核桃破殼技術(shù)與裝備研究進(jìn)展

劉 佳 沈曉賀 楊莉玲 劉 奎 崔寬波 祝兆帥

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

核桃又稱胡桃，是世界著名的四大干果之一[1]。核桃仁中脂肪含量非常豐富，約占整仁60%～70%；蛋白質(zhì)含量約占16.0%～20.0%[2]，還含有18種氨基酸以及鉀、鈣、鎂、鐵、鋅、錳等礦物質(zhì)和微量元素[3-5]；核桃仁中維生素A、D、E、K等含量豐富，其中維生素E含量達(dá)24.60 mg/100 g，遠(yuǎn)大于花生、開心果等油料作物；此外，核桃仁中還含磷脂、多酚、類黃酮等各類功能成分，營養(yǎng)和保健價值非常高，有“益智果”和“長壽果”之稱[6-8]。

核桃在全球53個國家和地區(qū)都有種植。中國核桃栽培歷史悠久，已有2 000多年歷史，是核桃的原產(chǎn)地之一[9-11]，其產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的57.3%，是全球核桃種植面積以及年產(chǎn)量最大的國家[12-14]。

核桃果實主要由外層青果皮、內(nèi)層硬果殼和種仁3部分組成[15]。核桃外層青果皮為青色，核桃果實成熟后會自然脫落，內(nèi)層硬果殼被稱為核桃殼，具有硬度高的特點，其主要成分是木素、纖維素和半纖維素[16]。由于核桃品種的差異，核桃殼的外形、硬度、厚度以及殼仁間隙都有所不同，破殼難度大[17]。

目前，中國核桃初加工技術(shù)及裝備比較落后，核桃采收后基本上都以原料形式進(jìn)入市場，產(chǎn)品附加值低，產(chǎn)業(yè)鏈條短，核桃破殼取仁主要以人工為主。現(xiàn)有的國產(chǎn)設(shè)備存在效率低、適應(yīng)通用性差，加工效果不理想，整仁率低等問題，尚未實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。文章擬介紹核桃破殼技術(shù)，重點闡述國內(nèi)外核桃破殼設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理以及特點，并分析目前核桃破殼機(jī)械存在的問題，旨在為核桃精深加工技術(shù)瓶頸及產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供依據(jù)。

1 核桃破殼技術(shù)

1.1 手工破殼

手工破殼主要依靠人工使用硬物砸取或者擠壓裝置實現(xiàn)單個核桃破殼取仁，其生產(chǎn)效率約為4 kg/h，效率低、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高，且衛(wèi)生條件差。

1.2 化學(xué)腐蝕法

將核桃等堅果浸入到堿、酶等化學(xué)溶液中，核桃殼被化學(xué)溶液腐蝕軟化后，再利用機(jī)械破殼裝置剝?nèi)ズ颂覛18]。處理過程中化學(xué)藥劑容易進(jìn)入核桃果殼中，影響核桃仁的品質(zhì)，造成食品安全問題。

1.3 機(jī)械式破殼

隨著果農(nóng)核桃種植積極性的增加，面積逐年擴(kuò)張以及盛果期的到來，相比現(xiàn)有的方法，機(jī)械法破殼是核桃產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展的必由之路。按加工原理機(jī)械破殼方法可以分為擠壓式、剪切式、擠壓揉搓式、撞擊式4種類型。

2 核桃破殼機(jī)械工藝

核桃的物理特性以及破殼方式是影響核桃破殼取仁的主要因素。喬園園等[19-20]對核桃的尺寸大小、殼厚以及需要的破殼力等物理特性參數(shù)開展了試驗研究；沈柳楊等[21-22]研究發(fā)現(xiàn)，核桃含水率在干燥8 h后趨于穩(wěn)定，一定條件下所承受的加載力和變形量隨含水率的降低先增加后減少；李忠新等[23]研究發(fā)現(xiàn)，核桃殼含水量越低越容易被破碎，但破殼后的殼與仁也越細(xì)碎，當(dāng)核桃濕度為15%時破殼較為合適；鄭甲紅等[24]通過二次回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗，得出含水率為14.5%時，核桃高路仁效果最好；Braga等[25]對澳洲堅果在不同加載方向下的破殼力、變形量以及能量進(jìn)行了分析比較，同時找出了不受含水率影響的加載位置。

