摘 要:坚果破壳取仁是坚果深加工的基础,是提高坚果附加值的重要途径,壳仁分离是坚果破壳取仁的重要工序,是提高坚果壳仁分净率和降低损失率所面临的一个重要技术难题.为此,简要介绍了国内外坚果壳仁分离的现状,重点从壳仁分离技术、壳仁混合物空气动力学特性及壳仁分离机械三方面进行了详细阐释,分析了坚果壳仁分离加工中存在的不足,指出今后坚果壳仁分离的发展方向,旨在为坚果壳仁分离术及分离设备的开发研究提供参考.
关键词:坚果; 壳仁分离; 空气动力特性;
作者简介: 马佳乐(1991-),女,西安人,讲师,硕士,(E-mail)mjljiale@163.com.; *张永成(1991-),男,云南楚雄人,讲师,硕士,(E-mail)yczh0802@163.com.;
基金: 兵团中青年科技创新领军人才计划项目(2018CB014); 国家自然科学基金项目(31560341); 塔里木大学校长基金青年项目(TDZKQN201813);
Research Status and Analysis of Nut Shell and Kernel Separation
Abstract:Taking out the nut kernel from breaking its shell is the foundation of nut deep processing, and also the main step in increasing the value of nut, while nut shell and kernel separation is the key procedure but a key technical challenge we are faced to improve shell kernel separation rate and reduce the loss rate. This paper briefly introduced the current research status,focusing on shell and kernel separation technologies,aerodynamic characteristics of the mixture, and the recent nut shell and kernel separation machines, then the insufficiencies of nut kernel separation processing were analyzed and the future development directions for nut kernel separation were put forward in order to provide the references for following research of nut kernel separation technology and separation equipment.
Keyword:nut; nut shell and kernel separation; aerodynamic characteristics;
0 引言
坚果是木本类植物的籽粒,具有坚硬或柔韧的外壳[1],较常见的坚果主要有核桃、巴达木、开心果、碧根果、香榧、夏威夷果、板栗、杏核、扁桃核、山核桃和松籽等[2].坚果营养物质丰富,是多不饱和脂肪酸、矿质元素、维生素、膳食纤维、抗氧化剂等营养要素和活性成分的优质来源,可促进人体正常的脂质代谢,提高机体抗氧化的能力[3],对人体生长发育、增强体质及预防疾病有极好的功效[4].因其具有饱腹感强、保健效果好等特点,备受消费者的推崇,逐步成为主流的健康休闲食品[5].
目前,针对坚果产后加工机械的研究中,破壳机械、干燥工艺等研究较多,壳仁分离相关内容研究较少,而壳仁分离是破壳取仁的重要工序,是坚果进行深加工和商品化的重要环节.因此,研发分离效率高、分离效果好、分净率高的壳仁分离设备,对推动坚果产业转型升级和提质增效,进一步促进我国农业增效、农民增收和农业产业现代化发展具有重要的现实意义.
1 坚果壳仁分离的现状
随着人们对美好生活需要的日益增长,坚果越来越受人民的欢迎,产量也逐年增加[6].面对这样的情况,市场上迫切需要能够快速实现壳仁分离的机械设备或加工生产线,以实现坚果加工的机械化、自动化.目前,坚果的壳仁分离主要还是以人工、半机械化为主[7],耗时长、劳动量大、生产效率低且杂质较多,食品卫生安全难以保证.坚果果仁油脂含量高,及时有效的初加工有利于防止坚果的哈败.
较好的壳仁混合物来源是坚果壳仁分离的重要保障.当前我国研发的破壳装备破壳效果参差不齐,尚存在很多不足,破壳后整仁率较低、破壳效率不高、核仁损伤率高等问题表现突出[8,9],使得破壳后壳仁混合物的分离难度增加,严重影响核仁的分离效果和商品价值.此外,壳仁分离方法和破壳后坚果壳仁混合物的物理特性也是影响壳仁分离效果的重要因素.目前,国内外对坚果壳仁分离机械进行了一些研究,但提高分离效率和壳仁分净率、降低损失率一直是亟待解决的问题.若能解决这些问题,将有助于坚果深加工产业的发展,对实现坚果加工的全程机械化具有非常重要的现实意义和理论研究价值.
