油茶鲜果采收与初加工机械装备研究现状与发展趋势

2022-11-26袁超哲黄旭波王洪艳张文福袁少飞葛永金

林业机械与木工设备 2022年5期

袁超哲，黄旭波，王洪艳，张文福，袁少飞，葛永金，张建*

(1.浙江农林大学化学与材料工程学院，浙江杭州 311300；[2.浙江省林业科学研究院，浙江杭州 310023；[3.华东药用植物园科研管理中心，浙江丽水 323000)

油茶(Camelliaoleifera)是我国特有的木本食用油料树种，与油橄榄、油棕、椰子并称为世界四大木本油料植物，具有十分重要的生态、经济和社会效益。采用油茶籽加工而成的山茶油作为高档食用油，其含有特定的活性物质，维生素E含量高，不饱和脂肪酸含量达90%，远远高于其他压榨食用油[1]，具有溶血栓、降胆固醇、预防肿瘤等一定的药用保健价值[2，3]，被广泛应用于工业、医药、保健、美容等领域，而且副产品多，附加值高，市场潜力巨大。本文对我国油茶产业现状、油茶果采收与初加工装备进行系统阐述，并分析了当前油茶产业存在的问题和发展趋势，旨在为油茶鲜果采收与初加工装备的研制提供参考和借鉴。

1 油茶产业现状

我国人口众多但可用耕地稀少，粮油供需矛盾十分突出，优质食用油更是匮乏，食用油自给率仅为30.1 %，需要通过大量进口来满足我国国民对食用油的需求[4]。山茶油是一种优质的食用油，产业的发展也关系到山区经济发展[5]。大力发展油茶产业，有利于缓解我国食用油供需矛盾、保障我国粮油安全，是促进山区农民增收致富和改善自然生态环境的重要手段，在助力乡村振兴战略实施和践行“绿水青山就是金山银山”理念中均发挥着重要的作用[6]。2009年国家发改委、财政部、原国家林业局联合出台了《全国油茶产业发展规划(2009-2020年)》，提出要把油茶产业建设成为促进山区农民增收致富和改善山区生态环境的重要产业。2014年国务院办公厅印发《关于加快木本油料产业发展的意见》，提出部署加快木本油料产业发展，切实维护国家粮油安全[7]。近年来，油茶种植面积不断扩大，全国油茶种植面积已达6 550万亩，种植面积前四的省份分别是湖南、江西、广西和浙江。油茶籽产量自2010年以来连年增长，2019年达到267.9万吨，年产值达1 160亿元[8]。

油茶从种植到加工成山茶油，主要分为抚育、采收、堆沤、脱蒲、干燥、清洗分离、压榨等生产环节[9]，机械化水平低，机械装备比较缺乏，处于“无机好用”“无好机可用”的局面，在抚育、采收、脱蒲与加工等诸多生产环节仍基本采用传统的人工作业，特别是油茶鲜果采收及其后续脱蒲和油茶籽干燥处理[10-11]。油茶果成熟季节性强，采收时间集中，而且油茶果成熟季节，也是油茶的开花期，因此现有油茶果采收仍主要以人工为主，属劳动力密集型作业，采收效率低、劳动强度大[12]。油茶鲜果采收后脱蒲和油茶籽干燥处理是山茶油加工重要的生产工序，传统的鲜果晾晒和人工分拣油茶籽方式，需要大量的人工和场地，自然晾晒需要3～6天，受天气影响也较大，生产效率低。油茶鲜果采收后如不及时进行去蒲和干燥处理，一旦遇到连续阴雨天气，极易出现烂果烂籽，造成油茶籽霉变腐烂，严重影响山茶油品质。另外，油茶基本种植在交通不便，水、电、通讯等设施不完备的山地丘陵，经营的主体是农民，劳动强度大，用工多[13，14]，同时油茶种植规模化、产业化、标准化程度偏低，采用品种和抚育管理水平良莠不齐，导致经济效益参差不齐[15，16]。再加上近年来生产要素成本上升的影响，油茶产业正面临着前所未有的发展困境，主要表现在基础设施依然薄弱、机械化水平低、创新能力不强、产品市场竞争力不高，其中生产工具的落后即机械化水平低已成为制约油茶产业高质量可持续发展的重要短板和痛点，也是油茶产业发展需迫切解决的问题。

