我国核桃初加工现状与分析

2020-02-24张永成马佳乐唐玉荣刘扬兰海鹏张宏

食品工业 2020年7期

张永成，马佳乐，唐玉荣，刘扬，兰海鹏，张宏

塔里木大学机械电气化工程学院（阿拉尔 843300）

核桃属胡桃科核桃属[1]，是我国重要的经济林树种，具有较高的药用和营养价值，享有“长寿果”“益智果”的美誉[2]。我国是世界六大核桃生产国之一，年产量稳居世界第一位[3]，我国核桃栽培历史悠久，据报道早在300万年前我国就有核桃生长[4]。近年来，我国核桃产量和种植面积飞速增长，2017年我国核桃产值达249亿元，产量415万 t[5]，预计2020年种植面积将超过260万 hm2[6]。随着种植面积和产量的不断增加，传统的核桃初加工模式已然不适应核桃种植业的发展。因此，不断发展和完善核桃加工机械化、标准化、产业化发展体系已成为核桃初加工产业发展亟待解决的问题。

核桃的初加工是指对核桃进行诸如脱青皮与清洗、清洗、干燥、分级、破壳和壳仁分离等加工处理过程，是核桃进行精深加工的基础。加强对核桃初加工现状的研究，对促进核桃初加工产业化发展和核桃附加值的提升具有重要的意义。

1 核桃脱青皮与清洗的研究现状

脱青皮与清洗是核桃采收后进行干燥、贮藏、加工的首要工序，必须尽快进行，否则长时间的存放会导致果仁霉变与皮色褐变，严重影响核桃的内在品质和外观质量，进而造成核桃商品价值和使用价值的降低。

常用的核桃脱青皮方法有手工脱皮、机械脱青皮等[7]。为了实现核桃青皮的快速脱落和脱皮效果的提高，一般青核桃在手工或机械脱皮前会进行一定的预处理，常用的预处理方式有采后堆沤和化学药品（一般使用乙烯利）喷洒后堆沤处理[8]。

1.1 手工脱青皮与清洗

手工脱青皮主要是先人工采用刀削、棒敲等方式去除青皮，再进行清洗晾干的方法[9]，工作量大，强度高，用工成本昂贵，而且生产率低，批量生产受限，远远不能满足规模化种植产业的发展，不利于初加工产业化发展。因此，机械脱皮是核桃脱青皮发展的必由之路。

1.2 机械脱青皮与清洗

在国内，刮削、切割、挤压、撞击是核桃机械脱青皮的主要方法[10]。

刮削脱青皮主要是利用工作部件在与核桃发生相对运动时，通过工作部件实现核桃青皮刮落的方法。帕合尔鼎等[11]研制了6TXH-600型青核桃脱皮清洗机，工作时在滚刀的切削和滚筒与栅条之间的挤压、摩擦作用下将核桃青皮剥离下来，可获得高达600 kg/h的生产率，洗净率和去青皮率高达95%以上。刘西宁等[12]研制了6TXH-3600型青核桃脱皮清洗机，工作时在凹板筛与钢丝刷的紧密配合下，核桃青皮被刮削、揉搓和碾压，最终实现核桃青皮脱落和核桃与青皮的分离，脱皮率高于85%，工作效率高，性能可靠。杨忠强等[13]研制了一种核桃脱青皮机，工作时核桃在输送过程中受到板刷上钢丝刷的剪切、挤压和滚搓的作用将青皮脱下，板刷与输送带间隙可调，有效降低了破损率，提高了脱皮率，试验表明在较优参数组合下，脱净率高达90%以上。此外，张兆国等[14]发明的青核桃去皮机，不仅能够实现核桃脱青皮，而且能够实现清洗、初步烘干和清洗用水的循环使用，节能高效，具有一定的市场情景。

