油茶果脫蒲分離機研究現狀

陳禮東，胡淑珍，任嘉嘉，相 海

(中國農業機械化科學研究院，北京100083)

0 引言

油茶特指茶屬植物中油脂含量較高、具有經濟價值的一類植物，又稱為茶籽樹[1]。油茶與橄欖、油棕和椰子并稱世界4大木本油料，既是我國特有的木本食用油料，也是我國第1大木本油料。

油茶在我國具有悠久的栽培歷史，在選種、栽培、采收、儲藏和加工等方面取得了一定的成就。油茶主要分布于我國南方亞熱帶氣候地區，是湖南、廣西和江西等地的林業支柱之一，占有重要的經濟地位，也是我國食用油供給系統中不可缺少的部分[2-4]。油茶除了用于生產食用油之外，還可以用于醫藥保健領域，對降低血脂、改善營養狀況、增強肝細胞活性和提高免疫功能等具有積極的作用[5-11]。

1 油茶果概述

茶籽中含有20%～35%的油脂，是生產油茶食用油的原料。茶油中含有油酸83.3%、亞油酸7.4%、硬脂酸0.8%和花生脂酸0.6%，并含有較多的單不飽和脂肪酸和少量的飽和脂肪酸[12-15]。茶籽油與橄欖油的組成及其理化性質相似，如凝固點、碘值、皂化值和相對密度等，如表1所示，因此具有“東方橄欖油”的美譽。

表1 茶籽油與橄欖油的部分理化指標

我國歷年油茶果及油料總產量如圖1所示。油茶果作為我國木本油料作物之首，其年產量自2011年起，呈現逐年增加的趨勢，2018年產量達到260多萬t，約占2018年食用油料總產量的8%[16]。油茶產量的增加，對于提高食用油自給率和維持市場平衡至關重要，也是打贏“脫貧攻堅”戰的重要舉措之一。

隨著大量豐產油茶基地的建設，其產量逐年大幅增加，鮮果大量集中采摘上市，但由于嚴重缺乏規模適中、配套集成的脫蒲、剝殼及清選機械，尤其是脫蒲、脫殼環節的產后機械化，極易造成油茶鮮果的腐爛變質，品質下降，最終導致大量原料被浪費。據統計，油茶果的產后收獲至加工損失率高達10%，而這些損失絕大部分將由農戶來承擔，直接導致農民增產不增收，挫傷茶農的積極性。

由于現在我國油茶果脫蒲分離技術的不成熟，市場上的機械脫蒲和分離設備技術水平參差不齊，普遍存在得率低、污染排放大的問題。產量的持續增加，為及時脫蒲分離帶來了壓力。人工脫蒲耗時長、強度大，機械脫蒲快，但蒲籽分離精度不高，成為限制油茶果制油產業的一大瓶頸。

2 脫蒲分離機研究現狀

2.1國外研究現狀

作為我國特有的食用油料，在國外地區少有成規模的種植基地，僅東南亞地區有少量的種植，因此國外學者針對油茶果脫蒲分離機械設備的研究較少[17-18]。雖然國外地區有關油茶果脫蒲分離設備的研究較少，但其他農產品的分級、分離應用方面，如腰果、核桃和油桐等，可為油茶果脫蒲分離設備的相關研究提供參考。

計算機視覺技術是通過設備的圖像處理系統識別出物料的差異，再由分離系統對其進行分離，是一種無損、高效的方法，是農產品分離中常用的一種分離方法，也可用于種子的識別、分類和分離[19-24]。

圖像處理與分離流程如圖2所示。計算機與圖像處理技術的結合，提高了農產品分離處理的精確度，但是在處理大量的農產品時，分離速度和分離量仍然有較大的發展空間，尤其是在現代化農產品的生產方面[25-26]。

在農產品的分離方面，國外地區主要利用計算機圖像處理、振動篩網等多種形式。計算機圖像處理精確度高、造價貴，不適用于普通農戶使用；振動篩網適用性強，可用于多種物料的分離，但不能實現完全分離。離心分離法影響因素多，損耗率較高。

2.1.1腰果

腰果形狀呈月牙形，在破蒲后，產生了形狀多樣的果蒲，與油茶果破蒲后產生的果蒲相似，如圖3所示。

腰果形狀差異較大，導致腰果的破殼分離具有一定的難度[27]。UCHIYAMA N等[28]研制的腰果破殼分離試驗臺由振動喂料器、傳送帶、輥子、破殼刀和分離器組成，如圖4所示。工作時，由振動喂料器進行喂料，然后經過傳送帶將腰果運輸到破殼刀；由旋轉的破殼刀進行破殼，破殼后的殼籽混合物，經過篩網分離后，可實現腰果與果殼的分離。