2 油茶果采收机械装备

近年来，由于市场对优质食用油需求量的不断增大、劳动力紧缺、人工成本上升[17]，油茶果机械化采收变得尤为重要，促进高效省力的采摘机械油茶产业进一步发展。目前，研制的油茶果采收机械大同小异，采摘方式主要有冲击式、切割式与振动式，但采收效果均不太理想。杨志峰等设计的一种冲击式油茶果采摘器[18]，由叉头、导管、驱动机构、手持杆、背篓等5部分组成，采用冲击原理，作业时在推力或冲击力以及树枝对油茶果反方向拉力的共同作用下将油茶果摘下。饶洪辉设计了便携式油茶果实采收机构[19]，采用了切割的方法采收油茶果，主要由长连杆、定刀片、动刀片、牵拉杆等8部分组成，其中刀片用于限位油茶果，拉动钢丝转动牵拉杆，从而使动刀片与定刀片闭合切割油茶果果蒂，切割力不够时可通过下拉力或旋转将油茶果脱落。王德华设计了一种便携式茶果采摘机[20]，利用切割的原理实现对油茶果的采摘，工作时通过机械的张合力将油茶果摘下并落入收集装置中。切割式的油茶果采收装备与冲击式油茶果采收装备，相对于人工采摘，具有缩短油茶采收时间、降低劳动强度、降低作业危险性等优势。虽然设备为小型化产品，但仍有一定重量，作业效率受工人操作熟练度、油茶树形及油茶基地环境地形等因素影响，生产效率仍较低，节省劳动力也比较有限。

国外振动式采收机械较多，主要应用于苹果、橄榄、开心果等林果采收，而油茶是我国特有的一种木本油料植物，关于采用振动原理的油茶果采收机械研究较少。王东等设计的振动式油茶青果采收机[21]，借鉴了国外林果振动式机械的采收原理，作业时将树干夹紧后，通过采用曲柄连杆式的振动器伸缩杆往复直线运动，从而使油茶树振动将油茶果掉落，采收率可达95%以上。由于油茶花果同期，在采用振动方式采收的时候会造成花苞掉落的情况，而且试验发现随着振动频率上升，油茶果的采摘率与花苞掉落率呈上升趋势。振动式油茶采收机械具有采收方便、采收效率高、节约人工、缩短采收时间等优点[22]，但由于采收机械比较庞大，对油茶基地在株距、地形等方面规模化和标准化栽培要求比较高，而且作业时会造成花苞掉落，对油茶树干产生伤害，影响下一年油茶果的产量。

3 油茶果初加工机械装备

油茶鲜果采收后处理是山茶油加工的重要工序，因为需经晾晒、脱蒲、分选、油茶籽干燥后才能进行榨油加工[23]。

3.1 油茶果脱蒲机械设备

油茶果的脱蒲工艺是影响山茶油品质的主要因素[24]，采用脱蒲方式不同，对出油率、山茶油品质、酸值与微量营养成分的影响也将会不同。油茶果现有脱蒲方式主要有自然晾晒法、人工脱蒲法和爆蒲法。自然晾晒法是将采收的油茶鲜果摊开在地面上，进行自然晾晒，果蒲开裂后取出油茶籽。人工脱蒲法是将鲜果油茶进行人工或机械脱蒲，分离出油茶籽。爆蒲法是将油茶鲜果通过烘烤处理直致果蒲全部裂开，取出油茶籽。综合比较不同脱蒲方式的出油率、山茶油品质、酸值与微量营养成分后发现，爆蒲法工艺综合更优。采用机械对油茶果进行脱蒲-油茶籽分离，已有较多学者进行研究，其基本原理主要有机械撞击、揉搓、剪切等方式，并通过机械筛将油茶果蒲和油茶籽进行分离。熊平原等设计的油茶青果脱壳装置[25]，使用了一种多滚刀撞击切割方案对油茶进行脱蒲，再将果壳与油茶籽送入三级筛选机构通过筛网摇摆分离出大壳、中壳、粉渣和油茶籽。

