杏核破壳技术及机械的研究现状

刘 佳，沈晓贺， 杨莉玲，马文强，祝兆帅

（新疆农业科学院 农业机械化研究所，新疆乌鲁木齐 830091）

杏是蔷薇科落叶乔木植物，原产于中国，已有3 000 多年的栽培历史[1]，是新疆重要的经济树种，也是我国及世界重要的杏产区。截至2018 年，新疆杏树栽培面积达111.3 khm2，产量93.3 万t[2]。杏属核果类，果实主要由果柄、果皮、果肉、杏核壳及杏仁组成。杏的果肉甘美酸甜，营养价值很高，而杏仁的营养价值更丰富，具有一定的药理作用；杏仁中脂肪含量53%，蛋白质含量27%，还含有比较丰富的维E 和矿物质，近年来还发现苦杏仁中含有维B17[3-7]，具有很高的食用价值和药用价值。

杏核破壳是杏仁、杏核壳综合利用的前提条件，是提高杏商品化率、实现杏深加工的基础。破壳加工后的杏仁既可作为产品直接销售，也可制取杏仁露、甜杏仁油、脱皮白杏仁、杏仁蛋白粉、杏仁霜等高附加值产品[8]。杏核壳主要由纤维素和半纤维素组成，杏核壳在高温情况下炭化、活化后可加工成活性炭[9]，用杏核壳做的活性炭压制成的炭块密度低、空隙多。在生产活性炭的材料中，杏核壳为最优。

杏核破壳取仁，不仅可提高杏产品的附加值，还可回收杏壳，避免了零售杏核造成的杏壳浪费。这对发展杏产业、提高杏资源利用率、延长杏加工产业链、提升杏产业的科技竞争力、提高农民收入、促进经济的可持续发展均有重要意义。因此，开展杏核破壳技术及机械的研究对促进我国杏产业发展意义重大。

1 杏核破壳的概况

除了人工破壳的方法外，还有化学、物理、机械等破壳法。

1.1 化学破壳方法

由于杏核中含有多种纤维素、木质素和半纤维素，将杏核等坚果经过碱液浸泡、酸液浸泡、中和浸泡等步骤，杏核壳被化学溶液腐蚀软化后，再利用机械破壳装置剥去杏核壳[10-11]。在处理过程中化学药剂容易进入杏核果壳中，影响杏仁的品质，造成食品安全问题。

1.2 物理破壳方法

根据文献[12- 14]，通过物理方法进行杏核破壳的方法有以下几种。

①高压膨胀法：将杏核放入到密闭的压力容器中，向压力容器冲入高压蒸汽，到达一定的数值后，保持一段时间，再快速去除压力。②冲压破壳法：让杏核以比较高的速度与固定好的平面进行碰撞，从而使杏核的壳破碎。③冷冻法：利用杏仁与杏核皮的热胀系数不同来开口，加工过程相对简单，但是开口率不是很高。④加热法：将杏核进行加热，为了减小外壳的含水量和果仁里的水分，同时增加脆性和果壳内部的压力。在这些作用的影响下，慢慢完成杏核的开口。很多坚果可以采取这种方式开口，同时也是一些果实开口预处理的方法。

1.3 机械破壳法

采用机械设备对杏核施加外力，使杏核的壳在外力作用下破碎，机械破壳的形式有平板挤压式、碰撞挤压式、对辊碾压式。

2 杏核破壳机械的研究进展

2.1 平板挤压式破壳机械

通过动挤压板的往复运动，与静挤压板共同作用，实现对杏核的挤压破壳处理。如图1 所示，该破壳装置主要由静挤压板、动挤压圆盘、送料板、传动系统和动力装置组成。将分级后的杏核通过输送装置送入挤压槽中，随着传动系统带动动挤压圆盘的转动，杏核逐渐被送入挤压槽工作区内，从而完成挤压破壳作业。郭瑞琴等人[15]设计研制的侧边挤压破壳的破壳机械，经过实际生产使用，生产率150 kg/h，破壳率为95%，整仁率为90%。这种破壳装置的特点是整机结构简单、体积小、易装配调试、制造成本低，适合中小生产者使用；通过更换动挤压盘上的模具即可完成杏核破壳加工要求，通过调整静挤压板可实现不同等级杏核的加工。

平板挤压式破壳机构简图见图1。

2.2 碰撞挤压式破壳机械

通过刮板、撞击杆等碰撞装置对杏核的碰撞挤压，实现杏核破壳。

碰撞挤压式破壳机构简图见图2。

由图2 可知，尹鹏飞等人[16]研制的一种家用的小型杏核破壳机，该破壳机包括筛选机构、破壳机构、分离机构、收集机构。工作时，杏核经过筛料斗筛选后，进入由上下壳体、刮板、栅杆组成的破壳机构，经过与刮板的碰撞和栅杆对其的挤压，杏核破碎。杏仁与破碎的杏壳通过栅杆的间隙进入分离机构，鼓风机风力的作用使杏仁与杏壳分离开。这种破壳装置的优点是设计结构简单、操作方便、成本低廉，可实现杏核破壳后杏仁与杏壳的分开；缺点是破壳率低、生产率不高。

