核桃脱青皮技术及其装备研究

2013-03-23杨忠强李忠新杨莉玲阿布里孜

食品与机械 2013年6期

杨忠强李忠新杨莉玲阿布里孜

刘奎1，2 朱占江1，2 刘佳1，2

（1．新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆乌鲁木齐 830091；

2．新疆特色林果装备工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830091）

核桃，又称胡桃、羌桃，胡桃科落叶乔木。核桃果实呈球形，外层青果皮平滑，内层硬果壳坚硬，有皱纹，与腰果、扁桃、榛子并称为世界著名的“四大干果”。核桃主要分布在亚洲、欧洲、非洲、澳洲和拉丁美洲的50多个国家和地区，据联合国粮农组织（FAO）统计资料［1］，2011年世界核桃树结果面积为96．8万hm2，年产量为341．9万t；中国2011年核桃种植面积为40万hm2，年产量为165．5万t，主要分布区域为云贵地区、西北地区、华北地区。其中云南省的核桃产量第一，新疆、陕西紧随其后；美国2011年核桃栽培面积为10．76万hm2，年产量为41．82×104t，其中主要集中分布在加州地区，占全国的99%，而加州优势种植区又主要分布在萨克门托和圣华金山谷地带的40个县［2，3］。

中国作为核桃生产大国，种植面积、产量均居世界第一［4］，但核桃出口远远落后于产业发达的美国，其主要原因之一是由于中国采后加工技术及装备落后，加工出来的核桃仁外观颜色差，霉变多，品质较低。中国每年核桃采收后因贮藏问题，造成的损失产量占总产量的12%［4］。目前，中国核桃还没有形成有效的经营模式，核桃大多数以原果的形式进行销售，核桃品种繁多，规格不统一，竞争力不强，其出口量不到总量的10%［4］，且份额呈下降趋势，在产量和商品性等方面与美国的差距不断拉大。

核桃果实主要由外层青果皮、内层硬果壳和种仁组成。果实采收后应尽快脱掉外层青果皮，否则果仁就会发生霉变，严重影响核桃的品质。核桃脱青皮作为核桃收获后加工的一项重要工序，它对保证核桃的品质有重要的作用［5］。核桃的采收期季节性强，青皮核桃加工规模大，如果脱青皮不及时，果仁颜色将会受到影响，果仁会发生霉变，核桃硬壳表面产生黑斑，核桃的商品价值和市场竞争能力将受到严重影响。

目前，中国推广的核桃优良品种分早、晚实两个类型。早实品种有：扎343、温185、新新2、辽核1 号、辽核7 号、香玲、鲁光、中林1 号、薄壳香、强特勒等；晚实品种有：清香、晋龙1 号、晋龙2号、礼品2号等［6，7］。中国LY／T 1329－1999《核桃丰产与坚果品质》规定核桃出仁率≥59%为优级。因此，中国核桃品种的栽培和育种追求出仁率高、硬壳薄。然而，在核桃实际生产加工中，硬壳薄的品种普遍存在裂果多，易破损，不易机械化脱青皮加工。

美国核桃栽培品种有39个［8］，主要分布在加州地区，栽培的主要品种有37个，其中强特勒（chandler）、塞尔（serr）、维纳（vina）、培尼（payne）、哈特雷（hartley）、霍华德（howard）和弗兰克蒂（franquette）7 个品种的产量超过总产量的75%［8］。美国是世界上核桃出口量最大的国家，核桃从生产到加工整个产业链已经完全实现机械化，其水平处于领先地位。在美国，90%以上的核桃进行加工处理，其中60%供给国内，40%出口，占世界出口量的50%［9］。其核桃种植管理模式已经实现了标准化，所产同品种核桃外形尺寸差异较小，易于加工。青核桃几乎100%的都经过机械化生产线，进行商品化处理。中国从20世纪90年代后期开始对核桃脱青皮技术进行研究，陆续有一些专利和试验样机推出，由于一些技术问题尚未能很好的解决，至今在生产中推广应用的不多。

1 核桃脱青皮技术

1．1 人工剥青皮

目前中国核桃产区果农、核桃脱青皮加工大户大多数用手工刀剥削或用棒子敲打进行脱青皮，然后将其倒入清水中快速揉搓清洗去除杂质，清洗时间一般不超过2min，快速脱水凉干即成初级产品，但人工剥青皮卫生条件较差，对加工者的双手伤害也较大。