史建新等[26-27]采用有限元分析方法，得到了最優(yōu)的破殼方式；沈柳楊等[21]運用Matlab和Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在含水率相同的情況下，沿橫向、縱向、縫向3個加載方向，對核桃破裂力、變形量、應(yīng)變能的影響依次減小；劉奎等[28]開展了核桃破殼力學(xué)特性試驗，發(fā)現(xiàn)加載速率越大，核桃仁越容易破碎；王斌等[29]通過對3種核桃進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)沿不同方向擠壓核桃的破殼力和壓縮位移不同，其破裂所需的壓縮力和位移由小到大依次為：沿垂直于縱徑方向、沿垂直于棱徑方向、沿垂直于橫徑方向。

涂燦等[30]研究表明，最佳的破殼工藝參數(shù)為加載速率45 mm/min、水平加載方向、核桃含水率6%～9%，此條件下澳洲堅果的整仁率可達(dá) 93%；鄭甲紅等[24]研究表明：最佳破殼效果條件為擊打行程為5 mm 左右、含水率為14.5%左右、核桃尺寸為 41mm 左右；張宏等[31]研究發(fā)現(xiàn)，整仁率最高可達(dá)60.28%的試驗條件為核桃含水率8%、加載變形量12 mm、加載速度300.15 mm/min。

綜上，通過對核桃物理特性、力學(xué)特性以及機(jī)械破殼工藝參數(shù)的各項研究，發(fā)現(xiàn)核桃含水率、力學(xué)加載方向、加載速率等因素是影響核桃破殼效果的重要因素，為研發(fā)設(shè)計核桃破殼裝備，提高核桃破殼率、整仁率，降低核桃仁破損率提供了重要的理論依據(jù)。

3 核桃破殼機(jī)械的研究進(jìn)展

3.1 擠壓式破殼法

3.1.1 平板擠壓式破殼機(jī) 通過動擠壓板的往復(fù)運動，與靜擠壓板共同對核桃進(jìn)行擠壓，從而實現(xiàn)對核桃的破殼處理。該裝置(圖1)主要包括間隙調(diào)節(jié)裝置、動擠壓板、靜擠壓板、偏心輪以及進(jìn)料口、出料口等。動擠壓板的兩端分別與機(jī)體、偏心輪鏈接，偏心輪帶動動擠壓板作往復(fù)運動；靜擠壓板兩端分別與機(jī)體和間隙調(diào)節(jié)裝置相連，轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)手柄可推動靜破殼板前后運動，從而調(diào)節(jié)兩板之間的間隙和角度，當(dāng)擠壓間隙小于核桃直徑時完成破殼作業(yè)。為了增加兩破殼板與核桃接觸時的粗糙度，兩破殼板表面焊有魚鱗狀鐵網(wǎng)，如Eisel[32]研制的核桃破殼機(jī)，李忠新等[23]研制的6PK-400核桃破殼機(jī)。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)相對比較簡單，制作成本較低，且可破個頭太小混雜在一起的核桃。但這種裝置在加工過程中容易對核桃仁造成損傷，且生產(chǎn)率不高，制約了該破殼裝置的推廣應(yīng)用。

1. 動擠壓板 2. 靜擠壓板 3. 偏心輪 4. 間隙調(diào)節(jié)裝置 5. 核桃圖1 平板擠壓式破殼裝置Figure 1 Flat extrusion type shell breaking device

3.1.2 單輥擠壓式破殼機(jī) 利用破殼板與旋轉(zhuǎn)輥子對核桃進(jìn)行擠壓，實現(xiàn)破殼。該裝置(圖2)主要由旋轉(zhuǎn)輥子、破殼板、間隙調(diào)節(jié)手輪等組成。側(cè)面的破殼板呈弧形，核桃落入破殼區(qū)域后，由于受到旋轉(zhuǎn)輥子以及破殼板的擠壓作用，核桃殼的變形量逐漸增加，直至核桃殼出現(xiàn)裂紋，實現(xiàn)破殼。如Kim[33]發(fā)明的一種堅果破殼機(jī)，Ssring等[34]提出的一種新型核桃破殼機(jī)，其生產(chǎn)率為30 kg/h，1/2仁以上的核桃仁占75%，破殼率為94%。這種破殼機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，但生產(chǎn)率較低，破殼后整仁率低、破仁碎率高。

1. 核桃 2. 旋轉(zhuǎn)輥子 3. 破殼板 4. 間隙調(diào)節(jié)手輪圖2 單輥擠壓破殼裝置Figure 2 Single roller extrusion mechanism

