油茶鮮果穿刺力學(xué)特性試驗(yàn)研究*

鄧勇杰，胡淑芬，賴曲芳，劉 斌，肖本貴，謝思萌，張廬陵，曹昕奕

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045)

0 引言

油茶（Camellia oleifera）是中國(guó)特有的木本油料植物，屬山茶科（Theaceae）山茶屬（Camellia L.）常綠小喬木或灌木[1]。油茶果由茶籽與茶殼組成，如圖1所示。茶籽可榨取茶油[2]，而茶殼不含油脂，與茶籽混合不利于茶油的榨取，因此采收后需要脫殼和清選處理。在茶油的生產(chǎn)加工過(guò)程中，油茶果殼與茶籽分選是一項(xiàng)必不可少的工藝。由于破殼后的茶殼與茶籽尺寸大小與比重相似，故使用機(jī)械方法分選出的茶籽中混雜著部分茶殼[3]，從而影響茶油的出油率和品質(zhì)。清選方式有風(fēng)選、浮選、篩選、色選、對(duì)輥清選等[3-12]。風(fēng)選是利用懸浮速度的不同分離物料[3]，但油茶鮮果茶殼和茶籽的密度很接近，風(fēng)選不能有效分離；浮選是利用一定含水率的茶殼和茶籽在水中的浮力和密度不同，攪拌籽殼混合物，待分層后取走浮在水面上方的茶殼和劣質(zhì)、霉變的茶籽，以實(shí)現(xiàn)油茶籽、殼的分離[4]，但油茶果的含水率是不斷變化的，而油茶籽、殼密度又與水相近，有部分合格的油茶籽也會(huì)上浮，因此分層效果不明顯；篩選是利用茶籽、茶殼形狀和尺寸差異來(lái)實(shí)現(xiàn)分離，但脫殼后，大多數(shù)中、小茶殼和大、中茶籽在尺寸上很接近，用振動(dòng)篩、滾筒篩等多級(jí)、多孔不同篩選方式進(jìn)行篩選，效果都不理想[5-9]；色選是利用相機(jī)采集的物料圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理軟件分析處理，判定各個(gè)通道內(nèi)當(dāng)前下落物料的屬性，并由氣動(dòng)噴吹、分選撥片擺動(dòng)等方式，實(shí)現(xiàn)籽殼分離；對(duì)輥清選是根據(jù)茶殼、茶籽形狀特點(diǎn)采用齒、光輥對(duì)輥進(jìn)行清選，該方法雖然有一定的清選率，但齒、光輥吃籽、傷籽率很高，且齒輥吃籽后容易堵塞齒輥，從而影響清選效果[13]。當(dāng)前研究學(xué)者對(duì)油茶籽殼清選的研究主要圍繞其裝置展開(kāi)，即通過(guò)優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)和參數(shù)來(lái)提高清選效果，而對(duì)茶籽、茶殼的穿刺力學(xué)特性及插取清選原理的研究相對(duì)較少。針對(duì)以上問(wèn)題，擬探索彈簧壓縮針插殼式油茶籽殼清選方法可行性、探究茶籽與茶殼在不同穿刺深度和不同穿刺部位條件下的穿刺力學(xué)特性，以及不同彈力下的彈簧壓縮針對(duì)茶籽與茶殼插取效果的影響。

1 材料與儀器

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用含水率在55%～65%之間的贛無(wú)系列油茶鮮果為研究對(duì)象。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀（美國(guó)FTC公司），如圖2所示：精度為±1%，量程在0～1 000 N；MS－100型鹵素?zé)羲譁y(cè)定儀（上海佳實(shí)電子科技有限公司）：精度為0.002 g；萬(wàn)泰電子天平WT20002（蘇州恒錦機(jī)電科技有限公司）：精度為0.01 g；標(biāo)康BK-305機(jī)械型游標(biāo)卡尺（標(biāo)康科技有限公司）：精度為0.01 mm，量程為0～300 mm；自制彈簧壓縮針選取2/3壓縮行程時(shí)彈簧力分別為8 N、10 N、12 N的3種規(guī)格，如圖3所示。

圖2 TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀Fig.2 Texture analyzer

圖3 自制壓縮針Fig.3 Self-made compression needle

2 方法與結(jié)果

2.1 不同穿刺深度下茶籽與茶殼被插取試驗(yàn)

