工业大麻干茎加工处理试验研究

马兰，刘佳杰，向伟，龙超海，文庆华，吕江南

（中国农业科学院麻类研究所，湖南长沙410205）

大麻（Cannabis sativa L.）是大麻科大麻属一年生草本植物，其适应性强，种植广泛。工业大麻（Industrial Hemp）是指四氢大麻酚（THC）含量低于0.3%的无毒品提取价值的品种，这类品种经国家备案许可后，可以进行种植和相关利用。工业大麻在纺织、造纸、食品、医药和新材料等领域都有较好的应用，具有极高的经济价值，尤其是工业大麻纤维具有抑菌、吸湿、耐热和防静电等优良特性［1-3］，深受人们的喜爱。

工业大麻茎秆的韧皮部含有纺织所需的纤维，需要对其进行加工处理才能将纤维分离出来。国内外对工业大麻茎秆的加工处理方法不尽相同，一般可分为鲜茎剥麻、干茎剥麻。

对工业大麻茎秆的加工处理也称为剥制或剥麻，即从茎秆收获后到加工出原麻的过程。鲜茎剥麻适用于收获后及时加工处理，主要有小型反拉式剥麻机［4-5］（剥苎麻鲜茎用，改进后也用来剥制工业大麻鲜茎）和直喂式剥皮机［6］（适用于小面积种植的工业大麻，如品种试验基地等）；干茎剥麻方式适用于大面积种植工业大麻的基地等，该方式有利于工厂化集中加工，且一般是加工处理脱胶后的干茎秆，干茎剥麻没有专用的加工设备［7］，一般将茎秆切断后采用亚麻打麻生产线［8］进行打麻，剥制出的长麻用于纺织等对纤维长度有要求的行业；打麻后的短纤维和麻屑、麻骨等的混合物，俗称二粗，生产上使用亚麻二粗脱麻机对其进行加工处理，供后续需要应用短纤维的行业，如纤维复合材料，汽车面板等；目前也有直接用亚麻二粗脱麻机将工业大麻干茎秆梳理成短纤维的加工处理方式，但得到的纤维较短，限制了工业大麻纤维的应用范围，降低了其纤维价值。亚麻打麻生产线较长，过程复杂，纤维损失量大，研制适用于工业大麻干茎加工处理的专用机械，在保证生产质量的前提下，减少加工处理机械的数量，节约加工处理的场地空间，以促进工业大麻产业持续发展。

国内外对工业大麻的研究主要集中在力学特性［9-10］、茎秆收割装置［11-14］、剥麻机设计［15-16］、育种与栽培［17-19］、纤维复合材料［20-21］、土壤重金属污染植物修复［22-27］、药用价值研究［28-31］上，这些研究在一定程度上促进了工业大麻产业向纵深领域发展。

公开文献中鲜见有关工业大麻干茎加工处理方面的研究。本文分别采用碎茎机、双滚筒梳理机和课题组研制的麻类干茎打麻机以及这些机械的不同组合，对工业大麻干茎碎茎、打麻、梳理不同工序进行组合试验，研究不同组合试验中纤维的含骨率，并进行方差分析和多重比较，旨在提出适用于工业大麻干茎加工的处理方案，为麻类干茎棉型纤维加工工艺提供参考，亦可为麻类纤维加工处理设备的改进提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用工业大麻品种为龙麻1号，选自黑龙江省肇东汉麻种子繁育合作社农科院实验点，于2018年8月25日机械收割后，铺放在田里，20 d后，收集压缩打包。样品含水率参照GB／T 1931进行测定，干茎秆平均含水率6.46%，茎秆长度70～80 mm。工业大麻主要农艺性状见表1。

图1 工业大麻茎秆加工处理Fig.1 The processing and treatment of industrial hemp stalk

表1 工业大麻主要农艺性状Table 1 Main agronomic characters of industrial hemp

1.2 试验设备及其工作过程

试验用设备主要有麻类干茎碎茎机、麻类干茎打麻机、双滚筒梳理机。麻类干茎碎茎机（黑龙江兰西县霁鸿园亚麻机械制造有限公司生产，以下简称碎茎机）如图2所示，该机主要由14对螺旋压辊、1对光辊、弹性轴承座机构、动力传动系统、机架、防护罩等部分组成，主要部件是14对上下连续布置的带凸纹的轧辊。上排轧辊轴承座上弹性调节装置中的压缩弹簧可调节改变轧辊的压力。工作时将亚麻（大麻）纵向薄层喂入轧辊，麻秆经几对轧辊的多次压揉和弯曲使其韧皮与麻骨分离。为了减少轧辊对纤维的损伤，各轧辊的凸纹数不同，一般有11～14个凸纹，轧辊直径为140 mm，轧辊转速为 100～135 r／min，各轧辊线速度为 0.6～0.8 m／s。