切割脱皮是利用切割部件（一般为刀片）与青核桃作相对运动时，刀片将核桃青皮割掉或割裂，青皮在振动、挤压、摩擦等因素的作用下实现脱离，达到去除青皮的效果。冯宏波等[15]研制了5QHT-500型青核桃脱皮清洗机，工作时青皮首先受到旋切滚刀的切割，然后在滚筒与格栅的挤压、摩擦作用下与核桃分离，再通过初洗和精洗，脱皮和清洗效果明显提高，目前已推广应用。王秉富等[16]发明了立式核桃脱青皮机，工作时在上下割刀的切割作用和去皮辊的作用下去皮，能够较大程度减小核桃内部损伤。丰佩印等[17]发明了核桃去皮机，该机工作时能够在螺旋凸楞和锯齿刀片的作用下实现批量核桃脱青皮，结构简单，易于操作。杨少昆等[18]对一种青核桃脱皮机进行改进设计及试验分析，得出了脱皮的最优方案。

挤压脱皮法是指在工作部件产生的挤压力作用下使青皮与核桃脱落的方法。梁金生等[19]设计了揉搓挤压式核桃脱青皮机，工作时核桃在弹簧的作用下被压板压紧，将核桃青皮压裂，因推杆和压板之间有相对运动，利用摩擦力将被压裂的核桃青皮揉搓去除，实现脱青皮的目的。石鑫[20]设计了一种青核桃脱皮装置，主要由剥皮滚筒、栅条滚筒和螺旋输送叶片等构成，剥皮滚筒与栅条滚筒的间隙可调，工作中在栅条和耐磨橡胶条挤压力、摩擦力、剪切力的共同作用下，将核桃青皮剥离。王亚妮等[21]研制了核桃去皮机，工作时核桃青皮在滚筒和压板挤压、碾搓作用下实现青皮的去除，设备简单，但脱下青皮尺寸较大，还需人工进辅助分离。

2 核桃干燥的研究

核桃干燥是核桃采后加工处理的重要环节之一，我国传统的核桃干燥以自然晾晒为主[22]，因干燥过程无需成本投入，现已发展十分成熟，但规模生产受到很大程度限制，干燥过程易受环境影响，产品质量难以保证。随着核桃种植规模和产量的不断提高，以及人们对美好生活的向往和食品安全意识的增强，新的干燥方式不断引入和应用于核桃干燥领域。主要有热风干燥、微波干燥、太阳能干燥和红外干燥等[23]。近年来，核桃干燥技术主要集中在优化干燥工艺参数、提高干燥速率、改善产品品质、降低能耗和新型干燥技术研发推广方面[24]。王庆惠等[25]进行了核桃深层热风干燥特性研究，并通过试验得出了核桃深层热风干燥最佳干燥工艺参数。姜苗[26]进行了云南核桃热风干燥特性及其传质模拟研究，建立了干燥动力学方程，对云南核桃干燥过程的研究提供了参考。朱德泉等[27]进行了山核桃热风干燥工艺研究。张纪柏等[28]对五香‘绿岭1号’薄皮核桃进行了烘烤试验，得到了‘绿岭1号’薄皮核桃的最佳烘烤条件。沈卫强等[29]利用太阳能热泵组合干燥设备对新疆脱青皮后的温185进行了试验研究，并得到了生产率为1 000 kg/h的核桃干燥的最佳方案，即温度、空气流速、干燥时间分别为58 ℃，3 m/s和12 h。陈盈希等[30]利用热泵干燥设备对大理脱青皮后的核桃进行了干燥试验，得到了最佳定色期和后期干燥温度。张波[31]对核桃射频热风联合干燥特性及品质变化进行了研究，为射频干燥在核桃干燥领域的应用提供了参考和依据。

3 核桃分级的研究

核桃分级是核桃干燥后进行商品化的重要环节，是提高核桃附加值的有效途径，同时也可以为核桃后续的破壳加工作业提供保障，提高破壳率，降低损失率。何鑫等[32]研制了6FG-900型核桃分级机，工作时核桃随分级辊一起运动并不断翻转对位，调整姿态，当核桃直径小于或等于辊子间隙时，核桃便通过间隙而实现分级，试验表明，链条前进速度、喂入量、分级辊转速分别为24 m/min，15 kg/min和180 r/min时，具有较高的分级精度，可达95%。沈柳杨等[33]研制了一种自分级挤压式核桃破壳机，具有较好的分级和破壳效果，试验表明，经分级后的核桃一次性破壳率平均达93.2%。刘军[34]进行了基于机器视觉的核桃外部缺陷检测与分级研究，为机器视觉检测在核桃分级设备领域的研究提供了新参考。