1．2 堆沤脱青皮

研究［10，11］表明，核桃采收后，一般按50cm 左右的厚度，堆积在室外阴凉处或室内（过厚容易腐烂）；为了提高核果堆内的温度，在核果堆上加一层10cm 厚的干草或树叶，加快脱青皮速度促使外层青果皮离壳，一般堆沤4～6d，待青皮离壳或开裂时，再用人工剥离青皮。人工脱青皮每小时的加工量约为50kg／人，如果核桃大量成熟，人工脱青皮就比较困难，脱青皮不及时，在堆沤过程中就会发生霉变，甚至腐烂，核桃外观品相差，果仁质量也不高，影响其商品等级。

1．3 化学药品脱青皮

核桃采收后，需准备质量分数为3‰～5‰的乙烯利药液，将青果浸渍在药液中，约5 min，注意要使青果与药液均匀混合，然后取出青果，再按50cm 左右的厚度，堆放在阴凉处或室内，在环境温度为23～30℃、相对湿度为80%～95%的条件下，堆放3～5d，再用人工剥离青皮［10，11］。核桃果实成熟度越高，使用药液的质量分数就越低，催熟时间就短。这种脱皮方法存在劳动强度大，工作效率低等问题。

1．4 冻融脱青皮

核桃采收后，剃除病、虫害果，使用设备对核桃进行低温冷冻，冷冻温度为－5～－25 ℃，等核桃青皮冻透后，升温至0 ℃以上，融化，人工剥离青皮［12，13］。冻透的标准是青果皮全部结冰，脱皮时有明显的冰屑嵌入青皮内。这种方法增加冷冻和升温设备，投入增加，还需要人工剥离青皮。

1．5 机械脱青皮

机械法脱青皮按加工原理分为钢丝刷刷青皮法、刀片切割脱青皮、挤压摩擦刮削脱青皮、刀片与钢丝刷结合式脱青皮等。机械法脱青皮无疑是核桃产业化发展的关键途径。

2 核桃脱青皮机械的研究进展

2．1 钢丝刷刷青皮法

2．1．1 滚筒式钢丝刷脱青皮机采用滚筒式的钢丝刷刷青皮，并利用压力水进行清洗。如图1所示，该装置主要由栅条滚筒1、钢丝刷轮3，压力水管4等组成。其原理是栅条滚筒与钢丝刷轮中有一个部件转动，另一个部件固定，青核桃与栅条滚筒或钢丝刷轮之间的速度差产生的剪切力和摩擦力，将核桃青皮剥离下来，然后使用压力水管清洗核桃表面。如由Packwood［14］设计的美国坚果脱青皮机，新疆农业科学院农业机械化研究所［15］生产的6BXH－800型青核桃脱皮机，新疆中收农牧机械公司［16］生产的6HTX－1200 核桃脱皮清洗机，由魏子坡［17］设计的青核桃加工清洗机。上述青核桃脱皮机的设计都不同程度地存在不足之处：转动部件速度过高，破碎率增加，脱净率受钢丝刷轮轴向长度的限制；生产率受滚筒直径的限制。

图1 滚筒式钢丝刷脱青皮结构示意图Figure1 The schematic of Grid Cylinder－type green walnut peeling mechanism with wire brushes

2．1．2 卧式钢丝刷脱青皮机采用水平式的钢丝刷刷青皮。如图2所示，该装置主要由栅格板1、钢丝刷轮3 等组成。其原理是钢丝刷轮与栅格板中有一个部件旋转或水平输送，另一个部件固定，青核桃与钢丝刷轮或栅格板之间的速度差产生的剪切力和摩擦力，将青皮剥离下来，然后通过栅格之间的间隙分离出去。如由Andersen［18］设计的美国坚果脱青皮机。卧式脱青皮机是目前国际最先进的核桃脱青皮清洗加工设备，在美国，核桃脱青皮设备中的95%采用的是水平式钢丝刷刷青皮。它存在的问题是：硬壳薄的核桃易压碎，该设备结构复杂，不易加工制作等。

图2 水平式钢丝刷脱青皮结构示意图Figure2 The schematic of horizontal green walnut peeling mechanism with wire brushes

