《Journal of Agriculture and Food Research》：Multivariate analysis for balancing electrical energy requirement, throughput and oil recovery in mechanical extraction of peanut oil
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在追求可持續性的背景下，如何平衡能源效率與經濟成本是農產品加工的關鍵挑戰。本研究采用Box-Behnken設計與合意性函數(Desirability Function)方法，對花生油機械壓榨過程中的關鍵參數（殼占比、汽蒸時長、螺桿轉速）進行優化，旨在同時最大化出油率(Yr)、最小化比能耗(Ye)并提高處理量(YTP)。研究確定了最優操作條件（70 rpm， 5%殼占比， 20分鐘汽蒸），在保證可觀出油率(86.2%)的同時，實現最低比能耗(49.2 Wh kg-1)與最高處理量(10.9 kg h-1)，為農村地區經濟可行的油料加工提供了重要依據。
想象一下，在西非的某個鄉村，一臺簡陋的榨油機正隆隆作響，為當地社區壓榨著重要的食用油——花生油。機械壓榨法因其設備簡單、初始投資低，成為這類地區獲取植物油脂的普遍方法。然而，傳統操作往往面臨一個棘手的“三角困境”：想要提高出油率，通常需要更慢的擠壓速度和更精心的預處理，但這會導致生產效率（單位時間處理量）下降，同時可能增加單位產出的能耗。在能源獲取不便、生產成本敏感的農村地區，如何在這三者——高的出油率、低的能源消耗、可觀的生產效率——之間找到一個最佳的平衡點，是提升產業可持續性與經濟活力的核心難題。過往的研究大多聚焦于單一目標，特別是如何最大化出油率，而較少將能源效率與經濟成本納入統一的優化框架。為此，發表在《Journal of Agriculture and Food Research》上的一篇研究，為我們提供了一個精巧的解決方案。
這項研究由Wiomou Joévin Bonzi、Sebastian Romuli、Bignon Stéphanie Nounagnon、Klaus Meissner和Joachim Müller團隊完成。他們系統地探討了如何通過優化工藝參數，在花生油的機械壓榨過程中，協同優化能源需求、出油率和處理量。研究人員開展了一項設計嚴謹的實驗，旨在回答如何設置預處理和壓榨參數，才能在經濟可行的前提下，實現能耗、得油率和產能的最佳組合。
為開展此項研究，研究人員主要應用了以下幾種關鍵技術方法：首先，采用Box-Behnken實驗設計，這是一種高效的響應曲面方法，用于探究殼占比(5%， 10%， 15%)、汽蒸時長(10， 20， 30分鐘)和螺桿轉速(20， 45， 70 rpm)三個關鍵因子對比能耗、出油率和處理量三個響應的影響，并以二次模型進行擬合。其次，引入了合意性函數進行多響應優化，該函數為每個響應設定個體合意度，并通過幾何平均計算整體合意度，其核心創新在于根據各響應對生產成本的影響來分配權重（重要性指數）。實驗原料為購自布基納法索瓦加杜古的帶殼花生，經脫殼、篩分后使用。壓榨使用一臺Kern Kraft KK20型螺桿壓榨機，并連接功率分析儀實時監測能耗。
研究結果
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控制測試結果
未經任何預處理（不汽蒸、不添加花生殼）的壓榨，出油率極低，僅為27.4%。僅進行汽蒸或僅添加花生殼的預處理，出油率雖有提升，但也遠低于正式實驗組。這明確證明了預處理（汽蒸和添加殼）對于實現可接受的出油率至關重要，將其提高了三倍以上。
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Box Behnken設計結果
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螺桿壓榨機功率需求：螺桿轉速對壓榨機有功功率影響最為顯著，轉速從20 rpm增至70 rpm，平均功率從234 W大幅上升至502 W。在相同轉速下，延長汽蒸時間會降低所需功率，而增加殼占比則會提高功率。
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比能耗：比能耗范圍在50.7至96.3 Wh kg-1之間。螺桿轉速同樣是影響比能耗的最主要因素，但有趣的是，較低的轉速反而導致更高的比能耗，這是因為低速意味著更長的壓榨時間。在高速(70 rpm)、低殼占比(5%)和長汽蒸時間(30分鐘)條件下，預測可獲得最低比能耗(43.8 Wh kg-1)。
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出油率：出油率在83.2%至91.0%之間。與比能耗趨勢相反，出油率隨著轉速降低而升高。最高出油率出現在低速(20 rpm)、較短汽蒸時間和低殼占比(5%)的條件下。增加殼占比在任何轉速下都會降低出油率。
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處理量：處理量在3.2至10.9 kg h-1之間變化，其趨勢與比能耗相反。高轉速、長汽蒸時間和低殼占比有利于獲得高處理量。最高處理量出現在70 rpm、30分鐘汽蒸和5%殼占比時。
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驗證測試：在預測的最優出油率和最優比能耗參數下進行驗證實驗，測量值與模型預測值之間的平均絕對百分比誤差在4%至5%之間，表明模型具有良好的預測能力。但處理量的預測誤差較大，可能與物料流動性波動有關。
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合意性分析
研究構建了基于生產成本的合意性函數，通過靈敏度分析確定了各響應變量的重要性指數。結果表明，處理量（主要關聯人工成本）對生產成本影響最大，其次為出油率和比能耗。因此，在合意性函數中，處理量被賦予最高權重(指數3.09)，出油率次之(1.56)，比能耗最低(0.35)。最終的多響應優化顯示，整體合意度的最優點為0.61（屬于“可接受但較差”范圍的上限），對應的操作參數為：最高轉速70 rpm、最低殼占比5%、汽蒸時間20分鐘。在此最優條件下，預測的比能耗為49.2 Wh kg-1，處理量為10.9 kg h-1，出油率為86.2%。
研究結論與意義
本研究成功地將響應曲面方法與合意性函數相結合，為花生油機械壓榨工藝的多元優化提供了有效工具。研究明確揭示，在追求高出油率、低能耗和高處理量這三個目標之間存在固有的權衡關系，無法同時達到各自的單目標最優。預處理（汽蒸和添加適量殼）被證實是獲得高提取效率的必要前提。螺桿轉速是影響所有三個響應，進而顯著影響生產成本的最關鍵操作參數。
其重要意義在于：首先，該方法從工程和經濟角度出發，將生產成本的構成直接融入優化目標，使得到的“最優解”更貼近實際生產的經濟理性，為資源受限的農村地區提供了具體、可操作的高效生產參數。計算顯示，采用優化后的高效能參數（高速、短時汽蒸）生產成本約為1.46 �/kg油，而采用傳統的高出油率參數（低速、長時汽蒸）成本則升至1.77 �/kg油。其次，研究所構建的合意性函數框架具有普適性，可通過調整成本參數（能源、勞動力、原料價格）來適應不同地區、不同油料作物的經濟環境，實現定制化優化。最后，研究者前瞻性地指出，這種基于合意性函數的優化結果，可直接用于開發壓榨過程的實時自動控制系統（如通過調節轉速來應對進料或能源供應的波動），從而實現動態優化而非固定點操作，這已在實驗室規模得到初步驗證，為未來智能、可持續的農產品加工技術發展指明了方向。
