鲜莲剥壳技术研究进展与探讨

2017-03-28梁诗华林毅鑫范泽泽张俊何金成

湖北农业科学 2017年4期

关键词：莲子

梁诗华　林毅鑫　范泽泽　张俊　何金成

摘要：由于莲子的种类繁多，尺寸大小不同、外壳坚韧、莲子壳与仁间隙较小等问题的存在，现有的脱壳技术适应性不高，存在着损伤莲子、效率低下等问题。为了改善鲜莲子剥壳机的加工现状，分析总结了莲子的物理机械特性及脱壳技术的研究现状，指出了现有脱壳技术存在的不足，为鲜莲子脱壳机械关键机构设计和试验研究提供了依据，并提出一种鲜莲子脱壳新技术方法。

关键词：莲子；物理机械特征；脱壳技术

中图分类号：S226 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）04-0603-05

莲子又名水芝丹，是中国多年水生蔬菜栽培中的特种宿根草本经济植物，属睡莲科莲属（Nympheaceae nelumbo Adans）[1]。中国莲子主要盛产在南方，分布在福建、浙江、湖北等地，以江西省赣州市和福建省建宁市产者最佳。随着生活水平提高，人们更具有保健意识，又因莲子营养价值十分丰富，含有丰富的脂肪、淀粉和黄酮类物质等有效成分，是一种高级的滋补品[2，3]。莲子作为中国出口特色的农副产品，其出口产量也持续走高。2012-2014年，中国莲子出口数量均达到3 600 t以上[4]。可见，莲子产量在不断扩大。与之相应的莲子生产加工也越来越受到人们的关注，莲子剥壳技术取得了一定的进展。

莲子剥壳是莲子加工工序中难度最大的一个工序。本研究主要从莲子的物理机械特征和莲子剥壳机技术研究方面入手，对中国目前莲子剥壳技术的研究现状进行了分析与总结，为莲子机械关键机构设计和试验研究提供一定的参考，并提出了一种新的莲子脱壳设备。

1 莲子物理机械特性研究

莲子主要盛产于中国，因此国内学者对莲子物理特性做了大量研究，这些工作为各种生产机械的研制和改进提供了有效数据和理论基础。莲子属于多孔介质[5]。莲壳主要成分是纤维素和半纤维素等[6]。莲子外壳比较坚硬，具有皮层外表面1/3左右较坚韧、剩余2/3部分较脆的特点。且莲子的壳与仁之间的间隙较小，莲子仁极易被划伤[7]。刘木华等[8]对百叶莲的外形尺寸、莲子壳厚度、莲仁和莲子壳的密度等进行了测量，测量出莲子长径和中径的分布范围，指出莲壳厚度的平均值为0.729 mm，为莲子切割的进刀量提供了理论依据，同时，得出莲壳与莲仁密度相差较大，可使用重力式或水选法进行壳仁分离。谢丽娟等[9-11]用压缩试验方法对不同工况下的干壳莲子的机械特性进行了测量，结果表明，莲子破壳力与等级呈正相关，相关系数为0.995，莲子中部所需要破壳力最大，同一部位破壳力相差不大，且加载速率与破壳力之间没有显著关系，并应用ANSYS软件对莲子进行三种受力工况应力应变情况仿真，指出以均布线载荷莲子短径方向加载是莲子破壳的最佳施力方式。赵小广等[12]对来自湖北洪湖地区的红、白干壳莲子进行了三维尺寸、千粒重、壳厚、含水率等物理参数测量。叶香美等[13]在對红、白莲子物理参数测量的基础之上，比较分析不同含水率条件下物理参数的变化。赵继瑞[14]对莲子壳的结构和性能进行了研究，其中测得莲子壳硬度为0.238 GPa和弹性模量为6.353 GPa。张松等[15]进行了不同条件下的鲜莲子壳对剪切破裂力和破裂变形量的相关分析。研究发现，鲜莲子尺寸大小对破壳剪切力和变形量均没有显著影响，而与鲜莲子含水率、放置时间、刀具角度有显著关系。试验证明，鲜莲子含水率越高，放置时间越短，剪切力和变形量就越小。刀具角度为60°剪切力和变形量最小。马秋成等[16]测量莲仁、莲壳、仁碎片、莲子在空气动力下实际悬浮速度的范围分别为11.230～14.680 m/s，2.511～4.891 m/s，6.505～7.865 m/s，12.573～16.289 m/s和12.533～16.017 m/s。莲子壳仁分离气流流速在7.865～11.230 m/s。

