丁進(jìn)鋒，趙鳳敏，曹有福，李樹君

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

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亞麻籽脫殼機(jī)脫殼性能試驗(yàn)研究

丁進(jìn)鋒，趙鳳敏，曹有福，李樹君

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

研究影響亞麻籽脫殼機(jī)脫殼率和損失率的有關(guān)參數(shù)，可提高亞麻籽脫殼效率。為此，研究了亞麻籽含水率、沙盤轉(zhuǎn)速、沙盤間隙對亞麻籽脫殼率和破碎率的影響，并利用Design-Expert中的響應(yīng)面中心組合法優(yōu)化脫殼條件。結(jié)果表明：亞麻籽含水率、沙盤轉(zhuǎn)速、沙盤間隙對脫殼率和損失率有顯著的影響。同時(shí)，利用響應(yīng)面建立亞麻籽脫殼數(shù)學(xué)模型，確定了亞麻籽脫殼最佳條件：亞麻籽含水率1.65%、沙盤轉(zhuǎn)速為1 670r/min、沙盤間隙為1.60mm。在此條件下，亞麻脫殼率為60.8%，試驗(yàn)值與預(yù)測值的誤差為3.93%；脫殼損失率為5.37%，與預(yù)測值的誤差為4.27%。

亞麻籽；脫殼；響應(yīng)面

0 引言

亞麻籽是我國第四大油料作物，主要分布于內(nèi)蒙古、山西、甘肅、青海及寧夏等地[1-3]。亞麻籽營養(yǎng)價(jià)值豐富，含有亞麻酸、亞麻膠、木酚素、多糖等多種生物活性物質(zhì)，油脂含量為34%～45%，屬于高油料作物。其中，亞麻酸、亞油酸等不飽和脂肪酸含量在90%以上[4-5]，具有調(diào)節(jié)血脂、抑制膽固醇升高等營養(yǎng)保健作用和藥療價(jià)值。亞麻殼中含有約8%的亞麻膠[6]，具有良好的穩(wěn)定、乳化及保水等功能，是一種天然食品添加劑。亞麻殼中的木酚素具有抗氧化、抗腫瘤等作用，其含量受到產(chǎn)地、品種、氣候和種植條件等因素的影響[7-9]。

在我國，亞麻籽普遍采用全籽利用，主要用于榨油，制油后的餅粕經(jīng)過除粘和脫毒處理，直接作為動(dòng)物飼料，未進(jìn)行深加工，利用率不高[10]。因此，根據(jù)亞麻籽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各組分在亞麻籽中的分布，將亞麻殼和亞麻仁分離，再分別對亞麻殼和亞麻仁中的活性物質(zhì)加以利用，已成為國內(nèi)外亞麻籽綜合利用的基本思路。

一般物料多采用機(jī)械方式脫殼，由于不同物理的外殼性質(zhì)不同，需要選擇適應(yīng)的脫殼方式和設(shè)備，常用的脫殼方式有撞擊式[11]、擠壓式[12]及碾搓式[13]等。

亞麻籽形狀為扁平橢圓形，其殼堅(jiān)硬厚實(shí)且光滑，與亞麻仁結(jié)合非常緊密，殼、仁所占比例相當(dāng)，很難分離。我國已研制了一些亞麻籽脫殼機(jī)械，但多處于實(shí)驗(yàn)室階段，均采用碰撞、剪切等方式脫殼[14-16]。該方式脫殼效率低，破碎率較高，原料損失大，遠(yuǎn)不能滿足亞麻籽深加工發(fā)展的需要。為此，基于自行研制的亞麻籽脫殼機(jī)，對影響亞麻籽脫殼機(jī)的主要因素進(jìn)行試驗(yàn)，并對其條件進(jìn)行優(yōu)化。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

