商超板栗切口機研究進展

楊魯鹍 李國昉 陳立東 任曉光 崔曉宇

摘要：切口是商超糖炒板栗加工過程中的第一道工序，對我國板栗深加工產業有著重要的作用。目前，板栗切口或為手工作業，勞動力成本高、效率低；或為批量無序機械破殼，果仁損傷率高，切口形狀不規則，無法達到商超板栗的切口要求。在分析商超糖炒板栗對切口技術要求基礎上，闡述不同類型的板栗切口機械的結構和工作原理，總結出各種類型板栗切口機的優缺點。概述板栗切口機械的國內外研究現狀，分析板栗切口機械中存在的生產率低、栗仁損傷率高，切口位置不準確、開口質量不高，設備適應性差、可靠性低，切口技術標準不完善等問題。提出優化切口工序、提高切口效率與質量，引入機器視覺技術、提高切口智能化水平，完善標準化生產體系、提高設備的通用性等發展對策。

關鍵詞：板栗；切口設備；切口原理；機械式切口；激光式切口

中圖分類號：S226.4

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0101-07

Abstract： The incision is the first step in the process of stirfried Chinese chestnut with super sugar， which plays an important role in the deep processing industry of Chinese chestnut. At present， chestnut cutting by manual operation with high labor cost， low efficiency; or by batch disordered mechanical shell breaking with high kernel damage rate， irregular incision shape， can not meet the requirements of the commercial chestnut incision. Based on the analysis of the incision technical requirements of stirfried chestnuts with super sugar， the structure and working principle of different types of chestnuts cutting machines were expounded， and the advantages and disadvantages of various types of chestnuts cutting machines were summarized. This paper summarizes the research status of chestnut cutting machinery abroad， analyzes the problems existing in chestnut incision machinery， such as low productivity， high damage rate of chestnuts， inaccurate position of cutting， low quality of opening， poor adaptability of equipment， low reliability， and imperfect cutting technical standards. The development strategies of optimizing the incision process， improving the efficiency and quality of the incision， introducing machine vision technology， improving the intelligent level of the incision， perfecting the standardized production system and improving the versatility of the equipment are put forward.

Keywords： chestnut; incision equipment; working principle of the incision; mechanical incision; laser type incision

0引言

中國板栗（Castanea mollissima BI）又稱栗子、毛栗，屬殼斗科（Fagaceae）栗屬（Castanea）植物［1］。板栗營養豐富，素有“木本糧食、鐵桿莊稼”之稱［2］。我國是板栗生產大國，產區遍布全國，尤以河北、河南、安徽、浙江、貴州、江蘇等省區產量為盛。20世紀50年代產量為289.2 kt，80年代中期上升到830 kt，80年代末期較80年代中期栽培面積擴大5倍［3］。據聯合國糧農組織統計，截至2021年我國板栗收獲面積為295.661 khm2，產量達到1 710 kt，均居世界第1位。

我國板栗營養豐富、品質優良，素有“世界群栗之冠”的美稱。我國板栗制品多種多樣，如將板栗果仁磨成粉后制作板栗粉、板栗蓉，板栗飲料，糖水板栗罐頭，糖炒板栗等［45］。深加工后的板栗制品香甜適口、肉質細膩，深受歡迎。切口是板栗深加工必不可少的首道工序，對板栗制品的品質有著深遠的影響。我國板栗種植面積和產量雖居世界首位，板栗的深加工技術遠卻不及發達國家。發達國家板栗的加工多以完全去殼為目的，機械設備多樣，機械化程度高，加工轉化率超過了90%。我國板栗深加工機械化程度雖逐年增加，但板栗開口技術的研究處于起步階段，切口機械化程度低，大部分企業手工切口，勞動力成本高、安全系數低、生產率低，板栗仁質量無法保證。目前，我國板栗加工轉化率只有20%，板栗加工機械化程度低，開口環節存在著果仁損傷率高、切口形狀不規則、切口精度不足等問題，已經嚴重影響了板栗加工產業的快速發展。

在眾多板栗制品中，商超糖炒板栗要求切口整齊、便于炒熟后剝開食用，因此切口工序顯得尤為重要。本文分析板栗切口機的國內外研究現狀，針對商超板栗機械化切口存在的問題，提出改進切口質量的措施，以期加快板栗深加工技術的發展。

1商超板栗切口技術要求

商超銷售的板栗多以糖炒的加工方式為主，炒制前需要在板栗表面一定位置切開一定深度的口子，便于沿著切口剝開食用。板栗的形狀不規則，外形上接近于半球形，一端近似平面，另一端近似圓弧曲面，簡化的板栗模型如圖1所示。簡化的板栗模型可由三個尺寸描述，最大尺寸l為平面長度，最小尺寸為圓弧面的高度h，寬度為w。

商超板栗切口工序要求沿著板栗外緣圓弧左側面、上表面、右側面的中間部位進行，切口需要覆蓋板栗三個表面，將外殼劃破，但不能劃傷板栗內膜，開口深度約為1～2 mm。為達到商超板栗的切口要求，切割刀具需沿著板栗外形尺寸的l方向切割，與w方向垂直，刀具運動軌跡如圖2所示，合格的切口如圖3所示。

