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为探究大豆品种、初始压榨高度和加载速率对其破裂、变形及松弛行为的影响，优化油脂提取能效，研究人员对多个大豆品种开展压缩试验。结果表明这些因素显著影响相关特性，多种模型能有效描述其行为。该研究助力改进油脂提取工艺。
在食用油的大家庭里，大豆油可是 “明星成员”。它不仅富含对人体有益的脂肪酸，像 omega - 3 这种对大脑发育至关重要的成分，还是全球广泛消费的植物油，在工业领域也有诸多用途。目前，大豆油的提取方法主要有机械压榨和化学提取。化学提取虽能得到高质量的油且成本效益高，但会产生大量挥发性有机化合物，对环境不友好。机械压榨凭借其环保和安全的优势，逐渐成为更受欢迎的选择。机械压榨的关键环节是挤压，这一过程依赖于大豆的压缩力和机械性能，然而，这些性能会受到多种因素影响，而且此前对大豆在压缩过程中的破裂和应力松弛行为建模研究较少，还未充分考虑品种差异。为了解决这些问题，美国北达科他州立大学（North Dakota State University，NDSU）的研究人员开展了一项重要研究，相关成果发表在《Biosystems Engineering》上。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，收集了 P23A40E、XF31 - 32N 和 EL30 - 33 三种商业大豆品种，通过校准的数字水分仪测量初始水分含量，并将其调节至适宜的 13.5 - 14 %（wb） 。接着，运用近红外（NIR）光谱技术测定大豆的化学成分，还对大豆的几何和重量特性等物理性质进行了详细测量。然后，使用 TestResources 万能试验机（UTM）对单粒大豆和大豆群体进行静态压缩试验，设置不同的加载速率和初始压榨高度。最后，利用多种数学模型，如 Tangent 模型、Peleg 和 Normand 模型以及 Maxwell 标准线性固体（SLS）模型，对试验数据进行分析处理。
下面来看看具体的研究结果：
- 大豆的物理和化学性质：不同品种的大豆在长度、宽度、厚度等几何性质，以及 100 粒质量、 bulk density（BD）等重量性质上存在显著差异。在化学组成方面，虽然油含量、灰分、粗纤维和淀粉含量差异不明显，但蛋白质含量差异显著。例如，P23A40E 品种的蛋白质和油含量最高，淀粉含量最低。
- 压缩加载对大豆机械性能的影响：不同品种大豆在破裂伸长率、破裂应力、破裂能量和弹性模量等机械性能上差异显著。P23A40E 品种的破裂能量最高，弹性模量最低，表现出较强的韧性但刚度较低。对于大豆群体，品种、加载速率和初始高度的相互作用显著影响破裂能量和弹性模量，加载速率显著影响破裂应力。而且，随着加载速率和初始高度增加，破裂能量增加，弹性模量降低。
- 大豆加载 - 变形行为的建模：将加载 - 变形数据拟合到 Tangent 模型发现，1 - 3 阶的 Tangent 模型都能有效描述大豆的加载 - 变形行为。不同品种和加载条件下，最佳拟合模型的阶数有所不同。此外，研究还发现孔隙率与 Tangent 模型的变形系数呈显著正相关，与力系数和模型阶数无明显关系。
- 大豆在压缩下的松弛行为：加载速率和品种的相互作用对初始松弛力、松弛力变化、松弛百分比、初始速率和渐近模量等松弛行为指标影响不同。应力松弛曲线呈现对数模式，大豆表现出粘弹性压缩行为。Peleg 和 Normand 模型能有效描述大豆的松弛行为，其 RMSE 值小于 0.0058 。
- 本构建模：Maxwell SLS 模型能有效模拟大豆压缩和松弛阶段的应力行为，且 RMSE 值较低，可靠性较高。
研究结论和讨论部分指出，品种、加载速率和初始压榨高度协同影响大豆的破裂和松弛特性。Tangent 模型可用于描述单粒和群体大豆压缩时的破裂特性，Peleg 和 Normand 模型能快速评估大豆的松弛行为，Maxwell SLS 模型适合评估大豆压缩的整个过程。这些研究成果为改进机械油脂提取工艺提供了有力支持，有助于实现能源的高效利用和提高油脂质量，强调了大豆品种特性对油脂提取的重要性，为开发更高效的油脂提取方案提供了理论依据。
