预处理视角下的核桃破壳加工技术研究现状及展望

2018-01-22张恩铭田学艳李树峰李红斌齐妍杰

农机化研究 2018年12期

张恩铭，郑霞，田学艳，胡斌，李树峰，李红斌，齐妍杰

(1.石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000；2.农业部西北农业装备重点实验室，新疆石河子 832000；3.新疆科神农业装备科技开发股份有限公司，新疆石河子 832000)

0 引言

核桃营养价值高，富含氨基酸和脂肪，是世界重要坚果树种之一，位列四大干果之首。核桃性味甘温，是滋补强壮品，有补气养血、润肺健脑的功效，且根、叶、果仁、果皮、树皮及脂肪油均可药用[1]。核桃在我国栽培有2000年以上的历史，也是近年来我国林果业中发展速度最快的树种。我国核桃栽培面积最大，总产量仅次于美国。据2000-2015年发布的《中国林业统计年鉴》统计数据显示：2014年，我国核桃总面积达554.78万hm2，总产量为271.37万t，占全国经济林总面积的14.95%[2]。

目前，核桃除了作为整果销售外，大部分需要进行破壳处理，为实施工业取仁和多样化休闲食用核桃的新产品开发做准备。我国部分地区的果农还采用传统的手工破壳和半机械化的破壳方法，缺乏核桃初加工的卫生条件和品质意识，致使核桃仁在核桃破壳加工过程中被污染，严重影响核桃仁的质量，难以达到进出口核桃的检疫标准要求。除了化学腐蚀法、真空爆破法、超声波破壳法等核桃破壳方法外，目前我国现有的破壳设备大多是单一的、传统的机械式破壳，主要有定间隙挤压破壳法、定向击打法、锥篮式破壳和气爆式破壳等挤压式与非挤压式方法。这些方法用于核桃破壳技术装备研究，存在实际操作中不好控制、仁易受到腐蚀、生产设备昂贵、破壳效果不够理想、噪音大、适应性差、能耗大和效率低等问题，在一定程度上制约了我国的核桃破壳设备推广和发展，影响了核桃加工水平。为此，本文以机械破壳前预处理的视角，阐述和分析了国内外破壳技术及影响因素，以期以先进技术进行预处理，再结合传统破壳技术，为研制适应核桃破壳加工要求的新型核桃破壳机械奠定基础。

1 核桃破壳国内外研究技术现状

国外的核桃加工业起步较早。在澳大利亚和美国等国家，农机与农艺融合程度较高，核桃品种优良，规格统一，有利于实施机械化破壳，已实现机电一体化。其中，核桃破壳和壳仁分离等工序已完全实现机械化，实行流水线作业，目前已实现机电一体化。而我国自20世纪90年代开始改变了人工破壳方式，研究核桃及其他坚果的机械破壳技术。因此，核桃破壳技术还处于研究的初级阶段。

1.1 传统未预处理的核桃破壳技术

1.1.1 国外情况

1.1.1.1 挤压式的破壳技术装备

1)夹盘式挤压核桃破壳设备：美国Keneth R. Evans 早在1980年研制了一种夹角工作盘挤压核桃破壳设备。该机主要由进料口、输送核桃的装置、挤压破壳装置及出料口等组成。当该设备运转时，通过链条带动其上方分布着一定间距的爪钩，把核桃从储料装置中逐一地抓起，送到一对保持固定夹角的工作盘中，核桃外壳随工作盘旋转被压碎[3]。

2)柱塞核桃钳：1981年，美国学者发明了一种柱塞核桃钳，由把手、可调柱塞、夹头、底座和固定套等组成。工作时，可调柱塞在操纵把手的推动下可在固定套内任意滑动，当调柱塞伸出时，夹头推动核桃运动，核桃在刚性砧底座上被夹紧并破壳[4]。

