番茄表皮恒壓蒸汽熱燙及真空處理系統(tǒng)的研制

張 聰 林立雪

（1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510630；2.廣州南聯(lián)實(shí)業(yè)有限公司，廣東 廣州 510540）

在番茄整果及其丁塊罐頭的生產(chǎn)過(guò)程中，需要徹底去除表皮。去皮需經(jīng)過(guò)系列加工工序，首先要進(jìn)行表皮熱處理，經(jīng)此工序的目的主要是令番茄表皮松軟，與內(nèi)部果肉組織離解，便于下一道脫皮工序輕易及徹底地撕脫表皮。傳統(tǒng)的表皮熱處理工藝主要有熱水漂燙和蒸汽熱燙兩種方式。熱水溫度為85～98℃，漂燙時(shí)間一般為10～40s，最大到60s；蒸汽壓力0.03～0.06MPa，熱燙時(shí)間10～20s［1－3］。

實(shí)現(xiàn)上述工藝的設(shè)備主要有網(wǎng)帶輸送式和螺旋滾筒式兩種。前者采用不銹鋼網(wǎng)帶輸送果蔬，后者采用內(nèi)壁帶螺旋的臥式滾筒輸送果蔬，在輸送過(guò)程接受熱水漂燙，或蒸汽熱燙［4，5］。這兩類傳統(tǒng)的設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中存在明顯的缺陷：① 熱水漂燙的溫度受限，加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熱力穿透果肉組織，易造成皮肉粘連；② 蒸汽熱燙的壓力不恒定，溫度難以控制，物料加熱不均勻；③ 均為敞開式的入料和出料口，散熱量大，耗能嚴(yán)重；④ 加工過(guò)程易損傷果肉，經(jīng)去皮后，破裂果一般達(dá)到20%～30%［6］，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。

番茄表皮熱處理最理想的形式是：在熱力未滲透果肉組織前，表皮獲得迅速、均勻的加熱而能與果肉組織發(fā)生離解。與此同時(shí)，為保證連續(xù)加工處理，物料必須流暢輸送并經(jīng)歷相應(yīng)工序，在此過(guò)程應(yīng)避免機(jī)械損傷。歐洲一些先進(jìn)設(shè)備已實(shí)現(xiàn)了蒸汽恒壓熱燙等功能。近年中國(guó)少量引進(jìn)了該類設(shè)備，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，且價(jià)格高昂，難以推廣。

鑒于此，本項(xiàng)目組研究了新型的工藝技術(shù)，開發(fā)高質(zhì)高效的設(shè)備，集熱燙、真空處理等工序于一體，加工過(guò)程可維持蒸汽壓力恒定、加熱溫度可調(diào)可控，特別是增加了真空處理，可促使表皮與果肉組織之間包含的薄層氣體快速膨脹，實(shí)現(xiàn)皮肉的快速分離，適應(yīng)規(guī)模化生產(chǎn)。

1 工藝流程及設(shè)計(jì)方案

1.1 工藝流程及加工設(shè)備

1.1.1 螺旋推進(jìn)式恒壓熱燙和真空處理設(shè)備 其工藝流程：

自動(dòng)入料→蒸汽（恒壓）熱燙→真空處理→自動(dòng)出料

1.1.2 貯罐內(nèi)旋式恒壓熱燙和真空處理設(shè)備 其工藝流程：

自動(dòng)入料→蒸汽（恒壓）熱燙→過(guò)熱水漂燙→真空處理→自動(dòng)出料

1.2 關(guān)鍵技術(shù)難題

（1）物料在熱燙過(guò)程保持蒸汽恒壓，即使連續(xù)入料和出料也不受影響。

（2）物料蒸汽熱燙處理后要轉(zhuǎn)入真空處理，需確保各種加工環(huán)境相互隔離而不干涉。

（3）物料在連續(xù)輸送過(guò)程頻繁轉(zhuǎn)換處理?xiàng)l件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須高效運(yùn)轉(zhuǎn)而不會(huì)對(duì)物料產(chǎn)生機(jī)械損傷。

2 設(shè)備基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 螺旋推進(jìn)式設(shè)備