4 核桃破壳的研究

破壳取仁是核桃进行深加工的前提和保障，直接影响核桃后续加工环节的顺利进行和核桃附加值的提高[35]。化学腐蚀破壳法、真空破壳法、超声波破壳法、机械破壳法是核桃破壳取仁的主要方法[36]。化学腐蚀破壳法在实际腐蚀破壳过程中不易控制，核仁易受污染，难以得到用户和消费者的认可。真空破壳法与超声波破壳法初期投资大，破壳成本较高，推广困难。机械破壳法结构简单，破壳效果易于控制，是目前广大学者的主要研究方向。常见的机械破壳方法有敲击式、挤压式和剪切式等[6]。

4.1 机械破壳装备的研究

4.1.1 敲击式破壳机械的研究

丁冉等[37]进行了仿生敲击式山核桃破壳机的设计与试验，提出了一种核桃仿生破壳方法，试验表明，在最佳的参数组合下，破壳率为99.41%，具有较低的果仁损伤率，加工效果良好，可以满足当前山核桃的加工要求。朱德泉等[38]进行了6HS-6型山核桃破壳机研制及试验研究，该机破壳工作时山核桃在半球形凹槽中受到敲击臂击打而使核桃壳产生裂纹破裂，敲击臂的打击力可通过调节扭簧的回复力实现，调节不同的打击力，可以适应不同含水率、不同大小山核桃的破壳要求，试验表明，敲击臂与滚筒间隙、主滚筒转速、扭簧力分别为95 mm，9 r/min和25 N时，可获得98%的破壳率和2%的破碎率，破壳效果较佳。

4.1.2 挤压式破壳机械的研究

吴子岳[39]在对薄壳理论分析的基础上，提出了绵核桃破壳取仁理论，并以此为基础研制了绵核桃剥壳机，工作时绵核桃在向下转动过程中受到圆齿盘和齿板之间挤压而实现破壳。王亚雄[40]研制了一种多点挤压式核桃破壳机，并应用Admas软件对挤压机构进行了运动分析。沈柳杨[41]进行了冲压式核桃破壳机的设计及试验研究，其设计的破壳机既能实现分级处理，又能实现核桃破壳，试验表明，在最佳参数组合下，该机具有高达91.67%的分级效果，88.72%高露仁率和92.80%的破壳率。董诗韩等[42]进行了多辊挤压式核桃破壳装置的研制，并通过试验获得了最佳破壳效果时破壳机的工作参数组合。奉山森等[43]设计了立式滚压核桃破壳机，工作时核桃在定锥形与螺旋槽筒中沿螺旋槽轨自上而下滚动的过程中受到定锥形与螺旋槽筒的滚压作用，最终实现核桃的挤压破壳。偏心轮的偏心距可调，对不同品种核桃都有很好的适应性。郑甲红等[44]设计了锯口挤压式核桃破壳机，工作时在对核桃进行挤压破壳之前，先使用锯片、伸缩杆、凸轮等组成的锯口装置对核桃壳进行锯口处理，破壳效果较好，露仁率高，对核桃破壳具有一定的借鉴意义。闫茹等[45]研制了“四点挤压式”核桃破壳机，通过四点受力和两点受力下核桃破壳情况对比试验，得出了四点受力明显优于两点受力的结论，当挤压行程为6 mm时，核桃的破壳效果最好，能达到100%破壳率和96.8%的高露仁率。何义川等[46]研制了对辊挤压式核桃破壳装置，工作时核桃分别在挤压辊Ⅰ和挤压辊Ⅱ之间、挤压辊与凹板之间受到的挤压力和剪切力的作用下实现核桃两次破壳。李忠新等[47]进行了锥篮式核桃破壳装置设计与试验，试验获取了最适锥篮角度6°以及最适宜破壳核桃的物性参数。

4.1.3 剪切式破壳机械的研究

刘明政等[48]采用了一种基于剪切力的柔性破壳方法，并在此基础上设计了相应的破壳设备，通过试验研究分析了相关设计参数对核桃破壳效果的影响，通过调整相关参数可对尺寸不一的核桃完成破壳，并且能够实现破壳、壳仁分选和核仁品相的提高。王大源等[49]采用针式夹具夹持固定、刀具切割，之后进行撞击破碎的方法，实现了核桃破壳，因核桃的切削深度可控，具有一定的适应性。

