沙棘果加工预处理工艺研究及改进

◎ 黄雅鑫，姚玉军，马素清，赵 航

（内蒙古宇航人高技术产业有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 011517）

沙棘（Hippophae rhamnoidesL.）为胡颓子科沙棘属植物，又名醋柳、酸刺，是一种多年生落叶灌木或小乔木[1]。沙棘属于药食同源植物，营养物质丰富，具有保健、医用功能。沙棘被誉为天然维生素的宝库，是目前世界上含有天然维生素种类最多的珍贵经济林树种，其维生素C的含量远远高于鲜枣和猕猴桃。沙棘中含有的粗纤维能促进肠道蠕动，缓解便秘，沙棘可以改善肠胃环境，慢性腹泻患者可以经常食用。沙棘中富含大量的活性物质，不仅有抗疲劳和增强机体活力及抗癌等特殊药理性能，还可以降低血浆胆固醇、减少血管壁中胆固醇含量的作用，能防治高血脂症和动脉粥样硬化症，并有促进伤口愈合的作用[1-4]。早在公元900年，沙棘已被作为藏药使用。1997年，我国正式将沙棘列入《中华人民共和国药典》[2-5]。

目前，全国的沙棘资源面积为2.33×106km2，占世界总资源的90%。沙棘属非豆科固氮植物，兼具固氮改土的作用，其根系发达，具有根瘤菌及超强的侧根萌蘖性系统，抗逆境能力很强，能在干旱贫瘠及盐碱地等极端土壤环境下生长成林，因而被视为水土保持和防风固沙的先锋植物，在我国西北、东北、华北地区发挥着治理生态环境、荒山造林绿化、山区河道护岸等重要作用[5-6]。

我国现有3 000多家各类沙棘加工厂，涵盖食品、保健品、化妆品、药品等8大类200余种产品[6]。随着沙棘市场不断发展，沙棘果利用率也在不断扩大和提高，迫切需要选择最佳的沙棘预处理加工工艺，为后续深加工提供优质的沙棘果，避免营养成分和活性物质在预处理阶段流失。本文通过TRIZ理论对沙棘预处理工艺进行研究和改进，旨在提供一种节水、高效、易操作的沙棘果汁（浆）预处理工艺，为相关的沙棘行业生产及应用提供参考工艺。

1 沙棘果预处理工艺现状及问题

随着我国经济的发展与居民生活水平的提高，关于沙棘营养、药用等价值的不断推广，沙棘产品逐渐获得市场认可。销售量逐年增加，沙棘原果的市场需求量增大，对于沙棘原果的预处理工艺技术也受到关注。

1.1 预处理工艺现状

沙棘因果小皮薄、果柄短、枝条有刺，因此不直接采摘[6]。一般采用剪枝条后速冻脱果的办法，采摘后的沙棘果储存在-18 ℃以下的冷冻库[2,7]，在我国东北地区（主要在黑龙江省及内蒙古自治区、吉林省的部分地区）、西北的新疆也采用直接打冻果的采摘方法。沙棘果预处理阶段会将冷冻的沙棘原果采用洗果机解冻清洗，通过热水缓慢给沙棘冻果解冻，并通过喷淋、鼓泡等方式对沙棘果进行清洗，使其表皮附着的灰尘、砂石以及沙棘果柄、枝条、叶片等杂质在本阶段实现分离，清洗后的沙棘果直接通过链板输送机进入打浆机（压榨机）进行打浆（压榨）以获取沙棘果汁（浆）。沙棘果打浆（或压榨）后排出的果皮、果渣中依然含有大量的营养物质，部分企业对其进行溶渣，将清水按一定比例和沙棘果皮果渣混合，在一定温度条件下浸泡一定时间后再次进入压榨机中进行二次压榨，实现营养物质的回收，沙棘果加工预处理工艺流程见图1。

图1 沙棘果加工预处理工艺流程图

目前，沙棘果预处理清洗装置结构简单，操作过程中需要大量的人力在清洗阶段手工挑选枝条去杂，不但加大工人的劳动强度，增加人工成本，并且清洗效果、枝条泥沙与沙棘果分离效果不佳，相当一部分沙棘枝条会随着沙棘果一起进入后续的打浆工序，使得后续沙棘果汁的处理工艺复杂、设备负荷加大，甚至影响沙棘果汁（浆）的口感[8]。整套沙棘果汁（浆）预处理过程中清洗去杂效率低，水资源消耗量大，并且存在水资源浪费的现象，如沙棘果清洗水中含有大量的渣滓无法直接回收利用，需要经过蓄水槽滤板循环使用，而过滤网板在长时间运行工作后，被大量聚集的枝条泥沙堵塞，洗果水循环利用根本不能满足生产需求，只能外加补给纯净水。