2.1.2核桃

核桃在經過機械設備破殼后，核桃殼形狀多樣化，與核桃仁難以區分。NAHAL A M等[29]研究設計的核桃殼仁分離設備，利用流態分離法將核桃殼與核桃仁進行分離，分離效果受到仁殼含水率影響，同時需要將空氣速度保持在一定的范圍內。JIN Fenghua等[30]根據核桃殼與核桃仁透光率的不同，使計算機圖像呈現不同的特征紋理，利用紋理差異來實現仁殼的分離，分離效果能達到98%。KRISHNAN P等[31]利用磁選法實現了核桃殼仁的分離。在進行正式分離之前，先將混有食用明膠粉的磁流體或鐵粉附著于核桃殼表面；然后再進行破殼，破殼后的仁殼混合物在磁場中的受力不同，從而實現仁殼的分離。該方法需要對核桃殼進行預處理，工藝繁瑣且易污染果仁。

2.1.3桐籽

桐籽是一種生物柴油原料，果實的組成結構與油茶果相似[32]。LIM B Y等[33]研制的桐籽分離機能夠實現91.2%的分離效率。該分離機主要由帶壓縮棍的裂解機構和振動分離機構組成，如圖5所示。分離效果受到桐籽顆粒尺寸和形狀的影響，難以實現完全分離。

SHARMA V等[34]采用離心分離法，研制了離心撞擊式分離機，進行桐籽分離效果的研究。研究表明，桐籽分離效果受到含水率和旋轉速度的影響。在整個試驗中，桐籽的最佳回收率能達到52.2%。

2.2國內研究現狀

隨著油茶果產量的逐年增加，油茶果脫蒲分離設備的需求也日益增加，為脫蒲分離設備提供了研究和發展契機。充足的原料資源，為我國相關學者進行機械設備的研究提供了便利。油茶果脫蒲分離裝備的研制相對成熟，形式也不盡相同。

中國熱帶農業科學院農產品加工研究所[35]提出的腰果破殼分離技術包括除雜、分級、蒸煮、脫殼和分離部分。首先，使用振動篩和鼓風機去除雜質；再對除雜后的腰果按照尺寸進行分級；之后對其進行蒸煮，以提高破殼效率；破殼后的仁殼混合物通過振動篩和風選機實現分離。

王焱清等[36]設計的氣動刨削式破蒲機主要由機架、振動給料斗、滾筒、推壓手爪和刀條等結構組成，如圖6所示。

油茶果的破蒲過程主要包括推移、咬合、刨削、推散和復位。該設備的脫蒲效果與汽缸壓力和油茶果的含水率直接相關。氣動刨削型的結構復雜，一次只能對單個油茶果進行脫蒲，破蒲動作不連續將導致處理量較低。

李陽等[37]以蒲籽表面摩擦系數的不同為基礎，進行了脫蒲分離機的設計和研究，總體結構如圖7所示。

在進行破蒲之前，用滾桶篩進行分級；分級后的油茶果順勢進入到大小不同分級空腔中，柔性搓板與柔性運輸帶之間的相對運動對油茶果進行揉搓脫蒲；破蒲后的籽殼混合物，進入到蒲籽分選機構中，其結構如圖8所示。

由于摩擦系數不同，果蒲與茶籽產生方向相反的運動，進而實現分離。油茶果的脫蒲效率受到油茶果水分含量、柔性摩擦帶速度和處理量的影響；蒲籽分離則受到振動電機頻率、分選帶平面傾角的影響。

彭潤絮等[38]在比較了蒲籽篩選的各項技術特點后，根據蒲籽之間不同的浮力，進行了浮選分離設備的研制。該設備總體結構比較復雜。

工作時，經過脫蒲后的蒲籽混合物，經傳送帶傳送至浮選槽內，在浮力的作用下，茶籽沉于底部并被傳送至出料口；浮于溶液表面的果蒲流動至果蒲導出槽，進而實現蒲籽的分離。處理量可達3 000 kgh，分離率達到96.36%。浮選型蒲籽分離機的處理量大，分離效果明顯，茶籽經溶液浸泡后，增加了干燥的難度。

胡一飛等[39]用色選機分離方法，進行了相關的蒲籽分離試驗。該試驗選用6SXZ-03型履帶色選機，探究了含雜率、攤曬天數對色選效率和色選精度的影響。試驗結果表明，混合物中含雜率在23%～35%時，含雜率越高，色選效率越低，而色選精度則保持在98%左右，如圖9所示。對采收后進行不同天數的攤曬處理后進行色選分離試驗。結果表明，隨著攤曬時間的增加，色選精度逐漸降低，如圖10所示。色選機的操作簡單，處理量大，適用于含雜率較低的物料。