2 国内外研究现状
2.1 壳仁分离技术的研究
物理特性分离法、静电壳仁分离法、磁选壳仁分离法等是目前在物料壳仁分离作业中常用的方法[7,10].
物理特性分离法主要是利用破壳后壳仁混合物的物理机械特性不同进行的分选方法,常用的方法有气流分选、比重分选和筛选[11,12].林恒善[13]对油菜气流清选时气流场进行了试验研究和数值模拟,为收获机械清选装置的研究开发提供了新的理论参考.高连兴[14]等测定了大豆脱离后壳仁混合物的漂浮速度,并根据漂浮速度设计了大豆气力式清选装置并进行了性能试验.Frarran G等对垂直气流作用下稻谷颍壳运动规律进行了研究[15].Gorial与O'Callaghan[16]研究了小麦脱粒后茎秆与籽粒混合物在垂直气流中的分离技术,发现悬浮速度、茎秆方位及长短等参数对于分离效果的好坏具有重大影响.
静电壳仁分离法主要根据坚果破壳后壳仁混合物间介电性质、导电特性的差异实现分离.丁进锋[17]研究发现:脱壳亚麻籽混合物的电阻率具有差异,采用静电分选的方式对亚麻籽实现了精确的壳仁分离.王兆臣[18]等发明了一种静电果壳仁分离机,破壳后坚果壳仁因介电特性不同产生极化,在电场的作用下发生偏移,实现壳仁分离,但对于较大颗粒的核桃壳仁分离效果并不理想.
磁选壳仁分离根据坚果壳仁导磁性差异实现壳仁分离的方法,其最先由Palaniappa Krishnan 教授提出[19],同时Krisman等[20]利用此方法进行了核桃壳仁的分离试验,取得了一定的分离效果.
此外,一些新的分选方法也在不断推广应用,如光电分选法、图像识别技术等,光电分选法是根据入射光照射到物料表面时因物料壳仁表面颜色的不同表现出不同的光学特性,从而实现壳仁分离的方法.陆振曦等[21]分析了农产品光学特性的检测原理和光电分选的发展趋势.张裕中等[12]介绍了光电色选技术及其应用过程中的有关技术问题,为光电色选技术的推广应用提供了参考.Jin Fenghua[22]等设计了一种采用背光照射的机器视觉系统,用于核桃壳仁的分离;由于核桃壳和仁的透光性不同,在背光照射下呈现出不同的纹理图案而进行分选,并通过试验表明该方法对核桃仁和核桃壳的分离是非常有效的,分离精度达98.2%,在核桃加工行业具有很大的应用潜力.R.P.Haff[23]等使用图像识别技术将开心果壳仁混合物中核仁和带壳开心果分离开,同时使用判别分析(DA)程序和K-近邻算法了进行测试,结果表明:规则带壳开心果的分净率分别为99.9%和99.9%,带壳小开心果的分净率为85%和96%.
2.2 空气动力特性研究
坚果破壳后壳仁混合物的空气动力特性,直接影响坚果破壳后壳仁分离的效果,对壳仁分离机械的研究开发具有重要的意义,国内外学者对物料空气动力特性进行了大量研究,为坚果壳仁分离机械的研究提供了可靠的依据.
高连兴等[14]通过试验测定了大豆脱出物的漂浮速度,为大豆脱粒机降低脱粒损失与含杂率、提高清选效果提供了重要的理论基础.张继成等[24]通过试验对5TZY-60型育种脱粒机脱出壳仁混合物的悬浮速度进行了测试,并得到了饱满大豆、颖壳和40、80、120mm 茎秆的悬浮速度,初步得到了最佳清选风速范围为小于11m/s.陈翠英[25]等测定了油菜脱出壳仁混合物的空气动力特性.刘艳艳等[26]测定了水稻脱出物中各组分的悬浮速度,为水稻气流清选提供了理论参考.
