基于锥形针的油茶果破壳性能试验

肖本贵，赖曲芳，胡淑芬*，刘木华，邓勇杰，张庐陵，刘斌

(1.江西农业大学工学院，江西 南昌 330045；2.江西省现代农业装备重点实验室，江西 南昌 330045)

油茶果通常在每年的10 至11 月集中采收，如不及时进行脱壳、清选、干燥处理，极易霉变、腐烂[1]。提高油茶果机械化加工效能显得至关重要。有关核桃、花生等油料作物的果壳破壳技术已经较为成熟[2–3]。坚果类的破壳有挤压式[4]、击打式[5]、撞击式[6]、揉搓式[7]等破壳方法，其中挤压式破壳因其结构简单、易操作、性能优良等优点适用于硬壳而韧性较强的核桃破壳，可为油茶果破壳机械的研究提供参考。

目前油茶果破壳研究试验中的主流破壳方法有间隙挤压揉搓法[8–11]、多滚刀撞击切割法[12]、离心抛摔撞击法[13]、柔性辊抽打法[14–15]、碾搓法[16–17]、气动刨削法[18]等。现有的油茶果破壳装置均采用强制破壳方式，破壳过程中容易将茶籽击伤、击碎，同时还会导致大茶果易破壳而小茶果破壳不完全，甚至不能破壳，因而影响茶籽的品质和出油率。为了优化现有的油料作物破壳加工设备，结合油茶果的生物特性和力学性能[19–22]，笔者提出一种基于锥形针破壳的油茶果破壳方法：锥形针安装在可上下移动的导向柱机架上，通过曲柄机构带动锥形针上下移动，由锥形针将外力转化为内应力，使油茶果壳沿着油茶果特有的生物裂瓣结构裂开，保证油茶果壳破开后的完整性，利于提高后期油茶籽壳的清选效率，简化油茶果加工工艺流程。

1 油茶果锥形针的破壳原理

油茶果的结构如图1 所示，主要由油茶果壳和油茶籽组成[23]。油茶果壳分为顶部、中部和蒂部，顶部的厚度最大，为5～10 mm，蒂部厚3～6 mm，中部(腹部)的果壳最薄，为1.0～2.8 mm。生物裂瓣分布于油茶果顶部与蒂部之间，裂瓣从顶部开裂，形成类似花瓣的结构，呈现为“Y”形裂瓣，也有的呈现为“十”字形裂瓣，每瓣大小、形状相近。

图1 油茶果的结构Fig. 1 Biological structure of Camellia oleifera fruit

油茶果破壳时，对锥形针施加外力，使其匀速下行，作用于油茶果壳的顶部区域，随着锥形针插入油茶果顶部区域(该区域也是油茶果生物裂瓣裂缝聚集区域)，油茶果壳沿其生物裂瓣裂开，形成裂口，裂口逐渐增大(裂口长度达到5 mm 以上视为破开)，随后锥形针上移回到原位，完成油茶果的破壳。

油茶果破壳过程大致分为3 个阶段：第一阶段，锥形针下行至接触到油茶果壳表面；第二阶段，锥形针继续下行至插入到油茶果内部预定深度；第三阶段，锥形针从油茶果内部预定深度向上作回程运动至油茶果壳上方预定高度。破壳过程中油茶果受力较为复杂。为便于分析，忽略次要因素的影响，分析油茶果接触锥形针到锥形针插入油茶果内部预定深度这一过程的力学变化(图2)，建立坐标系联立方程求解。分别以锥形针和油茶果为研究对象，进行受力分析。

图2 锥形针破壳油茶果的受力Fig.2 The force of Camellia oleifera fruit broken by conical needle

锥形针受力平衡方程为：

对油茶果进行受力分析，由于F1=–F3，F2=–F4；f1=–f3，f2=–f4，油茶果的受力平衡方程为：

2 油茶果锥形针破壳试验

2020 年10 月17 日，采摘“赣无”系列含水率为55%～65%的油茶鲜果，利用德国 GOM 公司ATOS Triple Scan II 三维扫描仪(精度0.007 mm)测量油茶鲜果的三维长度；选用直径25～30 mm 的油茶果进行锥形针(图3)在加载速率1 mm/s 条件下的破壳试验。试验开始时，先将锥形针紧固在质构仪的探头上，选择加载程序，对质构仪进行调零，将油茶果顶部朝上、蒂部朝下垂直放置在质构仪载物台的工作区域，锥形针向下运动，按照预定的插入深度从油茶果的顶部区域插入，达到预定的插入深度后，锥形针向上作回程运动，达到预定高度后停止运动。

图3 不同锥角角度的锥形针Fig.3 Conical needles with different cone angles

对油茶果破壳影响因素的初步分析可知，锥形针锥角角度、锥形针插入果壳的深度和采摘后的存放时间是油茶果的果壳裂口长度以及破壳力大小的影响因素，因而通过单因素法和多因素正交试验，确定最佳参数组合。

2.1 单因素试验

选取15 个直径25～30 mm 油茶鲜果，将其分成3 组，每组5 个，在锥形针插入深度8 mm、存放2 d 时，分别选取锥形针锥角角度30°、45°、60°进行试验。重复5 次。测定油茶果破壳过程中的最大破壳力和破壳后的裂口长度。

选取15 个直径25～30 mm 油茶鲜果，将其分成3 组，每组5 个，在锥形针锥角角度为60°、油茶果存放5 d 时，分别选取插入深度为5、8、11 mm 进行试验。重复5 次。测定油茶果破壳过程中的最大破壳力和破壳后的裂口长度。

