澳洲堅(jiān)果沖剪破殼試驗(yàn)研究

薛忠，王槊，范建新，宋剛，王剛，何鳳平，韓樹(shù)全

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091；2.貴州省農(nóng)科院 亞熱帶作物研究所，貴州 興義 562400)

澳洲堅(jiān)果(MacadamiaintegrifoliaMaiden&Betche)又稱夏威夷果，原產(chǎn)于澳大利亞昆士蘭州，主產(chǎn)地有澳大利亞、美國(guó)夏威夷、巴西、南非等，其果仁富含礦物質(zhì)、維生素以及人體必需的多種氨基酸，果皮富含飼料添加所需的蛋白質(zhì)和總糖，果殼可作為加工活性炭的原料，全身均有利用價(jià)值[1～3]。果皮粉碎后可用于家畜飼料的混合成份[4]。具有非常高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，享有“堅(jiān)果之王”的美譽(yù)。

國(guó)外已開(kāi)始進(jìn)行澳洲堅(jiān)果果殼、果仁的綜合開(kāi)發(fā)利用[5，6]，我國(guó)也正在進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)利用的研究性工作[7，8]，主要在廣東、廣西、云南、福建等地。截止2017年底全國(guó)種植面積總種植面積超過(guò)12.73萬(wàn)hm2，隨著國(guó)內(nèi)澳洲堅(jiān)果種植面積的不斷增加，適時(shí)研發(fā)高效、中小型的加工機(jī)械業(yè)已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸和關(guān)鍵。

由于國(guó)內(nèi)澳洲堅(jiān)果破殼工藝研究起步較晚，幾乎全部破殼設(shè)備要求對(duì)殼果進(jìn)行先分級(jí)后加工，加工方式主要集中在鋸殼、擠壓、剪切3種方式。鋸殼破殼方式對(duì)殘留的木質(zhì)粉塵清除要求較高，而且鋸殼過(guò)程中，局部高溫導(dǎo)致產(chǎn)生焦油類物質(zhì)，附著在果仁上，不利于健康；擠壓破殼存在開(kāi)口率低、碎仁率高、機(jī)械適性差等缺點(diǎn)；剪切破殼目前主要集中在手動(dòng)、半自動(dòng)破殼機(jī)械，效率低，危險(xiǎn)系數(shù)高，全自動(dòng)剪切破殼技術(shù)國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道。針對(duì)澳洲堅(jiān)果帶殼果外形尺寸及果殼屬脆性材料的特點(diǎn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研究了一種基于V型雙通道破殼腔，無(wú)需對(duì)帶殼果進(jìn)行分級(jí)，適用于連續(xù)加工不同果徑，利用“沖擊+剪切”的破殼方式的新型破殼裝備。

1 破殼機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 沖剪式破殼機(jī)結(jié)構(gòu)組成

沖剪式破殼機(jī)主要由機(jī)架、電機(jī)、電控箱、進(jìn)料箱、電磁振動(dòng)器、喂料導(dǎo)槽、破殼裝置、出料導(dǎo)槽等組成，其工作部件大致可分為進(jìn)料裝置、破殼裝置、出料裝置3個(gè)部分(圖1)。

圖1 沖剪式澳洲堅(jiān)果破殼機(jī)Fig.1 Macadamia nut cracking machine with impacting and shearing1.機(jī)架； 2.電機(jī)； 3.罩蓋； 4.電控箱； 5.進(jìn)料箱； 6.電磁振動(dòng)器； 7.喂料導(dǎo)槽； 8.破殼裝置； 9.出料導(dǎo)槽

破殼機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)：

外形尺寸/mm：1 115×500×1 240

配套電機(jī)功率/kW： 1.5

刀盤轉(zhuǎn)速/r·min-1：300～500

純工作小時(shí)生產(chǎn)率/kg·h-1： ≥90.00

破殼率/%：≥95.00

凈仁率/%：≥23.00

整仁率/%：≥90

1.2 沖剪式破殼機(jī)工作過(guò)程

工作時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)和電磁振動(dòng)器，進(jìn)料箱內(nèi)的澳洲堅(jiān)果隨著振動(dòng)均勻地以一定流量從出口排出，進(jìn)入到一同振動(dòng)的喂料導(dǎo)槽后排列成一隊(duì)，然后順序地喂入破殼裝置進(jìn)行破殼。破殼后的果仁和果殼經(jīng)出料導(dǎo)槽的出料緩沖板的緩沖后由出料口流出，整個(gè)加工過(guò)程結(jié)束。