試驗(yàn)于2020年10月15日在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品物料特性研究室進(jìn)行，油茶鮮果采摘到試驗(yàn)時(shí)間為7天。將油茶鮮果破殼后，隨機(jī)挑選100組品相良好且無(wú)腐敗的茶籽與茶殼進(jìn)行試驗(yàn)，分別將茶籽與茶殼固定于質(zhì)構(gòu)儀底座上。以針頭直徑為2 mm，加載速率60 mm/min，加載深度分別為1 mm、1.5 mm和2 mm以及探頭量程1 000 N的穿刺程序?qū)ζ溥M(jìn)行穿刺插取試驗(yàn)。以茶籽或茶殼被穿刺并且固定在針頭上視為插取成功，記錄其穿刺插取率。茶籽與茶殼被插取數(shù)據(jù)如圖4所示。結(jié)果表明，穿刺深度在2 mm時(shí)，茶籽與茶殼均會(huì)被插取。為了達(dá)到茶殼被插取、茶籽不被插取的清選效果，后續(xù)試驗(yàn)以穿刺深度為2 mm時(shí)的穿刺力作為試驗(yàn)對(duì)比依據(jù)。

圖4 不同穿刺深度油茶籽殼插取率Fig.4 Seed shell interlude rates at different puncture

2.2 不同穿刺位置對(duì)茶籽與茶殼穿刺力的影響

2.2.1 茶殼最大穿刺力位置

試驗(yàn)于2020年10月16日在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品物料特性研究室進(jìn)行，油茶鮮果采摘到試驗(yàn)時(shí)間為8天。挑選品相良好且無(wú)腐敗的油茶鮮果進(jìn)行破殼，隨機(jī)取20組茶殼，切成頭部、腹部、尾部3段，如圖5所示，分別固定于質(zhì)構(gòu)儀底座上，以針頭直徑為2 mm、加載速率60 mm/min、加載深度2 mm、探頭量程1 000 N的穿刺程序?qū)Σ铓?nèi)、外兩側(cè)不同部位進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，記錄其穿刺力大小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示，結(jié)果表明：茶殼內(nèi)側(cè)穿刺力普遍大于茶殼外側(cè)穿刺力，且茶殼頭部穿刺力>腹部穿刺力>尾部穿刺力。為了達(dá)到茶殼被插取、茶籽不被插取的清選效果，后續(xù)試驗(yàn)選取茶殼最大穿刺力位置（茶殼內(nèi)側(cè)頭部）的穿刺力與茶籽最小穿刺力位置的穿刺力進(jìn)行比較。

圖5 茶殼不同部位分布圖Fig.5 Different parts of the shell are distributed

圖6 茶殼不同穿刺位置穿刺力平均值Fig.6 Average puncture force of shell at different puncture locations

2.2.2 茶籽最小穿刺力位置

試驗(yàn)于2020年10月16日在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品物料特性研究室進(jìn)行，油茶鮮果采摘到試驗(yàn)時(shí)間為8天。挑選品相良好且無(wú)腐敗的油茶果進(jìn)行破殼，隨機(jī)取20個(gè)茶籽分別固定于質(zhì)構(gòu)儀底座上，以針頭直徑為2 mm、加載速率60 mm/min、加載深度2 mm、探頭量程1 000 N的穿刺程序?qū)Σ枳褍?nèi)、外側(cè)進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，如圖7所示，記錄穿刺深度為2 mm的穿刺力，并用水分測(cè)定儀測(cè)量茶籽含水率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示，結(jié)果表明：茶籽外側(cè)穿刺力普遍大于茶籽內(nèi)側(cè)，且隨油茶籽含水率增大而增大。由此可以得出結(jié)論：茶籽穿刺位置不同，其穿刺力也不同，且茶籽穿刺力隨其含水率增大而增大，茶籽最小穿刺力位于其內(nèi)側(cè)。為了達(dá)到茶殼被插取、茶籽不被插取的清選效果，后續(xù)試驗(yàn)選取茶籽最小穿刺力位置（茶籽內(nèi)側(cè)）的穿刺力與茶殼最大穿刺力位置（茶殼內(nèi)側(cè)頭部）的穿刺力進(jìn)行比較。