4.2 预处理工艺下的破壳研究

提高核桃的破壳质量和效果，一直以来是学者们孜孜以求的目标。梁莉等[50]用微波对新鲜核桃经微波处理再进行直接破壳，具有较好的破壳效果，破壳率可达87.65%。柴秀洪[51]发明了激光环周切割式山核桃破壳机，工作时山核桃在激光切刀的多次切割作用下在山核桃环周破开多个口子，之后在破壳刀头与挤压杆挤压作用下实现破壳，破壳效率大大提升。杨锐等[52]对核桃进行了激光照射预处理，并对照射后核桃破裂行为进行了数值分析与模拟，为核桃激光破壳提供了参考。高警等[53]试验表明核桃水沸预处理对核桃破壳力的影响比较显著。

此外，史建新等[54]利用Solid Works创建了核桃相关分析的前处理模型，模拟了气爆式破壳时的应力、应变变化过程，验证了气爆式破壳方案的可行性，为进一步研制气爆式破壳提供了一定的理论基础。周军等[55]设计研发了气爆式核桃破壳机，并通过试验得出了最高破壳率时的破壳方案。

5 核桃壳仁分离的研究现状

壳仁分离是核桃破壳后获得干净核仁的重要工序，分离效果好坏直接关系到最终产品的品质与产量。气流清选法、气流与筛选组合法、比重分选法是目前国内物料壳仁分离使用较多的方法[56-58]。

王亚妮等[59]发明了一种气吸式风选核桃壳仁分离机，工作时因风管尺寸逐渐变大，壳仁混合物各组分因悬浮速度不同实现分离。张开兴等[60]发明了一种山核桃风选式壳仁分离装置，主要由机架、落料口、振动板、驱动凸轮、风机、集料箱组成，破壳后的壳仁混合物在振动板的作用下被抛出，在向外吹的气流作用下因各成分空气动力学特性的不同而被分离。朱占江等[61]研制了小型短风道核桃壳仁分选机，生产率最高可达300 kg/h，约是人工的70倍，生产率显著提高，目前该机已在多地得到推广应用。

朱晓燕[62]发明了集破壳和气吹式壳仁分离装置，工作时传动杆上下往复运动，从而带动破碎锤上下往复运动，实现输料槽内的核桃压碎，压碎的核桃壳仁组分分别经接料斗、振动板均匀掉落总成室，掉落过程中因壳仁受到气流作用的差异从而分别掉落在不同的储料槽中，实现核桃的壳仁分离。罗坤等[63]发明了一种山核桃风选壳仁分离机，该机通过电磁振动给料机给料，离心调速风机产生气流，结构紧凑、效率高。史建新等[64]发明了坚果壳仁分离装置，分选气流压力和速度可调，通用性强，不仅适用于核桃，而且对松籽、杏核等其他坚果壳仁分离也有较好的分选效果。田智辉等[65]、朱占江等[66]进行了核桃破壳-壳仁分离生产线的研制，破壳和壳仁分离效率显著提高。

此外，丁进锋[67]、王兆臣等[68]利用静电分离方法分别对脱壳后亚麻籽混合物以及核桃、榛子、杏核等物料的壳仁混合物实现了精确的壳仁分离。

综上所述，国内学者对核桃脱青皮与清洗、干燥、分级、破壳及壳仁分离等初加工环节进行了大量研究，积极研制和开发了多种类型的核桃初加工机械或设备，核桃初加工机械化程度不断增强，但许多机械或设备还处于研发或样机试验阶段，未能推广应用，即便成熟机型能够进行批产和推广的也不多见。此外，很多学者仅进行了初加工中某一环节的研究，缺乏产业化生产的实践检验，批量生产能力不强。我国核桃品种多，很多品种物理特性差异大，各核桃产区研发的初加工设备具有鲜明的地域特色，产品质量参次不齐，缺乏统一的标准，制约着我国核桃初深加工产业的又好又快发展。