核桃油时适宜温度范围的先例。本研究旨在运用出油率、残油率、油脂酸价三种试验的综合数据得到CH1500T型单螺旋榨油机压榨核桃的适宜预热时间，再把该预热时间下测得的榨膛外壁测点的温度带入Ansys Workbench中进行传热学仿真运算，从而得到核桃榨冷榨膛内外壁适宜温度范围。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验主要仪器

型号为CH1500T的家用单螺旋榨油机(该榨油机功率P=1 500 W，榨螺转数n=30～50 r/min，处理量为1.5 kg/h)；红外测温仪(HT-866)；SW-CJ-1F洁净工作台；HH-S4数显恒温水浴锅；AUW-220-D型舜宇恒平仪；GDX-9073B-1型电热鼓风干燥箱；100 mL具塞刻度量筒；3 mL微量滴定管。

1.1.2 试验主要试剂

3 mol/L盐酸；95%乙醇、乙醚(不含过氧化物)、石油醚(沸程30～60 ℃)；蒸馏水；KOH、百里香酚酞。

1.2 试验方法

1.2.1 核桃油出油率的测定

在本试验前，由于分别对预热时间为10 min做了5次试验，发现它的出油率低于50%(这台榨油机最大出油率高于50%)，并且当预热时间为16 min时，出饼端由于温度过高饼粕糊掉卡住出饼口，已经无法正常出油，所以本试验的预热时间选定为11 min、12 min、13 min、14 min和15 min。将掰成小块的核桃均分为25组，每组80 g。每个预热时间做5组重复试验。检查榨油机是否接通电源，空转调试，确保榨油机能够正常工作。称量干燥的空烧杯质量，记作m。将榨膛预热11 min后，停止预热开始压榨试验，控制压榨时间为4 min，确保每次压榨时间相同。压榨结束后关闭榨油机按钮，静置1 min钟后称量载油的烧杯此刻的质量，记作M。在关闭榨油机按钮以后，用红外测温仪测量此刻榨膛外壁拟定36个测点的温度(图1)，并记录下来。做完一次试验后需要待榨膛冷却后清洗净干燥后，测量36个测点温度的平均值恢复到室温才能继续做下次试验。按照同样的步骤做预热时间为11 min的其余4组试验，以及预热时间为12 min、13 min、14 min、15 min的其余20组试验。最后用记录的数据计算出油率。

出油率=(M-m/80)·100%

图1 榨膛外表测温点示意图

1.2.2 饼粕残油率的测定

本试验是参照GB 50096—2006标准中测定食品中脂肪的酸水解法进行分析饼粕残油率，首先配制3 mol/L盐酸：量取36%浓度的浓盐酸25 mL用蒸馏水稀释至100 mL后加入100 mL容量瓶里。用AUW-220-D型舜宇恒平仪称量25个称量瓶的质量，再将25组饼粕各称取3 g左右放于称量瓶中，做好标记后，将这25个称量瓶放于GDX-9073B-1型电热鼓风干燥箱，设置干燥箱温度为105 ℃，直至将烧杯取出冷却后称量质量不再发生改变为止，测得饼粕的含水率。称取空锥形瓶的质量m1、m2、m3、m4、m5，将预热时间为11 min的5组核桃饼粕样品分别称取样品2 g左右于50 mL大试管中，用10 mL量筒量取8 mL蒸馏水倒入50 mL大试管中混匀，再加10 mL 3 mol/L盐酸。将5支试管放入75 ℃水浴中，水浴时间为40 min,每隔5 min用玻璃棒搅拌一次，让样品消化完全。取出试管，加入10 mL 95%乙醇，混合。冷却后将混合物移入具塞量筒中，以25 mL乙醚分次洗试管，一并倒入量筒中。加塞振摇量筒1 min,小心开塞放气，再塞好，静置12 min。小心开塞，用石油醚-乙醚等量混合液冲洗塞及量筒附近脂肪。静置15 min，待上部液体清晰，吸出上清液于已恒重的锥形瓶内，再加入5 mL乙醚于具塞量筒内，振摇。放气后静置10 min，将上层乙醚吸出，放入原锥形瓶内。将锥形瓶置于水浴上蒸干。将蒸干后的锥形瓶放入100～105 ℃干燥箱中干燥2 h，取出后放入干燥器内冷却30 min后称重，重复操作至恒重，得到锥形瓶和脂肪的总质量M1、M2、M3、M4、M5。用记录的数据计算残油率。

X=[(M-m)/W]·100%

其中，W为样品的质量。完成以上试验以后要将所有的玻璃仪器洗净干燥，再重复以上试验过程。

1.2.3 油脂酸价试验的测定

本试验是参照标准GB/T 5530—2005标准，首先配置0.1 mol/L KOH标准溶液、10 g/L百里香酚酞指示剂、中性乙醚-乙醇(2∶1)(临用前用0.1 mol/L KOH滴定至中性)。将25组的核桃油每一组做三个平行试验一个空白试验，并分别称取均匀核桃油试样5 g于锥形瓶中，加入乙醚-乙醇混合溶剂50 mL，摇动使试样溶解。加入3滴百里香酚酞指示剂，用KOH标准溶液滴定至蓝绿色，在30 s内不褪色，记录消耗KOH的体积。记录的数据求得所对应的酸价：

其中，X为油脂酸价；V为滴定消耗氢氧化钾标准液的体积，mL；c为KOH标准液浓度，mol/L；m为试样质量，g；56.1为KOH的毫克当量。最后分别求不同的预热时间下油酸价的平均值。

