蓖麻籽粒挤压过程中的力学-出油特性研究

杨 柳 陈 欢 范雨超 罗 凯 宋少云 张永林 胡志刚

(武汉轻工大学机械工程学院，武汉 430023)

蓖麻(Rincinus communist L.)别名：草麻、红麻、大麻子或者牛蓖，大戟科植物的一种，是世界十大油料作物之一[1]。蓖麻籽是一种高含油的特种油料,其压榨制油效果主要依据其出油率或饼残油率来评判[2]。近年来，随着工业生产的不断发展，科技的不断进步，蓖麻油作为唯一可替代石油的可再生 “绿色石油” 资源，其深加工的产品也越来越多，逐渐成为人们关注的热点，市场潜力巨大[3]。

由于蓖麻油的特性，蓖麻油的提取多采用压榨或者浸取的方式制备[4-6]。目前，国内外已经有许多的科研人员对蓖麻籽的特性及蓖麻油的提取做了大量的研究。陆顺忠等[7]采用了液压浸提法及螺旋浸提法对蓖麻籽进行提油研究,并对蓖麻油进行精炼试验，得出了压榨得率与蓖麻籽含水率的关系，压榨得率与压榨压力、压榨温度的关系等；黄志辉等[8]分别对完整和破碎后的蓖麻籽进行了不同压榨方式和压榨速率的冷榨实验，研究出了蓖麻籽在不同状态不同压榨方式下的压缩比-轴向应力关系，得出了蓖麻籽碾碎后压榨在相同的条件下所达到的等价压缩比和完整籽基本一致，且多次压榨比单次压榨能达到更大的压缩比的结论；刘汝宽等[9，10]利用微型直筒式压榨试验装置和自制直筒式液压加载试验装置系统，分析出了蓖麻籽冷态压榨制油合理的保压时间为20 min，得到了出油应力及出油应变与加载速度的关系，知道了出油应力随着加载速度的增加而增加，而出油应变几乎无变化的结论；李昌珠等[11]进行蓖麻籽的螺旋压榨实验，研究了入料温度对其出油率及黏度的影响，明确了入料温度对蓖麻油的动力黏度及油脂品质的影响十分显著。

研究蓖麻籽的力学结构特性可以检测出蓖麻籽的内部结构的物理变化及挤压峰值力的变化规律。本实验主要以形态接近的蓖麻籽为研究对象，结合原位观测和质构仪测试来研究蓖麻籽粒在不同影响因素下的出油状况。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本研究所采用的蓖麻籽样品生产于安徽，厚度在5.7～6.5 mm之间，长度在11～13.5 mm之间，均是2020年初生产，在阴凉干燥处储存。

1.2 制样及试验方法

1.2.1 样品制备

将筛选出来的尺寸相近蓖麻籽人工去壳，选择饱满圆润的蓖麻籽作为实验对象。

为了研究挤压距离和最大压距下的保压时间对蓖麻籽的力学及失重(出油量)影响，现选取常温下(25 ℃)75粒合格的蓖麻籽样品分为5组，每组15粒，在每段保压时间内做1～5 mm压距的实验，每个压距下做三组实验；为了研究压速对蓖麻籽的力学及出油情况，现选取同规格的蓖麻籽35粒分为7组，每组做5次重复试验，实验时保持其余变量不变，在中间变量的基础下实验，即常温(25 ℃)、保压时间360 s、压距3 mm；为研究温度对蓖麻籽的力学及出油影响，现选取30粒蓖麻籽在压速0.5 m/s、保压时长240 s、压距5 mm、加热时长0.5 h下做6个温度变量的实验，每个变量做5组重复试验。

1.2.2 实验方法

试验开始前选取直径12.65 mm的圆柱体探头，为了方便充分的挤压蓖麻籽粒，现在圆柱体探头下用双面胶粘结一个直径31.70 mm、厚度1.60 mm的玻璃小圆盘。操作平台为正方形，在实验开始之前需要调整承重平台的位置，保证压缩探头的中心位置对准承重平台的中心位置。实验时采用上海保圣质构仪TA.XTC-18对蓖麻籽粒的力学特性进行测试，感应力为5 g，测试前速度为1.0 mm/s，测试后速度为1.0 mm/s，实验方式为保压测试,选定其中一种参数为变量，其余参数选定为同一条件，各参数变量见表1。

表1 参数变量

实验前先校准传感器和探头高度，并且对蓖麻籽称重，设置实验方法后将蓖麻籽样品放置承重平台上，调节超眼焦距确保能清楚地看到蓖麻籽的破碎及出油过程，然后开始进行挤压试验，在系统的采集与控制中心得出实验数据。同时也需要对试验后的蓖麻籽进行称重，通过对比蓖麻籽实验前后的失重量来观测其出油情况。压缩试验后，通过超眼观测仪采集试样的相关图，其实验装置原理图及观测角度见图1。