图2 碎茎机试验装置Fig.2 Test device of breaking machine

工作过程：在喂入口处人工铺放茎秆，并喂入上下啮合的压辊中，茎秆的木质部被压辊压碎并破碎成小块（俗称麻骨或麻屑），部分麻骨从其韧皮纤维中分离出来，含有麻骨的茎秆经出麻口输出，完成碎茎工作。

麻类干茎打麻机见图3，该机主要由喂入装置、碎茎装置、打麻装置、去屑装置、抛甩装置、动力传动系统、防护罩、机架等组成，工作时茎秆通过自动喂入装置垂直喂入4对品字形碎茎碾压装置，然后依次进入打麻装置、去屑装置，经打麻去屑后，由抛甩装置的滚筒抛出。麻类干茎打麻机是本课题组研制的新型麻类干茎加工处理机械，主要解决了采用亚麻打麻线仅能加工1 m左右长度的工业大麻的问题，可供给中小工业大麻种植用户使用。该机械对长短干茎秆均可加工处理。

图3 麻类干茎打麻机试验装置Fig.3 Test device of scutching machine of bast fiber stalk

双滚筒梳理机（黑龙江兰西县春雨麻类机械设备制造有限公司生产）如图4所示，主要由两个钉齿滚筒、物料风机、防护罩、机架、动力传动系统等部分组成。工作时，人工将物料喂入进料口，经过两个相对运动钉齿滚筒上钉齿的梳打，碎麻骨被梳掉，并由物料风机抽出并排出脱麻机。纯净的纤维从出麻口输出。双滚筒脱麻机的钉齿滚筒直径为500 mm，转速为280 r／min。

图4 双滚筒梳理机试验装置Fig.4 Test device of double rollers carding machine

1.3 试验方法

1.3.1 麻类干茎打麻机打麻试验

麻类干茎打麻机打麻试验记为试验1，试验时每次随机选取3 kg物料，纵向喂入打麻机，收集打麻后的物料（即原麻）并称重。采用人工方法，拣掉原麻中的麻骨，并记录麻骨重量。重复3次，从每个重复的3个样品中各随机取出3个小样，测定含骨率，记录试验结果。

1.3.2 碎茎机碎茎试验

碎茎机碎茎试验记为试验2，试验时每次取3 kg东北大麻物料，茎秆采用横向喂入方式喂入碎茎机，称重碎茎后试验物料（即原麻）。重复3次，从每个重复的3个样品中各随机选取出3个小样，测定含骨率，记录试验结果。

1.3.3 双滚筒梳理机梳理试验

双滚筒梳理机梳理试验记为试验3，试验时每次随机选取3 kg东北大麻物料，茎秆采用纵向喂入方式喂入梳理机，称重梳理后试验物料（即原麻）。重复3次，从每个重复的3个样品中各随机取出3个小样，测定含骨率，记录试验结果。

1.3.4 碎茎机-麻类干茎打麻机处理试验

碎茎机-麻类干茎打麻机处理试验记为试验4，试验时每次随机选取3 kg物料，采用横向喂入方式将茎秆喂入碎茎机，收集碎茎后物料；将碎茎后物料喂入麻类干茎打麻机进行打麻试验，收集打麻后的试验物料（即原麻），并称重记录。重复3次，从每个重复的3个样品中各随机取出3个小样，测定含骨率，记录试验结果。

1.3.5 碎茎机-双滚筒梳理机处理试验

碎茎机-双滚筒梳理机处理试验记为试验5，试验时每次随机选取3 kg物料，碎茎时采用横向喂入方式，碎茎后物料称重；将碎茎后物料喂入双滚筒梳理机进行梳理，收集梳理后的试验物料（即原麻），并称重记录。试验重复3次，从每个重复的3个样品中各随机取出3个小样，测定含骨率，记录试验结果。

