油茶果脫蒲分離機研究現(xiàn)狀

陳禮東，胡淑珍，任嘉嘉，相 海

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

0 引言

油茶特指茶屬植物中油脂含量較高、具有經(jīng)濟價值的一類植物，又稱為茶籽樹[1]。油茶與橄欖、油棕和椰子并稱世界4大木本油料，既是我國特有的木本食用油料，也是我國第1大木本油料。

油茶在我國具有悠久的栽培歷史，在選種、栽培、采收、儲藏和加工等方面取得了一定的成就。油茶主要分布于我國南方亞熱帶氣候地區(qū)，是湖南、廣西和江西等地的林業(yè)支柱之一，占有重要的經(jīng)濟地位，也是我國食用油供給系統(tǒng)中不可缺少的部分[2-4]。油茶除了用于生產(chǎn)食用油之外，還可以用于醫(yī)藥保健領(lǐng)域，對降低血脂、改善營養(yǎng)狀況、增強肝細(xì)胞活性和提高免疫功能等具有積極的作用[5-11]。

1 油茶果概述

茶籽中含有20%～35%的油脂，是生產(chǎn)油茶食用油的原料。茶油中含有油酸83.3%、亞油酸7.4%、硬脂酸0.8%和花生脂酸0.6%，并含有較多的單不飽和脂肪酸和少量的飽和脂肪酸[12-15]。茶籽油與橄欖油的組成及其理化性質(zhì)相似，如凝固點、碘值、皂化值和相對密度等，如表1所示，因此具有“東方橄欖油”的美譽。

表1 茶籽油與橄欖油的部分理化指標(biāo)

我國歷年油茶果及油料總產(chǎn)量如圖1所示。油茶果作為我國木本油料作物之首，其年產(chǎn)量自2011年起，呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，2018年產(chǎn)量達(dá)到260多萬t，約占2018年食用油料總產(chǎn)量的8%[16]。油茶產(chǎn)量的增加，對于提高食用油自給率和維持市場平衡至關(guān)重要，也是打贏“脫貧攻堅”戰(zhàn)的重要舉措之一。

隨著大量豐產(chǎn)油茶基地的建設(shè)，其產(chǎn)量逐年大幅增加，鮮果大量集中采摘上市，但由于嚴(yán)重缺乏規(guī)模適中、配套集成的脫蒲、剝殼及清選機械，尤其是脫蒲、脫殼環(huán)節(jié)的產(chǎn)后機械化，極易造成油茶鮮果的腐爛變質(zhì)，品質(zhì)下降，最終導(dǎo)致大量原料被浪費。據(jù)統(tǒng)計，油茶果的產(chǎn)后收獲至加工損失率高達(dá)10%，而這些損失絕大部分將由農(nóng)戶來承擔(dān)，直接導(dǎo)致農(nóng)民增產(chǎn)不增收，挫傷茶農(nóng)的積極性。

由于現(xiàn)在我國油茶果脫蒲分離技術(shù)的不成熟，市場上的機械脫蒲和分離設(shè)備技術(shù)水平參差不齊，普遍存在得率低、污染排放大的問題。產(chǎn)量的持續(xù)增加，為及時脫蒲分離帶來了壓力。人工脫蒲耗時長、強度大，機械脫蒲快，但蒲籽分離精度不高，成為限制油茶果制油產(chǎn)業(yè)的一大瓶頸。

2 脫蒲分離機研究現(xiàn)狀

2.1國外研究現(xiàn)狀

作為我國特有的食用油料，在國外地區(qū)少有成規(guī)模的種植基地，僅東南亞地區(qū)有少量的種植，因此國外學(xué)者針對油茶果脫蒲分離機械設(shè)備的研究較少[17-18]。雖然國外地區(qū)有關(guān)油茶果脫蒲分離設(shè)備的研究較少，但其他農(nóng)產(chǎn)品的分級、分離應(yīng)用方面，如腰果、核桃和油桐等，可為油茶果脫蒲分離設(shè)備的相關(guān)研究提供參考。

計算機視覺技術(shù)是通過設(shè)備的圖像處理系統(tǒng)識別出物料的差異，再由分離系統(tǒng)對其進行分離，是一種無損、高效的方法，是農(nóng)產(chǎn)品分離中常用的一種分離方法，也可用于種子的識別、分類和分離[19-24]。