图1 实验装置原理简图

1.3 仪器与设备

TA.XTC-18型质构仪，Super-eyes电子数码显微镜，电热控温加热炉，称重称(Professional Digital Mini Scale，TN-series, 0.001 g)。

2 结果与分析

2.1 蓖麻籽受挤压力-时间特征曲线及原位观测图

由图2知，在起始点a处探头和蓖麻籽开始接触，随着下压距离不断增加，蓖麻籽受到的挤压力也会随之增大，在b处达到峰值力，此时的蓖麻籽的破碎程度最大，表面有大量的裂纹。蓖麻籽在被挤压的过程中，受到轴向压力的作用不断被压缩，其细胞被破坏，最终油液从细胞中迁移析出并不断聚集，当油量达到某一临界值时逐渐变成股连续流出[12]，此时裂纹中也充填着挤压出的蓖麻油液。在保压时间内，由于蓖麻籽粒没有“筒壁”结构的束缚，蓖麻籽会自发的向四周扩散同时蓖麻油也会从裂纹中溢出而导致挤压力的不断减小，最终保持稳定至c点保压时间结束，然后探头回程，挤压力顺变成拉力，并且拉力不断增大超过蓖麻油的极限粘性力，最终探头与蓖麻饼无接触，挤压力为0。

图2 挤压力-时间特征曲线及原位观测图

由图2中的e区域所示，在挤压力由0到峰值力的过程中，也会出现一些小尖峰，从探头开始对蓖麻籽施加压力时，蓖麻籽就开始变形，形成弹性变形体特征，随着压力的增大，弹性体破裂，蓖麻籽出现裂缝，油液开始慢慢渗出，并且压力的不断增加还会使其产生第二次破裂，即出现第二个小尖峰。当压力到达峰值时，油液挤出剧烈，蓖麻籽形成固液耦合体，峰值力在保压时间下逐渐下降趋于平稳。保压时间结束，探头上移，压力出现图2中f区域的突变，此时压力消失变成突破油液黏性力的拉力。

2.2 压距对蓖麻籽粒力学性能的影响

当温度一定，挤压速度保持不变时，由图3，挤压峰值力-压距特征点图可以直观看出蓖麻籽从压距为1 mm时14.071 4 N到压距5 mm时的峰值力变化趋势。蓖麻籽所受到的最大峰值力随着压距的增大而增大，即随着挤压力的增大而增大。另外，压距小于4 mm时的峰值变化比较平缓，而超过4 mm时是陡然上升。这是由于蓖麻籽是高含油植料，当挤压距离过小时，仪器所施加的挤压力也小，只有少数的细胞被破坏，产生的油液量也相应减少，随着挤压力的增加，更多的细胞被挤破，出油量增多，但当压榨压力达到一定值后,蓖麻籽逐渐被压缩固结硬化[13],出油量增长幅度很小。

由图4中保压时间对保压一段时间后的压力(末压力)的影响可以看出。保压120 s时的末压力最大，末压力也随时间逐渐减小，并且可以看出后半程减小的幅度也变小。这是由于经过最大峰值力挤压后的蓖麻籽油液大部分以较快的流速已经流出，剩余一部分油液在压力的作用下缓慢析出，蓖麻籽内部抗力减少，所以压力减小，并且随着时间析出的油液也越来越少，压力减小的趋势也逐渐平缓。

图3 挤压峰值力-压距特征点图

图4 保压时间末压力-特征点图

蓖麻籽在压距逐渐增大的挤压下的形状如图5所示，从左到右的压距依次为1、2、3、4、5 mm。图5中的压距1 mm的蓖麻籽粒的形状基本不变，只是稍微被挤瘪了一些，没有产生裂纹，此时无油液产生，而压距5 mm的蓖麻籽粒已经被挤压成蓖麻饼，出现了固结。从图中可以看出初始压距1 mm时蓖麻籽随着压距的逐渐增大，蓖麻籽也开始出现了裂纹，油液开始析出，到5 mm压距时已经被挤压成了蓖麻饼，其表面产生大量的裂纹。