亞麻籽購于中國內(nèi)蒙古地區(qū)，剔除雜質(zhì)和破碎的亞麻籽。

儀器：TP-1101電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司；101-IEBS電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京永光明醫(yī)療儀器廠；200×17塞尺，北京市卓越世聯(lián)國際貿(mào)易有限公司；DT-2234B光電轉(zhuǎn)速表，廣州蘭泰儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由機(jī)架、靜沙盤、動(dòng)沙盤、變頻電機(jī)、進(jìn)料斗及皮帶輪等組成，如圖1所示。工作時(shí)，料斗中的亞麻籽經(jīng)喂料調(diào)節(jié)裝置進(jìn)入脫殼腔體內(nèi)，在離心力的作用下，亞麻籽向外運(yùn)動(dòng)；沙盤回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生碾搓作用及亞麻籽自身的碾搓作用使得亞麻籽殼與仁分離，達(dá)到脫殼目的。

1.3 試驗(yàn)方法

分別選取亞麻籽含水率、脫殼機(jī)沙盤轉(zhuǎn)速及沙盤間隙3個(gè)因素，以脫殼率、損失率為試驗(yàn)指標(biāo)，探討3個(gè)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響。利用Box-Benhnken中心組合原理，設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)優(yōu)化亞麻籽脫殼工藝。

1.料斗 2.喂入量調(diào)節(jié)裝置 3.靜沙盤 4.動(dòng)沙盤 5.機(jī)架 6.變頻電機(jī) 7.皮帶輪 8.傳動(dòng)軸

取亞麻籽約100g，經(jīng)脫殼后利用不同大小尺寸篩網(wǎng)分離亞麻籽混合物中的亞麻仁、亞麻殼、未脫殼的亞麻籽及粉末。脫殼率Y1計(jì)算

(1)

式中Y1—亞麻籽脫殼率(%)；

W0—脫殼亞麻籽總質(zhì)量(g)；

W1—脫殼后亞麻籽混合物中亞麻仁的質(zhì)量(g)；

W2—脫殼后亞麻籽混合物中亞麻殼的質(zhì)量(g)。

損失率Y2為

(2)

式中Y2—亞麻籽脫殼損失率(%)；

W0—脫殼亞麻籽總質(zhì)量(g)；

W3—脫殼后亞麻籽混合物中粉末的質(zhì)量(g)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)因素對脫殼率和損失率的影響

不同含水率對脫殼率及損失率的影響如圖2所示。隨著亞麻籽含水率的不斷降低，亞麻籽脫殼率、損失率逐漸增大。當(dāng)亞麻籽含水率從2.57%降到1.50%時(shí)，脫殼率從41.3%上升到47%，顯著增大(P<0.05)，損失率從4.17%增加到4.50%(P<0.05)。當(dāng)亞麻籽含水率降低到0.67%及0.03%時(shí)，脫殼率和損失率均呈上升趨勢；但脫殼率上升無顯著性差異(P>0.05)，損失率增加至5.92%，上升明顯(P<0.05)。

圖2 亞麻籽含水率對脫殼率和損失率的影響

圖3為沙盤間隙對亞麻籽脫殼率和脫殼損失率的影響。隨著兩個(gè)沙盤間隙從2.8mm逐漸縮小到1.2mm時(shí)，亞麻籽的脫殼率逐漸增加，同時(shí)脫殼損失率也逐漸增大。當(dāng)沙盤間隙從2.0mm減小到1.5mm時(shí)，亞麻籽脫殼率從47%增加到50.60%(P<0.05)；當(dāng)沙盤間隙減小到1.2mm時(shí)，亞麻籽脫殼率增加到51.32%，與50.60%的脫殼率(沙盤間隙1.5mm時(shí))無顯著差異(P>0.05)。對于亞麻籽脫殼損失率，當(dāng)沙盤間隙從2.0mm減小到1.2mm時(shí)，其幾乎呈直線升高，從4.36%增加到7.67%。

圖3 沙盤間隙對脫殼率和損失率的影響

沙盤轉(zhuǎn)速對亞麻籽脫殼率和損失率的影響如圖4所示。本試驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)沙盤不同的轉(zhuǎn)速，不同頻率對應(yīng)轉(zhuǎn)速如表1所示。