1.3.6 麻类干茎打麻机-双滚筒梳理机处理试验

麻类干茎打麻机-双滚筒梳理机处理试验记为试验6，试验时每次随机选取3 kg物料，纵向喂入打麻机，打麻后物料称重；将打麻后物料喂入双滚筒梳理机进行梳理试验，收集梳理后的试验物料（即原麻），并称重记录。采用人工方法，拣掉原麻中的麻骨，并记录麻骨重量。试验重复3次，从每个重复的3个样品中各随机取出3个小样，测定含骨率，并记录试验结果。

1.3.7 碎茎机-麻类干茎打麻机-双滚筒梳理机处理试验

碎茎机-麻类干茎打麻机-双滚筒梳理机处理试验记为试验7，试验时每次随机选取3 kg物料，碎茎时采用横向喂入方式，收集碎茎后试验物料；将碎茎后的物料喂入打麻机，收集打麻后的试验物料；将打麻后物料喂入双滚筒梳理机，收集梳理后的试验物料（即原麻），并称重记录。采用人工方法，拣掉原麻中的麻骨，并记录麻骨重量。试验重复3次，从每个重复的3个样品中各随机取出3个小样（每个小样不小于200 g），测定含骨率，并记录试验结果。

1.4 含骨率测定

工业大麻茎秆经机械加工处理后所得纤维（含骨）称为原麻。含骨率是茎秆在机械加工处理条件下所得原麻中麻骨含量与原麻（含骨）总重量的比值，按公式计算：

式中：

B—含骨率，%；

wb—原麻中所含麻骨的重量，kg；

wmp—原麻总重量，kg。

含骨率是评价麻类纤维加工处理好坏的定量指标之一，可以直观地说明加工处理后的纤维质量。含骨率越低，说明原纤维中麻骨的含量越少，减少了后续加工处理工序，更有利于后续纤维的利用。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel处理试验数据并进行处理间各指标的差异显著性检验，采用新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 麻类干茎打麻机打麻试验结果

由图5可知，3次打麻试验含骨率平均为37.43%，可见采用该麻类干茎打麻机加工处理工业大麻茎秆，可去除50%以上的麻骨。打麻后麻骨长度为2～6mm，纤维长度平均为540mm，见图6。

图5 麻类干茎打麻机试验结果Fig.5 Test result of scutching machine of bast fiber stalk

图6 试验后的典型工业大麻样品Fig.6 Typical sample of industrial hemp after test

2.2 碎茎机碎茎试验结果

由图7可知，3次试验含骨率平均为66.05%，可见碎茎机仅对茎秆起到了初步碾压的作用。经过碾压后的茎秆，其麻骨大部分附着在纤维上，需要进一步处理才可去除，说明单一采用碎茎机加工处理工业大麻茎秆，并不能得到洁净的纤维。经碎茎处理后的麻骨长度约为1～5 mm，纤维长度平均为450.6 mm。

图7 碎茎机试验结果Fig.7 Test result of breaking machine

2.3 双滚筒梳理机梳理试验

由图8可知，3次试验含骨率平均为37.07%。采用梳理机梳理后的纤维平均长度为100.9 mm，梳理后的麻骨长度平均为58.0 mm，麻骨较长，梳理后的短碎麻骨很少，见图9。双滚筒梳理机一般用来加工处理二粗（即经过其他机械加工处理后的含骨率较高的纤维团），其可将短碎麻骨从二粗中梳理出来，并由物料风机抽掉排出，而梳理后的纤维通过与喂入口相对位置的出麻口排出。从试验结果可知，直接用双滚筒梳理机对1100 mm左右的长麻进行梳理，梳理后纤维长度减小，且所含麻骨长度较长。

图8 双滚筒梳理机试验结果Fig.8 Test result of double rollers carding machine

图9 试验后典型工业大麻样品Fig.9 Typical sample of industrial hemp after test

2.4 碎茎机碎茎-麻类干茎打麻机打麻试验

由图10可知，3次试验含骨率平均为11.59%，对比单独采用碎茎机或单独采用麻类干茎打麻机的试验结果，可见碎茎机仅对茎秆起到了初步碾压的作用。采用碎茎机碎茎-麻类干茎打麻机加工处理后的纤维平均长度约为520.8 mm。

图10 碎茎机-麻类干茎打麻机试验结果Fig.10 Test result of breaking machine-industrial hemp dry stalk scutching machine

