油茶果脱蒲分离机研究现状

陈礼东，胡淑珍，任嘉嘉，相 海

(中国农业机械化科学研究院，北京100083)

0 引言

油茶特指茶属植物中油脂含量较高、具有经济价值的一类植物，又称为茶籽树[1]。油茶与橄榄、油棕和椰子并称世界4大木本油料，既是我国特有的木本食用油料，也是我国第1大木本油料。

油茶在我国具有悠久的栽培历史，在选种、栽培、采收、储藏和加工等方面取得了一定的成就。油茶主要分布于我国南方亚热带气候地区，是湖南、广西和江西等地的林业支柱之一，占有重要的经济地位，也是我国食用油供给系统中不可缺少的部分[2-4]。油茶除了用于生产食用油之外，还可以用于医药保健领域，对降低血脂、改善营养状况、增强肝细胞活性和提高免疫功能等具有积极的作用[5-11]。

1 油茶果概述

茶籽中含有20%～35%的油脂，是生产油茶食用油的原料。茶油中含有油酸83.3%、亚油酸7.4%、硬脂酸0.8%和花生脂酸0.6%，并含有较多的单不饱和脂肪酸和少量的饱和脂肪酸[12-15]。茶籽油与橄榄油的组成及其理化性质相似，如凝固点、碘值、皂化值和相对密度等，如表1所示，因此具有“东方橄榄油”的美誉。

表1 茶籽油与橄榄油的部分理化指标

我国历年油茶果及油料总产量如图1所示。油茶果作为我国木本油料作物之首，其年产量自2011年起，呈现逐年增加的趋势，2018年产量达到260多万t，约占2018年食用油料总产量的8%[16]。油茶产量的增加，对于提高食用油自给率和维持市场平衡至关重要，也是打赢“脱贫攻坚”战的重要举措之一。

随着大量丰产油茶基地的建设，其产量逐年大幅增加，鲜果大量集中采摘上市，但由于严重缺乏规模适中、配套集成的脱蒲、剥壳及清选机械，尤其是脱蒲、脱壳环节的产后机械化，极易造成油茶鲜果的腐烂变质，品质下降，最终导致大量原料被浪费。据统计，油茶果的产后收获至加工损失率高达10%，而这些损失绝大部分将由农户来承担，直接导致农民增产不增收，挫伤茶农的积极性。

由于现在我国油茶果脱蒲分离技术的不成熟，市场上的机械脱蒲和分离设备技术水平参差不齐，普遍存在得率低、污染排放大的问题。产量的持续增加，为及时脱蒲分离带来了压力。人工脱蒲耗时长、强度大，机械脱蒲快，但蒲籽分离精度不高，成为限制油茶果制油产业的一大瓶颈。

2 脱蒲分离机研究现状

2.1国外研究现状

作为我国特有的食用油料，在国外地区少有成规模的种植基地，仅东南亚地区有少量的种植，因此国外学者针对油茶果脱蒲分离机械设备的研究较少[17-18]。虽然国外地区有关油茶果脱蒲分离设备的研究较少，但其他农产品的分级、分离应用方面，如腰果、核桃和油桐等，可为油茶果脱蒲分离设备的相关研究提供参考。

计算机视觉技术是通过设备的图像处理系统识别出物料的差异，再由分离系统对其进行分离，是一种无损、高效的方法，是农产品分离中常用的一种分离方法，也可用于种子的识别、分类和分离[19-24]。

图像处理与分离流程如图2所示。计算机与图像处理技术的结合，提高了农产品分离处理的精确度，但是在处理大量的农产品时，分离速度和分离量仍然有较大的发展空间，尤其是在现代化农产品的生产方面[25-26]。

在农产品的分离方面，国外地区主要利用计算机图像处理、振动筛网等多种形式。计算机图像处理精确度高、造价贵，不适用于普通农户使用；振动筛网适用性强，可用于多种物料的分离，但不能实现完全分离。离心分离法影响因素多，损耗率较高。

2.1.1腰果

腰果形状呈月牙形，在破蒲后，产生了形状多样的果蒲，与油茶果破蒲后产生的果蒲相似，如图3所示。

腰果形状差异较大，导致腰果的破壳分离具有一定的难度[27]。UCHIYAMA N等[28]研制的腰果破壳分离试验台由振动喂料器、传送带、辊子、破壳刀和分离器组成，如图4所示。工作时，由振动喂料器进行喂料，然后经过传送带将腰果运输到破壳刀；由旋转的破壳刀进行破壳，破壳后的壳籽混合物，经过筛网分离后，可实现腰果与果壳的分离。