表1 頻率與轉(zhuǎn)速對應(yīng)表

當(dāng)沙盤轉(zhuǎn)速從1 192r/min升高到1 790r/min時(shí)，亞麻籽脫殼率和損失率均逐漸升高，分別從40.75%升高到62.45%、3.10%升高到7.75%。

圖4 沙盤轉(zhuǎn)速對脫殼率和損失率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化亞麻籽脫殼工藝

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用響應(yīng)面(RSM)中BOX-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以亞麻籽含水率(A)、沙盤轉(zhuǎn)速(B)及沙盤間隙(C)為自變量，以亞麻籽脫殼率(Y1)和脫殼損失率(Y2)為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)。試驗(yàn)分析因素及水平如表2所示。

表2 響應(yīng)面法分析因素及水平

響應(yīng)面分析結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果采用Design-Expert8.0軟件中的ANOVA分析，進(jìn)行回歸分析，得到試驗(yàn)因素對響應(yīng)值的回歸方程為

Y1=58.51+3.85A+5.93B+1.93C+1.22AB+

0.93AC+0.88BC-1.06A2-5.3B2-2.3C2

Y2=5.19+0.48A+0.43B+0.39C+0.32AB+

0.24AC+0.20BC+0.11A2+0.089B2+0.34C2

表4和表5分別為亞麻籽脫殼率和損失率的方差分析結(jié)果。從中可以看出：所得Y1和Y2的回歸方程模型極顯著，且失擬項(xiàng)檢驗(yàn)不顯著。這說明此回歸模型很理想，用方程Y1和Y2擬合3個(gè)因素與脫殼率和損失率之間的關(guān)系是可行的，因此可用該回歸模型代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。從亞麻籽含水率、沙盤轉(zhuǎn)速及沙盤間隙3個(gè)因素對亞麻籽脫殼率的影響來看，Y1回歸方程的一次項(xiàng)均對亞麻籽脫殼率有極顯著的影響，且影響順序依次為B>A>C，二次項(xiàng)B2和C2也對亞麻籽脫殼率有顯著影響，二次項(xiàng)A2和交互項(xiàng)對脫殼率的影響不顯著，表明響應(yīng)值的變化很復(fù)雜，各個(gè)因素對亞麻籽脫殼率的影響不是簡單的線性關(guān)系，3個(gè)因素存在交互作用。而對于損失率回歸方程Y2，其一次項(xiàng)對脫殼損失率有極顯著影響，且影響順序?yàn)锳>B>C，二次項(xiàng)C2和交互項(xiàng)AB對損失率有顯著影響，而二次項(xiàng)A2、B2和交互項(xiàng)AC、BC對損失率的影響不顯著，同樣說明各個(gè)因素之間存在交互作用。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

RSM方法的圖形是特定響應(yīng)面Y對應(yīng)因素A、B、C構(gòu)成的一個(gè)三維空間在二維平面上的等高圖，可以直觀地反映各因素相互作用對響應(yīng)值的影響。從試驗(yàn)所得響應(yīng)面分析圖上可看出它們在反應(yīng)過程中的相互作用，圓形表示兩因素交互作用不顯著，橢圓表示兩因素交互作用顯著[17]，結(jié)果如圖5～圖10所示。

從圖5～圖10可以看出：降低亞麻籽含水率使得其脫殼率提高，但隨著含水率降低，其韌性降低，表現(xiàn)出脆性，因此其損失率也增加。減小沙盤間隙使得沙盤與亞麻籽之間的摩擦力增大，使其脫殼率和損失率均表現(xiàn)出增加趨勢；但若兩沙盤的間隙減小至亞麻籽厚度時(shí)，就會(huì)使亞麻籽堵塞在兩沙盤之間，損失率增加。沙盤轉(zhuǎn)速增加使亞麻籽脫殼率提高，同時(shí)脫殼損失率也增加。