2.5 碎茎机-双滚筒梳理机试验结果

由图11可知，3次试验结果的含骨率平均为6.33%。试验后的纤维平均长度约为121.1 mm。

图11 碎茎机-双滚筒梳理机试验结果Fig.11 Test result of breaking machine-double rollers carding machine

2.6 麻类干茎打麻机-双滚筒梳理机试验结果

由图12可知，3次试验含骨率平均为6.19%。其纤维平均长度约为110.5 mm。

图12 麻类干茎打麻机-双滚筒梳理机试验结果Fig.12 Test result of industrial hemp dry stalk scutching machine-double rollers carding machine

2.7 碎茎机-麻类干茎打麻机-双滚筒梳理机试验结果

由图13可知，3次试验含骨率平均为6.58%。其纤维平均长度约为101.7 mm。

图13 碎茎机-麻类干茎打麻机-双滚筒梳理机试验结果Fig.13 Test result of breaking machine-industrial hemp dry stalk scutching machine-double rollers carding machine

2.8 方差分析

各组合试验含骨率方差分析结果见表2。由表2及查F分布表可知，显著性检验结果P-value＝2.89E-08＜0.01，F0．05＝2.8477，F0．01＝FINV（0．01，6，14）＝ 4．46，F＝43．55＞F0．01。表明不同组合试验下的工业大麻含骨率差异达极显著水平。

表2 不同组合试验的含骨率方差分析Table 2 Bone content analysis of variance about different combination test

2.9 多重比较分析

采用SSR法对不同组合试验的含骨率进行多重比较，将不同的组合试验结果分为7组，多重比较结果见表3。从表3可以看出，在0.01和0.05水平下，多重比较结果显示一致。处理试验4、5、6、7之间无显著差异，处理试验2与4、5、6、7呈极显著差异，处理试验2与1、3有明显差异，处理试验1和3之间无显著性差异，但处理试验3所得纤维含有较长麻骨，纤维被打断成短纤维，降低了应用价值，而处理试验5、6、7最后一个试验装置都采用了双滚筒梳理机，但结果与处理试验4之间无显著性差异，故在尽量减少加工处理设备而不影响试验效果的前提下，优先采用试验4即碎茎机碎茎-麻类干茎打麻机打麻路线。

表3 不同组合试验的含骨率多重比较（新复极差法SSR）Table 3 Bone content multiple comparison of variance about different combination test（SSR）

3 结论

（1）不同工业大麻加工处理方式下含骨率方差分析结果呈极显著差异，有必要进一步比较不同加工处理方式，判断两两处理平均含骨率之间的差异显著性，多重比较分析表明，处理试验1和3之间，以及处理试验4、5、6、7之间无显著性差异，处理试验 2与处理试验4、5、6、7呈极显著差异，处理试验2与处理试验1、3之间差异显著。

（2）对于含骨率而言，处理试验2与其他处理试验1、3、4、5、6、7之间都有显著性差异，仅采用处理试验2即工业大麻碎茎机对其茎秆进行碎茎达不到对工业大麻加工处理的效果。试验中，工业大麻茎秆碎茎后，其纤维上带有大量的麻骨或秆芯，需要进一步加工处理才能得到较洁净的纤维，供纺织、装饰等行业应用。碎茎后得到的麻骨尺寸在2 mm左右，比较适合后续的工业应用（制碳等），针对不同的产业需求，可以综合考虑机械的使用方式。

（3）在上述处理试验（试验5、6、7）中，采用了双滚筒梳理机进行试验，加工处理过的纤维含骨率都较低，但加工后的纤维长度短，降低了纤维的使用价值，可见双滚筒梳理机不适合对长纤维的加工处理，但是采用双滚筒梳理机加工二粗，可以得到洁净度高的短纤维。

（4）由多重比较结果可知，可提出新的工业大麻加工处理工艺，为进一步改进工业大麻加工处理机械提供新思路。如：处理试验4即碎茎机-麻类干茎打麻机，把碎茎机的碎茎功能融入麻类干茎打麻机中，可改进麻类干茎打麻机设计，缩短工业大麻加工处理工序，减少其加工处理机械作业线，节省场地空间，解决工业大麻生产缺少专业设备问题，亦可以为其他植物干茎秆的加工处理提供参考。