2.1.2核桃

核桃在经过机械设备破壳后，核桃壳形状多样化，与核桃仁难以区分。NAHAL A M等[29]研究设计的核桃壳仁分离设备，利用流态分离法将核桃壳与核桃仁进行分离，分离效果受到仁壳含水率影响，同时需要将空气速度保持在一定的范围内。JIN Fenghua等[30]根据核桃壳与核桃仁透光率的不同，使计算机图像呈现不同的特征纹理，利用纹理差异来实现仁壳的分离，分离效果能达到98%。KRISHNAN P等[31]利用磁选法实现了核桃壳仁的分离。在进行正式分离之前，先将混有食用明胶粉的磁流体或铁粉附着于核桃壳表面；然后再进行破壳，破壳后的仁壳混合物在磁场中的受力不同，从而实现仁壳的分离。该方法需要对核桃壳进行预处理，工艺繁琐且易污染果仁。

2.1.3桐籽

桐籽是一种生物柴油原料，果实的组成结构与油茶果相似[32]。LIM B Y等[33]研制的桐籽分离机能够实现91.2%的分离效率。该分离机主要由带压缩棍的裂解机构和振动分离机构组成，如图5所示。分离效果受到桐籽颗粒尺寸和形状的影响，难以实现完全分离。

SHARMA V等[34]采用离心分离法，研制了离心撞击式分离机，进行桐籽分离效果的研究。研究表明，桐籽分离效果受到含水率和旋转速度的影响。在整个试验中，桐籽的最佳回收率能达到52.2%。

2.2国内研究现状

随着油茶果产量的逐年增加，油茶果脱蒲分离设备的需求也日益增加，为脱蒲分离设备提供了研究和发展契机。充足的原料资源，为我国相关学者进行机械设备的研究提供了便利。油茶果脱蒲分离装备的研制相对成熟，形式也不尽相同。

中国热带农业科学院农产品加工研究所[35]提出的腰果破壳分离技术包括除杂、分级、蒸煮、脱壳和分离部分。首先，使用振动筛和鼓风机去除杂质；再对除杂后的腰果按照尺寸进行分级；之后对其进行蒸煮，以提高破壳效率；破壳后的仁壳混合物通过振动筛和风选机实现分离。

王焱清等[36]设计的气动刨削式破蒲机主要由机架、振动给料斗、滚筒、推压手爪和刀条等结构组成，如图6所示。

油茶果的破蒲过程主要包括推移、咬合、刨削、推散和复位。该设备的脱蒲效果与汽缸压力和油茶果的含水率直接相关。气动刨削型的结构复杂，一次只能对单个油茶果进行脱蒲，破蒲动作不连续将导致处理量较低。

李阳等[37]以蒲籽表面摩擦系数的不同为基础，进行了脱蒲分离机的设计和研究，总体结构如图7所示。

在进行破蒲之前，用滚桶筛进行分级；分级后的油茶果顺势进入到大小不同分级空腔中，柔性搓板与柔性运输带之间的相对运动对油茶果进行揉搓脱蒲；破蒲后的籽壳混合物，进入到蒲籽分选机构中，其结构如图8所示。

由于摩擦系数不同，果蒲与茶籽产生方向相反的运动，进而实现分离。油茶果的脱蒲效率受到油茶果水分含量、柔性摩擦带速度和处理量的影响；蒲籽分离则受到振动电机频率、分选带平面倾角的影响。

彭润絮等[38]在比较了蒲籽筛选的各项技术特点后，根据蒲籽之间不同的浮力，进行了浮选分离设备的研制。该设备总体结构比较复杂。

工作时，经过脱蒲后的蒲籽混合物，经传送带传送至浮选槽内，在浮力的作用下，茶籽沉于底部并被传送至出料口；浮于溶液表面的果蒲流动至果蒲导出槽，进而实现蒲籽的分离。处理量可达3 000 kgh，分离率达到96.36%。浮选型蒲籽分离机的处理量大，分离效果明显，茶籽经溶液浸泡后，增加了干燥的难度。

胡一飞等[39]用色选机分离方法，进行了相关的蒲籽分离试验。该试验选用6SXZ-03型履带色选机，探究了含杂率、摊晒天数对色选效率和色选精度的影响。试验结果表明，混合物中含杂率在23%～35%时，含杂率越高，色选效率越低，而色选精度则保持在98%左右，如图9所示。对采收后进行不同天数的摊晒处理后进行色选分离试验。结果表明，随着摊晒时间的增加，色选精度逐渐降低，如图10所示。色选机的操作简单，处理量大，适用于含杂率较低的物料。