3)滚子挤压破壳设备：美国学者在1997年发明了一种单个滚子的挤压机构破壳设备，一个旋转滚子水平方向放置，滚子侧面是一个带有弧度的破壳板，当核桃落入滚子与破壳板之间时，会被揉搓，从而达到破壳的目的[5]。

4)压间隙核桃破壳设备：2000年，国学者Larry H. Hemry设计了可调挤压间隙核桃破壳机，由机架、进料口、可调节的定位板、破壳装置、传动机构及动力装置等所组成。这种核桃破壳设备可通过调节其定位板和破壳装置之间的间隙来适应各类不同坚果的破壳[6]。

1.1.1.2 非挤压式的破壳技术装备

1)击打式核桃破壳设备： 1994年，美国学者研制了一种击打式核桃破壳机，主要由机架、进料口、物料输送装置、击打装置及传动装置等组成。当该设备运转时，该输送装置将料箱中的核桃定量运送到击打装置中，由凸轮控制的击打头将核桃壳打破，致使核桃壳仁分离[7]。

2)滚筒击打式核桃破壳设备： 2003年，美国学者Clarence Lloyd Warmack 等人研制了滚筒式击打式核桃破壳机，主要由机架、进料口、滚筒、箱体、旋转破壳装置及出料口等组成。工作时，在滚筒内的击打板通过旋转而有效地击打核桃，使其破壳并壳仁分离[8]。

由于国外的核桃破壳设备是为其优良品种的核桃而设计的，因此还无法完全满足我国核桃品种在破壳加工中对破壳率和露仁率的要求，且制造和加工环节成本较高，无法被国内企业接受。

1.1.2 国内情况

1.1.2.1 挤压式破壳技术装备

1)齿盘挤压破壳设备：1995年，南京农业大学对绵核桃做了物理实验，测定了绵核桃的物理机械特性并对其内力进行了分析，研制了一种绵核桃剥壳取仁设备，主要由机架、进料口、破壳装置、调速设备及出料口等组成。当核桃喂入到破壳装置中，核桃会随着齿盘不停地旋转，被慢慢地向里挤入，核桃表面会被一定间距的齿尖不断挤压，使得核桃达到破壳的目的，并使部分壳和仁分离出来。该设备可节省大量人力资源，但其适应性及核桃整仁率尚有待提高[9]。

2)弧板挤压式破壳设备：新疆农业大学设计了一种6HP-150型核桃破壳机，主要由料斗、锥形分级滚筒、导向装置、破壳装置、传动装置和动力装置等组成。工作时，通过锥式滚筒栅式分级，由螺旋输送器均匀喂料，核桃进入挤压滚筒后，经过破壳弧板挤压，实现破壳。该机可以依靠物料自身重力自上而下形成一个系统作业流水线。由于采取分级处理，大大提高了核桃破壳取仁的质量[10]。

3)平板挤压破壳设备：该设备由1对破壳板组成，两破壳板之间上宽下窄，成一定夹角。壳体通过铰链与动破壳板一端相连，另一端由偏心轴带动可做往复曲线运动；定破壳板是可以调动的压直板，机体与其上方一端相铰接，调距手柄与其下方一端与相连接，两板之间的间隙和角度的调整，可通过旋转手柄来推动定破壳板运动来实现。其需要将挤压间隙的最小宽度调整到小于果壳的直径，并且接近于核桃果仁的最大外径。两破壳板表面都是粗糙的条纹，可增加与核桃接触的粗糙度。当核桃落入破壳板狭缝中，会随动破壳板运动，当经最窄处破壳后，最后由出料口甩出。该设备可将大小不同的核桃一起破壳[11]。

4)锥篮式核桃破壳设备：2011-2013年，李忠新和崔宽波等研究人员研制了锥篮式核桃破壳机，通过转动手柄可使破壳体上下移动，从而达到调节两破壳体之间的间隙，进而破壳加工尺寸大小不同的核桃，以进一步提高核桃破壳率和果仁完整率。这种破壳设备可以适应不同核桃品种和大小的核桃破壳，1/2仁得率达到72%[12]。