2 莲子剥壳设备研究进展

莲子的加工过程大致可以分为分级—剥壳—去芯3个步骤。中国对莲子剥壳机的研究始于20世纪60年代，研究主要集中在院校、科研单位及莲子加工企业，莲子剥壳从手工、半自动剥壳转向机械自动化剥壳[17]。但从总体应用情况看，莲子剥壳技术方面还不够成熟，还未实现真正的自动化生产，目前市面上还未出现三个连续操作的一体化设备，基本都是三个相独立研究或是两两组合的机械设备[18]。下面着重介绍常见的莲子分级机[19]与莲子脱壳技术。

2.1 莲子分级机

莲子根据其产地、品种等不同，其尺寸大小不一。因此，在进行莲子脱壳前，需要对莲子进行分级，根据不同的分级原理，莲子分级主要分为圆孔式、栅栏式、筛杆式、螺杆式以及振动筛网式分级。

2.1.1 圆孔式滚筒分级不同孔径的筛板从小到大的排列组成滚筒，且滚筒轴线与水平线成一定的倾斜角度安装。莲子从滚筒高端进入，在电机的带动之下，滚筒绕自身轴线做旋转运动，莲子靠重力作用自动掉落相适宜的孔径，进而达到莲子分级的效果[20]。这种分级方式虽然成本低，加工简单，但是容易发生堵塞现象。

2.1.2 栅栏式滚筒分级栅栏式滚筒分级是将圆孔式滚筒分级换成沿着滚筒轴线平行分布栅栏形式滚筒[21]，一定程度上避免了莲子在圆孔中形成堵塞的现象，由于栅栏节数仅分为三节，即使每节滚筒中的栅栏间隙逐节增大，面对莲子尺寸不一现象，栅栏式滚筒分级精度仍然不是很高（图1）。

2.1.3 筛杆式分级筛杆式分级是通过两筛杆之间的间隙变化对干莲子尺寸大小的分级。工作过程为干壳莲子从出料口排出之后，进入由平行排列同向转动的两根筛杆与放置于筛杆之上的导流杆构成的筛分通道，莲子在此过程中不断调整自身的位置，当干壳莲子尺寸小于两根筛杆之间的间隙，莲子受到重力作用下落，进行干壳莲子分级[22]。这种分级方式可以保证分级精度，但分级效率低下。

2.1.4 螺杆分级杜铮等[23]采用一对螺杆组对干壳莲子分级，螺杆组由带有螺纹的螺杆辊和有一定锥度锥辊构成，且两根辊安装在同一个水平面上。莲子在电机的带动下，经由进料装置输出，并在螺杆辊的推动下进入螺杆组分级装置，莲子在分级通道中均按长轴水平排列进行移动，当莲子中径小于辊间距时，莲子在重力和分级螺杆组的共同作用下掉入出料装置，从而实现莲子分级。这种莲子分级方式相比栅栏式滚筒的精度大大提升，但螺杆组的转向、螺杆转速、螺杆头数和螺纹升角对莲子分级准确率和分级产量影响较为复杂。试验结果表明，分级准确率和产量呈现相反的趋势，但莲子分级准确率高时，莲子分级产量却低，反之亦然。螺杆式莲子分级机结构复杂（图2）、受多种因素的影响。

2.1.5 振动筛网式分级多组振动式莲子分级装置，是由12种筛孔尺寸不同的筛网分为4组，每组筛网水平分布从高到低排列，每组有3种筛孔尺寸不同筛网垂直分布，通过振幅调节杆对筛网进行的上下振动和前偏心轴的转动实现筛网周期性水平往复运动，其工作过程为不同尺寸的莲子进入料斗掉入第一组莲子分级机构的筛网，在振动下，莲子往前窜动，大于第一块筛网孔径的莲子会慢慢跳到筛网末端的出料口，而小于筛网孔径的莲子则会掉入第二块筛网中继续筛选，第二块筛网中较大的莲子会通过末端出料口进入第二组筛网，较小的莲子则会掉入第三个筛网，以此类推，最后可将莲子分为13级别，分级精度高达0.3 mm[24]。这种方式分级均匀，成本低，但莲子种类不同，需要根据实际情况调节筛网振幅。

2.2 鲜莲子脱壳机研究进展

目前莲子脱壳分为干莲子脱壳和鲜莲子脱壳。莲子脱壳主要是通过机械方式在莲子短径处进行环切之后，进行剥壳。干莲子脱壳主要有撕搓式法[25]、辊刀式法[26-29]等。本研究主要介绍鲜莲子主要机械脱壳方法滚切式和挤压式。