圖像處理與分離流程如圖2所示。計算機與圖像處理技術(shù)的結(jié)合，提高了農(nóng)產(chǎn)品分離處理的精確度，但是在處理大量的農(nóng)產(chǎn)品時，分離速度和分離量仍然有較大的發(fā)展空間，尤其是在現(xiàn)代化農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)方面[25-26]。

在農(nóng)產(chǎn)品的分離方面，國外地區(qū)主要利用計算機圖像處理、振動篩網(wǎng)等多種形式。計算機圖像處理精確度高、造價貴，不適用于普通農(nóng)戶使用；振動篩網(wǎng)適用性強，可用于多種物料的分離，但不能實現(xiàn)完全分離。離心分離法影響因素多，損耗率較高。

2.1.1腰果

腰果形狀呈月牙形，在破蒲后，產(chǎn)生了形狀多樣的果蒲，與油茶果破蒲后產(chǎn)生的果蒲相似，如圖3所示。

腰果形狀差異較大，導(dǎo)致腰果的破殼分離具有一定的難度[27]。UCHIYAMA N等[28]研制的腰果破殼分離試驗臺由振動喂料器、傳送帶、輥子、破殼刀和分離器組成，如圖4所示。工作時，由振動喂料器進行喂料，然后經(jīng)過傳送帶將腰果運輸?shù)狡茪さ叮挥尚D(zhuǎn)的破殼刀進行破殼，破殼后的殼籽混合物，經(jīng)過篩網(wǎng)分離后，可實現(xiàn)腰果與果殼的分離。

2.1.2核桃

核桃在經(jīng)過機械設(shè)備破殼后，核桃殼形狀多樣化，與核桃仁難以區(qū)分。NAHAL A M等[29]研究設(shè)計的核桃殼仁分離設(shè)備，利用流態(tài)分離法將核桃殼與核桃仁進行分離，分離效果受到仁殼含水率影響，同時需要將空氣速度保持在一定的范圍內(nèi)。JIN Fenghua等[30]根據(jù)核桃殼與核桃仁透光率的不同，使計算機圖像呈現(xiàn)不同的特征紋理，利用紋理差異來實現(xiàn)仁殼的分離，分離效果能達(dá)到98%。KRISHNAN P等[31]利用磁選法實現(xiàn)了核桃殼仁的分離。在進行正式分離之前，先將混有食用明膠粉的磁流體或鐵粉附著于核桃殼表面；然后再進行破殼，破殼后的仁殼混合物在磁場中的受力不同，從而實現(xiàn)仁殼的分離。該方法需要對核桃殼進行預(yù)處理，工藝繁瑣且易污染果仁。

2.1.3桐籽

桐籽是一種生物柴油原料，果實的組成結(jié)構(gòu)與油茶果相似[32]。LIM B Y等[33]研制的桐籽分離機能夠?qū)崿F(xiàn)91.2%的分離效率。該分離機主要由帶壓縮棍的裂解機構(gòu)和振動分離機構(gòu)組成，如圖5所示。分離效果受到桐籽顆粒尺寸和形狀的影響，難以實現(xiàn)完全分離。

SHARMA V等[34]采用離心分離法，研制了離心撞擊式分離機，進行桐籽分離效果的研究。研究表明，桐籽分離效果受到含水率和旋轉(zhuǎn)速度的影響。在整個試驗中，桐籽的最佳回收率能達(dá)到52.2%。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著油茶果產(chǎn)量的逐年增加，油茶果脫蒲分離設(shè)備的需求也日益增加，為脫蒲分離設(shè)備提供了研究和發(fā)展契機。充足的原料資源，為我國相關(guān)學(xué)者進行機械設(shè)備的研究提供了便利。油茶果脫蒲分離裝備的研制相對成熟，形式也不盡相同。

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所[35]提出的腰果破殼分離技術(shù)包括除雜、分級、蒸煮、脫殼和分離部分。首先，使用振動篩和鼓風(fēng)機去除雜質(zhì)；再對除雜后的腰果按照尺寸進行分級；之后對其進行蒸煮，以提高破殼效率；破殼后的仁殼混合物通過振動篩和風(fēng)選機實現(xiàn)分離。