在坚果空气动力特性研究方面,蔺建涛通过测定了杏核壳仁的尺寸大小、悬浮速度和摩擦角,为杏核壳仁分离机的设计及工作参数的优化提供了可靠的理论依据[27].马豪等[28]针对新疆主要品种核桃进行了破壳后核桃物料各种成分含量、摩擦角的测定.马秋成[29]对加工后的莲子壳仁混合物组分进行了空气动力特性理论分析和试验验证,为莲子气力式壳仁分离获取了最佳气流速度范围.高连兴等[30] 以辽宁栽培的主要品种花生为研究对象,对花生脱壳机脱壳后壳仁混合物的空气动力学特性进行了测定并得到了壳仁混合物的漂浮系数.R.Khir和Z. Pan[31]研究发现不同品种的核桃含水量对其形态大小、末端气流速度、密度等都有很大的影响,提出可以通过含水量变化的趋势,指导核桃采后处理如分选、干燥等后续的加工设备的研发.朱占江等[32]采用比较研究的方法,对核桃壳仁分离装置分离腔流场均匀性进行了比较分析,增加了设备内部分离腔体空间的利用效率,为核桃壳仁气流分离时气固两相流的研究提供了基础.Nahal A. Mokhtari[33]通过气力技术研究脱壳核桃的分离,通过手工制作出两个核桃品种的大中小3种尺寸的核桃壳、核桃仁及未剥壳的仁,研究它们进料量、气流速度对分离效果的影响,获得了这3种尺寸的最佳分离速度,发现了核桃的品种、含水量、壳仁混合物尺寸大小、含水量及喂料速度对分离效果有很大的影响.
2.3 坚果壳仁分离机械的现状
在发达国家,坚果加工机械化程度很高,壳仁分离和深加工备受重视,但专门针对壳仁分离的设备并不多见[28].OH, JAE HEUN[34]发明了一种核桃去壳装置,能够实现自动供料和脱壳,并实现核桃壳和仁的分离,从而提高了去壳率,降低了仁损伤率.HEO, JONG HYEON[35]发明了一种松子去壳装置,能够将松子按尺寸分级后进行破壳,再通过负压将壳仁混合物中壳吸走,实现壳仁分离.
近年来,国内一些学者在传统剥壳机具的基础上,积极投入坚果壳仁分离机械的研究,取得了一定的进展[36],但主要集中在核桃壳仁分离的研究方面,其他坚果壳仁分离机械的研究鲜见报到.
马豪[28]通过对破壳后核桃物料中各种成分的含量、摩擦角、形态参数及空气动力学特性进行测定,从破壳后的核桃物料的厚度方向上通过筛分进行分离,使物料在振动筛和风机提供的气吸式气流场的共同作用下产生跳动和滑动,在重力的作用下逐渐透过各自筛孔,从而实现核桃仁、核桃壳、半截核桃和破开不完全核桃的分离;但该设备仅仅只能对核桃壳仁进行分离,是否适应其它坚果还未进行试验研究.王亚妮[37]等发明了一种气吸式风选核桃壳仁分离机,主要由供料装置、分选系统、卸料装置组成,根据破壳后壳仁混合物各组分悬浮速度的差异,通过改变风管尺寸改变风速,达到核桃壳、仁、隔膜分离的目的.季正俊[38]等发明了一种气吸式壳仁分离装置,主要由下料管、进料口、绞龙、抽风管及流量控制阀几部分组成,设备结构简单,操作方便;但壳仁分离不彻底,只能去除部分壳,且核仁在运输过程中在蛟龙的作用下会出现破碎,影响核仁质量.张开兴[39]等发明了一种山核桃风选式壳仁分离装置,主要由机架、落料口、振动板、驱动凸轮、风机及集料箱组成,破壳后的壳仁混合物在振动板的作用下被抛出,在向外吹的气流作用下因各成分空气动力学特性的不同而被分离.罗坤等[40]等发明了一种山核桃风选壳仁分离机,主要由风道、电磁振动给料机、离心调速风机、旋风除尘器及机架构成,通过电磁振动给料机均匀定量给料,进入风道的入料板上方,在离心调速风机产生的气流作用下实现山核桃壳仁分离,整机结构紧凑、布局合理、效率高,既可除尘又可进行筛选,适合山核桃产业全程机械化的生产,但气流直接透过筛孔,工作噪声大,能耗高.