1.2 预处理工艺问题

由于沙棘果是一种小浆果植物品种[2]，具有皮薄、体积小的特点，极易破浆，因此不易清洗，导致在预处理工艺阶段出现比较严重的问题。据初步了解，在沙棘果清洗过程中，全部使用一次清水，每清洗1 t沙棘果需要消耗一次清水5 t，造成大量水资源的浪费和营养成分的大量损失。在沙棘果清洗过程中，由于使用热水及机械性的外力损伤，部分沙棘果破浆，造成沙棘果中的有机酸、维生素C、可溶性固形物等营养成分进入洗果水中，随着洗果水被外排而损失。检测发现，在一般洗果水中，其pH值为2.65，总酸在1.71%～2.49%（平均为2.07%），维生素C含量111.4～167.1 mg/100 g（平均137.64 mg/100g）。部分泥沙、枝条等由于不能与沙棘果完全分离出来，带入果浆（汁）中。泥沙对后续加工的打浆机、离心机造成负担和损害，严重时可损坏设备；混入沙棘果中的枝条、叶片等会将其中的叶绿素、单宁等杂质融入果浆（汁）中，影响产品的口感[7]。

2 沙棘果预处理工艺技术方案改进研究

2.1 TRIZ理论简介

20世纪50年代末，阿奇舒勒为全新的发明问题解决理论（TRIZ）奠定了基础[9]。TRIZ理论的基础是技术系统进化的客观规律，既可被认知也可用于解决发明性问题。TRIZ理论的主要优点是从成千上万个可能的解决方案中快速找出复杂发明问题。TRIZ理论核心思想：不同行业遇到的问题，可采用相同原理解决；产品或技术系统不是随机的，而是按照一定的规律在发展进化。TRIZ理论相对于传统方法，可以减少传统试验设计阶段耗时、低效等问题。它采用科学的问题求解方法，将特殊问题转化为问题模型，应用TRIZ寻找标准解得到解决方案模型，在此基础上形成初始问题的具体解决方案。而且在选取最佳方案时便可抓住主要矛盾，联系实际，全面评估改进设计使之切实可行[9-11]。

2.2 TRIZ理论在沙棘果预处理工艺技术方案改进中的应用

（1）将沙棘果清洗系统作为一个独立的技术系统应用TRIZ理论和方法进行分析研究。确定其系统功能：清洗洁净沙棘果。最优解：清洗系统稳定运行，泥沙及枝条清理干净，最大限度减少引入清洗水。采用功能分析和因果分析，确定该技术系统中存在的不足和有害功能，找出产生问题的根本原因：枝条堵塞蓄水槽滤板，无法满足洗果水循环利用；沙棘和杂质处于混合状态不易分离，降低后续打浆工艺效率。

（2）利用TRIZ工具裁剪、技术矛盾、物理矛盾、物场分析等方法，带入技术系统提出方案，解决不足和有害功能等问题。通过方案的汇总和择优，经过现场勘测试验等方式，最终确定最优方案。在沙棘果预处理工艺技术方案改进研究中，两次利用TRIZ理论，通过不同视角对技术问题进行改进，一次改进是对洗果机本身清洗效果不佳，沙棘和杂质处于混合状态不易分离出现一起进入后续装置的现象；二次改进是对蓄水槽滤板遭遇枝条、泥沙聚集后出现的堵塞问题。

一次改进方案是利用技术矛盾和物理矛盾分别得出方案后结合两个方案得出的工艺技术方案，在洗果机中安装滚筒筛选机、链板输送机，并且利用空间分布原理，根据物料的比重、粒径等不同，对滚筒筛选机进行改造。筛筒筒体分为两部分，第一筛网筒的网孔尺寸大于沙棘果的果径，用于过滤泥沙；第二筛网筒的网孔尺寸小于沙棘果的果径，用于排出沙棘果进入链板输送机，枝条留在滚筒筛中通过出料溜槽排出。这次方案的改进通过转动的滚筒筛选机实现了沙棘果实、泥沙、枝条的分离，然后在滚筒筛选机运行的过程中，清洗槽中的水对果实进行清洗，提高了清洗去杂效率和效果。一次改进方案结构简图见图2。

图2 一次改进方案结构简图

二次改进方案利用裁剪法对功能模型进行裁剪，由于枝条和泥沙的聚集导致堵塞滤板是有害功能，那么对其功能进行裁剪，替换为刮板式除渣装置实现功能正常，再利用曲面化原理和动态特性原理使刮板式除渣装置同时具有自清理滤板和排渣的功能，不会出现堆积现象，保证洗果水快速过滤。二次改进方案结构简图见图3。

图3 二次改进方案结构简图

（3）确定优化的沙棘果预处理工艺技术方案。为方便介绍整套沙棘果预处理工艺，分为清洗去杂系统、提取分离系统、洗果水处理回收系统3部分。其中，清洗去杂系统和洗果水处理回收系统中的刮板式除渣装置是通过TRIZ理论得出的核心技术，提取分离系统、洗果水处理回收系统的其余部分是由目前成熟的工艺方法结合本技术系统应用而成。沙棘果加工预处理工艺改进流程示意图见图4。