1.3 沖剪式破殼原理

破殼機(jī)的沖剪式破殼裝置[9]主要由破殼室、外殼、動(dòng)刀盤、動(dòng)破殼刀、靜破殼刀、動(dòng)刀盤軸等組成，采用雙通道、連續(xù)喂料、連續(xù)排料的工作模式以提高破殼生產(chǎn)率，動(dòng)、靜破殼刀相遇時(shí)設(shè)計(jì)成V型間隙，一方面實(shí)現(xiàn)良好的果實(shí)尺寸適應(yīng)性，另一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)澳洲堅(jiān)果的剪切和擠壓作用，電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)刀盤軸，料箱中的澳洲堅(jiān)果由喂料導(dǎo)槽分別送入破殼室中動(dòng)刀盤的兩側(cè)，動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)并由其上的動(dòng)破殼刀強(qiáng)制澳洲堅(jiān)果一起運(yùn)動(dòng)，澳洲堅(jiān)果首先與靜破殼刀相遇形成沖擊破殼作用，之后由動(dòng)破殼刀與靜破殼刀的V型間隙配置形成對(duì)澳洲堅(jiān)果的剪切和擠壓作用，澳洲堅(jiān)果外殼破碎后形成的混合物由動(dòng)破殼刀排出破殼室，破殼過(guò)程結(jié)束。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

采集南亞熱帶植物園中的澳洲堅(jiān)果作為試驗(yàn)材料，并將其烘干到含水率在2%～5%范圍內(nèi)。

2種試驗(yàn)樣機(jī)是沖剪式澳洲堅(jiān)果破殼機(jī)(自制)和沖擊式澳洲堅(jiān)果破殼機(jī)(河南鄭州產(chǎn))。試驗(yàn)用的儀器和工具主要是SFY-60 型紅外線快速水分測(cè)定儀、游標(biāo)卡尺、電子秤和秒表等。

2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)時(shí)，2種破殼機(jī)采用相同的轉(zhuǎn)速，測(cè)定破殼率、整仁率、生產(chǎn)率等3個(gè)指標(biāo)。測(cè)定每次試驗(yàn)前澳洲堅(jiān)果樣品的個(gè)數(shù)和總質(zhì)量，對(duì)試驗(yàn)后破殼機(jī)排出物中的各個(gè)成份進(jìn)行分揀，分別測(cè)定其質(zhì)量，并測(cè)定破殼加工后未破殼堅(jiān)果的個(gè)數(shù)，并通過(guò)如下計(jì)算方法分別求出相應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)。

破殼率，指破殼加工后達(dá)到破碎標(biāo)準(zhǔn)的堅(jiān)果個(gè)數(shù)占喂入堅(jiān)果總個(gè)數(shù)的百分率：

(1)

式中：BR為破殼率/%；A為破殼堅(jiān)果的個(gè)數(shù)；C為喂入堅(jiān)果的總個(gè)數(shù)。

依據(jù)澳洲堅(jiān)果果仁標(biāo)準(zhǔn)[10]，整仁率定義為完整堅(jiān)果仁的質(zhì)量占喂入堅(jiān)果仁總質(zhì)量的百分率：

(2)

式中：WR為整仁率/%；W為完整堅(jiān)果仁的質(zhì)量/kg；F為喂入堅(jiān)果仁的總質(zhì)量/kg。

生產(chǎn)率，指破殼機(jī)工作過(guò)程中單位時(shí)間所加工堅(jiān)果的質(zhì)量：

(3)

式中：WR為生產(chǎn)率/kg·h-1；RT為規(guī)定時(shí)間內(nèi)加工堅(jiān)果的質(zhì)量/kg；T為規(guī)定的加工時(shí)間/h。