5)多辊挤压式核桃破壳设备：新疆学者为了进一步改进国内挤压式核桃破壳机，设计了一种多辊挤压式核桃破壳机。该机选用间断性挤压式破壳方法，设计的破壳辊子与多个辅助破壳辊子之间的间隙由大到小，形成了间断性的多工位破壳工作区，实现核桃破壳取仁。试验结果显示：该型多辊挤压式核桃破壳结构具有较好的破壳取仁效果[13]。

6)搓压式核桃破壳设备：山西省设计人员设计了搓压式核桃破壳机，该设备先用分离筛进行核桃的大小分级和震动分离，再由输送带或漏斗供给到两个同向而不同速度运动的铁板皮带上；两铁板皮带可调整合适的破壳距离，采用同向不同速有限度的搓压破壳原理，防止内部的核桃仁受到损伤，破壳效果好，核桃仁完整[14]。

7)滚压式核桃破壳设备：该设备运转时，核桃从进料斗喂入到锥形筒上部间隙内，并沿着螺旋槽向下运动；随着间隙变小，增加了滚压变形，与核桃接触处的粗糙度也在增加；由于增大了核桃与螺旋槽的接触面积，致使核桃受力更加均匀，破壳效果更加理想，从而保证了较高的高路仁率[15]。

8)螺纹螺旋式的核桃破壳设备：塔里木大学设计了一种螺纹螺旋式核桃破壳机，该机料斗底部与一水平设置在机架上的工作筒相连，工作筒内水平设置着绞龙,绞龙的自由端设置着由电动机驱动的从动皮带轮，工作筒的一端连接着出料管，靠近出料管的工作筒筒壁呈锥筒形构成核桃破壳工作段；其周壁上均布间隔设置有圆孔以定位核桃，圆孔的孔径小于核桃的外径。核桃从料斗进入工作筒后，由绞龙推动，由于圆孔进行定位并同时与核桃破壳工作段产生连续的挤压，从机架上的出料管出来，达到破壳的目的。该机结构简单紧凑，操作方便，破壳效率高，破壳效果较好[16]。

9)柔性带差速挤压核桃破壳取仁设备：青岛理工大学和沈阳农业大学联合研制了柔性带差速挤压核桃破壳取仁设备。该设备由1对同向不等速的、传动的PVC工作带组成，且两工作带富有柔性。在破壳区内，核桃受到剪切挤压力；由于工作带间呈楔形夹角，使得核桃受到的力不断变大，当剪切挤压力大于核桃表面裂纹扩大的临界力时，核桃壳破碎；随着核桃的滚动，其表面裂纹会不断均匀扩大，使核桃破壳更加充分[17]。

1.1.2.2 非挤压式技术装备。

1)蜗杆与蜗轮核桃破壳设备：山西孝义的冯光旭等人设计的核桃破壳设备由底座及破壳装置等组成，破壳装置由活动块和固定块所组成，固定块在底座一端，活动块在蜗杆一端，弹簧套在蜗杆的另一端，蜗杆和蜗轮相互配合，在底座上固定着蜗轮轴下端，手柄安装在蜗轮轴上端。该设备有较好的省力效果，易破壳，施力大小易掌握；但该机器不能实现机械化生产，还需要大量的人力资源[18]。

2)击打式核桃破壳设备：新疆农业大学研制的击打式核桃破壳设备，包括进料口、进料拨轮、触点开关、输送装置、机架、时间继电器、电磁阀、气缸及供气组件。当该设备运行时，核桃在导向辊子推动下转动，实现导向。其中，导向辊子均匀分布在物料输送圆盘外圆周上，并由摩擦盘驱动，活塞杆通过时间继电器电磁阀的控制对核桃实施击打。该设备结构简单，破壳效率高，可以实现核桃机械化的破壳取仁[19]。