表4 亞麻籽脫殼率方差分析表

p<0.05，差異顯著；p<0.01，差異極顯著。

表5 亞麻籽脫殼損失率方差分析表

p<0.05，差異顯著；p<0.01，差異極顯著。

圖5 含水率和沙盤轉(zhuǎn)速對脫殼率的響應(yīng)面和等高線

圖6 含水率和沙盤間隙對脫殼率的響應(yīng)面和等高線

圖7 沙盤間隙和沙盤轉(zhuǎn)速對脫殼率的響應(yīng)面和等高線

圖8 含水率和沙盤轉(zhuǎn)速對損失率的響應(yīng)面和等高線

圖9 含水率和沙盤間隙對損失率的響應(yīng)面和等高線

圖10 沙盤間隙和沙盤轉(zhuǎn)速對損失率的響應(yīng)面和等高線

對回歸模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，得到亞麻籽脫殼最佳工藝為亞麻籽含水率為1.65%，沙盤轉(zhuǎn)速為1 673r/min，沙盤間隙為1.575mm。在此條件下，亞麻籽預(yù)測脫殼率為58.5%，脫殼損失率為5.15%。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可靠性，采用最佳脫殼條件下進(jìn)行脫殼，考慮到實(shí)驗(yàn)操作的可靠性，將亞麻籽最佳脫殼工藝修正為亞麻籽含水率1.65%，沙盤轉(zhuǎn)速為1 670r/min，沙盤間隙為1.60mm。在此條件下，亞麻脫殼率為60.8%，與預(yù)測值的誤差為3.93%；脫殼損失率為5.37%，與預(yù)測值的誤差為4.27%。

3 結(jié)論

1)采用兩沙盤對亞麻籽進(jìn)行碾搓及亞麻籽自身碾搓作用使亞麻籽脫殼，該方式能夠?qū)喡樽堰M(jìn)行有效的脫殼，同時(shí)滿足亞麻籽深加工機(jī)械化生產(chǎn)的要求。

2)研究亞麻籽含水率、沙盤間隙及沙盤轉(zhuǎn)速對亞麻籽脫殼率和損失率的影響，降低含水率、減小沙盤間隙及增加沙盤轉(zhuǎn)速都會(huì)使得亞麻籽脫殼率升高，但也會(huì)使得脫殼損失升高。

3)采用響應(yīng)面法優(yōu)化亞麻籽脫殼條件為亞麻籽含水率1.65%，沙盤轉(zhuǎn)速為1 670r/min，沙盤間隙為1.60mm。在此條件下，亞麻脫殼率為60.8%，與預(yù)測值的誤差為3.93%；脫殼損失率為5.37%，與預(yù)測值的誤差為4.27%。

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Experiment on Shelling Machine of Flaxseed

Ding Jinfeng, Zhao Fengmin, Cao Youfu, Li Shujun

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

The parameters that influent the shelling rate and loss rate were studied to enhance the shelling efficiency.The factors affecting the shelling rate were studied in the experiments, and the optimization parameters were conducted with the central-composite of response surface methodology in deign-expert software.The results showed that moisture content, millstone speed and millstone gap could significantly influent the shelling rate and loss rate.The mathematical model of shelling was established, and the optimization parameters were moisture content 1.65%,millstone speed 1670rmp and millstone gap 1.60mm. Under this condition, the shelling rate was 60.8%,and the error of the test value and the predicted value was 3.93%, and the loss rate was 5.37%,the error was 4.27%.

flaxseed； shelling； response surface methodology

2015-11-28

科技部國家國際合作項(xiàng)目(2012DFA31250)

丁進(jìn)鋒(1984-),男，河北邢臺人，博士研究生，(E-mail) djfeng_0617@163.com。

李樹君(1962-)，男，北京人，研究員，博士生導(dǎo)師，(E-mail)lisj@caams.org.cn。

S565.9；S225

A

1003-188X(2017)01-0158-07