核桃破殼技術與裝備研究進展

劉 佳 沈曉賀 楊莉玲 劉 奎 崔寬波 祝兆帥

(新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

核桃又稱胡桃，是世界著名的四大干果之一[1]。核桃仁中脂肪含量非常豐富，約占整仁60%～70%；蛋白質含量約占16.0%～20.0%[2]，還含有18種氨基酸以及鉀、鈣、鎂、鐵、鋅、錳等礦物質和微量元素[3-5]；核桃仁中維生素A、D、E、K等含量豐富，其中維生素E含量達24.60 mg/100 g，遠大于花生、開心果等油料作物；此外，核桃仁中還含磷脂、多酚、類黃酮等各類功能成分，營養和保健價值非常高，有“益智果”和“長壽果”之稱[6-8]。

核桃在全球53個國家和地區都有種植。中國核桃栽培歷史悠久，已有2 000多年歷史，是核桃的原產地之一[9-11]，其產量占全球總產量的57.3%，是全球核桃種植面積以及年產量最大的國家[12-14]。

核桃果實主要由外層青果皮、內層硬果殼和種仁3部分組成[15]。核桃外層青果皮為青色，核桃果實成熟后會自然脫落，內層硬果殼被稱為核桃殼，具有硬度高的特點，其主要成分是木素、纖維素和半纖維素[16]。由于核桃品種的差異，核桃殼的外形、硬度、厚度以及殼仁間隙都有所不同，破殼難度大[17]。

目前，中國核桃初加工技術及裝備比較落后，核桃采收后基本上都以原料形式進入市場，產品附加值低，產業鏈條短，核桃破殼取仁主要以人工為主。現有的國產設備存在效率低、適應通用性差，加工效果不理想，整仁率低等問題，尚未實現連續化生產。文章擬介紹核桃破殼技術，重點闡述國內外核桃破殼設備的結構、工作原理以及特點，并分析目前核桃破殼機械存在的問題，旨在為核桃精深加工技術瓶頸及產業發展提供依據。

1 核桃破殼技術

1.1 手工破殼

手工破殼主要依靠人工使用硬物砸取或者擠壓裝置實現單個核桃破殼取仁，其生產效率約為4 kg/h，效率低、勞動強度大、生產成本高，且衛生條件差。

1.2 化學腐蝕法

將核桃等堅果浸入到堿、酶等化學溶液中，核桃殼被化學溶液腐蝕軟化后，再利用機械破殼裝置剝去核桃殼[18]。處理過程中化學藥劑容易進入核桃果殼中，影響核桃仁的品質，造成食品安全問題。

1.3 機械式破殼

隨著果農核桃種植積極性的增加，面積逐年擴張以及盛果期的到來，相比現有的方法，機械法破殼是核桃產業化、規模化發展的必由之路。按加工原理機械破殼方法可以分為擠壓式、剪切式、擠壓揉搓式、撞擊式4種類型。

2 核桃破殼機械工藝

核桃的物理特性以及破殼方式是影響核桃破殼取仁的主要因素。喬園園等[19-20]對核桃的尺寸大小、殼厚以及需要的破殼力等物理特性參數開展了試驗研究；沈柳楊等[21-22]研究發現，核桃含水率在干燥8 h后趨于穩定，一定條件下所承受的加載力和變形量隨含水率的降低先增加后減少；李忠新等[23]研究發現，核桃殼含水量越低越容易被破碎，但破殼后的殼與仁也越細碎，當核桃濕度為15%時破殼較為合適；鄭甲紅等[24]通過二次回歸旋轉組合試驗，得出含水率為14.5%時，核桃高路仁效果最好；Braga等[25]對澳洲堅果在不同加載方向下的破殼力、變形量以及能量進行了分析比較，同時找出了不受含水率影響的加載位置。

史建新等[26-27]采用有限元分析方法，得到了最優的破殼方式；沈柳楊等[21]運用Matlab和Origin軟件進行數據處理，在含水率相同的情況下，沿橫向、縱向、縫向3個加載方向，對核桃破裂力、變形量、應變能的影響依次減小；劉奎等[28]開展了核桃破殼力學特性試驗，發現加載速率越大，核桃仁越容易破碎；王斌等[29]通過對3種核桃進行準靜態壓縮試驗，發現沿不同方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移不同，其破裂所需的壓縮力和位移由小到大依次為：沿垂直于縱徑方向、沿垂直于棱徑方向、沿垂直于橫徑方向。