圖7 茶籽內(nèi)側(cè)、外側(cè)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the inside and outside of seeds

圖8 茶籽不同含水率籽下內(nèi)外部穿刺力平均值Fig.8 The average value of puncture force inside and outside of seeds with different moisture content

2.3 茶籽與茶殼最小穿刺力差值

試驗(yàn)于2020年10月17日在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品物料特性研究室進(jìn)行，油茶鮮果采摘到試驗(yàn)時(shí)間為9天。挑選品相良好且無(wú)腐敗的油茶果進(jìn)行破殼，隨機(jī)取100組茶籽與茶殼，分別固定于質(zhì)構(gòu)儀底座上，以針頭直徑為2 mm、加載速率60 mm/min、加載深度2 mm、探頭量程1 000 N的穿刺程序，分別在茶殼內(nèi)側(cè)頭部與茶籽內(nèi)側(cè)進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，記錄穿刺深度2 mm的穿刺力，并用水分測(cè)定儀記錄其含水率。前期實(shí)驗(yàn)得出：最小油茶籽、殼穿刺力差值=茶籽內(nèi)側(cè)穿刺力-茶殼內(nèi)側(cè)頭部穿刺力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如圖9所示，結(jié)果表明：茶殼最大穿刺力位置（茶殼內(nèi)側(cè)頭部）的穿刺力平均值小于茶籽最小穿刺力位置（茶籽內(nèi)側(cè)）的穿刺力平均值，且隨著茶籽與茶殼含水率增加其差值逐漸增大。

圖9 籽殼不同含水率下穿刺最小差值平均值Fig.9 Mean value of minimum difference of puncture under different water content of seed shell

2.4 壓縮針插取試驗(yàn)

試驗(yàn)于2020年10月17日在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品物料特性研究室進(jìn)行，油茶鮮果采摘到試驗(yàn)時(shí)間為9天。挑選品相良好且無(wú)腐爛的油茶果進(jìn)行破殼，隨機(jī)取100組茶殼與茶籽,分別固定于質(zhì)構(gòu)儀底座上，選用2/3壓縮行程時(shí)彈簧壓縮力為8 N、10 N、12 N的彈簧壓縮針?lè)謩e固定于質(zhì)構(gòu)儀上，以加載速率60 mm/min、加載深度2 mm、探頭量程1 000 N的穿刺程序，對(duì)100組茶殼與茶籽進(jìn)行穿刺，以茶籽或茶殼被穿刺并且固定在彈簧壓縮針頭上視為插取成功，記錄茶籽與茶殼被插取百分比。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示，結(jié)果表明：彈簧壓縮針對(duì)油茶籽殼有較好的清選效果，且2/3壓縮行程時(shí)彈簧壓縮力為10 N的彈簧壓縮針插取油茶籽殼效果最佳，茶殼被插取率為98%，茶籽被插取率為2%。

圖10 不同彈簧力下插取效果Fig.10 Fixed effect under different spring force

3 結(jié)論

本試驗(yàn)探究了含水率在55%～65%之間的贛無(wú)系列油茶鮮果的茶籽和茶殼在不同穿刺深度、不同穿刺部位條件下的穿刺力學(xué)特性，以及不同彈力下的彈簧壓縮針對(duì)茶籽與茶殼插取效果的影響。1）穿刺力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果表明：油茶鮮果茶殼的刺破力比茶籽小，更易于被彈簧壓縮針插??；茶殼最大穿刺力位于茶殼內(nèi)側(cè)頭部，茶籽最小穿刺力位于其內(nèi)側(cè)；茶殼最大穿刺力位置的穿刺力平均值小于茶籽最小穿刺力位置的穿刺力平均值；穿刺深度在2 mm時(shí)，茶殼被插取效果最佳。2）插取試驗(yàn)結(jié)果表明：選用2/3壓縮行程時(shí)彈簧壓縮力為10 N的彈簧壓縮針插取油茶鮮果籽殼時(shí)，茶殼被插取率為98%，茶籽被插取率為2%。彈簧壓縮針插殼式油茶籽殼清選方法可行。以上研究結(jié)果將為針輥插殼式油茶籽殼清選裝置選取彈簧壓縮針彈力提供技術(shù)參考。