2.1.1 總體結(jié)構(gòu) 如圖1所示，本設(shè)備主體由蒸汽處理器4、真空處理器5和進(jìn)料轉(zhuǎn)閥1、過(guò)渡轉(zhuǎn)閥2、出料轉(zhuǎn)閥3組成。進(jìn)料轉(zhuǎn)閥1和出料轉(zhuǎn)閥3之間形成一個(gè)與外部隔絕的密封體系［7］。

圖1 螺旋推進(jìn)式恒壓熱燙和真空處理設(shè)備總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 1 Overall structural diagram of screw propulsion type constant pressure scalding and vacuum processing equipment

2.1.2 蒸汽處理器和真空處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 蒸汽處理器4的實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)是一個(gè)螺旋輸送器。減速電機(jī)A驅(qū)動(dòng)螺旋芯軸，帶動(dòng)螺旋旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)物料的推進(jìn)輸送。蒸汽處理器的筒體A上部設(shè)置若干個(gè)連接頭（圖1所示為3個(gè)）連接蒸汽管6。蒸汽由蒸汽管6輸入，通過(guò)筒體A上布置的連接頭噴入，均勻充滿筒體內(nèi)部。

真空處理器5的結(jié)構(gòu)與蒸汽處理器4的結(jié)構(gòu)相似，同樣是一個(gè)螺旋輸送器，其筒體B上部設(shè)置若干個(gè)連接頭（圖1所示為2個(gè)）連接真空管7。工作時(shí)，減速電機(jī)B驅(qū)動(dòng)螺旋B旋轉(zhuǎn)，推進(jìn)輸送物料。而真空泵（圖1中無(wú)標(biāo)示）則通過(guò)真空管7對(duì)真空處理器抽真空，使其筒體B內(nèi)部形成真空狀態(tài)。

2.1.3 轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)備配置3個(gè)轉(zhuǎn)閥，分別是進(jìn)料轉(zhuǎn)閥、過(guò)渡轉(zhuǎn)閥和出料轉(zhuǎn)閥，結(jié)構(gòu)相同，如圖2所示。閥體1和前后側(cè)封座4構(gòu)成一個(gè)圓筒內(nèi)腔，葉輪3在其內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

葉輪3由多個(gè)圓周均布的葉片組成一體（圖2所示為6片），葉片形狀為矩形。葉片頂部與轉(zhuǎn)軸2平行的邊緣鑲嵌彈性刮板，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可與閥體1內(nèi)圓周壁貼合滑動(dòng)；側(cè)封座4的內(nèi)壁平面彈性壓合葉片的側(cè)邊緣。

由于葉輪3分別與閥體1的內(nèi)圓周壁和側(cè)封座4的內(nèi)壁平面貼合滑動(dòng)密封，因此共同構(gòu)成若干個(gè)截面為扇形的密封腔（如主視圖所示），隨著葉輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，密封腔隨葉片移動(dòng)。

物料由轉(zhuǎn)閥上方入口輸進(jìn)，落入葉片之間的空腔，隨葉片旋轉(zhuǎn)進(jìn)入扇形密封腔。葉片轉(zhuǎn)至下方位置時(shí)，空腔連通出料口，物料卸出。由此可見(jiàn)，在物料入口和出口過(guò)程中，經(jīng)歷半圓周的密封階段。因此，通過(guò)轉(zhuǎn)閥可把入口和出口所處位置分隔為兩個(gè)獨(dú)立的空間。

圖2 轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structural diagram of rotary valve

2.2 貯罐內(nèi)旋式設(shè)備

2.2.1 總體結(jié)構(gòu) 如圖3所示，本設(shè)備主要由處理罐1、進(jìn)料轉(zhuǎn)閥2和出料轉(zhuǎn)閥3組成。處理罐1是設(shè)備的主體，傾斜布置，罐體中心軸線與水平面成45°，由機(jī)座4支承。

圖3 貯罐內(nèi)旋式恒壓熱燙和真空處理設(shè)備總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 3 Overall structural diagram of tank internal rotation type constant pressure scalding and vacuum processing equipment