3)离心式核桃破壳机：江苏南通的郭俊设计了一种离心式核桃破壳机，其工作时核桃由入料口进入破壳区,被高速旋转的动刀组甩出，并撞击在导向板上,经过碰撞实现破壳后沿着导料板经过吸风道到达出料口卸料。该机生产率高,对核桃仁表面磨损少，机械结构简单,整体成本低[20]。

4)偏心击打式核桃破壳设备：陕西科技大学研究人员设计的偏心击打式核桃破壳设备包括进料口、输送装置、动力装置及击打装置等部件。设备运行时，核桃由进料口进入破壳设备后，在滚子滚动下将核桃带入滚轮。在挤压装置里面有挤压杆，被滚子上面有弧形的凸起推动着，当滚子上面的弧形凸起不推动挤压杆时，挤压杆将在弹簧的作用下对核桃进行击打破壳。该机结构简单，可根据核桃的物理特性和力学特性调节挤压杆的击打力和击打距离，以保证核桃破壳时有较高的整仁率和破壳率[21]。

5)激光照射核桃破壳技术：华中农业大学的研究人员用激光照射核桃表面，使核桃体的温度发生变化，核桃的每一部分都因温度的变化膨胀或者收缩而产生应力随之发生变化，致使核桃发生破裂[22]。

6)微波核桃破壳技术：洛阳理工学院和山西农业大学研究通过微波辐照作用于核桃仁，在交变磁场作用下核桃仁内部水分子作高频转变，在短时间内核桃内部产生高热，形成高压水汽，直至高压水汽作用于核桃壳的压力大于其拉伸极限时，核桃壳破裂[23]。

7)气爆式核桃破壳技术：新疆农业大学的研究人员用核桃本身气密性，在核桃壳体上钻1个小孔，从孔向核桃内部加载高压气体载荷，在一瞬间核桃内部、外部形成较大的压差；当气压差产生的压力大于壳体许用应力时，壳体爆开破裂，利用气爆原理完成核桃脱壳。当在0.55MP载荷时，核桃结蒂位置加载是最优解，核桃壳体爆开位置较好，多处破裂有利于取仁工作，可以得到较高的破壳率和较低的碎仁率[24]。

国内的破壳技术在破壳效率方面有较大突破，但破壳质量及与后续工艺的衔接性方面没有解决，在加工工艺优化和提升高路仁率方面仍有待研究。

综上所述，国内外的机械式破壳技术研究及应用现状表明：不论是挤压式破壳，还是非挤压式破壳技术，其在破壳率、适应性和生产效率等方面均有较大突破。但是，由于未对核桃进行预处理，其单一机械的破壳质量和能耗等方面尚有进一步可改进的空间。

1.2 结合预处理的核桃破壳技术

1)沸水预处理。陕西科技大学研究人员2014年研究将核桃放在沸水中 10min，然后捞出放入自来水中冷却，再进行烘干，直到含水量达到未处理前的水平。通过万能材料试验机的压力试验发现，破壳力明显变小；同年，研究人员对影响核桃破壳力大小因素进行了研究，结果表明，对核桃破壳前进行预处理可以减小破壳力[25]。

2)油浴和微波预处理。常州大学利用电镜(SEM)和红外光谱(FT-IR)分析油浴和微波预处理后的山核桃壳发现，山核桃壳紧密的结构遭到破坏，变成更加易于酶解的松散、多孔结构[26]。

3)划口预处理。陕西科技大学郑甲红等人设计了锯口挤压式核桃破壳机，工作时先对核桃进行锯口，然后对核桃进行挤压两次破壳。由于核桃壳的主要成分是木素，物理结构适合进行锯口，从而局部打破了核桃壳表面的应力集中；锯口之后再实施“四点加压”，可以使核桃更易破壳[27]。