涂燦等[30]研究表明，最佳的破殼工藝參數為加載速率45 mm/min、水平加載方向、核桃含水率6%～9%，此條件下澳洲堅果的整仁率可達 93%；鄭甲紅等[24]研究表明：最佳破殼效果條件為擊打行程為5 mm 左右、含水率為14.5%左右、核桃尺寸為 41mm 左右；張宏等[31]研究發現，整仁率最高可達60.28%的試驗條件為核桃含水率8%、加載變形量12 mm、加載速度300.15 mm/min。

綜上，通過對核桃物理特性、力學特性以及機械破殼工藝參數的各項研究，發現核桃含水率、力學加載方向、加載速率等因素是影響核桃破殼效果的重要因素，為研發設計核桃破殼裝備，提高核桃破殼率、整仁率，降低核桃仁破損率提供了重要的理論依據。

3 核桃破殼機械的研究進展

3.1 擠壓式破殼法

3.1.1 平板擠壓式破殼機 通過動擠壓板的往復運動，與靜擠壓板共同對核桃進行擠壓，從而實現對核桃的破殼處理。該裝置(圖1)主要包括間隙調節裝置、動擠壓板、靜擠壓板、偏心輪以及進料口、出料口等。動擠壓板的兩端分別與機體、偏心輪鏈接，偏心輪帶動動擠壓板作往復運動；靜擠壓板兩端分別與機體和間隙調節裝置相連，轉動調節手柄可推動靜破殼板前后運動，從而調節兩板之間的間隙和角度，當擠壓間隙小于核桃直徑時完成破殼作業。為了增加兩破殼板與核桃接觸時的粗糙度，兩破殼板表面焊有魚鱗狀鐵網，如Eisel[32]研制的核桃破殼機，李忠新等[23]研制的6PK-400核桃破殼機。其優點是結構相對比較簡單，制作成本較低，且可破個頭太小混雜在一起的核桃。但這種裝置在加工過程中容易對核桃仁造成損傷，且生產率不高，制約了該破殼裝置的推廣應用。

1. 動擠壓板 2. 靜擠壓板 3. 偏心輪 4. 間隙調節裝置 5. 核桃圖1 平板擠壓式破殼裝置Figure 1 Flat extrusion type shell breaking device

3.1.2 單輥擠壓式破殼機 利用破殼板與旋轉輥子對核桃進行擠壓，實現破殼。該裝置(圖2)主要由旋轉輥子、破殼板、間隙調節手輪等組成。側面的破殼板呈弧形，核桃落入破殼區域后，由于受到旋轉輥子以及破殼板的擠壓作用，核桃殼的變形量逐漸增加，直至核桃殼出現裂紋，實現破殼。如Kim[33]發明的一種堅果破殼機，Ssring等[34]提出的一種新型核桃破殼機，其生產率為30 kg/h，1/2仁以上的核桃仁占75%，破殼率為94%。這種破殼機結構簡單，制作成本低，但生產率較低，破殼后整仁率低、破仁碎率高。

1. 核桃 2. 旋轉輥子 3. 破殼板 4. 間隙調節手輪圖2 單輥擠壓破殼裝置Figure 2 Single roller extrusion mechanism

3.1.3 雙輥擠壓式破殼機 利用相對轉動的兩個轉輥對核桃等堅果進行擠壓，實現破殼。該破殼裝置(圖3)主要由間隙調節拉桿、被動破殼輥、主動破殼輥等組成。核桃依靠自身重力和兩個轉輥對核桃產生的摩擦力，被帶入到兩個轉輥之間，在主動破殼輥和被動破殼輥的擠壓作用下實現破殼，該裝置工作前需要調整核桃的相對位置，以保證破殼順利進行。如McSwain[35]發明的雙輥子滾動擠壓式核桃破殼機；何義川等[36]設計的一種對輥擠壓式核桃破殼裝置，當擠壓間隙為33 mm、兩個擠壓輥的轉速分別為95，75 r/min時，破殼效果最好，一次性破殼率為89.2%，高路仁率為81.1%；董詩韓等[37]設計的一種多輥擠壓式核桃破殼機。采用這種破殼裝置需在破殼前對核桃進行分級處理，且生產率相對較低，破殼后整仁率低。

1. 間隙調節拉桿 2. 被動破殼輥 3. 主動破殼輥 4. 核桃圖3 雙滾子擠壓式機構Figure 3 Double roller squeeze mechanism