3.1.3 雙輥擠壓式破殼機(jī) 利用相對轉(zhuǎn)動的兩個轉(zhuǎn)輥對核桃等堅果進(jìn)行擠壓，實現(xiàn)破殼。該破殼裝置(圖3)主要由間隙調(diào)節(jié)拉桿、被動破殼輥、主動破殼輥等組成。核桃依靠自身重力和兩個轉(zhuǎn)輥對核桃產(chǎn)生的摩擦力，被帶入到兩個轉(zhuǎn)輥之間，在主動破殼輥和被動破殼輥的擠壓作用下實現(xiàn)破殼，該裝置工作前需要調(diào)整核桃的相對位置，以保證破殼順利進(jìn)行。如McSwain[35]發(fā)明的雙輥子滾動擠壓式核桃破殼機(jī)；何義川等[36]設(shè)計的一種對輥擠壓式核桃破殼裝置，當(dāng)擠壓間隙為33 mm、兩個擠壓輥的轉(zhuǎn)速分別為95，75 r/min時，破殼效果最好，一次性破殼率為89.2%，高路仁率為81.1%；董詩韓等[37]設(shè)計的一種多輥擠壓式核桃破殼機(jī)。采用這種破殼裝置需在破殼前對核桃進(jìn)行分級處理，且生產(chǎn)率相對較低，破殼后整仁率低。

1. 間隙調(diào)節(jié)拉桿 2. 被動破殼輥 3. 主動破殼輥 4. 核桃圖3 雙滾子擠壓式機(jī)構(gòu)Figure 3 Double roller squeeze mechanism

3.2 剪切式破殼法

利用旋轉(zhuǎn)的齒盤與偏心齒板對核桃的剪切作用實現(xiàn)破殼。該裝置(圖4)主要由齒盤、偏心齒板組成。核桃進(jìn)入擠壓滾筒中，旋轉(zhuǎn)的齒盤帶動核桃旋轉(zhuǎn)，此時核桃受到向下的剪切力，隨著旋轉(zhuǎn)擠壓變形量的增加，直至出現(xiàn)裂紋，核桃殼破碎，碎殼和仁通過最小間隙掉出來。如劉明政等[38]設(shè)計的柔性帶剪切擠壓式破殼裝置，破殼率為98%，整仁率為 93%；奉山森等[39]設(shè)計的滾壓式核桃破殼機(jī)；鄭甲紅等[40]設(shè)計的鋸口擠壓式核桃破殼機(jī)。這種破殼裝置實現(xiàn)了核桃的多點受力，核桃殼受力均勻，核桃仁完整率高、破碎率低。

1. 齒盤 2. 核桃 3. 偏心齒板圖4 齒槽剪切破殼裝置Figure 4 Cogging extrusion mechanism

3.3 擠壓揉搓式破殼法

3.3.1 錐籃式破殼機(jī) 利用內(nèi)外破殼體相對旋轉(zhuǎn)，對核桃產(chǎn)生擠壓揉搓力，使核桃實現(xiàn)破殼。該裝置(圖5)主要由調(diào)距手柄、外破殼體、內(nèi)破殼體組成。破殼裝置包括兩個錐籃形狀的破殼體，其中外破殼通過鎖緊掛鉤與機(jī)體連接體，是靜止的，內(nèi)破殼體在電機(jī)的帶動下作旋轉(zhuǎn)運動。破殼裝置通過傳動主軸與電機(jī)以及間隙調(diào)節(jié)裝置連接，通過轉(zhuǎn)動手柄，可以使內(nèi)破殼體上下移動，從而改變兩個破殼體的相對位置，實現(xiàn)兩破殼體間隙的改變，破殼體的材料選用菱形的花紋鋼板制作，并經(jīng)特殊耐磨處理，用以增加破殼體的硬度和摩擦力。落入破殼裝置的核桃，在破殼體轉(zhuǎn)動的帶動下作自轉(zhuǎn)運動，在核桃尺寸與兩破殼體間距相匹配的位置受內(nèi)外破殼體的共同作用，被擠壓揉搓，直至硬殼變形破碎，最終實現(xiàn)破殼。如李忠新等[41]設(shè)計的錐籃式核桃破殼， Anderasen[42]發(fā)明的一種正錐形旋轉(zhuǎn)破殼機(jī)，由于下端椎體與圓柱的間隙是固定的，不能調(diào)節(jié)，造成在上部破殼后核桃仁脫離破殼區(qū)時容易被撞擊，導(dǎo)致核桃仁破碎率高。這種方式的破殼機(jī)在實際生產(chǎn)中內(nèi)外破殼體會因加工量的增大而產(chǎn)生磨損，從而導(dǎo)致破殼率下降、核桃仁破損程度嚴(yán)重，所以需要定期更換內(nèi)外破殼體保證加工效果。