碰撞挤压式（气缸控制） 破壳机构简图见图3。

由图3 可知，杏核破壳机采用的是碰撞挤压的方式，但是该破壳机采用了气缸控制碰撞装置。该机由撞击杆、复位弹簧滑块、撞击挡座、按压杆、气缸、PLC 控制器等组成。PLC 控制器与支撑垫上的电光传感器、杏核传送部件执行开关、按压杆的上下移动开关和撞击杆上的撞击动作控制开关进行信号和控制连接。通过PLC 控制器控制撞击杆、杏核传送部件和按压杆的运动，从而实现杏核的破壳作业。该破壳机生产率60 kg/h，杏核破壳后杏仁完好率为90%。

2.3 对辊碾压式破壳机械

对辊碾压式破壳机简图见图4，对辊碾压式破壳机构简图见图5。

利用相对转动的2 个转辊对杏核等坚果进行挤压，实现破壳。由图4 可知，该破壳机由3 对相互交错的挤压盘组成破壳装置。通过调整机构可以调整挤压盘之间的间距，实现不同大小杏核的破壳。工作时，杏核通过振动送料器输送至挤压机构，杏核在挤压盘的挤压作用下破壳。朱占江等人[17]设计研制了对辊碾压式杏核破壳机，该破壳机主要由间隙调节机构、可调压辊、固定压辊、上层振动筛、下层振动筛组成。破壳加工前先根据杏核尺寸调整可调压辊与固定压辊之间的间隙，杏核由喂料斗进入破壳装置，可调压辊与固定压辊的转动实现杏核的碾压破壳，破壳后物料经上层振动筛和下层振动筛进行筛分，破碎的杏核壳仁经上层振动筛的筛孔漏入至下层振动筛，最终从出料口排出，完整的杏核经上层振动筛振动输送至出料口进行收集。该破壳机生产率可达到370 kg/h，破壳率95%，整仁率95%。是目前杏核破壳机中生产率最大的机械设备。这种破壳装置的特点：①可以根据杏核厚度方向、尺寸大小调整两辊之间的间隙，从而实现对不同尺寸杏核的破壳。②振动筛可以实现未破壳杏核与破壳杏核的分离，避免破壳后人工再次进行挑选。③两压辊上开有斜齿槽，提高了破壳效率和整仁率。

3 影响杏核破壳的因素分析

3.1 杏核的物理特性

杏核的物理特性包括对宽度、长度、厚度等三维尺寸，壳厚和壳与仁之间的间隙大小等参数。杏核的物理特性是影响杏核破壳的关键因素之一，杏核的壳主要由纤维素和半纤维组成，坚硬并且不好剥离，杏仁呈心脏形状，左右不对称，杏核的壳与仁之间有一定的间隙。在破壳过程中，由于杏核壳、仁构成材质不同，因此弹性模量有很大的差异。不论采用哪种破壳方式，力度太小，杏核外壳不能破开；力度过大，核仁有可能被破碎，影响到杏仁的完整性。因此，研究杏核的物理特性，为研究杏核破壳过程、机械研发提供了可靠的理论依据和技术手段。

3.2 杏核的湿度

杏核含水率对外壳的强度、弹性、塑性和仁的破碎度都有直接影响。杏核含水率越低，其外壳越脆，破壳时易破壳，但仁也容易破碎。反之，外壳的韧性好，破壳时的破壳率低，但破壳后的整仁率提高。在杏核破壳时应保持适宜的含水率，使外壳和仁具有最大弹性变形和塑性变形的差异，这样一方面使外壳更易破壳，另一方面又不致于使杏仁在机械外力作用下增加破碎率。

3.3 破壳前的处理

对杏核进行前期处理对杏核破壳也有一定的影响，由于杏核品种、尺寸的差异，而破壳方式都与破壳间隙有关系，只要在杏核破壳前对杏核进行适当的分级，然后再进行杏核破壳，就可得到较高的破壳率，还可以控制杏仁的破碎率。

4 杏核破壳机械存在的问题

（1） 目前杏核破壳大多数还是采用人工作业，机械破壳仍处于试验研发阶段，杏核的精深加工受到了阻碍，致使杏产品附加值低，制约了杏产业发展。

（2） 由于我国杏子品种多，杏核大小差异大，已经研制的机械只能对单一的杏核品种进行破壳加工，存在适应性差的问题。

（3） 目前现有的杏核破壳机存在生产率低、破壳率低、破壳后杏仁破碎程度大等问题，破壳后的杏仁与杏壳的分离更是一大难题。

5 结语

我国杏果资源丰富，杏产业也是新疆农村经济的支柱产业之一。杏核破壳是杏仁综合利用的前提条件，杏核壳仁分离是提高杏商品化率的重要一步，是实现杏仁深加工的基础。因此，清楚地了解杏核破壳机械的现状，准确地把握当前杏核破壳机械存在的问题，有针对性地开展杏核破壳机械的设计研究工作，为新疆乃至我国杏产业的可持续发展提供技术装备支撑。