進(jìn)料轉(zhuǎn)閥2安裝在處理罐1上部，其出口通過(guò)法蘭聯(lián)接入料管5；出料轉(zhuǎn)閥3安裝在處理罐1下部，其入口通過(guò)法蘭聯(lián)接出料管6。由于進(jìn)料轉(zhuǎn)閥2和出料轉(zhuǎn)閥3的阻隔作用，使處理罐1的內(nèi)部空間形成一個(gè)與外部隔絕的相對(duì)密封的體系［8］。

2.2.2 處理罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 處理罐的罐體由上罐體7和下罐體8兩半部分組成，通過(guò)法蘭密封聯(lián)接成一體。

罐體內(nèi)部固定安裝有3塊圓形隔板，分別是上隔板12、中隔板14、下隔板16。中隔板14處于罐體中間法蘭聯(lián)接的位置，上隔板12和下隔板16對(duì)稱安裝于中隔板14兩側(cè)。上隔板12和下隔板16之間，被中隔板14分隔成兩個(gè)容積相同的圓柱狀空間。

綜合圖3和圖4進(jìn)行分析。圖4是處理罐的截面視圖，圖4（b）中，中隔板14在中心水平線位置加工有一個(gè)橢圓形通孔M，可連通上下兩個(gè)圓柱狀空間。圖4（a）中，上隔板12加工有圓孔K，其位置以中心水平線為基準(zhǔn)向上偏離角度α，孔K與入料管5連通。圖4（c）中，下隔板16加工有橢圓形孔N，其位置以中心水平線為基準(zhǔn)向下偏離角度β，孔N與出料管6連通。 驅(qū)動(dòng)軸11安裝在罐體中心線位置，由上而下穿越上隔板12、中隔板14和下隔板16。驅(qū)動(dòng)軸11的下端軸頭安裝在下軸承座18上，其上端軸頭安裝在上軸承座10上，并伸出罐體上部，軸端裝配有鏈輪9。上下軸承座均帶密封裝置。

圖4 處理罐截面圖Figure 4 The tank section view

驅(qū)動(dòng)軸11中部裝配兩套結(jié)構(gòu)相同的刮板裝置，在上隔板12和中隔板14之間，裝配有上刮板裝置13；在中隔板14和下隔板16之間，裝配有下刮板裝置15。如圖4所示，刮板裝置由12塊矩形平板組成，以驅(qū)動(dòng)軸11為中心放射狀布置，圓周均勻分布，形成一體化的撥輪狀結(jié)構(gòu)。刮板裝置的高度和外徑與隔板之間的圓柱狀空間相配合。

驅(qū)動(dòng)軸11旋轉(zhuǎn)時(shí)可帶動(dòng)上刮板裝置13和下刮板裝置15同步回轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)軸11的動(dòng)力來(lái)源于鏈輪9，工作時(shí)，減速機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鏈輪9運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過(guò)蒸汽管20可對(duì)處理罐輸入蒸汽，冷卻水通過(guò)進(jìn)水管19輸入處理罐內(nèi)，閥門17的作用主要是調(diào)節(jié)處理罐內(nèi)的貯水量。

2.2.3 真空轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)備配置進(jìn)料轉(zhuǎn)閥2和出料轉(zhuǎn)閥3，結(jié)構(gòu)與前述螺旋推進(jìn)式設(shè)備基本相似，不同之處是出料轉(zhuǎn)閥還配有真空接頭，可連通真空系統(tǒng)，如圖5所示。番茄在出料轉(zhuǎn)閥的運(yùn)行過(guò)程中，同時(shí)可進(jìn)行抽真空處理。

圖5 出料轉(zhuǎn)閥Figure 5 Structural diagram of rotary valve

3 設(shè)備工作流程

3.1 螺旋推進(jìn)式設(shè)備

如圖1所示，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，番茄經(jīng)歷如下行程：

（1）番茄由進(jìn)料轉(zhuǎn)閥1上部的入料口輸進(jìn)，不間斷充滿轉(zhuǎn)閥葉片之間的空腔，并隨轉(zhuǎn)閥逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行至轉(zhuǎn)閥下部出料口，落入蒸汽處理器4。