王焱清等[36]設(shè)計的氣動刨削式破蒲機主要由機架、振動給料斗、滾筒、推壓手爪和刀條等結(jié)構(gòu)組成，如圖6所示。

油茶果的破蒲過程主要包括推移、咬合、刨削、推散和復(fù)位。該設(shè)備的脫蒲效果與汽缸壓力和油茶果的含水率直接相關(guān)。氣動刨削型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一次只能對單個油茶果進行脫蒲，破蒲動作不連續(xù)將導(dǎo)致處理量較低。

李陽等[37]以蒲籽表面摩擦系數(shù)的不同為基礎(chǔ)，進行了脫蒲分離機的設(shè)計和研究，總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

在進行破蒲之前，用滾桶篩進行分級；分級后的油茶果順勢進入到大小不同分級空腔中，柔性搓板與柔性運輸帶之間的相對運動對油茶果進行揉搓脫蒲；破蒲后的籽殼混合物，進入到蒲籽分選機構(gòu)中，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

由于摩擦系數(shù)不同，果蒲與茶籽產(chǎn)生方向相反的運動，進而實現(xiàn)分離。油茶果的脫蒲效率受到油茶果水分含量、柔性摩擦帶速度和處理量的影響；蒲籽分離則受到振動電機頻率、分選帶平面傾角的影響。

彭潤絮等[38]在比較了蒲籽篩選的各項技術(shù)特點后，根據(jù)蒲籽之間不同的浮力，進行了浮選分離設(shè)備的研制。該設(shè)備總體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

工作時，經(jīng)過脫蒲后的蒲籽混合物，經(jīng)傳送帶傳送至浮選槽內(nèi)，在浮力的作用下，茶籽沉于底部并被傳送至出料口；浮于溶液表面的果蒲流動至果蒲導(dǎo)出槽，進而實現(xiàn)蒲籽的分離。處理量可達(dá)3 000 kgh，分離率達(dá)到96.36%。浮選型蒲籽分離機的處理量大，分離效果明顯，茶籽經(jīng)溶液浸泡后，增加了干燥的難度。

胡一飛等[39]用色選機分離方法，進行了相關(guān)的蒲籽分離試驗。該試驗選用6SXZ-03型履帶色選機，探究了含雜率、攤曬天數(shù)對色選效率和色選精度的影響。試驗結(jié)果表明，混合物中含雜率在23%～35%時，含雜率越高，色選效率越低，而色選精度則保持在98%左右，如圖9所示。對采收后進行不同天數(shù)的攤曬處理后進行色選分離試驗。結(jié)果表明，隨著攤曬時間的增加，色選精度逐漸降低，如圖10所示。色選機的操作簡單，處理量大，適用于含雜率較低的物料。

朱廣飛等[40]采用擠壓方式，設(shè)計了一種可根據(jù)油茶果徑粒大小不同而進行間隙調(diào)節(jié)的油茶果脫蒲設(shè)備。該脫蒲設(shè)備主要由脫蒲裝置、分離裝置、動力傳輸裝置和機架組成，包括攪拌軸、滾筒、篩網(wǎng)、調(diào)節(jié)機構(gòu)和弧形柵板等，具體機構(gòu)如圖11所示。

工作時，先由破蒲機構(gòu)完成對油茶果的破蒲，再由分離機構(gòu)實現(xiàn)蒲籽混合物的篩選與分離。經(jīng)過破蒲后，蒲籽混合物進入到篩網(wǎng)內(nèi)，攪拌軸對其進行充分?jǐn)嚢瑁叽巛^小的茶籽由篩網(wǎng)孔漏出，從而實現(xiàn)蒲籽分離。在對設(shè)備進行優(yōu)化后，脫蒲率可達(dá)到97%，

藍(lán)峰等[41]和蘭峰等[42]綜合利用擠壓、摩擦和揉搓進行了油茶果脫蒲裝置的研究，再根據(jù)茶籽與果殼結(jié)構(gòu)尺寸上的不同，進行了殼籽篩選研究。該裝置主要由料斗、脫蒲滾筒部件、殼籽篩選部件、動力傳輸部件和機架組成。具體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

