杏核破殼技術(shù)及機(jī)械的研究現(xiàn)狀

劉 佳，沈曉賀， 楊莉玲，馬文強(qiáng)，祝兆帥

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆烏魯木齊 830091）

杏是薔薇科落葉喬木植物，原產(chǎn)于中國，已有3 000 多年的栽培歷史[1]，是新疆重要的經(jīng)濟(jì)樹種，也是我國及世界重要的杏產(chǎn)區(qū)。截至2018 年，新疆杏樹栽培面積達(dá)111.3 khm2，產(chǎn)量93.3 萬t[2]。杏屬核果類，果實(shí)主要由果柄、果皮、果肉、杏核殼及杏仁組成。杏的果肉甘美酸甜，營養(yǎng)價(jià)值很高，而杏仁的營養(yǎng)價(jià)值更豐富，具有一定的藥理作用；杏仁中脂肪含量53%，蛋白質(zhì)含量27%，還含有比較豐富的維E 和礦物質(zhì)，近年來還發(fā)現(xiàn)苦杏仁中含有維B17[3-7]，具有很高的食用價(jià)值和藥用價(jià)值。

杏核破殼是杏仁、杏核殼綜合利用的前提條件，是提高杏商品化率、實(shí)現(xiàn)杏深加工的基礎(chǔ)。破殼加工后的杏仁既可作為產(chǎn)品直接銷售，也可制取杏仁露、甜杏仁油、脫皮白杏仁、杏仁蛋白粉、杏仁霜等高附加值產(chǎn)品[8]。杏核殼主要由纖維素和半纖維素組成，杏核殼在高溫情況下炭化、活化后可加工成活性炭[9]，用杏核殼做的活性炭壓制成的炭塊密度低、空隙多。在生產(chǎn)活性炭的材料中，杏核殼為最優(yōu)。

杏核破殼取仁，不僅可提高杏產(chǎn)品的附加值，還可回收杏殼，避免了零售杏核造成的杏殼浪費(fèi)。這對發(fā)展杏產(chǎn)業(yè)、提高杏資源利用率、延長杏加工產(chǎn)業(yè)鏈、提升杏產(chǎn)業(yè)的科技競爭力、提高農(nóng)民收入、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展均有重要意義。因此，開展杏核破殼技術(shù)及機(jī)械的研究對促進(jìn)我國杏產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。

1 杏核破殼的概況

除了人工破殼的方法外，還有化學(xué)、物理、機(jī)械等破殼法。

1.1 化學(xué)破殼方法

由于杏核中含有多種纖維素、木質(zhì)素和半纖維素，將杏核等堅(jiān)果經(jīng)過堿液浸泡、酸液浸泡、中和浸泡等步驟，杏核殼被化學(xué)溶液腐蝕軟化后，再利用機(jī)械破殼裝置剝?nèi)バ雍藲10-11]。在處理過程中化學(xué)藥劑容易進(jìn)入杏核果殼中，影響杏仁的品質(zhì)，造成食品安全問題。

1.2 物理破殼方法

根據(jù)文獻(xiàn)[12- 14]，通過物理方法進(jìn)行杏核破殼的方法有以下幾種。

①高壓膨脹法：將杏核放入到密閉的壓力容器中，向壓力容器沖入高壓蒸汽，到達(dá)一定的數(shù)值后，保持一段時(shí)間，再快速去除壓力。②沖壓破殼法：讓杏核以比較高的速度與固定好的平面進(jìn)行碰撞，從而使杏核的殼破碎。③冷凍法：利用杏仁與杏核皮的熱脹系數(shù)不同來開口，加工過程相對簡單，但是開口率不是很高。④加熱法：將杏核進(jìn)行加熱，為了減小外殼的含水量和果仁里的水分，同時(shí)增加脆性和果殼內(nèi)部的壓力。在這些作用的影響下，慢慢完成杏核的開口。很多堅(jiān)果可以采取這種方式開口，同時(shí)也是一些果實(shí)開口預(yù)處理的方法。