朱广飞等[40]采用挤压方式，设计了一种可根据油茶果径粒大小不同而进行间隙调节的油茶果脱蒲设备。该脱蒲设备主要由脱蒲装置、分离装置、动力传输装置和机架组成，包括搅拌轴、滚筒、筛网、调节机构和弧形栅板等，具体机构如图11所示。

工作时，先由破蒲机构完成对油茶果的破蒲，再由分离机构实现蒲籽混合物的筛选与分离。经过破蒲后，蒲籽混合物进入到筛网内，搅拌轴对其进行充分搅拌，尺寸较小的茶籽由筛网孔漏出，从而实现蒲籽分离。在对设备进行优化后，脱蒲率可达到97%，

蓝峰等[41]和兰峰等[42]综合利用挤压、摩擦和揉搓进行了油茶果脱蒲装置的研究，再根据茶籽与果壳结构尺寸上的不同，进行了壳籽筛选研究。该装置主要由料斗、脱蒲滚筒部件、壳籽筛选部件、动力传输部件和机架组成。具体结构如图12所示。

脱蒲杆以圆周均布的方式安装在脱蒲盘上，并且两个连接点之间呈一定的角度，形成前大后小的楔形脱蒲室。输送物料的同时，又能对油茶果进行挤压，与油茶果之间的相互摩擦和揉搓的综合作用，达到破壳的效果。

考虑到籽与蒲之间结构尺寸的差异，选用了齿光辊式结构来进行籽壳的筛选。齿光辊结构如图13所示。

齿光辊之间的线速差，将形状不规则的果蒲拉入到齿辊与光辊之间的缝隙中，进而实现蒲籽的分离。分离效果受到齿光辊之间的间隙和齿辊切入角度的影响。该脱蒲筛选设备处理量高达3.2 td，脱蒲率99.2%，筛选率93%，可实现油茶果快速、高效地机械化脱蒲和分离。

熊平原等[43-44]采用碾压破蒲、气吸筛选对油茶果的脱蒲筛选进行了相关研究。该装置主要由脱蒲装置、气吸式壳籽清选装置和风筛壳籽清选装置组成。具体结构如图14所示。

工作时，油茶果经料斗进入到脱蒲机构中，由电机带动脱蒲辊筒转动，以碾压的方式实现脱蒲；脱蒲后的壳籽混合物顺势落入到风选箱中，风机转动产生的气流变化将质量较轻的壳籽吸入到粉渣出口处，实现蒲籽的第1次分离；电机带动偏心机构和吹风机转动，使振动筛往复抖动，蒲籽混合物在振动筛和风机的共同作用下，实现第2次分离。振动筛和风选方式的结合，提高了蒲籽分离的效率。

3 结束语

本文综述了目前国内油茶果蒲籽分离机的主要结构形式及其工作原理。在油茶果的脱蒲方面，主要有气动刨削、挤压、摩擦或组合形式。气动刨削型的结构复杂，破蒲动作不连续进而导致处理量较低；挤压型的结构简单，破壳动作连续，处理量较大，破仁率较高；摩擦方式的破壳速度慢，脱蒲效果受到多种因素的影响；组合破蒲方式效果较好，处理量大，破蒲率高。

在蒲籽分离方面，主要有色选、摩擦、浮选、筛网、气动和齿光辊6种方式。色选型筛选成本较高，适用于产业化工厂的使用；摩擦型分离效果不突出，分离过程难以控制；齿光辊型筛选利用了蒲与籽之间的结构特性，处理量较大、筛选精度高；气动分离与筛网分离具有相似的作用，分离效果不明显，常与其他方式组合使用。

目前，我国油茶果的脱蒲技术相对成熟，而蒲籽分离的相关技术仍旧处于研制起步阶段。蒲籽分离的难点有以下3方面。一是油茶果的品种多样，茶籽的形状尺寸不规则，油茶果经过设备脱蒲后，产生的果蒲和茶籽在尺寸和形状上均呈现多样化，致使尺寸固定的分离设备难以区分。二是水溶液可对新鲜的蒲籽进行浮选分离，但茶籽和果蒲的含水率较高，短暂的时间后，茶籽和果蒲之间的密度差距减小，导致浮选分离时间难以掌握。三是脱蒲后的油茶鲜果，经晾晒后，茶籽与果蒲的颜色、密度和形态趋于相同，增加了色选分离的难度。

油茶果蒲籽分离难度较大，使得满足技术指标的设备较少，相关企业对满足生产条件的设备有较大需求。针对油茶籽蒲籽分离的相关研究也在进行中。