（2）在蒸汽處理器4內(nèi)部，番茄被螺旋帶動(dòng)，由左至右運(yùn)行，直至在右端的出料口落入過(guò)渡轉(zhuǎn)閥2的內(nèi)腔。在這一過(guò)程，蒸汽管6輸入蒸汽，充滿蒸汽處理器4內(nèi)部，使番茄在運(yùn)行中接受蒸汽的熱燙。由于蒸汽處理器4的入料口和出料口分別安裝有入料轉(zhuǎn)閥1和過(guò)渡轉(zhuǎn)閥2，因此其內(nèi)部形成一個(gè)密閉的獨(dú)立空間，可確保其內(nèi)的蒸汽不泄漏，維持氣壓和溫度的恒定。

（3）落入過(guò)渡轉(zhuǎn)閥2內(nèi)腔的番茄，隨葉片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至下部出料口，進(jìn)入真空處理器5。

（4）在真空處理器5內(nèi)部，番茄被螺旋帶動(dòng)，由右至左運(yùn)行，直至在左端的出料口落入出料轉(zhuǎn)閥3的內(nèi)腔。在這一過(guò)程，真空泵系統(tǒng)通過(guò)真空管7對(duì)真空處理器5抽真空，使其內(nèi)部處于真空狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)番茄的真空處理。

（5）落入出料轉(zhuǎn)閥3內(nèi)腔的番茄，隨葉片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至下部出料口。

本設(shè)備通過(guò)3個(gè)轉(zhuǎn)閥的安裝聯(lián)接，使蒸汽處理器和真空處理器內(nèi)部分別形成相對(duì)密閉的處理空間，既滿足番茄的自由進(jìn)出運(yùn)行，又可維持其內(nèi)壓力和溫度的恒定，使產(chǎn)品的加工質(zhì)量保持一致。

3.2 貯罐內(nèi)旋式設(shè)備

圖6顯示處理罐內(nèi)物料的運(yùn)行原理。通過(guò)進(jìn)水管把水注入罐內(nèi)，在罐底部分形成一定的液面。蒸汽通過(guò)蒸汽管通入處理罐內(nèi)，形成一定壓力和溫度的內(nèi)部環(huán)境。由于處理罐的上部入料口和下部出料口分別安裝有入料轉(zhuǎn)閥和出料轉(zhuǎn)閥，因此其內(nèi)部形成一個(gè)密閉的獨(dú)立空間，可確保充入其內(nèi)的蒸汽不泄漏，維持其內(nèi)氣壓和溫度的穩(wěn)定。

圖6 貯罐內(nèi)旋式恒壓熱燙和真空處理設(shè)備工作原理圖Figure 6 Working principle diagram of tank internal rotation type constant pressure scalding and vacuum processing equipment

結(jié)合圖3、4與6進(jìn)行分析，物料經(jīng)歷如下行程：

（1）番茄由進(jìn)料轉(zhuǎn)閥2上部的入料口輸進(jìn)，不間斷充滿轉(zhuǎn)閥葉片之間的空腔，并隨轉(zhuǎn)閥逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行至轉(zhuǎn)閥下部出料口，流進(jìn)入料管5，通過(guò)上隔板12的圓孔K，落入上隔板12和中隔板14組成的圓柱空間中，均布在上刮板裝置13的間隔內(nèi)，被刮板帶動(dòng)逆時(shí)針回轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖4）。

（2）番茄在上刮板裝置13帶動(dòng)回轉(zhuǎn)過(guò)程，處于蒸汽熱燙處理的環(huán)境中。番茄被上刮板帶動(dòng)逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，自圓孔K對(duì)應(yīng)位置，旋轉(zhuǎn)（360°－α）角度，到達(dá)橢圓孔 M位置（見(jiàn)圖4）。在此，番茄通過(guò)橢圓孔M落入中隔板14和下隔板16組成的圓柱空間中，均布在下刮板裝置15的間隔內(nèi)，被刮板帶動(dòng)繼續(xù)逆時(shí)針回轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖4）。