1.3 機(jī)械破殼法

采用機(jī)械設(shè)備對杏核施加外力，使杏核的殼在外力作用下破碎，機(jī)械破殼的形式有平板擠壓式、碰撞擠壓式、對輥碾壓式。

2 杏核破殼機(jī)械的研究進(jìn)展

2.1 平板擠壓式破殼機(jī)械

通過動(dòng)擠壓板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與靜擠壓板共同作用，實(shí)現(xiàn)對杏核的擠壓破殼處理。如圖1 所示，該破殼裝置主要由靜擠壓板、動(dòng)擠壓圓盤、送料板、傳動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力裝置組成。將分級(jí)后的杏核通過輸送裝置送入擠壓槽中，隨著傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)動(dòng)擠壓圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，杏核逐漸被送入擠壓槽工作區(qū)內(nèi)，從而完成擠壓破殼作業(yè)。郭瑞琴等人[15]設(shè)計(jì)研制的側(cè)邊擠壓破殼的破殼機(jī)械，經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)使用，生產(chǎn)率150 kg/h，破殼率為95%，整仁率為90%。這種破殼裝置的特點(diǎn)是整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易裝配調(diào)試、制造成本低，適合中小生產(chǎn)者使用；通過更換動(dòng)擠壓盤上的模具即可完成杏核破殼加工要求，通過調(diào)整靜擠壓板可實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)杏核的加工。

平板擠壓式破殼機(jī)構(gòu)簡圖見圖1。

2.2 碰撞擠壓式破殼機(jī)械

通過刮板、撞擊桿等碰撞裝置對杏核的碰撞擠壓，實(shí)現(xiàn)杏核破殼。

碰撞擠壓式破殼機(jī)構(gòu)簡圖見圖2。

由圖2 可知，尹鵬飛等人[16]研制的一種家用的小型杏核破殼機(jī)，該破殼機(jī)包括篩選機(jī)構(gòu)、破殼機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)、收集機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，杏核經(jīng)過篩料斗篩選后，進(jìn)入由上下殼體、刮板、柵桿組成的破殼機(jī)構(gòu)，經(jīng)過與刮板的碰撞和柵桿對其的擠壓，杏核破碎。杏仁與破碎的杏殼通過柵桿的間隙進(jìn)入分離機(jī)構(gòu)，鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)力的作用使杏仁與杏殼分離開。這種破殼裝置的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉，可實(shí)現(xiàn)杏核破殼后杏仁與杏殼的分開；缺點(diǎn)是破殼率低、生產(chǎn)率不高。

碰撞擠壓式（氣缸控制） 破殼機(jī)構(gòu)簡圖見圖3。

由圖3 可知，杏核破殼機(jī)采用的是碰撞擠壓的方式，但是該破殼機(jī)采用了氣缸控制碰撞裝置。該機(jī)由撞擊桿、復(fù)位彈簧滑塊、撞擊擋座、按壓桿、氣缸、PLC 控制器等組成。PLC 控制器與支撐墊上的電光傳感器、杏核傳送部件執(zhí)行開關(guān)、按壓桿的上下移動(dòng)開關(guān)和撞擊桿上的撞擊動(dòng)作控制開關(guān)進(jìn)行信號(hào)和控制連接。通過PLC 控制器控制撞擊桿、杏核傳送部件和按壓桿的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)杏核的破殼作業(yè)。該破殼機(jī)生產(chǎn)率60 kg/h，杏核破殼后杏仁完好率為90%。