3.2 剪切式破殼法

利用旋轉的齒盤與偏心齒板對核桃的剪切作用實現破殼。該裝置(圖4)主要由齒盤、偏心齒板組成。核桃進入擠壓滾筒中，旋轉的齒盤帶動核桃旋轉，此時核桃受到向下的剪切力，隨著旋轉擠壓變形量的增加，直至出現裂紋，核桃殼破碎，碎殼和仁通過最小間隙掉出來。如劉明政等[38]設計的柔性帶剪切擠壓式破殼裝置，破殼率為98%，整仁率為 93%；奉山森等[39]設計的滾壓式核桃破殼機；鄭甲紅等[40]設計的鋸口擠壓式核桃破殼機。這種破殼裝置實現了核桃的多點受力，核桃殼受力均勻，核桃仁完整率高、破碎率低。

1. 齒盤 2. 核桃 3. 偏心齒板圖4 齒槽剪切破殼裝置Figure 4 Cogging extrusion mechanism

3.3 擠壓揉搓式破殼法

3.3.1 錐籃式破殼機 利用內外破殼體相對旋轉，對核桃產生擠壓揉搓力，使核桃實現破殼。該裝置(圖5)主要由調距手柄、外破殼體、內破殼體組成。破殼裝置包括兩個錐籃形狀的破殼體，其中外破殼通過鎖緊掛鉤與機體連接體，是靜止的，內破殼體在電機的帶動下作旋轉運動。破殼裝置通過傳動主軸與電機以及間隙調節裝置連接，通過轉動手柄，可以使內破殼體上下移動，從而改變兩個破殼體的相對位置，實現兩破殼體間隙的改變，破殼體的材料選用菱形的花紋鋼板制作，并經特殊耐磨處理，用以增加破殼體的硬度和摩擦力。落入破殼裝置的核桃，在破殼體轉動的帶動下作自轉運動，在核桃尺寸與兩破殼體間距相匹配的位置受內外破殼體的共同作用，被擠壓揉搓，直至硬殼變形破碎，最終實現破殼。如李忠新等[41]設計的錐籃式核桃破殼， Anderasen[42]發明的一種正錐形旋轉破殼機，由于下端椎體與圓柱的間隙是固定的，不能調節，造成在上部破殼后核桃仁脫離破殼區時容易被撞擊，導致核桃仁破碎率高。這種方式的破殼機在實際生產中內外破殼體會因加工量的增大而產生磨損，從而導致破殼率下降、核桃仁破損程度嚴重，所以需要定期更換內外破殼體保證加工效果。

1. 調距手柄 2. 外破殼體 3. 核桃 4. 內破殼體圖5 破殼體示意圖Figure 5 Broken shell schematic

3.3.2 水平揉搓式破殼機 利用揉搓擠壓盤對核桃等堅果進行揉搓擠壓而實現破殼。該裝置(圖6)主要包括進料斗、均料裝置、上揉搓擠壓盤、下揉搓擠壓盤、調節裝置等。核桃破殼加工前，需先根據核桃尺寸，對上、下搓擦擠壓盤之間的間隙進行調整。核桃經均料裝置有序進入搓擦擠壓通道，在兩個擠壓盤的揉搓擠壓作用下實現破殼。如蘇有良[43]設計的堅果脫殼分選機，柴金旺[44]設計的核桃脫殼機。這種破殼機加工前需對核桃進行分級，還需調整破殼間隙；揉搓擠壓盤直徑是影響生產率的重要因素，所以該機效率低；揉搓擠壓盤轉速過高會導致核桃仁破碎率增加，轉速過低會降低核桃破殼率。

1. 進料斗 2. 均料裝置 3. 調節螺栓 4. 減振彈簧 5. 機架 6. 上搓擦擠壓盤 7. 果仁緩沖網 8. 下搓擦擠壓盤 9. 分料斗 10. 出料口 11. 果仁出料口

3.4 撞擊式破殼法

3.4.1 氣動式核桃破殼機 利用氣體驅動氣缸內部活塞運動，使氣錘作往復運動敲打撞擊核桃，從而實現破殼作業。這種破殼機構(圖7)主要由氣缸、頂針、回位進氣管、擊打進氣管、擊打支座等組成。工作時，通過調節改變進氣、復位和泄氣3個壓力大小，實現氣錘往復運動，從而實現氣錘對核桃的撞擊破殼。如Savage等[45]發明的一種氣動式破殼裝置，史建新[46]發明的多工位氣動擊打式核桃破殼機，李忠新[47]發明的氣動式破殼機。這種破殼方法需先對核桃長徑兩端進行定位，適用于長型核桃的加工，不太適應于中國核桃品種，且生產率受氣錘往復運動的限制，比較低，設備制造成本高，不適宜廣泛推廣。

