茶葉籽脫殼、清選和色選自動化加工技術

陳長卿，鄭寨生，陳 斌，邊曉東，陳麗娟，余桂平，袁名安

(金華市農業科學研究院(浙江省農業機械研究院)，浙江 金華 321017)

0 引言

茶葉籽綜合利用是對茶樹重要功能價值的全新利用。茶葉籽是茶樹的種子，生長周期長達400多d，富含不飽和脂肪酸、茶多酚、維生素E和角鯊烯等多種高品質功能活性成分，是整株茶樹中最精華的部位。檢測表明：茶葉籽油不飽和脂肪酸含量超過80%，其中油酸40%～60%、亞油酸15%～35%，富含多種維生素和礦物質，更特別的是含有豐富的天然茶多酚、角鯊烯和維生素E等多種功能活性成分，其營養價值媲美橄欖油，多項營養指標超過橄欖油，長期食用能增強免疫功能、促進新陳代謝、提高抗病能力和延緩機體衰老，是一種綠色健康的功能食用油，特別是可作為老年人或心血管病人的保健用油。

茶葉籽分選技術落后是影響茶葉籽油品質和制約茶葉籽油產業發展的關鍵因素。茶葉籽由果殼和茶籽組成，其中果殼、種殼的主要成分為粗纖維且含有較多金屬元素，不利于油脂的加工。此外茶籽采摘后容易霉變，霉變茶葉籽會造成茶葉籽油中的苯并芘含量過高，從而影響成品茶油的品質和口感。目前茶葉籽破殼清選大多采用半手工半機械操作，且清選設備普遍存在殼仁分離不徹底的情況，后續殼仁分離需要人工手搖風機進行風選。此外，霉變的茶葉籽只能通過人工篩選，且人工霉變篩選只能識別殼外霉變的茶葉籽而造成浪費，以及無法識別殼內霉變的茶葉籽而影響茶油品質。茶葉籽人工分選工作量大(小規模的茶油加工基地，一天需要壓榨500 kg左右的茶葉籽)、強度高且效率極低(一個工人一天只能對150 kg左右殼仁混合物清選或50 kg茶葉籽霉變篩選)，因此，當前亟待研究開發茶葉籽脫殼、清選和色選自動化加工技術。

1 技術研究現狀

1.1 茶葉籽脫殼技術

目前，關于茶籽破殼機理及物理力學特性的研究主要集中在油茶果的破殼技術方面。曲振興等[1]研發了擠壓抽打式復合脫殼機，破殼方式為擠壓式。該機破殼率為98%左右，但后期茶籽分離難度大。唐湘等[2]研究了一種油茶果脫殼裝置，該裝置采用撞擊搓擦的原理，結構簡單、能適用含水率<65%的油茶鮮果脫殼，但脫殼率僅為85.3%。朱廣飛[3]研究了一種脫殼間隙可調節的油茶果脫殼機，該機采用擠壓、搓擦的工作原理，在帶有紋桿的滾筒與固定的弧形柵板之間的間隙中進行破殼，該間隙可通過調節裝置調節，適應不同粒徑的油茶果。李善淼[4]設計了一種油茶青皮脫殼機，主要利用剪切式破殼，破殼裝置主要為螺旋滾刀，油茶果進入破殼箱后，在螺旋滾刀的作用下，油茶果受到反復切割和撞擊實現破殼，但未對該機進行試驗，破殼效率未可知。

1.2 茶葉籽清選技術

目前，越來越多的專家學者及設備生產企業開展了茶籽機械清選裝備的研究工作，清選方式主要有多層篩網清選、輥間隙清選、風選、摩擦和機器視覺清選等[5-7]。肖靜等[8]設計的油茶果殼籽清選機應用齒光輥對輥原理，設計了帶有V型槽截面的齒輥和光輥，依靠油茶果殼與籽的物理特性不同來對其進行清選。江西省農業機械研究所[9]采用分級清選原理設計了油茶果脫殼清選機。該設備采用兩級清選方式，油茶果殼仁混合物輸送到兩個一級清選機構，再傳遞到二級清選機構上，能夠實現對不同含水率和大小的油茶果進行清選作業。李陽等[10]利用油茶籽與殼的外形及摩擦系數的差異性設計了油茶籽清選機。當茶籽與果殼的混合物落入清選機時，由于籽與殼的形狀及摩擦系數的差異性，油茶果殼摩擦系數大容易向上運動而茶籽摩擦系數小靠重力的作用會向下運動，從而實現茶籽與果殼的分離。湖南潤農生態茶油有限公司[11]利用油茶籽與果殼力不同，采用風選方式設計了清選機構。利用風機在清選機構內形成上升旋流，將較輕的破損油茶果殼吹出，從而實現了殼籽分離的目的。

2 存在的主要問題

目前茶葉籽破殼清選機械仍然處于起步階段，當前還沒有一款成熟的機械能夠滿足工程應用的要求。

關于茶葉籽破殼方面，主要以擠壓碾搓式為主，但這種破殼技術存在以下問題難以解決：在擠壓碾搓的過程中，難以調節擠壓間隙，容易出現漏剝或碾碎的情況；擠壓碾搓后，殼與茶籽粘附嚴重，不利于后期清選分離；茶葉籽含油脂，碾壓的過程中容易導致茶籽滲油。