2．1．3 立式圆盘脱青皮机采用立式圆盘的弹齿刷刷青皮。如图3所示，该装置主要由弹齿刷1、转盘3，外圆筒4等组成。其剥离原理是物料垂直喂入，落到以一定速度旋转的转盘上，将青核桃强制带入青皮剥离区，由于弹齿刷不动，弹齿与转盘对青核桃产生的剪切力，将青皮剥离下来。如由Harrison［19］设计的美国青核桃脱皮机。立式圆盘脱青皮机是目前国外核桃青皮剥离机的一种，缺点是揉搓行程受圆盘直径限制。

图3 立式圆盘弹齿刷脱青皮结构示意图Figure3 The schematic of vertical green walnut peeling mechanism with disc spring－tooth

2．2 刀片切割脱青皮法

2．2．1 滚筒式刀片脱青皮机采用滚筒式的刀片切割脱皮法脱青皮。如图4所示，该装置主要由滚筒栅条1、切割刀片3、压紧机构4，喷水管5等组成。其原理是青核桃由滚筒栅条，进入青皮剥离区，青核桃与刀片产生相对运动，对物料不断挤压、切割和剪切，将核桃青皮剥离下来。如刘维永［20］设计的一种青核桃脱皮机。此类设备存在的问题是：尺寸较大的青核桃无法进入剥离区或破碎；尺寸较小的青核桃，由于挤压作用力小，不易脱去青皮。

图4 刀片切割脱皮结构示意图Figure4 The schematic of cutting blade mechanism for green walnut peeling

2．2．2 卧式刀片脱青皮机采用水平式的刀片切割脱皮法脱青皮。其原理是传动带上的青核桃被输送到一块固定在底座上的下表面安装两排刀刃的压紧铁板下，刀刃离传动带的间隙可以调节，青核桃在通过该铁板时青皮被切削刀刃除去。如由张永孝［21］设计的核桃脱皮机。此类设备存在的问题是：核桃在长轴方向脱不干净，效率较低。

2．3 挤压摩擦刮削脱青皮法

2．3．1 滚筒式挤压脱青皮机采用滚筒式挤压摩擦刮削脱皮法脱青皮。如图5所示，该装置主要由栅笼筐1、搅动轮2、喷水管3、机架5等组成。其原理是青核桃在栅笼筐与搅动轮相反运动中产生相互挤压、摩擦与刮削脱去青皮。如由亓立峰［22］设计的青皮核桃脱皮机，杨家杰［23］设计的核桃青皮脱离机。此类设备存在问题是：无法实现连续化生产，效率不高，仅有500～1 000kg／h。

图5 滚筒式挤压摩擦刮削脱皮结构示意图Figure5 The schematic of Cylinder－type green walnut peeling mechanism using extrusion friction

2．3．2 卧式挤压脱青皮机采用水平式挤压摩擦刮削脱皮法脱青皮。其原理是栅筐笼固定一排青核桃向水平方向运动，带动青核桃与削皮钢丝栅条接触摩擦，从而挤压刮削核桃青皮。如鲁思相［24］设计的刮削式核桃青皮剥离机。该装置的缺点是核桃长轴方向青皮脱不干净等。

2．4 刀片与钢丝刷结合式脱青皮

借鉴目前国内外现有脱青皮技术，李忠新等［25］设计的6HT－2000型连续式青核桃脱皮机如图6所示，该装置是刀片与钢丝刷结合式脱皮机，主要由输送带1、刀片2、钢丝刷4、间隙调节装置5，角度调节装置6等组成。其原理是装有一定规律切割刀片的输送带载着青核桃进入青皮剥离区，利用钢丝刷和刀片相对运动与青核桃之间产生的挤压、滚搓和剪切，实现脱皮。该结构与青核桃三点接触受力，更有利于青皮的划破。其特点是利用脱皮工作部件进行青核桃从大到小脱皮，脱皮过程长，脱净率高。通过间隙调节装置，调节钢丝刷和刀片之间的间隙；通过角度调节装置，调节钢丝刷与输送带之间的角度，适应不同品种、大小和硬壳厚度的核桃进行脱皮，降低了核桃破碎率，提高了青皮脱净率，减少了核桃表面青皮残留。

图6 刀片与钢丝刷结合式脱皮结构示意图Figure6 The schematic of green walnut peeling mechanism with wire brush combined with cutting blade