（3）番茄被下刮板帶動(dòng)逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，自橢圓孔M對(duì)應(yīng)位置開始，旋轉(zhuǎn)約90°后，完全沒(méi)入過(guò)熱水中，在液面下運(yùn)行；番茄隨刮板旋轉(zhuǎn)自M對(duì)應(yīng)位置開始經(jīng)過(guò)（360°－β）角度后，到達(dá)橢圓孔N位置（見(jiàn)圖4）。在此前，番茄離開液面，完成過(guò)熱水漂燙，隨后通過(guò)橢圓孔N流入出料管6，并進(jìn)入出料轉(zhuǎn)閥3。

（4）落入出料轉(zhuǎn)閥3內(nèi)腔的番茄，隨葉輪的葉片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)真空接頭對(duì)應(yīng)的扇形腔室，實(shí)現(xiàn)真空處理。隨后，番茄繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)閥下部出料口，卸出。

在整個(gè)工作流程中，番茄在處理罐內(nèi)從上而下連續(xù)流動(dòng)，在上刮板和下刮板帶動(dòng)下經(jīng)歷兩層圓周運(yùn)行，依次完成蒸汽熱燙、過(guò)熱水漂燙，最后在出料閥中經(jīng)過(guò)真空處理。作為可選加工方案，該設(shè)備還有兩種工藝流程可選擇：?jiǎn)为?dú)蒸汽熱燙、單獨(dú)過(guò)熱水漂燙。

4 工藝特點(diǎn)及關(guān)鍵參數(shù)的確定

番茄熱燙后即時(shí)經(jīng)過(guò)真空處理的加工工藝具有顯著的特點(diǎn)：在壓差的作用下，表皮與果肉組織之間包含的薄層氣體快速膨脹，導(dǎo)致果皮與果肉加速及全面的離解；與此同時(shí)，真空處理可實(shí)現(xiàn)快速降溫，并且有效回收番茄熱燙皮裂后析出的汁液，又可除去其皮屑、殘余水分及氣體。

經(jīng)檢驗(yàn)，確定兩種加工設(shè)備的關(guān)鍵可控參數(shù)，見(jiàn)表1。兩種設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中，在熱燙方式和溫度、真空度、處理時(shí)間等工藝參數(shù)設(shè)定的條件下，針對(duì)同一品種的番茄進(jìn)行熱燙和真空處理，然后經(jīng)過(guò)同一型號(hào)的全自動(dòng)蔬果搓皮機(jī)和連續(xù)自動(dòng)對(duì)輥式去皮機(jī)去皮［9，10］，得出表2的對(duì)比數(shù)據(jù)，可供參考。

表1 設(shè)備設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key design parameters of equipment

表2 設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of equipment production data

表2 設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of equipment production data

通過(guò)連續(xù)自動(dòng)對(duì)輥式去皮機(jī)去皮。

設(shè)備類型熱燙溫度/℃蒸汽熱燙時(shí)間/s過(guò)熱水漂燙時(shí)間/s真空度/－kPa真空時(shí)間/s破裂果/%去皮率/%螺旋推進(jìn)130±1 5 3 90 4 0.7 98.0 110±1 8 0 90 4 1.0 96.5貯罐內(nèi)旋

5 結(jié)論

前述兩種新型加工設(shè)備，共同點(diǎn)是可維持加工中蒸汽壓力和溫度的恒定，同時(shí)均可于熱燙后實(shí)現(xiàn)真空處理。兩種設(shè)備相比較，螺旋推進(jìn)式設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，維護(hù)較容易；貯罐內(nèi)旋式設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，維護(hù)較困難。相較于螺旋推進(jìn)式設(shè)備，貯罐內(nèi)旋式設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)中更顯優(yōu)越性，可適應(yīng)多種加工工藝方案，其壓力、溫度、時(shí)間等工藝參數(shù)調(diào)整范圍更廣更靈活。另外，由于輸送物料方式的不同，貯罐內(nèi)旋式設(shè)備對(duì)物料的完整性保護(hù)更好，即機(jī)械損傷更小。

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