茶叶籽脱壳、清选和色选自动化加工技术

陈长卿，郑寨生，陈 斌，边晓东，陈丽娟，余桂平，袁名安

(金华市农业科学研究院(浙江省农业机械研究院)，浙江 金华 321017)

0 引言

茶叶籽综合利用是对茶树重要功能价值的全新利用。茶叶籽是茶树的种子，生长周期长达400多d，富含不饱和脂肪酸、茶多酚、维生素E和角鲨烯等多种高品质功能活性成分，是整株茶树中最精华的部位。检测表明：茶叶籽油不饱和脂肪酸含量超过80%，其中油酸40%～60%、亚油酸15%～35%，富含多种维生素和矿物质，更特别的是含有丰富的天然茶多酚、角鲨烯和维生素E等多种功能活性成分，其营养价值媲美橄榄油，多项营养指标超过橄榄油，长期食用能增强免疫功能、促进新陈代谢、提高抗病能力和延缓机体衰老，是一种绿色健康的功能食用油，特别是可作为老年人或心血管病人的保健用油。

茶叶籽分选技术落后是影响茶叶籽油品质和制约茶叶籽油产业发展的关键因素。茶叶籽由果壳和茶籽组成，其中果壳、种壳的主要成分为粗纤维且含有较多金属元素，不利于油脂的加工。此外茶籽采摘后容易霉变，霉变茶叶籽会造成茶叶籽油中的苯并芘含量过高，从而影响成品茶油的品质和口感。目前茶叶籽破壳清选大多采用半手工半机械操作，且清选设备普遍存在壳仁分离不彻底的情况，后续壳仁分离需要人工手摇风机进行风选。此外，霉变的茶叶籽只能通过人工筛选，且人工霉变筛选只能识别壳外霉变的茶叶籽而造成浪费，以及无法识别壳内霉变的茶叶籽而影响茶油品质。茶叶籽人工分选工作量大(小规模的茶油加工基地，一天需要压榨500 kg左右的茶叶籽)、强度高且效率极低(一个工人一天只能对150 kg左右壳仁混合物清选或50 kg茶叶籽霉变筛选)，因此，当前亟待研究开发茶叶籽脱壳、清选和色选自动化加工技术。

1 技术研究现状

1.1 茶叶籽脱壳技术

目前，关于茶籽破壳机理及物理力学特性的研究主要集中在油茶果的破壳技术方面。曲振兴等[1]研发了挤压抽打式复合脱壳机，破壳方式为挤压式。该机破壳率为98%左右，但后期茶籽分离难度大。唐湘等[2]研究了一种油茶果脱壳装置，该装置采用撞击搓擦的原理，结构简单、能适用含水率<65%的油茶鲜果脱壳，但脱壳率仅为85.3%。朱广飞[3]研究了一种脱壳间隙可调节的油茶果脱壳机，该机采用挤压、搓擦的工作原理，在带有纹杆的滚筒与固定的弧形栅板之间的间隙中进行破壳，该间隙可通过调节装置调节，适应不同粒径的油茶果。李善淼[4]设计了一种油茶青皮脱壳机，主要利用剪切式破壳，破壳装置主要为螺旋滚刀，油茶果进入破壳箱后，在螺旋滚刀的作用下，油茶果受到反复切割和撞击实现破壳，但未对该机进行试验，破壳效率未可知。

1.2 茶叶籽清选技术

目前，越来越多的专家学者及设备生产企业开展了茶籽机械清选装备的研究工作，清选方式主要有多层筛网清选、辊间隙清选、风选、摩擦和机器视觉清选等[5-7]。肖静等[8]设计的油茶果壳籽清选机应用齿光辊对辊原理，设计了带有V型槽截面的齿辊和光辊，依靠油茶果壳与籽的物理特性不同来对其进行清选。江西省农业机械研究所[9]采用分级清选原理设计了油茶果脱壳清选机。该设备采用两级清选方式，油茶果壳仁混合物输送到两个一级清选机构，再传递到二级清选机构上，能够实现对不同含水率和大小的油茶果进行清选作业。李阳等[10]利用油茶籽与壳的外形及摩擦系数的差异性设计了油茶籽清选机。当茶籽与果壳的混合物落入清选机时，由于籽与壳的形状及摩擦系数的差异性，油茶果壳摩擦系数大容易向上运动而茶籽摩擦系数小靠重力的作用会向下运动，从而实现茶籽与果壳的分离。湖南润农生态茶油有限公司[11]利用油茶籽与果壳力不同，采用风选方式设计了清选机构。利用风机在清选机构内形成上升旋流，将较轻的破损油茶果壳吹出，从而实现了壳籽分离的目的。

2 存在的主要问题

目前茶叶籽破壳清选机械仍然处于起步阶段，当前还没有一款成熟的机械能够满足工程应用的要求。

关于茶叶籽破壳方面，主要以挤压碾搓式为主，但这种破壳技术存在以下问题难以解决：在挤压碾搓的过程中，难以调节挤压间隙，容易出现漏剥或碾碎的情况；挤压碾搓后，壳与茶籽粘附严重，不利于后期清选分离；茶叶籽含油脂，碾压的过程中容易导致茶籽渗油。