有关研究表明：预处理可以减小核桃破壳时的应力，对核桃仁的破坏较小。因此，采取不同的预处理方法对核桃破壳可在一定程度上降低核桃的碎仁率，提高其高路仁率和整仁率。

2 影响核桃破壳的研究现状

2.1 核桃的物理性质对破壳的影响研究现状

2.1.1 核桃的品种

由于核桃品种杂多，尺寸差异大，形状多样，壳仁间隙也大有不同，具体表现为：壳仁之间间隙小时，壳完全破裂所需形变量大于壳仁间隙，则会在破壳的同时对仁造成极大的损伤；壳与仁之间的间隙足够大时，壳仁之间的结合会比较松懈，会使核桃破壳的同时保证仁的完整。因此，应尽量选择壳薄与壳仁之间间隙足够大的核桃，可使核桃破壳的同时尽可能地保证仁的完整，提高核桃的破壳率和整仁率[28]。

2.1.2 核桃均匀度和饱满程度

核桃均匀度和饱满程度对破壳效果的影响也较大。当核桃大小不均匀时，挤压破壳设备的最佳破壳间隙与角度很难确定，破壳率和碎仁率无法达到最佳的平衡，破壳效果不理想，需要采取循环破壳及二次破壳才能达到理想的破壳效果；当饱满程度相差较大时，则需要分级处理再破壳，才能达到理想的效果[28]。

2.1.3 核桃的含水量

核桃水分含量对破壳效果的影响也较大，直接影响着核桃壳的强度、弹性、塑性。核桃含水量越低，其外壳越脆，易破壳，但在破壳后整仁率较低，混杂在核桃仁里的核桃壳碎粒会较多；核桃含水量越高，其外壳的韧性则越好，破壳率低，但在破壳后的整仁率较高，混杂在核桃仁里的核桃壳碎粒会较少。在核桃破壳时，应保持最适当的水分含量，一方面使其具有更大的脆性从而有较高的破壳率，另一方面又不致于使核桃仁在机械外力的作用下整仁率过低[28]。击打破壳含水率在14.5%左右时，核桃高路仁效果最好[29]；随着含水率的增大，破壳效果先增后降，当含水率为23%时，破壳效果最好[30]。当含水率增加到30%时，破壳率由100%下降到80%；当含水率不超过20%时，随着含水率的增加，整仁率增加；当含水率高于20%，整仁率不断降低。这是因为低含水率时，核桃壳体和内部核桃仁较脆，壳体破碎率高，核桃仁也容易被挤压破碎。随着含水率的增大，果仁的韧性增大，破壳过程中，不易被挤压破碎，所以整仁率增大。然而，含水率增加，壳体的韧性也不断增加，其形变能力增强，当挤压行程小于核桃壳体的形变量时，就会出现破壳不完全的现象[31]。

2.1.4 核桃尺寸

核桃的几何尺寸对破壳效果的影响也较大。核桃的尺寸越大，核桃在破壳时所需要的破壳力也越大。核桃在破壳前进行分级处理，可达到较理想的破壳效果，可以保证较高的破壳率和整仁率[32]。

2.2 破壳机结构因素对破壳的影响研究现状

2.2.1 转速

破壳体转速增加，剪切作用也会随着加大，破壳率随之增加。试验证明，当转速在1 400r/min时比较合适。当两破壳体转速差过大时，剪切撕剥效果也会更加明显，对核桃仁的损伤也会比较大，对于较难破壳的核桃，可采用较大的转速差[28]。新疆农垦科学院机械装备研究所的何义川等人做了对辊挤压式核桃破壳装置的试验研究，结果表明：挤压辊的转速对一次性破壳率影响非常显著，对核桃破壳高路仁率指标影响最大[33]。山西农业大学的申海霞、张淑娟等人自行设计了一种核桃分级破壳机，试验结果表明：分级绞龙转速和破壳动刀转速对破壳效果有影响[34]。