2.3 對輥碾壓式破殼機(jī)械

對輥碾壓式破殼機(jī)簡圖見圖4，對輥碾壓式破殼機(jī)構(gòu)簡圖見圖5。

利用相對轉(zhuǎn)動(dòng)的2 個(gè)轉(zhuǎn)輥對杏核等堅(jiān)果進(jìn)行擠壓，實(shí)現(xiàn)破殼。由圖4 可知，該破殼機(jī)由3 對相互交錯(cuò)的擠壓盤組成破殼裝置。通過調(diào)整機(jī)構(gòu)可以調(diào)整擠壓盤之間的間距，實(shí)現(xiàn)不同大小杏核的破殼。工作時(shí)，杏核通過振動(dòng)送料器輸送至擠壓機(jī)構(gòu)，杏核在擠壓盤的擠壓作用下破殼。朱占江等人[17]設(shè)計(jì)研制了對輥碾壓式杏核破殼機(jī)，該破殼機(jī)主要由間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、可調(diào)壓輥、固定壓輥、上層振動(dòng)篩、下層振動(dòng)篩組成。破殼加工前先根據(jù)杏核尺寸調(diào)整可調(diào)壓輥與固定壓輥之間的間隙，杏核由喂料斗進(jìn)入破殼裝置，可調(diào)壓輥與固定壓輥的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)杏核的碾壓破殼，破殼后物料經(jīng)上層振動(dòng)篩和下層振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，破碎的杏核殼仁經(jīng)上層振動(dòng)篩的篩孔漏入至下層振動(dòng)篩，最終從出料口排出，完整的杏核經(jīng)上層振動(dòng)篩振動(dòng)輸送至出料口進(jìn)行收集。該破殼機(jī)生產(chǎn)率可達(dá)到370 kg/h，破殼率95%，整仁率95%。是目前杏核破殼機(jī)中生產(chǎn)率最大的機(jī)械設(shè)備。這種破殼裝置的特點(diǎn)：①可以根據(jù)杏核厚度方向、尺寸大小調(diào)整兩輥之間的間隙，從而實(shí)現(xiàn)對不同尺寸杏核的破殼。②振動(dòng)篩可以實(shí)現(xiàn)未破殼杏核與破殼杏核的分離，避免破殼后人工再次進(jìn)行挑選。③兩壓輥上開有斜齒槽，提高了破殼效率和整仁率。

3 影響杏核破殼的因素分析

3.1 杏核的物理特性

杏核的物理特性包括對寬度、長度、厚度等三維尺寸，殼厚和殼與仁之間的間隙大小等參數(shù)。杏核的物理特性是影響杏核破殼的關(guān)鍵因素之一，杏核的殼主要由纖維素和半纖維組成，堅(jiān)硬并且不好剝離，杏仁呈心臟形狀，左右不對稱，杏核的殼與仁之間有一定的間隙。在破殼過程中，由于杏核殼、仁構(gòu)成材質(zhì)不同，因此彈性模量有很大的差異。不論采用哪種破殼方式，力度太小，杏核外殼不能破開；力度過大，核仁有可能被破碎，影響到杏仁的完整性。因此，研究杏核的物理特性，為研究杏核破殼過程、機(jī)械研發(fā)提供了可靠的理論依據(jù)和技術(shù)手段。

3.2 杏核的濕度

杏核含水率對外殼的強(qiáng)度、彈性、塑性和仁的破碎度都有直接影響。杏核含水率越低，其外殼越脆，破殼時(shí)易破殼，但仁也容易破碎。反之，外殼的韌性好，破殼時(shí)的破殼率低，但破殼后的整仁率提高。在杏核破殼時(shí)應(yīng)保持適宜的含水率，使外殼和仁具有最大彈性變形和塑性變形的差異，這樣一方面使外殼更易破殼，另一方面又不致于使杏仁在機(jī)械外力作用下增加破碎率。

3.3 破殼前的處理

對杏核進(jìn)行前期處理對杏核破殼也有一定的影響，由于杏核品種、尺寸的差異，而破殼方式都與破殼間隙有關(guān)系，只要在杏核破殼前對杏核進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆旨?jí)，然后再進(jìn)行杏核破殼，就可得到較高的破殼率，還可以控制杏仁的破碎率。

4 杏核破殼機(jī)械存在的問題

（1） 目前杏核破殼大多數(shù)還是采用人工作業(yè)，機(jī)械破殼仍處于試驗(yàn)研發(fā)階段，杏核的精深加工受到了阻礙，致使杏產(chǎn)品附加值低，制約了杏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

（2） 由于我國杏子品種多，杏核大小差異大，已經(jīng)研制的機(jī)械只能對單一的杏核品種進(jìn)行破殼加工，存在適應(yīng)性差的問題。

（3） 目前現(xiàn)有的杏核破殼機(jī)存在生產(chǎn)率低、破殼率低、破殼后杏仁破碎程度大等問題，破殼后的杏仁與杏殼的分離更是一大難題。

5 結(jié)語

我國杏果資源豐富，杏產(chǎn)業(yè)也是新疆農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。杏核破殼是杏仁綜合利用的前提條件，杏核殼仁分離是提高杏商品化率的重要一步，是實(shí)現(xiàn)杏仁深加工的基礎(chǔ)。因此，清楚地了解杏核破殼機(jī)械的現(xiàn)狀，準(zhǔn)確地把握當(dāng)前杏核破殼機(jī)械存在的問題，有針對性地開展杏核破殼機(jī)械的設(shè)計(jì)研究工作，為新疆乃至我國杏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)裝備支撐。