图5 蓖麻饼形态图

2.3 压距对蓖麻籽颗粒的出油影响

为了研究压距对蓖麻籽颗粒的出油影响，将探头的下压距离分为5个水平：1、2、3、4、5 mm，在压速一定的基础下得出图6。从此压距-失重特性图看出压距为1 mm时的蓖麻籽出油量最小，几乎没有出油，随着压距等级的增长，出油也越来越大，当压距达到5 mm时，出油量达到最大值0.056 g。从图中可以明显的看到压距1～3 mm的出油较为平缓，压距3～5 mm的出油急速上升。产生这种结果的原因：压距较小时探头施加的压力也小，蓖麻籽受到的挤压力不足以将油脂从细胞壁内挤出或只能将少数的细胞壁挤裂，使游离在细胞内蛋白体空隙中的脂类体被挤出，所以出油不明显；而压距在3～4 mm时所产生的压力已经能使较多的油脂析出，此时的出油较明显；当达到5 mm的压距时，此时所受到的挤压力已满足或超过挤出绝大部分油脂的极限压力，此时的出油和压榨效果尤为可观。

图6 压距、压速、保压时间-失重特性点图

2.4 压速对蓖麻籽颗粒的出油影响

为了研究压速对蓖麻籽颗粒的出油影响，将探头压速分为7个水平：0.1、0.5、1、1.5、2、2.5、3 mm/s。由图6中的压速-失重特性可看出，当挤压距离相同时，压速从0.1 mm/s时的0.031 1 g的出油量骤然开始下降，随着压速等级的增大，蓖麻籽的出油量随着加载速度的增加而逐渐减少。

出现这种现象是由于压速较小时，蓖麻籽产生裂纹的缝隙变化缓慢，油液能够可以较好流出，压速越小压力提升的越缓慢，导致压力达到相同值时蓖麻籽的破坏程度越大，因此压速越小出油量越多。并且压速太大时，出油路线很快被油液封闭，油液还来不及流出，压力提升快，导致挤压力相同时速度越大，蓖麻籽破坏程度越小，从而出油量降低。在保压360 s、压距4 mm下对压速x和失重量y进行分析，采用幂函数对质量差y的试验结果进行拟合，拟合得到的表达式见式(1)。

y=-0.988 58x0.008 4+1

(1)

由式(1)计算得到的蓖麻籽的质量差最大的误差为0.97%。

2.5 保压时间对蓖麻籽颗粒的出油影响

保压时间是影响油脂收集量的主要因素之一，反映的是收集油脂的量[14]，不会影响出油效果，因此，研究保压时间对蓖麻籽颗粒出油影响时可以选取出油液良好的环境，即控制压距为5 mm、压速为0.5 mm/s。

由图6中的保压时间-失重特性点图可知，随着保压时间的增加蓖麻籽的出油也愈加明显，但最终的增加速率趋于平缓。

产生这种现象是因为挤压过程中油液逐渐从蓖麻籽中流出，使得在裂纹缝隙中油液的流体压力减小，探头所施加的恒定挤压力逐渐被油料固相颗粒承担，由达西定律[15]可知此时流速减小，因此随着保压时间的增加，出油效果逐渐稳定，蓖麻籽的出油量逐渐趋于平缓，此后再增加保压时间对出油量的影响并不大。在保压240 s、压距5 mm下对保压时间T和出油量G进行分析，采用幂函数对出油量G的试验结果进行拟合，拟合得到的表达式见式(2)。

G=0.007 8x0.268 6+0.012 7

(2)

由式(2)计算得到的蓖麻籽的质量差的最大误差为0.99%。

2.6 温度对蓖麻籽颗粒的力学性能及出油影响

为了研究温度对蓖麻籽的影响，并明显的看到出油效果，可以在良好的出油环境下实验，如保压时间240 s、压速0.5 mm/s、压距5 mm。图7，温度-最大峰值力散点图可看出温度对峰值力的影响很小。由图7中的温度-失重特性点图知， 蓖麻籽的出油随着加热温度的升高而逐渐增加，在温度超过100 ℃以后出油量的变化比较小，当物料温度高于120 ℃，出油率反而略微有下降趋势。因此从出油指标来看125 ℃是最佳温度。这因为当温度过高时蓖麻籽内部细胞绝大部分都已经膨胀破裂，此时再升高温度对油液的流出量影响不大。

图7 最大峰值力、失重-温度特性点图

3 结论

利用原位观测组合质构仪，对单颗粒蓖麻籽在不同的影响因素下进行挤压试验，单颗粒蓖麻籽所受的挤压峰值力随着压距的增大而增大，当挤压力第一次达到突破蓖麻籽弹性体的极限力时，蓖麻籽产生第一次破裂，出现第一个裂纹。随着压距增大，裂纹不断扩展，出油量增大；蓖麻籽的出油量随着压速的增大而减少，随着保压时间的增长而增大，其中保压超过360 s后出油量的增加不明显；温度对蓖麻籽的影响也较大，温度越高，出油越多，但超过125 ℃以后的出油效果不明显，甚至有下降的趋势。最后分析得出单颗粒蓖麻籽出油效果最佳的环境是：压速0.5 m/s、压距5 mm、保压时间360 s、温度125 ℃。