1. 氣缸 2. 擊打進氣管 3. 回位進氣管 4. 頂針 5. 核桃6. 擊打支座圖7 氣動式破殼裝置Figure 7 Pneumatic striking mechanism

3.4.2 離心撞擊式破殼機 利用高速旋轉的轉盤將核桃甩出并撞擊在導向板上，從而實現破殼。該破殼機(圖8)主要由進料口、導向板、轉盤、機體、電機、傳動軸、出料口組成。動力由電機通過皮帶輪傳遞給傳動軸，帶動轉盤旋轉；轉盤由若干個葉片和安裝盤組成，轉盤與導向板之間的水平間隙應根據核桃品種及尺寸確定；工作時，核桃被高速旋轉的轉盤甩出，使核桃以較快的速度撞擊在導向板上，碰撞后實現破殼，最后沿導料板的方向通過通風道到達出料口排除機體外。如李忠新等[48]發明的核桃破殼機，王曉暄等[49]研究的離心式核桃二次破殼機，當撞擊桶錐角ɑ=30，離心板轉速n=420 r/min，撞擊桶間距L=273 mm時，有效破殼率≥80%，損失率≤1.89%。這種破殼機雖然結構簡單，但在高速的撞擊過程中核桃仁的完整率低、核桃仁破碎率高。

1. 進料口 2. 導向板 3. 轉盤 4. 機體 5. 電機 6. 傳動軸 7. 出料口

3.4.3 機械臂敲擊破殼裝置 利用擊打板敲擊載料滾筒凹槽中固定的核桃，實現破殼。該裝置(圖9)主要由撥料輪、喂料滾筒、載料滾筒、擊打板等部件組成。喂料滾筒與載料滾筒具有相同的外徑，并且兩者具有相同的轉速，轉向相反。核桃經喂料滾筒最底部的矩形凹槽進入載料滾筒最頂端的凹槽中，被擊打板敲擊后實現破殼。如丁冉等[50]設計的敲擊式山核桃破殼機，當山核桃含水率為14.55%～16.35%，直徑為18～22 mm(沿縫合線方向)時，生產率為94.93 kg/h，破殼率為99.41%，核桃仁破損率為 6.25%。這種破殼方法生產率低、破殼后核桃仁完整率低。

1. 核桃 2. 撥料輪 3. 喂料滾筒 4. 擋板 5. 載料滾筒 6. 擊打板

4 核桃破殼機械存在的問題

隨著經濟的發展、科技的進步和人類生活水平的不斷提高，核桃種植面積、產量呈迅速上升趨勢，而且核桃消費方式也在不斷更新升級，精深加工需求量日益擴大，所以核桃機械化破殼設備的重要性顯得尤為突出。國內外核桃破殼設備雖然在方式、種類以及數量上比較多，但仍然存在以下問題：

(1) 適應通用性差：由于中國核桃品種繁雜，且差異性大，核桃殼外形、硬度、厚度以及殼仁間隙都有所不同，破殼難度大。國外的設備雖然比較成熟，但對中國核桃品種存在適應性差的問題，而且價格比較昂貴。中國現有的破殼機一般只能適用于單一品種，或者通過更換關鍵部件以滿足多個核桃品種加工，設備適應通用性差。

(2) 加工效果不理想：由于加工的核桃存在品種混雜的問題，核桃物理特性不同，造成加工過程中破殼率低、破殼不完全、核桃仁完整性差、破碎率過高，降低了核桃仁的附加值。

5 結論及展望

核桃破殼機械存在的問題嚴重影響了核桃破殼技術及設備的推廣應用，因此，需要對現有破殼技術及設備進行改進和優化。閆茹等[27]運用Workbench對核桃的3種力加載方式進行了應力和應變分析，得出了最佳的破殼方式；潘佰強[51]利用微機控制電子拉壓試驗機進行了不同方向核桃受壓的力學試驗，測定了核桃破損時的破損力；王維等[52]采用ANSYS板殼結構有限元分析法，從加載方向、加載方式以及核桃外形尺寸大小等方面進行了核桃的力學特性試驗。但現有的核桃破殼設備依然存在加工效果差、品種適應性差、智能化水平低等問題。因此，核桃破殼研究有待進一步深入，需加強對核桃破殼機理共性問題的研究。后續可在開展核桃物理特性及特點研究的基礎上，建立核桃物理特性以及力學加工特性數據庫，通過對不同破殼原理方式的影響因素的分析，建立智能化的核桃破殼處理工藝方法，為提高核桃加工裝備的智能化及適應性提供技術支撐。此外，還可對破殼關鍵部件進行新材料方面的研究，以達到提高破殼率、降低核桃仁損傷率的目的。