选取15 个直径25～30 mm 油茶鲜果，将其分成3 组，每组5 个，在锥形针锥角角度为60°、插入深度为11 mm 时，分别选取存放2、5、8 d 进行试验。重复5 次。测定油茶果破壳过程中的最大破壳力和破壳后的裂口长度。

从表1 可以看出，在其他因素保持不变的情况下，在一定锥角范围内，随着锥形针锥角角度的增大，破壳力和裂口长度也随之增大；在其他因素保持一定的情况下，在一定插入深度范围内，随着插入深度的增大，破壳力和裂口长度也随之增大；在其他因素保持一定的情况下，在一定存放时间范围内的，随着存放时间的延长，破壳力减小，裂口长度增大。

表1 单因素试验的油茶果的裂口长度和破壳力Table 1 Crack size and shell breaking force of Camellia oleifera fruit in single factor test

2.2 正交试验

考虑3 个影响因素的主效应，确定如表2 所示的正交水平表。每组试验重复3 次，结果取平均值。选用L9(34)正交表进行试验。试验中以油茶果顶部裂口长度和破壳力作为破壳效果的评价指标。

表2 正交试验因素及水平Table 2 Factor level of orthogonal test

试验结果及分析如表3 所示。利用Excel 软件对正交试验结果进行极差分析和方差分析。

表3 正交试验油茶果壳的裂口长度和破壳力Table 3 The crack size and breaking force of Camellia oleifera shell were tested by orthogonal test

从表3 裂口长度极差分析可以看出，影响裂口各因素的主次顺序依次为锥形针锥角角度、插入深度、存放时间。锥形针锥角角度的3 个水平比较，锥形针锥角角度为60°时，裂口长度均值最大，为13 mm；插入深度的3 个水平比较，插入深度为11 mm 时，裂口长度均值最大，为10.9 mm；存放时间的3 个水平比较，存放时间为8 d 时，裂口长度均值最大，为9.6 mm。裂口长度最优的因素水平组合为锥形针锥角角度60°、插入深度11 mm、存放8 d。

从表3 破壳力极差分析可以看出，影响破壳力各因素的主次顺序依次为插入深度、锥形针锥角角度、存放时间。插入深度的3 个水平比较，插入深度为11 mm 时，破壳力均值最大，为91.3 N；锥形针锥角角度的3 个水平比较，锥形针锥角角度为60°时，破壳力均值最大为99.2 N；存放时间的3 个水平比较，存放时间为5 d 时，破壳力的指标均值最大，为84.7 N。破壳力最优的因素水平组合为锥形针锥角角度60°、插入深度11 mm、存放时间2 d。

运用Excel 对正交试验结果进行方差分析，结果列于表4 和表5。

表4 裂口长度的方差分析Table 4 Analysis of variance for opening size

表5 破壳力方差分析Table 5 Variance analysis of shell breaking force

从表4 可以看出，显著水平0.05 下，锥形针锥角角度和插入深度的F值大于临界值，存放时间的F值小于临界值；显著水平0.01 下，锥形针锥角角度的F值大于临界值，插入深度和存放时间的F值均小于临界值。由此可知，对于油茶果裂口长度，锥形针锥角角度的影响极显著，插入深度的影响显著，存放时间的影响不显著，影响裂口长度的因素主次依次为锥形针锥角角度、插入深度、存放时间，较优组合为锥形针锥角角度60°、插入深度11 mm、存放时间8 d。

从表5 可以看出，显著水平0.05 下，锥形针锥角角度和插入深度的F值大于临界值，存放时间的F值小于临界值；显著水平0.01 下，锥形针锥角角度、插入深度、存放时间的F值均小于临界值。对于油茶果破壳力，锥形针锥角角度和插入深度的影响显著，存放时间的影响不显著，影响破壳力的因素主次依次为插入深度、锥形针锥角角度、存放时间，较优组合为锥形针锥角角度60°、插入深度11 mm、存放时间2 d。

综合来看，以油茶果裂口长度和破壳力为评价指标时，锥形针锥角角度60°、锥形针插入果壳深度11 mm 以及存放8 d 为最优参数。经试验验证，锥形针锥角角度60°、插入深度11 mm、存放8 d可以取得较好的破壳效果，在此参数下的裂口长度平均为5.4 mm，破壳力平均为83.8 N。

3 结论

选用“赣无”系列含水率为55%～65%的油茶果进行锥形针破壳试验，分析锥形针锥角角度、锥形针插入果壳的深度、采摘后的存放时间3 个关键因素对油茶果裂口长度和破壳力的影响。单因素试验结果表明，其他因素保持不变的情况下，锥形针锥角角度在一定范围内时，随着锥形针锥角角度的增大，裂口长度和破壳力也随之增大；锥形针插入深度在一定范围内时，随着插入深度的增大，裂口长度和破壳力也随之增大；存放时间在一定范围内时，随着存放时间的增大，裂口长度也随之增大，破壳力却随之减小。

正交试验结果表明，影响裂口长度因素主次依次为锥形针锥角角度、插入深度、存放时间，最佳参数为：锥形针锥角角度60°、插入深度11 mm、存放8 d；影响破壳力因素主次依次为插入深度、锥形针锥角角度、存放时间，最佳参数为：锥形针锥形角度60°、插入深度11 mm、存放2 d。综合分析，以油茶果裂口长度和破壳力为评价指标时，锥形针锥角角度为60°、锥形针插入果壳深度11 mm 以及存放8 d 为最优参数。验证试验表明，在此参数下的裂口长度平均为5.4 mm，破壳力平均为83.8 N。