測(cè)定的生產(chǎn)率值愈大，則表明破殼機(jī)的加工效率或加工能力愈高，而測(cè)定的破殼率、整仁率等值愈大，則表明破殼機(jī)對(duì)澳洲堅(jiān)果的加工質(zhì)量愈好。

2.3 試驗(yàn)堅(jiān)果預(yù)處理

根據(jù)實(shí)際情況，澳洲堅(jiān)果的果實(shí)可分為2級(jí)，分別為大果(>26 mm)和小果(≤26 mm)，表1中的每個(gè)試驗(yàn)處理均選取人工干燥后的澳洲堅(jiān)果5 kg作為一個(gè)破殼試驗(yàn)樣本[11]，全部試驗(yàn)耗用60 kg澳洲堅(jiān)果。考慮到果仁含水率的影響[12,13]，從每個(gè)樣本中抽取部分樣品，經(jīng)人工敲打分離果殼及果仁，將樣品磨碎至粉末狀，用SFY-60 型紅外線快速水分測(cè)定儀測(cè)定其含水率，含水率值介于2%～5%時(shí)判定為合格樣本則可用于試驗(yàn)。

3 破殼機(jī)性能的試驗(yàn)比較

3.1 試驗(yàn)方案

為測(cè)定沖剪式破殼機(jī)的性能，并與沖擊式破殼機(jī)比較[14]，以破殼機(jī)類型(簡(jiǎn)稱機(jī)型)、澳洲堅(jiān)果果實(shí)尺寸(簡(jiǎn)稱尺寸)為試驗(yàn)因素，試驗(yàn)測(cè)定了2種破殼機(jī)的破殼率、整仁率和生產(chǎn)率[15]。試驗(yàn)?zāi)Ｊ讲捎闷胶馔耆S機(jī)析因設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)用5 kg澳洲堅(jiān)果。

影響因素為機(jī)型和果實(shí)尺寸，機(jī)型分沖剪式和沖擊式兩水平，果實(shí)尺寸分大果和小果兩水平。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Test scheme design

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 2種破殼機(jī)的生產(chǎn)率比較Fig.2 The productivity comparison of two kinds of cracking machines

圖3 2種破殼機(jī)的破殼率比較Fig.3 The shell cracking rate comparison of two kinds of cracking machines

圖4 2種破殼機(jī)的整仁率比較Fig.4 The whole kernel rate comparison of two kinds of cracking machines

參照表2由圖2可見(jiàn)，大果試驗(yàn)2種破殼機(jī)的生產(chǎn)率差異不明顯，但小果試驗(yàn)沖剪式破殼機(jī)的生產(chǎn)率明顯高于沖擊式，生產(chǎn)率均值為93.53 kg·h-1。

參照表2并由圖3可見(jiàn)，無(wú)論大果試驗(yàn)還是小果試驗(yàn)，沖剪式破殼機(jī)的破殼率均明顯高于沖擊式，且破殼率值在90.61%～97.01%范圍內(nèi)。

參照表2并由圖4可見(jiàn)，大果試驗(yàn)沖剪式破殼機(jī)的整仁率略低于沖擊式，然而小果試驗(yàn)沖剪式破殼機(jī)的整仁率大幅低于沖擊式，且整仁率在36.63%～47.08%范圍內(nèi)。

綜上所述，就試驗(yàn)結(jié)果的直觀表現(xiàn)而言，沖剪式破殼機(jī)在生產(chǎn)率和破殼率上優(yōu)于沖擊式，但在整仁率上劣于沖擊式。

表2 生產(chǎn)率試驗(yàn)方差分析表Table 2 Variance analysis of productivity test

3.3 討論與分析

為探明2種破殼機(jī)及果實(shí)大小在生產(chǎn)率、破殼率及整仁率上的差異顯著性，進(jìn)而為沖剪式破殼機(jī)的后續(xù)改進(jìn)提供支持，利用SAS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做了方差分析。