1. 調(diào)距手柄 2. 外破殼體 3. 核桃 4. 內(nèi)破殼體圖5 破殼體示意圖Figure 5 Broken shell schematic

3.3.2 水平揉搓式破殼機(jī) 利用揉搓擠壓盤對核桃等堅果進(jìn)行揉搓擠壓而實現(xiàn)破殼。該裝置(圖6)主要包括進(jìn)料斗、均料裝置、上揉搓擠壓盤、下揉搓擠壓盤、調(diào)節(jié)裝置等。核桃破殼加工前，需先根據(jù)核桃尺寸，對上、下搓擦擠壓盤之間的間隙進(jìn)行調(diào)整。核桃經(jīng)均料裝置有序進(jìn)入搓擦擠壓通道，在兩個擠壓盤的揉搓擠壓作用下實現(xiàn)破殼。如蘇有良[43]設(shè)計的堅果脫殼分選機(jī)，柴金旺[44]設(shè)計的核桃脫殼機(jī)。這種破殼機(jī)加工前需對核桃進(jìn)行分級，還需調(diào)整破殼間隙；揉搓擠壓盤直徑是影響生產(chǎn)率的重要因素，所以該機(jī)效率低；揉搓擠壓盤轉(zhuǎn)速過高會導(dǎo)致核桃仁破碎率增加，轉(zhuǎn)速過低會降低核桃破殼率。

1. 進(jìn)料斗 2. 均料裝置 3. 調(diào)節(jié)螺栓 4. 減振彈簧 5. 機(jī)架 6. 上搓擦擠壓盤 7. 果仁緩沖網(wǎng) 8. 下搓擦擠壓盤 9. 分料斗 10. 出料口 11. 果仁出料口

3.4 撞擊式破殼法

3.4.1 氣動式核桃破殼機(jī) 利用氣體驅(qū)動氣缸內(nèi)部活塞運動，使氣錘作往復(fù)運動敲打撞擊核桃，從而實現(xiàn)破殼作業(yè)。這種破殼機(jī)構(gòu)(圖7)主要由氣缸、頂針、回位進(jìn)氣管、擊打進(jìn)氣管、擊打支座等組成。工作時，通過調(diào)節(jié)改變進(jìn)氣、復(fù)位和泄氣3個壓力大小，實現(xiàn)氣錘往復(fù)運動，從而實現(xiàn)氣錘對核桃的撞擊破殼。如Savage等[45]發(fā)明的一種氣動式破殼裝置，史建新[46]發(fā)明的多工位氣動擊打式核桃破殼機(jī)，李忠新[47]發(fā)明的氣動式破殼機(jī)。這種破殼方法需先對核桃長徑兩端進(jìn)行定位，適用于長型核桃的加工，不太適應(yīng)于中國核桃品種，且生產(chǎn)率受氣錘往復(fù)運動的限制，比較低，設(shè)備制造成本高，不適宜廣泛推廣。

1. 氣缸 2. 擊打進(jìn)氣管 3. 回位進(jìn)氣管 4. 頂針 5. 核桃6. 擊打支座圖7 氣動式破殼裝置Figure 7 Pneumatic striking mechanism

3.4.2 離心撞擊式破殼機(jī) 利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤將核桃甩出并撞擊在導(dǎo)向板上，從而實現(xiàn)破殼。該破殼機(jī)(圖8)主要由進(jìn)料口、導(dǎo)向板、轉(zhuǎn)盤、機(jī)體、電機(jī)、傳動軸、出料口組成。動力由電機(jī)通過皮帶輪傳遞給傳動軸，帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)盤由若干個葉片和安裝盤組成，轉(zhuǎn)盤與導(dǎo)向板之間的水平間隙應(yīng)根據(jù)核桃品種及尺寸確定；工作時，核桃被高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤甩出，使核桃以較快的速度撞擊在導(dǎo)向板上，碰撞后實現(xiàn)破殼，最后沿導(dǎo)料板的方向通過通風(fēng)道到達(dá)出料口排除機(jī)體外。如李忠新等[48]發(fā)明的核桃破殼機(jī)，王曉暄等[49]研究的離心式核桃二次破殼機(jī)，當(dāng)撞擊桶錐角ɑ=30，離心板轉(zhuǎn)速n=420 r/min，撞擊桶間距L=273 mm時，有效破殼率≥80%，損失率≤1.89%。這種破殼機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但在高速的撞擊過程中核桃仁的完整率低、核桃仁破碎率高。