关于壳籽分离方面，主要采用筛选和风选的方式，然而因为茶籽壳籽密度相近及破壳后壳籽分离不彻底等实际情况，这些传统的清选方法并不能有效地将壳籽混合物成功分离。而油茶果壳籽混合物严重降低茶籽破壳清选的效率，阻碍茶籽加工的产业化。

目前，对色选技术的应用研究主要集中在大米、花生、茶叶等农产品分拣与精选领域，但关于茶叶籽仁霉变色选方面，如何快速、精准对茶叶籽霉变筛选，当前尚未有这一方面的研究和设备，可以参考现有农产品色选技术和原理，对茶叶籽霉变特征进行分析，应用到茶叶籽仁霉变筛选中。

为提高茶叶籽油品质，增加茶叶籽分选效果和效率，降低茶叶籽在加工中损耗，茶叶籽分选技术和工艺还有待进行更加深入的研究。同时，也需对破壳清选设备进行技术、结构和参数的优化，增加茶叶籽仁霉变色选设备，构建新型的茶叶籽分选工艺模式，研发茶叶籽油提质增效的籽粒分选工艺及设备。

3 技术解决方案

3.1 茶叶籽特性研究与分选工艺模式

以浙江省主要茶树品种的茶叶籽为研究对象，研究分析茶叶籽鲜果、破壳后壳仁混合物的物料特性，开展茶叶籽破壳力学特性试验，探索茶叶籽破壳和壳仁清选的处理技术，研究茶叶籽霉变颜色特性与分布规律，探索茶叶籽霉变色选的处理技术。基于茶叶籽的特性研究，构建集茶籽破壳—壳仁清选—霉变色选的茶叶籽分选工艺模式，如图1所示。

图1 茶叶籽分选工艺方案Fig.1 Technological scheme of tea seed separation

3.2 茶叶籽破壳、壳仁清选技术设备开发

针对茶叶籽的物料特征及力学特性，拟定高速离心撞击式茶叶籽破壳及正反双风道气流式壳仁清选技术方案，设计一种茶叶籽破壳与壳籽清选设备。茶叶籽破壳装置主要由进料部件、破壳滚筒部件、动力传输部件和驱动电机组成。破壳电机驱动高速旋转的叶轮叶片，使茶叶籽产生强离心力并向外抛射，撞击到导料板内侧表面凸起，完成破壳。壳仁清选装置主要由风机、正反双出壳风道、稳压部件和机架组成。壳仁清选装置的1号风机产生反向气流，使壳仁混合物中粉末和部分壳被分离；2号风机产生正向气流将剩余的壳吹出。以茶叶籽进料量为输入、风道内风力场为反馈、正反双风机转速为输出，开发基于模糊神经网络控制的PID自适应调节算法，实现清选风速的自适应调节控制，提高茶叶籽破壳清选质量。茶叶籽破壳清选设备如图2所示。

图2 茶叶籽破壳清选设备Fig.2 Equipment for tea seed shell breaking and cleaning

3.3 茶叶籽仁霉变色选技术与设备

以茶叶籽仁为处理对象，研究茶叶籽仁霉变色选技术，分析不同品质茶叶籽仁在灰度图像上的特性差异，研究霉变茶叶籽仁图像处理识别算法。设计包含振动喂料装置、基于双CCD的光电色选模块、气动喷阀装置、成品槽和次品槽等装置的整体结构方案。开展茶叶籽霉变筛选设备的性能试验，验证设备设计的合理性和霉变色选的高效性。

3.4 自动化加工控制系统

通过输送带、提升装置将研发设计的茶叶籽破壳清选设备和茶叶籽霉变筛选设备进行输送连接，实现茶叶籽破壳、清选、色选自动化加工生产，对茶叶籽分选设备性能及关键技术参数进行试验研究，分解整个清选流程与时序步骤，完成茶叶籽破壳、清选、色选自动化加工控制系统的开发设计。通过在关键节点设置检测传感器形成闭环控制，提高分选设备运行的分选效果和稳定性。

3.5 预期目标

①作业效率≥150 kg/h。②茶叶籽破壳率≥98%。③仁中含壳率≤10%。④壳中含仁率≤1%。⑤霉变坏仁率≤2%。

4 市场前景和技术展望

我国现有茶园300万hm2，茶叶籽产量按525 kg/hm2计算，全国每年潜在茶叶籽资源约157.5万t，因此茶叶籽资源充足。本文研发构建了集茶籽破壳—壳仁清选—霉变色选的茶叶籽分选工艺模式，实现茶叶籽油提质增效，解决茶叶籽分选过程中的壳仁分离不彻底、茶叶籽人工霉变筛选效率低、成本高等问题，实现茶叶籽油产业的兴起，为我国提供了一种高档的木本植物营养保健油，丰富我国的植物油品种，促进国内食用油产品质量升级，提高国产食用油的国际竞争力，提升综合经济收益。因此，本文介绍的成果具有良好的推广应用和产业化前景，并会产生明显的经济效益和社会效益。

本成果市场需求量大，有利于带动茶叶籽油产业发展，同时还促进传统茶产业结构调整，改变单一的茶叶生产模式，有利于缓解茶叶价格波动对产业整体效益的影响，增加茶农收入，增加城乡就业机会，并带动山区茶农脱贫致富，减轻社会压力，对农村经济的持续、快速、健康发展和乡村振兴具有重要的现实意义。