朱廣飛等[40]采用擠壓方式，設計了一種可根據油茶果徑粒大小不同而進行間隙調節的油茶果脫蒲設備。該脫蒲設備主要由脫蒲裝置、分離裝置、動力傳輸裝置和機架組成，包括攪拌軸、滾筒、篩網、調節機構和弧形柵板等，具體機構如圖11所示。

工作時，先由破蒲機構完成對油茶果的破蒲，再由分離機構實現蒲籽混合物的篩選與分離。經過破蒲后，蒲籽混合物進入到篩網內，攪拌軸對其進行充分攪拌，尺寸較小的茶籽由篩網孔漏出，從而實現蒲籽分離。在對設備進行優化后，脫蒲率可達到97%，

藍峰等[41]和蘭峰等[42]綜合利用擠壓、摩擦和揉搓進行了油茶果脫蒲裝置的研究，再根據茶籽與果殼結構尺寸上的不同，進行了殼籽篩選研究。該裝置主要由料斗、脫蒲滾筒部件、殼籽篩選部件、動力傳輸部件和機架組成。具體結構如圖12所示。

脫蒲桿以圓周均布的方式安裝在脫蒲盤上，并且兩個連接點之間呈一定的角度，形成前大后小的楔形脫蒲室。輸送物料的同時，又能對油茶果進行擠壓，與油茶果之間的相互摩擦和揉搓的綜合作用，達到破殼的效果。

考慮到籽與蒲之間結構尺寸的差異，選用了齒光輥式結構來進行籽殼的篩選。齒光輥結構如圖13所示。

齒光輥之間的線速差，將形狀不規則的果蒲拉入到齒輥與光輥之間的縫隙中，進而實現蒲籽的分離。分離效果受到齒光輥之間的間隙和齒輥切入角度的影響。該脫蒲篩選設備處理量高達3.2 td，脫蒲率99.2%，篩選率93%，可實現油茶果快速、高效地機械化脫蒲和分離。

熊平原等[43-44]采用碾壓破蒲、氣吸篩選對油茶果的脫蒲篩選進行了相關研究。該裝置主要由脫蒲裝置、氣吸式殼籽清選裝置和風篩殼籽清選裝置組成。具體結構如圖14所示。

工作時，油茶果經料斗進入到脫蒲機構中，由電機帶動脫蒲輥筒轉動，以碾壓的方式實現脫蒲；脫蒲后的殼籽混合物順勢落入到風選箱中，風機轉動產生的氣流變化將質量較輕的殼籽吸入到粉渣出口處，實現蒲籽的第1次分離；電機帶動偏心機構和吹風機轉動，使振動篩往復抖動，蒲籽混合物在振動篩和風機的共同作用下，實現第2次分離。振動篩和風選方式的結合，提高了蒲籽分離的效率。

3 結束語

本文綜述了目前國內油茶果蒲籽分離機的主要結構形式及其工作原理。在油茶果的脫蒲方面，主要有氣動刨削、擠壓、摩擦或組合形式。氣動刨削型的結構復雜，破蒲動作不連續進而導致處理量較低；擠壓型的結構簡單，破殼動作連續，處理量較大，破仁率較高；摩擦方式的破殼速度慢，脫蒲效果受到多種因素的影響；組合破蒲方式效果較好，處理量大，破蒲率高。

在蒲籽分離方面，主要有色選、摩擦、浮選、篩網、氣動和齒光輥6種方式。色選型篩選成本較高，適用于產業化工廠的使用；摩擦型分離效果不突出，分離過程難以控制；齒光輥型篩選利用了蒲與籽之間的結構特性，處理量較大、篩選精度高；氣動分離與篩網分離具有相似的作用，分離效果不明顯，常與其他方式組合使用。

目前，我國油茶果的脫蒲技術相對成熟，而蒲籽分離的相關技術仍舊處于研制起步階段。蒲籽分離的難點有以下3方面。一是油茶果的品種多樣，茶籽的形狀尺寸不規則，油茶果經過設備脫蒲后，產生的果蒲和茶籽在尺寸和形狀上均呈現多樣化，致使尺寸固定的分離設備難以區分。二是水溶液可對新鮮的蒲籽進行浮選分離，但茶籽和果蒲的含水率較高，短暫的時間后，茶籽和果蒲之間的密度差距減小，導致浮選分離時間難以掌握。三是脫蒲后的油茶鮮果，經晾曬后，茶籽與果蒲的顏色、密度和形態趨于相同，增加了色選分離的難度。

油茶果蒲籽分離難度較大，使得滿足技術指標的設備較少，相關企業對滿足生產條件的設備有較大需求。針對油茶籽蒲籽分離的相關研究也在進行中。