朱晓燕[41]发明了一种气吹式核桃壳仁分离装置,在破碎锤上下往复运动的过程中实现核桃压碎,压碎的核桃被推出到接料斗中,之后掉落到振动板上,在振动板振动作用下进入总成室;核桃在掉落过程中受到气流影响,因为壳仁密度不同导致在气流作用下速度不同,从而分别掉落在不同的储料槽中,实现核桃的壳仁分离.该装置结构紧凑,使用方便,大大提高了工作效率.张彦彬[42]等发明了一种核桃壳仁窝眼滚筒振动筛风力分离装置,主要由进料斗、窝眼滚筒装置和振动筛风力分离装置组成.工作时,破壳后的壳仁混合物先进入窝眼滚筒进行初选,核桃仁形状与窝眼滚筒窝眼形状相同的进入窝眼,同时进入的还有部分细小碎壳和轻薄的核桃内壳,经由V型槽挡板,由螺旋输送叶片输送至振动筛,在振动筛振动和风机气流压力的作用下实现壳仁分离.该机采用窝眼滚筒、振动筛和吹风机组合使用,分离干净高效,但核仁形状与窝眼存在差异或差异较大的核仁最终混杂在壳中,分离难度较大.田智辉[43]等设计了一种核桃破壳-壳仁分离生产线,壳仁分离前先有针对性的对壳仁混合物进行分级,初步分为1/2、1/4、1/8、1/16壳仁4级,确保了各级别混合物中核桃壳与仁的大小较为一致;之后,气吸式气流进行分选,极大提高了分选效果,降低了含杂率和损失率.朱占江[44]等研制了6HT-500型及6HT-600型核桃破壳-壳仁分离生产线,通过一条生产线实现了核桃破壳和壳仁分离两道工序,为了方便后续果仁的精深加工,还将果仁分为了1/2、1/4、1/16、1/8及分心木这5级,适应性进一步加强,破壳、壳仁分离效果好,生产效率高.杨军[45]、李忠新等[46]研究人员也对核桃初加工工艺、关键设备、成套设备进行了分析研究,并研制出了集核桃破壳-壳仁分级-壳仁气流分离为一体的核桃加工成套设备,并做了改进.
在其它坚果壳仁分离机械的研究方面,吐鲁洪·吐尔迪[47]等设计了一台集气力式和比重式风选的巴旦木壳仁分离机.工作时,在负压气流作用下,利用壳仁混合物悬浮速度差异,将1/3、1/4和细小杂质与仁分离开来.黄和祥[48]等设计了一款集振动分离、揉搓分离、抛掷分离与气流分离为一体的莲籽壳仁分离与清选机械,实现了莲籽混合物各组分的分离与清选.马秋成[29]自行研制了三辊轮莲子剥壳机,通过试验获得了实现莲子气力式壳仁分离的最佳气流速度范围,并研制了一台小型负压风力壳仁分离加工设备,但悬浮速度存在重叠的壳仁混合物难以实现彻底分离.史建新等[49]等发明了一种采用气流清选的坚果壳仁分离装置,能够实现坚果的二次破壳和破壳后壳仁混合物的分离.工作时,风机产生的气流进入分选装置的中空通风腔内,同时将壳仁混合物放入中空通风腔,壳仁混合物料在正压气流和重力的共同作用下因空气动力特性差异实现壳仁分离.该机适应性强,对杏核、松籽、核桃等多种坚果都具有较佳分选效果.蔺建涛[27]根据比重原理,综合考虑杏核破壳后壳仁的摩擦特性、密度和悬浮速度的异同,设计了一种吹气式杏核壳仁风选机.工作时,壳仁混合物在振动筛面和风机产生气流的作用下自动分层,实现壳仁分离,但整机的移动性能较差,对其他坚果物料的适应性尚需进一步研究.吕力[50]等发明了澳洲坚果壳仁分离机,以水为工作介质,根据果仁和果壳在水中比重和浮力不同的特性使得壳仁在水中的悬浮高度不同,壳和仁分别从上层果壳出料口、下层果仁出料口排出,实现壳仁的快速分离.该机适应性强,生产能力高,但整机结构较大,在分选过程中增加了果仁含水率,还需进行进一步干燥处理,增加了设备投资和功耗,同时碎仁会留存介质中,造成物料损失.