2.2.1 滚切式滚切式莲子脱壳是最常见鲜莲子脱壳的方式，分为人工手摇脱壳[30]和机械脱壳[31]2种。滚切式莲子脱壳就是在莲子处于滚动的状态下，用刀片对莲子环切。目前最常见的3种形式的滚切方式，第一种是利用弹簧压力和搓辊摩擦作用进行滚切，莲子的切割部分主要由套筒、莲子、调节弹簧、圆盘刀片、输送盘和搓辊组成（图3）。通过拔销轴驱动槽轮带动输送辊作间歇运动，莲子在停歇过程中落入两个套筒之中，由输送辊将莲子输送到切割通道，莲子通过刀具上弹簧施加的压力受搓辊摩擦作用而滚动，进而带动圆盘刀片绕其轴转动，完成刀片对莲子的环切。试验表明，以剥净率、破碎率为评价指标，莲子剥壳的影响因素从大到小依次是拔销轴转速、刀具轴转速和搓辊轴转速[32]。第二种是靠主动轮、切割滑道的挤压和调节弹簧压力作用下进行滚切。切割滑道、导向槽及切割刀片等构成切割组件（图4），莲子在主动轮的带动下进入调整通道，调整通道的空间由大逐渐变小，在此过程中，莲子在调整滑道的导向面与主动轮挤压和摩擦共同作用下，自动调整切割姿势，之后进入切割通道，切割通道在导向槽的下部，由均匀分布的3个调节孔组成，且切割刀片只露出0.5～0.9 mm，通过调节弹簧和螺钉的配合，自动调节莲子切割大小，保证莲子顺利切割而不伤及莲仁，同时进行多个莲子切割[33]。第三种是通过拉力弹簧，使压板和刀片压住莲子实现滚切（图5）。莲子装入料斗，进入由排料轮盖与排料轮设有的若干缺口形成的槽穴，随槽轮转动落入滑槽，在自转与公转过程中逐渐摆正位置，进入切割组件的入口，U型摇臂在拉力弹簧和莲子支撑力作用下，进行上下运动以适合不同直径的莲子，实现对槽轮上鲜莲子的切割。之后通过挤压实现对莲子的剥壳，并由旋转的槽轮排出分离的莲仁与莲子壳[34]。莲子关键部件的局部放大图见图6。

2.2.2 挤压式挤压脱壳法就是用挤压的方式使莲子的外壳与仁分离。吴传宇等[35]利用挤压的方法实现了莲子外壳与莲仁的分离（图7），在试验中先将莲子固定在模套阶梯孔套中，在挤压前对根部进行处理，切出一字或十字长度为15 mm的切痕，然后利用挤压杆向下的挤压，当莲子受到挤压杆的作用向下移动过程中，莲子的外壳受到孔壁的摩擦和阶梯台阶的阻挡作用，从而实现莲子壳与莲子仁的分离。

3 存在的问题

综述所述，目前中国在莲子类的切割研究方面一直没有很大的突破，不管从分级还是鲜莲子脱壳方法上并没有提高，根据上述研究分析，目前鲜莲子类的切割方面还存在以下的问题：

1）鲜莲子在进行脱壳的过程中，莲子主要是靠外部旋轉带动莲子转动，并利用弹性通道适应莲子的不同尺寸，不能保证恒力切割，经常造成莲子不同程度的割伤和较为严重压痕，影响莲子的市场价值与后期莲子的储存。

2）在设计的莲子切割装置中，主要是依靠弹性调整和切割刀片露出的间隙对不同尺寸大小的莲子进行切割，只能保证绝大部分的莲子切割效果，如果莲子体积太大或太小切割效果并不理想，这样就需要在切割之前做好莲子的分级工作以便于进行切割。

3）智能化程度低。莲子剥壳机脱壳方式均采用纯机械的切割方式，可考虑在后续开发及研究中与智能技术相结合，进一步提高机器智能化与机械化水平，满足社会生产的需求与需要。

4 展望与结论

近年来，随着机电一体化技术推广、制造技术水平的提高，生产系统向柔性化、智能化发展。研制适用性广、自适应能力强、精准度高、小型化的加工莲子剥壳机，以满足实用性要求，是顺应时代的必然趋势。

针对现存的莲子脱壳均是莲子靠外部旋转带动下，进而带动莲子旋转的情况，提出一种新的莲子剥壳方式，即利用莲子导电性能，通过电机控制刀具精准进给量，实现不同尺寸莲子的精准切壳；同时，充分利用莲子外壳的质地特性，实现剥壳。进一步提高剥壳设备的通用性、智能化和破壳率；降低莲子的破损率，提高莲子的良品率。

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