1. 進(jìn)料口 2. 導(dǎo)向板 3. 轉(zhuǎn)盤 4. 機(jī)體 5. 電機(jī) 6. 傳動軸 7. 出料口

3.4.3 機(jī)械臂敲擊破殼裝置 利用擊打板敲擊載料滾筒凹槽中固定的核桃，實現(xiàn)破殼。該裝置(圖9)主要由撥料輪、喂料滾筒、載料滾筒、擊打板等部件組成。喂料滾筒與載料滾筒具有相同的外徑，并且兩者具有相同的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向相反。核桃經(jīng)喂料滾筒最底部的矩形凹槽進(jìn)入載料滾筒最頂端的凹槽中，被擊打板敲擊后實現(xiàn)破殼。如丁冉等[50]設(shè)計的敲擊式山核桃破殼機(jī)，當(dāng)山核桃含水率為14.55%～16.35%，直徑為18～22 mm(沿縫合線方向)時，生產(chǎn)率為94.93 kg/h，破殼率為99.41%，核桃仁破損率為 6.25%。這種破殼方法生產(chǎn)率低、破殼后核桃仁完整率低。

1. 核桃 2. 撥料輪 3. 喂料滾筒 4. 擋板 5. 載料滾筒 6. 擊打板

4 核桃破殼機(jī)械存在的問題

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步和人類生活水平的不斷提高，核桃種植面積、產(chǎn)量呈迅速上升趨勢，而且核桃消費方式也在不斷更新升級，精深加工需求量日益擴(kuò)大，所以核桃機(jī)械化破殼設(shè)備的重要性顯得尤為突出。國內(nèi)外核桃破殼設(shè)備雖然在方式、種類以及數(shù)量上比較多，但仍然存在以下問題：

(1) 適應(yīng)通用性差：由于中國核桃品種繁雜，且差異性大，核桃殼外形、硬度、厚度以及殼仁間隙都有所不同，破殼難度大。國外的設(shè)備雖然比較成熟，但對中國核桃品種存在適應(yīng)性差的問題，而且價格比較昂貴。中國現(xiàn)有的破殼機(jī)一般只能適用于單一品種，或者通過更換關(guān)鍵部件以滿足多個核桃品種加工，設(shè)備適應(yīng)通用性差。

(2) 加工效果不理想：由于加工的核桃存在品種混雜的問題，核桃物理特性不同，造成加工過程中破殼率低、破殼不完全、核桃仁完整性差、破碎率過高，降低了核桃仁的附加值。

5 結(jié)論及展望

核桃破殼機(jī)械存在的問題嚴(yán)重影響了核桃破殼技術(shù)及設(shè)備的推廣應(yīng)用，因此，需要對現(xiàn)有破殼技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。閆茹等[27]運用Workbench對核桃的3種力加載方式進(jìn)行了應(yīng)力和應(yīng)變分析，得出了最佳的破殼方式；潘佰強(qiáng)[51]利用微機(jī)控制電子拉壓試驗機(jī)進(jìn)行了不同方向核桃受壓的力學(xué)試驗，測定了核桃破損時的破損力；王維等[52]采用ANSYS板殼結(jié)構(gòu)有限元分析法，從加載方向、加載方式以及核桃外形尺寸大小等方面進(jìn)行了核桃的力學(xué)特性試驗。但現(xiàn)有的核桃破殼設(shè)備依然存在加工效果差、品種適應(yīng)性差、智能化水平低等問題。因此，核桃破殼研究有待進(jìn)一步深入，需加強(qiáng)對核桃破殼機(jī)理共性問題的研究。后續(xù)可在開展核桃物理特性及特點研究的基礎(chǔ)上，建立核桃物理特性以及力學(xué)加工特性數(shù)據(jù)庫，通過對不同破殼原理方式的影響因素的分析，建立智能化的核桃破殼處理工藝方法，為提高核桃加工裝備的智能化及適應(yīng)性提供技術(shù)支撐。此外，還可對破殼關(guān)鍵部件進(jìn)行新材料方面的研究，以達(dá)到提高破殼率、降低核桃仁損傷率的目的。