综上所述,坚果在壳仁分离技术、空气动力特性和壳仁分离机械的研究上都取得了较大的进展.采用气流分选是目前坚果壳仁分离机械的主要研究方向,但在壳仁分离效果方面却参差不齐,很多设备未能实现推广应用,仍然存在许多问题,集中表现在:
1)分离方法、处理方式较为单一.现存的坚果壳仁分离设备大多采用气流清选法,一些新技术、新方法很少推广应用,采用气流清选时大多坚果采用单一的气流清选难以达到较好的分离效果,往往悬浮速度有重叠的部分就很难彻底分离.
2)设备设计基础理论不健全,缺乏理论支撑,设备通用性差.我国坚果种类多,物理特性差异大,但针对坚果破壳后壳仁空气动力特性的研究较少,主要集中在核桃、莲子等少数坚果上,大部分坚果的破壳后壳仁混合物的空气动力特性有待研究,使得坚果壳仁分离装备整体设计过程中缺乏必要的系统理论参考和技术支撑.此外,就使用较多的气流清选方法而言,气流清选过程中气流场中气流分布规律、不同种类坚果壳仁混合物运动特性及分离过程中各因素对坚果壳仁分离的影响机理有待进一步研究,仍需科研技术人员开展大量的研究工作.
3)壳仁混合物质量参差不齐.破壳机破壳效果和破壳工艺直接决定了壳仁混合物的质量,是壳仁分离的重要前提,目前破壳设备种类数量较多,破壳效果参差不齐,给坚果壳仁分离带来了很大困难.
3 发展与展望
针对坚果壳仁分离加工中存在的问题,笔者认为今后坚果壳仁分离机具的发展中需考虑如下几个方面:
1)应用新技术、新思路和新方法来解决壳仁分离问题.不断进行优化和改进现有设备,在传统气流清选的基础上,加入一定的预处理或其他分选方法,以提高壳仁的分离效果.例如,在核桃壳仁气流分选前先进行分级处理,壳仁分净率和损失率大大降低.
2)加强理论研究,完善基础理论.不断开展不同坚果破壳后壳仁空气动力特性、深入风道内气流场分布规律及气流场中壳仁混合物运动特性研究,从机理上深入探索壳仁分离的可能性、适应性,建立坚果壳仁分离基础理论数据库,为通用性好、分离高效、功能齐全的壳仁分离机械研发和推广奠定基础.
3)加大坚果破壳机械的研发力度,提高破壳装备的破壳效果和机械化、自动化程度,为优质的壳仁混合物来源奠定良好的基础,助力坚果壳仁分离实现机械化,为坚果初加工的机械化、集约化、标准化、自动化发展提供.
4 结论
我国是坚果生产大国,坚果产量居世界第2位[51],但坚果壳仁分离机械发展起步晚,加工率很低,壳仁分离效果差,远远落后于坚果种植业的发展,市场上急需大量高效、优质的坚果机械加工,严重制约了产业的发展.针对当前我国坚果壳仁分离的研究现状及其存在问题,必须充分考虑各种坚果的共性和不同点,积极开展坚果壳仁分离机械的通用性和适应性研究,不断拓展新技术、新理论、新方法,加大坚果破壳机械和壳仁分离机械的研究开发,提高壳仁分离机械的系统化、自动化水平,为坚果精深加工产业的发展奠定良好的基础.
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