脫蒲桿以圓周均布的方式安裝在脫蒲盤上，并且兩個連接點之間呈一定的角度，形成前大后小的楔形脫蒲室。輸送物料的同時，又能對油茶果進行擠壓，與油茶果之間的相互摩擦和揉搓的綜合作用，達(dá)到破殼的效果。

考慮到籽與蒲之間結(jié)構(gòu)尺寸的差異，選用了齒光輥式結(jié)構(gòu)來進行籽殼的篩選。齒光輥結(jié)構(gòu)如圖13所示。

齒光輥之間的線速差，將形狀不規(guī)則的果蒲拉入到齒輥與光輥之間的縫隙中，進而實現(xiàn)蒲籽的分離。分離效果受到齒光輥之間的間隙和齒輥切入角度的影響。該脫蒲篩選設(shè)備處理量高達(dá)3.2 td，脫蒲率99.2%，篩選率93%，可實現(xiàn)油茶果快速、高效地機械化脫蒲和分離。

熊平原等[43-44]采用碾壓破蒲、氣吸篩選對油茶果的脫蒲篩選進行了相關(guān)研究。該裝置主要由脫蒲裝置、氣吸式殼籽清選裝置和風(fēng)篩殼籽清選裝置組成。具體結(jié)構(gòu)如圖14所示。

工作時，油茶果經(jīng)料斗進入到脫蒲機構(gòu)中，由電機帶動脫蒲輥筒轉(zhuǎn)動，以碾壓的方式實現(xiàn)脫蒲；脫蒲后的殼籽混合物順勢落入到風(fēng)選箱中，風(fēng)機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的氣流變化將質(zhì)量較輕的殼籽吸入到粉渣出口處，實現(xiàn)蒲籽的第1次分離；電機帶動偏心機構(gòu)和吹風(fēng)機轉(zhuǎn)動，使振動篩往復(fù)抖動，蒲籽混合物在振動篩和風(fēng)機的共同作用下，實現(xiàn)第2次分離。振動篩和風(fēng)選方式的結(jié)合，提高了蒲籽分離的效率。

3 結(jié)束語

本文綜述了目前國內(nèi)油茶果蒲籽分離機的主要結(jié)構(gòu)形式及其工作原理。在油茶果的脫蒲方面，主要有氣動刨削、擠壓、摩擦或組合形式。氣動刨削型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，破蒲動作不連續(xù)進而導(dǎo)致處理量較低；擠壓型的結(jié)構(gòu)簡單，破殼動作連續(xù)，處理量較大，破仁率較高；摩擦方式的破殼速度慢，脫蒲效果受到多種因素的影響；組合破蒲方式效果較好，處理量大，破蒲率高。

在蒲籽分離方面，主要有色選、摩擦、浮選、篩網(wǎng)、氣動和齒光輥6種方式。色選型篩選成本較高，適用于產(chǎn)業(yè)化工廠的使用；摩擦型分離效果不突出，分離過程難以控制；齒光輥型篩選利用了蒲與籽之間的結(jié)構(gòu)特性，處理量較大、篩選精度高；氣動分離與篩網(wǎng)分離具有相似的作用，分離效果不明顯，常與其他方式組合使用。

目前，我國油茶果的脫蒲技術(shù)相對成熟，而蒲籽分離的相關(guān)技術(shù)仍舊處于研制起步階段。蒲籽分離的難點有以下3方面。一是油茶果的品種多樣，茶籽的形狀尺寸不規(guī)則，油茶果經(jīng)過設(shè)備脫蒲后，產(chǎn)生的果蒲和茶籽在尺寸和形狀上均呈現(xiàn)多樣化，致使尺寸固定的分離設(shè)備難以區(qū)分。二是水溶液可對新鮮的蒲籽進行浮選分離，但茶籽和果蒲的含水率較高，短暫的時間后，茶籽和果蒲之間的密度差距減小，導(dǎo)致浮選分離時間難以掌握。三是脫蒲后的油茶鮮果，經(jīng)晾曬后，茶籽與果蒲的顏色、密度和形態(tài)趨于相同，增加了色選分離的難度。

油茶果蒲籽分離難度較大，使得滿足技術(shù)指標(biāo)的設(shè)備較少，相關(guān)企業(yè)對滿足生產(chǎn)條件的設(shè)備有較大需求。針對油茶籽蒲籽分離的相關(guān)研究也在進行中。