樊涛等设计的油茶青果脱皮机[26]通过挤压与柔性抽打的方式对油茶果进行脱蒲，先利用挤压辊把油茶果挤裂，再经过柔性抽打辊的抽打完成果蒲与油茶籽的分离。陈礼东等设计的切割式油茶果脱蒲机[27]，先将油茶果进行切割预处理，再分别经过搓擦工艺、击打工艺、摩擦工艺后实现油茶果脱蒲，最后通过筛网实现果蒲与油茶籽的分离。唐湘等设计的油茶果脱壳装置[28]采用了撞击与揉搓原理，油茶果在落在转动的离心甩盘上离心力的作用下快速撞击在齿圈上进而完成脱蒲，最后果蒲与油茶籽一起落入下壳体中再进行分选。蓝峰等研制的油茶果脱壳清选机[29]主要采用撞击、挤压、揉搓的方法对油茶果进行脱蒲，工作时油茶果由进料口竖直向下掉落进入滚筒，在呈锥形的脱壳杆的作用下受到挤压与撞击。脱蒲后油茶果蒲与油茶籽分离穿过筛孔掉落在清选装置上，利用果蒲与油茶籽的流动性差异实现油茶果蒲和油茶籽的分离。朱广飞研制的油茶脱蒲机[30，31]采用挤压与搓擦的工作原理对油茶果进行脱蒲，通过滚筒上均匀分布的凹槽结构推动油茶果在滚筒和弧形栅板之间互相挤压实现果蒲破裂，再利用中心圆弧槽筛网将果蒲与油茶籽进行分离。

不同品种的油茶在鲜果大小、籽粒大小、果皮硬度与韧性、果壳开裂程度等物理性状上差异较大[32，33]，需要在脱蒲前根据油茶鲜果直径大小、开裂程度、品种等进行预分级，以达到较好的脱蒲效果[34]。例如汤晶宇等设计的四通道全自动油茶成熟鲜果脱壳机[35，36]预先将油茶果实进行分级来提高脱蒲效果。目前，油茶果脱蒲设备还存在果蒲-油茶籽分离效果不好、茶籽破损率高、生产效率低等问题，除了不同油茶品种果实大小差异较大的原因外，还有脱蒲后的油茶籽粒大小不一，脱蒲后果蒲形状及大小均不可控的原因。如油茶品种长林40号，鲜果较大，但每颗鲜果含5～6粒油茶籽，其果大籽小；而长林166号，每颗鲜果基本含1粒油茶籽，其果小籽大[37]。

3.2 油茶籽干燥机械装备

油茶鲜果脱蒲后的油茶籽含水率一般在35%以上，不能直接用于压榨加工山茶油，也不能长时间贮存[38]。脱蒲后的油茶籽，需进行烘干后才能加工成山茶油。油茶籽干燥过程对山茶油的加工非常重要，干燥工艺的优劣既会影响到后续加工的难易程度，又会影响到山茶油的品质。一些学者只是对油茶籽的干燥特性进行了相应研究，如发现热风温度和堆积密度等参数对油茶籽热风干燥过程有一定的影响[39]。罗凡等对热风干燥、微波干燥、红外干燥等不同干燥方式对压榨油茶籽油品质的影响进行了研究[40]。王凤贺等对油茶籽热风干燥动力学进行了研究[41]。邢朝宏对水分含量和相对湿度对油茶籽储存稳定性的影响进行了研究[42，43]。以上这些主要是关于不同干燥方式或干燥条件对油茶籽储存或山茶油品质影响的进行研究，未对不同干燥方式或干燥条件处理后油茶籽含水率、油茶籽含油率、山茶油成份等变化情况进行系统研究。

机械烘干技术是一种常用快速高效的处理方式，主要是采用科学合理干燥工艺和干燥设备，在不损害物料品质的前提下，使其达到安全储存标准[44]，这不仅可有效防止连绵阴雨等灾害性天气所造成的损失，还具有减轻劳动强度、改善劳动条件、提高劳动生产率等明显优势[45]。目前，一般大型山茶油加工企业多配备塔式烘干设备进行油茶籽干燥处理[46]，烘干塔是一种塔式烘干设备，形如高塔，内装有角状气道，其特点是占地面积小、内部容积大、干燥时间长。而中小型企业一般采用生物质能源或电能的快速烘干设备[47]。王德华设计了油茶籽分段式加热的带式烘干机[48]和按油茶籽含水率进行分级的烘干系统[49]，优点是加热均匀、避免剧烈加热与过度加热对茶籽烘干过度。油茶籽烘干设备主要采用电能或生物质能源加热空气作为热源，通过热风烘干油茶籽，具有能耗大的缺点，还有些企业以木材、煤、天然气为热源干燥油茶籽[50]，存在污染大和成本高的弊端。