關于殼籽分離方面，主要采用篩選和風選的方式，然而因為茶籽殼籽密度相近及破殼后殼籽分離不徹底等實際情況，這些傳統的清選方法并不能有效地將殼籽混合物成功分離。而油茶果殼籽混合物嚴重降低茶籽破殼清選的效率，阻礙茶籽加工的產業化。

目前，對色選技術的應用研究主要集中在大米、花生、茶葉等農產品分揀與精選領域，但關于茶葉籽仁霉變色選方面，如何快速、精準對茶葉籽霉變篩選，當前尚未有這一方面的研究和設備，可以參考現有農產品色選技術和原理，對茶葉籽霉變特征進行分析，應用到茶葉籽仁霉變篩選中。

為提高茶葉籽油品質，增加茶葉籽分選效果和效率，降低茶葉籽在加工中損耗，茶葉籽分選技術和工藝還有待進行更加深入的研究。同時，也需對破殼清選設備進行技術、結構和參數的優化，增加茶葉籽仁霉變色選設備，構建新型的茶葉籽分選工藝模式，研發茶葉籽油提質增效的籽粒分選工藝及設備。

3 技術解決方案

3.1 茶葉籽特性研究與分選工藝模式

以浙江省主要茶樹品種的茶葉籽為研究對象，研究分析茶葉籽鮮果、破殼后殼仁混合物的物料特性，開展茶葉籽破殼力學特性試驗，探索茶葉籽破殼和殼仁清選的處理技術，研究茶葉籽霉變顏色特性與分布規律，探索茶葉籽霉變色選的處理技術。基于茶葉籽的特性研究，構建集茶籽破殼—殼仁清選—霉變色選的茶葉籽分選工藝模式，如圖1所示。

圖1 茶葉籽分選工藝方案Fig.1 Technological scheme of tea seed separation

3.2 茶葉籽破殼、殼仁清選技術設備開發

針對茶葉籽的物料特征及力學特性，擬定高速離心撞擊式茶葉籽破殼及正反雙風道氣流式殼仁清選技術方案，設計一種茶葉籽破殼與殼籽清選設備。茶葉籽破殼裝置主要由進料部件、破殼滾筒部件、動力傳輸部件和驅動電機組成。破殼電機驅動高速旋轉的葉輪葉片，使茶葉籽產生強離心力并向外拋射，撞擊到導料板內側表面凸起，完成破殼。殼仁清選裝置主要由風機、正反雙出殼風道、穩壓部件和機架組成。殼仁清選裝置的1號風機產生反向氣流，使殼仁混合物中粉末和部分殼被分離；2號風機產生正向氣流將剩余的殼吹出。以茶葉籽進料量為輸入、風道內風力場為反饋、正反雙風機轉速為輸出，開發基于模糊神經網絡控制的PID自適應調節算法，實現清選風速的自適應調節控制，提高茶葉籽破殼清選質量。茶葉籽破殼清選設備如圖2所示。

圖2 茶葉籽破殼清選設備Fig.2 Equipment for tea seed shell breaking and cleaning

3.3 茶葉籽仁霉變色選技術與設備

以茶葉籽仁為處理對象，研究茶葉籽仁霉變色選技術，分析不同品質茶葉籽仁在灰度圖像上的特性差異，研究霉變茶葉籽仁圖像處理識別算法。設計包含振動喂料裝置、基于雙CCD的光電色選模塊、氣動噴閥裝置、成品槽和次品槽等裝置的整體結構方案。開展茶葉籽霉變篩選設備的性能試驗，驗證設備設計的合理性和霉變色選的高效性。

3.4 自動化加工控制系統

通過輸送帶、提升裝置將研發設計的茶葉籽破殼清選設備和茶葉籽霉變篩選設備進行輸送連接，實現茶葉籽破殼、清選、色選自動化加工生產，對茶葉籽分選設備性能及關鍵技術參數進行試驗研究，分解整個清選流程與時序步驟，完成茶葉籽破殼、清選、色選自動化加工控制系統的開發設計。通過在關鍵節點設置檢測傳感器形成閉環控制，提高分選設備運行的分選效果和穩定性。

3.5 預期目標

①作業效率≥150 kg/h。②茶葉籽破殼率≥98%。③仁中含殼率≤10%。④殼中含仁率≤1%。⑤霉變壞仁率≤2%。

4 市場前景和技術展望

我國現有茶園300萬hm2，茶葉籽產量按525 kg/hm2計算，全國每年潛在茶葉籽資源約157.5萬t，因此茶葉籽資源充足。本文研發構建了集茶籽破殼—殼仁清選—霉變色選的茶葉籽分選工藝模式，實現茶葉籽油提質增效，解決茶葉籽分選過程中的殼仁分離不徹底、茶葉籽人工霉變篩選效率低、成本高等問題，實現茶葉籽油產業的興起，為我國提供了一種高檔的木本植物營養保健油，豐富我國的植物油品種，促進國內食用油產品質量升級，提高國產食用油的國際競爭力，提升綜合經濟收益。因此，本文介紹的成果具有良好的推廣應用和產業化前景，并會產生明顯的經濟效益和社會效益。

本成果市場需求量大，有利于帶動茶葉籽油產業發展，同時還促進傳統茶產業結構調整，改變單一的茶葉生產模式，有利于緩解茶葉價格波動對產業整體效益的影響，增加茶農收入，增加城鄉就業機會，并帶動山區茶農脫貧致富，減輕社會壓力，對農村經濟的持續、快速、健康發展和鄉村振興具有重要的現實意義。