2.2.2 破壳体的间隙

受破壳体的间隙大小的影响，不同规格的核桃在破壳工作区内所受的压缩形变量也不相同，因此需要在破壳前先将核桃按照大小分级，通过调整破壳间隙达到较好的破壳质量[28]。新疆农垦科学院机械装备研究所的何义川等人做了对辊挤压式核桃破壳装置的试验研究，结果表明：挤压间隙对核桃破壳结果一次性破壳率影响不显著，挤压间隙对核桃破壳结果高路仁率影响仅次于挤压辊的转速[33]。

2.2.3 壳体的材料及表面形状

当破壳板材料使用表面硬度较高且表面有粗糙条纹的钢板时，可增大摩擦力，核桃破壳更加充分；但如果破壳板材料的弹性较差、硬度高、变形小，则核桃被挤压过度，碎仁率就增大；当破壳板材料选用工程塑料时，由于其弹性好、硬度低、变形大，因此核桃的破壳时间延长，降低了破壳率，但碎仁率较小。试验结果证明：表面采用 HRC 硬度 40～50 的菱形花纹钢板较为合适[28]。

2.2.4 装置间距变化

山西农业大学的申海霞、张淑娟等人自行设计了一种核桃分级破壳机，试验结果表明：影响破壳效果的主要因素是分级装置与破壳装置的上下间距差[34]。

2.3 加载参数对破壳的影响

2.3.1 加载速率

在每一种速率下沿相同方向对核桃进行的挤压静态压缩试验中，当载荷的加载速率逐渐增加时，核桃的破壳力基本没有大的变化。试验表明：在5～30mm/min范围内，载荷的加载速率对破壳力的影响不大[32]。

2.3.2 加载方向

沿垂直于核桃缝合面短轴方向挤压核桃时所需的破壳力最小，沿核桃缝合面短轴方向挤压时所需的破壳力最大[32]。新疆学者何义川、史建新等的研究结果表明：当在垂直于核桃缝合面短轴方向加载时，核桃的应力、应变主要集中在垂直于核桃缝合面短轴方向曲面顶部，导致核桃壳局部破裂，不利于破壳；而当加载力作用在核桃缝合面长轴和短轴方向时，其上应力和应变分布沿着一定的方向分布较广，此时有利于核桃有效破壳[35]。

2.4 划口预处理对核桃破壳的研究现状

2.4.1 机械划口预处理

河北唐山马殿秋设计了一种机械干坚果开口机，通过电锯切割核桃，可用于核桃开口预处理。其开口率高，无破损，开口张裂程度一致，食用取仁时不需借助工具开口，只需用手捏开。开口预处理后核桃的开壳力大大减小，有利于核桃破壳[36]。陕西科技大学郑甲红等人设计了锯口挤压式核桃破壳机，工作时先对核桃进行锯口，然后对核桃进行挤压两次破壳。由于核桃壳的主要成分是木素，物理结构适合进行锯口，从而局部打破了核桃壳表面的应力集中，锯口之后再实施“四点加压”，因此破壳充分，且高路仁率高[27]。

2.4.2 激光切割划口预处理

浙江省的研究人员设计了一种激光切割式山核桃破壳机，包括机架和枪管,枪管包括T型连通的竖直落料管和水平挤压管。工作时，核桃由落料管进入到水平挤压管内，其中设有可往复运动的枪杆,枪杆上设有破壳刀头,破壳刀头的前方设有挤压杆,水平挤压管的底部设有缺口；激光发生器发出的激光光刀从缺口中穿过,激光光刀与水平挤压管内壁最低点之间竖直高度为0.2～1.5mm。在重力的作用下,山核桃会贴紧水平挤压管的内壁,枪杆和破壳刀头推动山核桃往前运动,当山核桃经过缺口时，下部的壳会被激光光刀所切开一个口子。这样，在破壳刀头将山核桃挤压到挤压杆上时候,由于下方已经破开一个口子,可以更容易地将山核桃破壳，提高了破壳效率，有效地避免了重复破壳[37]。