4 存在问题

油茶是我国特有的木本油料树种，油茶鲜果采收和脱蒲存在采收时间集中、用工量多、占用场地面积大、机械化水平低等问题，已成为制约油茶产业健康可持续发展的重要短板。虽然我国在油茶鲜果机械化采收和脱蒲处理工艺及机械设备上取得了一些突破和成果，但整体来看，还存在设备实用性低、自动化水平低、能耗大、研发投入低、产品缺乏标准等现实问题。

4.1 宜机化技术研究滞后

目前，油茶虽然在新品种选育、规模化种植、标准化种植等方面取得了重要成果，但整体来看还有很多油茶林经营主体为农民，他们缺少对土地适宜性的考量，在油茶种植后不能有效进行抚育管理[15]，栽培技术措施不到位[16]。同时油茶品种较多，油茶鲜果及油茶籽个体差异较大、果花同期、采收时间不统一，不利于机械化采收和脱蒲。缺少针对油茶不同品种、不同种植环境、不同种植模式等宜机化采收系统研究。

4.2 产品供给能力不足

目前，市场上存在一些油茶果采收、油茶果蒲-籽分离、油茶籽干燥等设备，但都是独立工作的设备[51-53]，仅能实现一个工序的机械化工作，自动化水平低，不能实现连续式规模化生产，而且缺乏系统的油茶鲜果采后预处理配套技术研究，存在设备功能单一、能耗大、脱蒲率低、蒲-籽分离率低、茶籽破损率高、生产效率低等问题[54]。

4.3 研发投入仍然不足

油茶产业的高质量发展和加工设备的升级换代需要同步进行，但油茶生产设备制造企业集中度低，利润低，市场份额小，又缺乏国家补贴等政策支持，研发和生产的资金投入严重不足，而且缺乏具有创新能力的龙头制造企业。油茶生产设备研究基础薄弱，政府投入少，基本是企业自主研发，缺乏专门的研发机构和技术人才，使得油茶生产设备缺少原始性创新和核心技术。

5 发展趋势

油茶产业整体保持着上升的良好态势，特别是在精深加工及食用、医药、保健、美容等领域被广泛应用。先进实用的生产工具是油茶产业实现高质量发展的重要前提和必然选择，也是油茶产业发展的客观需要。

5.1 注重基础研究

重点开展宜机化采收油茶新品种选育、宜机化采收油茶种植模式、宜机化采收油茶经营配伍技术等研究，并加强推广应用[55，56]。以及油茶鲜果机械化采收对花苞损害影响、油茶鲜果采后预处理技术、快速连续式脱蒲技术及原理、高效蒲-籽分离技术及原理、油茶籽分级干燥技术及原理等研究[57]。

5.2 加快研发攻关

油茶鲜果采收和初加工实现机械化必须依靠科技创新。政府应加大科研财政投入，支持开展油茶宜机化新品种选育、种植模式研究和新工艺、新设备开发。整合高校、科研院所、企业等各种资源，构建研发创新平台，联合攻关，研发油茶采收和初加工急需的机械装备研发，加快技术和设备的升级换代，实现科技含量低、自动化水平低、能耗大的机械装备向高端多功能、低能耗、自动化水平高的机械装备转变。

5.3 提升产品适用性

装备的高效性、适用性、连续性和自动化成为时代发展的需求，根据当前油茶鲜果采收和初加工面临的关键技术问题，通过与智能、数控和互联网等技术的有机融合，研制多工序之间的自动化、清洁化、高效化、成套化的油茶鲜果采收和初加工装备。油茶鲜果采收装备要适用于不同油茶品种、不同种植模式、不同种植环境的机械化采收，同时要兼具经济性、便携性、省力性、高效性；油茶鲜果机械化后熟处理机械装备要实现由单工序独立作业向多工序连续式自动化作业的转变。