6HT－2000型连续式青核桃脱皮机［26］的技术参数：脱净率＞92%，破碎率＜3%，生产能力3～5t／h。

该机具有脱净率高，破碎率低，生产率高，比人工作业效率提高300倍以上，比其他同类设备提高10倍以上，劳动强度小，生产成本低，能适应不同品种、大小，硬壳厚度核桃脱青皮等优点，该机可以单机使用，也可以配置在生产线上使用，实现连续化、规模化生产，是目前较先进的核桃脱青皮机，有着广泛的推广前景。

3 国内外脱青皮机械的应用现状

目前，国外核桃脱青皮机主要形式有水平式的钢丝刷刷青皮机、立式圆盘的弹齿刷刷青皮机和滚筒式的钢丝或弹齿刷刷青皮机3种，都可以进行连续化作业，并可配套在核桃初加工生产线上，对青核桃进行脱皮清洗，同时将青皮从核桃中分离出来。由于国外核桃品种外壳硬度大，大小均匀，适合脱青皮加工，因此，核桃脱青皮的问题在国外已经完全解决。而中国核桃品种外壳硬度小，大小不同，因此国外设备不适用于中国核桃品种的脱青皮加工，而且国外的脱青皮设备工艺复杂，成本高，不易加工制作。

目前，中国核桃脱青皮的机械化研究还处于初级阶段，在国内大部分核桃种植区，果农和加工大户的专业知识水平较低，对核桃脱青皮加工的卫生条件意识不足，对核桃的品质要求不高，依然采用传统的堆沤法和人工脱青皮。核桃在堆沤过程中经常发生霉变腐烂的现象，直接影响了核桃的商品品质。随着中国核桃种植面积及产量的不断增加，核桃产业化加工是提升核桃附加值，增加果农和加工大户收入的必经之路。而核桃加工技术及装备则是核桃产业化加工的重要保障，发展核桃加工技术及装备，实现核桃脱青皮清洗的初加工工艺：脱青皮、青皮分离、清洗、分拣、烘干、贮藏、分级等实现机械自动化操作加工，为核桃深加工奠定了良好的基础。如新疆农科院农业机械化研究所研制的核桃脱青皮机［27］及成套设备等在核桃加工技术及装备方面已走在了中国前列。该成套设备已经推广到云南、陕西、新疆、湖北、山西、甘肃等地，通过不同地区、地点的试验结果表明，该机及成套设备适应性强，可加工不同品种，不同大小的青果核桃。核桃脱青皮清洗加工成套设备的研究与推广，将推动核桃产业的发展，加速核桃破壳取仁深加工的步伐，增加产业链条，提高产业经济效益。

4 展望

4．1 核桃脱青皮工艺存在的问题

4．1．1 核桃果实采收时间的问题采摘过早，核桃仁成褐色或深褐色，味淡，极涩，种仁不饱满重量轻，出仁率较低，而且不耐储藏，影响核桃的品质和产量。由于核桃外层青果皮未完全成熟就被采摘，青果皮与硬壳表面粘连较紧，从而导致机械法脱青皮难度较大。因此，果农和加工大户仍大量采用手工脱青皮。采摘过晚，青皮开裂，果实易脱落，如不及时采收脱去青皮，增加病虫害及霉菌感染风险，严重影响核桃商品品质。

4．1．2 不能及时脱青皮的问题要用核桃脱青皮机替代人工作业，必须做到：①制订青核桃采收标准，适时采收；②收获后及时将青皮脱掉，提高核桃的产量和品质；③进一步提高核桃脱青皮机的脱净率和生产率，降低破碎率，只有这样，广大果农及加工大户才能用机械法及时进行脱青皮加工，保证核桃果实的商品质量。

4．2 提高核桃加工技术及装备的自动化水平

中国有发展核桃产业的良好机遇和优势，如果要将巨大的资源优势转化为经济优势，就必须发展好核桃加工的产业化。核桃加工的产业化是提升核桃附加值、增加果农和加工大户收入的必经之路。核桃加工产业化之路，需要引进先进的理念、制定标准化的体系、提高机械化的加工装备，完善管理服务体系等多方面协调发展。因此，提高核桃加工技术及装备的自动化水平，实现核桃脱青皮清洗初加工等全程机械化的操作，才能使核桃产业更好、更快的发展。

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