2 结果与讨论

2.1 核桃油出油率试验结果

如表1所示为11 min到15 min各5组试验的平均出油率。在这5个时间中当预热时间为14 min时，出油率达到最高为56.45%。

表1 平均出油率

2.2 饼粕残油率试验结果

如表2所示为11 min到15 min各5组试验平均残油率。当预热时间为14 min时，残油率是5个时间中最低的为15.99%，当预热时间为14～15 min，残油率又升高。

表2 平均残油率

如表3所示为11 min到15 min的平均含水率。当预热时间为14 min时，含水率达到最低为4.99%，当预热时间为14～15 min之间，含水率又升高。

表3 平均含水率

2.3 油脂酸价试验结果

油脂酸价越低代表油的质量越好，如表4所示，11～15 min的油脂酸价中，预热14 min的油脂酸价最低。

表4 油脂酸价

2.4 榨膛热仿真

由核桃出油率试验结果、饼粕残油率试验结果和油脂酸价试验结果可以得出预热时间为14 min是以上时间中最为适宜的预热时间。所测得榨膛外壁36个拟定测点的平均温度如表5所示。

表5 预热14 min测点温度

2.4.1 建立有限元模型设置材料特性

在Solidworks中把模型另存为(.igs/stp)格式，打开Ansys Workbench，将其导入Steady-State Thermal图形窗口中，经过Solid Model Facets等操作将模型实体化,并添加材料属性，本文中榨膛的材料为304不锈钢。

2.4.2 定义接触区域并网格划分

以5 mm为单位间隔，从榨膛左侧到榨膛右侧依次选取36个测量点如图2所示。

图2 榨膛简易模型选点示意图

采用Solid87(六节点四面体单元)划分方式进行划分，因为Solid87在热仿真中对于不太规整的结构比较适合，并且精度较高，对结果的准确性提供了保障依据，将Mesh中的Patch Conforming Method设置为Tetrahedrons，并把‘Details of mesh’中的‘Relevance’调制成100。最终如图3所示将榨膛划分成117 704个单元72 502个节点。

图3 榨膛简易模型划分单元格示意图

2.4.3 施加载荷和边界条件进行求解

假设环境温度恒定，在Steady-State Thermal的Initial Temperature中设置初始环境温度为25 ℃，在Convection的Film Coefficient中选中Import Temperature Dependent后选择Stagnant Air—Simplified Case。然后将榨膛外表面从右到左指定36个点的温度导入Ansys Workbench中，并进行求解得到榨膛温度分布云图如图4所示。

因为此时无法再在榨膛内表面标定点，所以用等比例的方式在榨膛内部从右往左选取第1、2、3、5、7、9、10、11、13、15、17、19、20、21、23、25、27、29、30、31、33、35、36的点的对应温度，共23个如图5所示。

2.4.4 反解榨膛外壁仿真温度

将榨膛当成一个整体，在内壁添加同样的边界条件、网格划分方式，选取测点1对应的榨膛内壁仿真温度加载在榨膛内表面(选中Steady-State Thermal的Temperature，将Magnitude设置为37.830 ℃)，通过Ansys Workbench热仿真得到榨膛外壁仿真温度，重复22次以上步骤得到榨膛内、外壁23个仿真温度如表6所示。

图4 榨膛简易模型导入温度示意图

图5 榨膛简易模型内壁温度示意图

表6 榨膛内外仿真壁温度(单位：℃)

2.5 核桃冷榨适宜温度范围

通过试验和仿真得到榨膛外壁23个对应点的温度如表7所示。

表7 榨膛外壁实测温度与仿真壁温度(单位：℃)

由表7可以得到榨膛外壁榨膛的实际测量温度与仿真温度的误差曲线如图6所示。在点(65 mm，43.3 ℃)取得最大相对误差为8.155%，平均误差为3.93%，对于该农业机械来说最大相对误差和平均误差均小于10%，因此误差是在可接受范围以内的，可以用仿真的温度来替代实际测量的温度用于温度曲线拟合。

通过Matlab可以将23个榨膛外壁的仿真温度拟合成如图7的函数，其函数表达式为f(x)= 0.11125x+35.8608，且取得的最大误差为8.3574%，对于农业机械来说，满足拟合精度。将主压榨段开始的x的坐标65 mm和125 mm代入函数表达式f(x)= 0.11125x+35.8608中，可得到核桃压榨时榨膛外表面主压榨段最佳温度范围为43.09～49.76 ℃。

同理如图8所示，同时也可以拟合榨膛内壁的仿真温度得到榨膛内壁温度分布曲线为f(x)=0.1132x+36.0761，且取得的最大误差为8.4439%。将主压榨段开始的x的坐标65 mm和125 mm带入函数表达式f(x)=0.1132x+36.0761中，可得到核桃压榨时榨膛内表面主压榨段最佳温度范围为43.43～50.23 ℃。

3 结论

利用CH1500T型单螺旋榨油机对核桃进行了压榨实验，得到了不同预热时间下的出油率、饼粕残油率和核桃油的酸价，从而确定了最佳预热时间为14 min。再利用Ansys Workbench软件对型号为CH1500T单螺旋榨油机的榨膛进行网格划分以及稳态传热仿真，得到榨膛内外壁相应测点的温度。运用Matlab拟合榨膛内、外的温度分布曲线，从而确定了核桃冷榨的榨膛外壁、榨膛内壁的温度分布曲线和适宜温度范围，榨膛外壁温度分布曲线

图6 榨膛外壁实测温度与仿真温度误差示意图

图7 榨膛外壁仿真温度拟合函数示意图

图8 榨膛内壁仿真温度拟合函数示意图

和榨膛内壁温度分布曲线分别是f(x)= 0.11125x+35.8608和f(x)=0.1132x+36.0761，适宜温度范围分别是43.09～49.76 ℃和43.43～50.23 ℃。这个结论可以用于今后对此类家用榨油机加热装置参数的改良，从而既能提高油产量还能保证油的品质。