图4 沙棘果加工预处理工艺改进流程示意图

3 沙棘果预处理工艺技术改进方案

针对目前沙棘果预处理工艺出现的问题，利用TRIZ理论进行研究改进，得出可行工艺技术方案，结合实际情况加以利用，把目前已有的成熟工艺与TRIZ理论得出的可行方案结合优化，彻底解决沙棘果清洗去杂效率低、沙棘和杂质分离效果不佳、水资源浪费、营养物质流失等问题。并且使沙棘果预处理工艺在沙棘行业内有普遍的适用性，可以根据实际情况组合使用。

3.1 工艺流程

3.1.1 沙棘果的清洗除杂阶段

沙棘原果进入洗果机中的滚筒筛选机，期间使用温水对沙棘果缓慢解冻，匀速旋转的滚筒筛选机利用不同孔径的网筛使其杂质与果分离，落入清洗水中的泥沙坠入洗果机的锥形底部定期排出；枝条留在滚筒筛中通过旋转进入滚筒筛选机出口顶部的“L型”出料溜槽排出；清洗干净后的沙棘果通过滚筒筛选机底部落在链板输送机上运入第一打浆机中。

3.1.2 提取分离阶段

将清洗分离后沙棘果送至第一打浆机中进行打浆，得到沙棘果浆液和一次果渣。一次果渣送至第一溶渣槽中，同时按一定比例加入复合酶制剂和水，在一定温度条件下进行生物酶反应。经过酶反应后的一次溶渣料液送至第二打浆机进行打浆，得到沙棘果浆液和二次果渣。向第二溶渣槽中按一定比例加入复合酶制剂和水，在一定温度条件下进行生物酶反应。经过酶反应后的二次溶渣送至压榨机中进行压榨，得到沙棘果浆（汁）液和废渣。两次打浆和一次压榨得到的沙棘果浆（汁）出汁率78%～85%（平均80%），果浆固形物含量在10.5%～11.5%（平均11%）。对于二次打浆和一次压榨得到的沙棘果浆（汁）可混合收集，也可根据下一步生产加工需要单独利用。

提取分离技术主要包括生物酶工程和打浆、压榨等技术，将沙棘果中的汁液与皮渣、种子分离出来。沙棘果渣再依次经过两次溶渣浸泡，期间利用生物酶反应将包裹在果渣中的大量营养物质释放出来，提高出汁率[12]，也为后续沙棘果浆（汁）的精制创造条件。然后与循环洗果水中的营养成分一起回收至最终产品，提高了产品的营养性和资源利用率、单位原料的成品率，降低了单位产品的生产成本，提高了企业的经济效益。

3.1.3 洗果水处理阶段

洗果机底部第一污水室排出的洗果污水先经过刮板式除渣装置进行初步除杂，接着送至沉降桶中进行絮凝沉降，沉降桶内的上清液经过曲面筛去除杂质之后作为去杂装置、溶渣槽的清洗水循环利用；洗果机底部第二污水室排出的污水和沉降桶内底部的污泥通过板框压滤机压滤之后得到清洗水和泥饼；清洗水作为车间卫生清洗水被储存在储水桶中，泥饼由于其偏酸性且含有的营养成分可经过调配、生物发酵等后续处理，用作肥料或用于盐碱地治理，沙棘果加工预处理工艺改进流程见图5。

图5 沙棘果加工预处理工艺改进流程图

3.2 优势对比分析

本研究在内蒙古宇航人高技术产业有限责任公司沙棘果加工车间进行了中试研究分析比对，采用内蒙古中部地区的沙棘果为原料，通过原生产工艺和改进后的工艺技术方案，进行了比对试验，具体实验结果如表1所示。通过实验数据对比可知，改进后的沙棘果预处理工艺技术方案可以突破现有工艺瓶颈，改进后工艺技术方案增加了两次溶渣，应用了生物酶工程技术，沙棘果出汁率由65%提高到80%以上，固形物含量下降到11%左右，清洗用水量由过去的5 t/吨果，降低到2 t/吨果，实现节约用水、减少营养成分流失、提高生产质量等目标。在操作运行时，核心工艺可以完全实现其功能，及时分离枝条泥沙；清洗水循环系统正常运行，不仅保证供水充足，而且减少水中含有的营养物质流失；高效分离杂质保障产品质量安全，同时降低后续打浆机、分离机等设备的损耗。

表1 工艺技术比对生产记录表

4 结论

我国加工企业在沙棘果清洗和预处理过程中普遍技术水平偏低，由此造成产品质量低和资源利用率低等问题，制约着行业的发展。而伴随着沙棘市场的不断扩展，沙棘工业化发展将会越来越高效化、智能化、环保化。沙棘果预处理工艺改进基于TRIZ理论激发创新思维，突破技术瓶颈，改进后对工艺流程反复试验，生产数据趋于稳定，生产质量显著提高，生产成本明显降低。体现出高效高值、节水环保的加工工艺体系，推动沙棘行业发展，在未来具有非常广阔的应用前景。