參見(jiàn)表2和圖2。生產(chǎn)率試驗(yàn)方差分析模型的效應(yīng)顯著，決定系數(shù)達(dá)0.809 7，說(shuō)明方差分析結(jié)果可信。沖剪式破殼機(jī)的生產(chǎn)率顯著高于沖擊式。2種破殼機(jī)加工小果的生產(chǎn)率顯著高于大果，說(shuō)明對(duì)小果的機(jī)械式破殼加工較易提高效率。2種破殼機(jī)與果實(shí)尺寸互作的生產(chǎn)率差異顯著，參照?qǐng)D2可看出造成差異顯著的原因是，沖剪式破殼隨著果實(shí)尺寸變小而生產(chǎn)率大幅變高，沖擊式破殼隨著果實(shí)尺寸變小而生產(chǎn)率變化不大。

參見(jiàn)表3和圖3。破殼率試驗(yàn)方差分析模型的效應(yīng)小于0.000 1水平上顯著，決定系數(shù)達(dá)0.933 8，說(shuō)明方差分析結(jié)果可信。沖剪式破殼機(jī)的破殼率小于0.000 1水平上顯著高于沖擊式。2種破殼機(jī)加工大果的破殼率0.001 9水平上顯著高于小果，表明大果用機(jī)械式破殼加工更容易實(shí)現(xiàn)殼破。2種破殼機(jī)與果實(shí)尺寸互作的破殼率0.189 0水平上差異不顯著，參照?qǐng)D3可看出造成差異不顯著的原因是，2種破殼機(jī)對(duì)大果和小果的適應(yīng)性具有一致性趨勢(shì)。

表3 破殼率試驗(yàn)方差分析表Table 3 Variance analysis of shell cracking rate test

參見(jiàn)表4和圖4。整仁率試驗(yàn)方差分析模型的效應(yīng)顯著，決定系數(shù)達(dá)0.838 3，說(shuō)明方差分析結(jié)果可信。沖剪式破殼機(jī)的整仁率顯著低于沖擊式。2種破殼機(jī)加工大果的整仁率顯著低于小果，表明大果用機(jī)械式破殼加工更難保持整仁。2種破殼機(jī)與果實(shí)尺寸互作的整仁率差異顯著，參照?qǐng)D4可看出造成顯著差異的原因是，沖剪式破殼時(shí)整仁率對(duì)果實(shí)尺寸不敏感，而沖擊式破殼時(shí)果實(shí)尺寸愈小則整仁率愈大，不敏感的沖剪式特性較好。

4 結(jié)論

沖剪式破殼機(jī)的生產(chǎn)率0.05水平上顯著高于沖擊式，2種破殼機(jī)加工小果的生產(chǎn)率顯著高于大果，沖剪式的生產(chǎn)率均值為93.53 kg·h-1。且較小的果實(shí)尺寸可實(shí)現(xiàn)較高的生產(chǎn)率。

表4 整仁率試驗(yàn)方差分析表Table 4 Variance analysis of whole kernel rate test

沖剪式破殼機(jī)的破殼率顯著高于沖擊式，2種破殼機(jī)加工大果的破殼率顯著高于小果，沖剪式的破殼率處于較高的90.61%～97.01%范圍，且較大的果實(shí)尺寸可實(shí)現(xiàn)較大的破殼率。

沖剪式破殼機(jī)的整仁率顯著低于沖擊式，2種破殼機(jī)加工大果的整仁率顯著低于小果，沖剪式的整仁率處于較低的36.63%～47.08%范圍，且果實(shí)尺寸對(duì)整仁率的影響不明顯。

與沖擊式比較，沖剪式破殼機(jī)的生產(chǎn)率和破殼率均顯著提高，其中生產(chǎn)率對(duì)果實(shí)尺寸敏感，破殼率對(duì)果實(shí)尺寸不敏感。沖剪式破殼機(jī)的整仁率不盡如人意，顯示出提高生產(chǎn)率和破殼率后的負(fù)面效應(yīng)，其原因有待探討，沖剪式破殼機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)也需要進(jìn)一步改進(jìn)。