文獻中已有板栗切口機報道，工作原理不同，工作性能各有差異，能夠達到商超板栗三面切口加工要求的切口機較少；市面上也沒有商品化的板栗切口機。為推進商超板栗切口機的研究，對切口機械分類整理，分析不同開口機械的優缺點，提出改進切口性能的措施。

2現有商超板栗切口機類型

板栗切口方式有機械式切口、激光式切口兩種類型。機械式切口以擠壓、旋轉切割以及碰撞摩擦等方式破殼［67］。擠壓式切口機械通常配備十字型刀具，刀具往復運動以沖擊擠壓的方式嵌入板栗外殼。旋轉切割機械常配備圓盤刀具，刀具回轉運動在板栗殼體表面劃開線形切口。碰撞摩擦切口機中，回轉的刀盤在攪動板栗并切開板栗殼體，并將栗殼全部去除［8］。

激光式切口利用聚焦后的高功率、高密度激光束照射板栗， 在板栗表面劃一道淺口，板栗后續受熱時膨脹，氣流在淺口處將栗殼擠開［912］。激光切割設備制作成本過高，文獻報道中機械式切口機較多。現有的主要類型的板栗切口設備切口原理、工作過程以及優缺點等對比見表1。

3板栗切口機研究現狀

3.1國外研究現狀

因飲食習慣、銷售市場的不同，國外對糖炒板栗需求較少，對板栗切口的位置、形狀要求較低，并未形成單獨切口工藝，未將板栗切口裝置專門研究。通常以完全脫殼為目的，確保將板栗的外殼去除干凈，沒有對板栗切口的位置與深度有過多的精度要求。

法國板栗加工生產線中，通過機械擠壓研磨與火燒的方式為板栗進行脫殼［1318］。圖4中，板栗先進入燃燒室進行烘烤，再進入擠壓研磨室，將外殼去除。該裝置常常連接脫殼工序，適合連續作業。

日本研發的板栗脫殼機如圖5所示［1318］，提升機將板栗輸送到刮料輸送器中，板栗從輸送器的一端被推到另一端過程中，下方的輥刀在板栗表面上切口；高速擊打器將已切破的外殼去除，完成板栗的脫殼。通過旋轉殼仁分離裝置和高壓氣嘴的配合，實現殼仁的分離。該裝置以無序的狀態將板栗開口后去殼，易將板栗果仁劃傷，適合連續作業。

韓國板栗切口機如圖6所示。

板栗經過入料口，到達機器的內部，與滾筒內的摩擦元件產生摩擦，高速旋轉的圓盤鋸齒刀進行切口［1318］。該裝置與張素梅團隊改進的裝置［8］相似，可達到去除外殼的設計要求，板栗果仁損傷率低，但去殼不完全，部分板栗需二次去殼。

3.2國內研究現狀

我國板栗加工機械的研究晚于歐洲，但吸收了前人的經驗，再加上對板栗預處理工序的需求增加，近年來板栗切口加工技術快速發展［1415］。1998年陳公望［19］研發出5LJ300型板栗加工成套設備，開啟了我國板栗切口設備研究的新篇章，先是機械式切口裝置，后逐漸出現了以激光為刀具的切口設備。雖然歷經20余年的研究，板栗切口機械仍處于摸索階段，板栗切口機性能研究的文獻不多，切口率、損傷率等參數的測定方法也沒有相關國家標準，沒有成品批量投入市場。目前主流的板栗切口設備分為擠壓式、旋轉式、撞擊式、激光式四大類。

3.2.1擠壓式切口

2020年秦川等［6］設計的板栗開口機（圖7）使用十字形內凹式刀具，一次擠壓即完成切口，刀具能夠較好地貼合板栗殼體；型孔式鏈板保證了板栗連續輸送；通過更換刀具來適配不同大小的板栗，或切口之前將板栗篩選，以適應固定型號的刀具。單排的設計使設備結構簡單，但存在生產效率較低的問題。

2022年葉小芳等［20］研發的擠壓式切口裝置中設有振動篩，通過振動調整板栗的位置，使圓弧面向上，便于切口。通過液壓裝置控制刀具的運動，切口位置誤差更小。多個切割單體串聯，提高了板栗切口的生產率。此裝置性能較文獻［6］有了全面提升，但是板栗切口的方向無法保證。

3.2.2旋轉式切口

2020年霍緒堯等［7］設計的機械鏈式多排板栗開口機如圖8所示。此裝置應用旋轉刀具，在切應力的作用下使板栗破口。浮動切割裝置，使刀具與板栗圓弧表面較好地仿形，柔性切割減少對板栗果仁的損傷。四爪料卡將板栗夾持，可適應尺寸不同板栗的切口，省略篩選工序。板栗進入四爪輸送料卡時，姿勢是隨機的，無法保證圓弧面朝向刀具，也就不能保證在板栗的圓弧面切口，達不到切口位置精度要求。

2021年任曉光等［21］研發的旋轉切口機改進了進料裝置，用圓盤代替鏈式輸送機構。板栗由料斗落入彈性圓盤上的凹槽內，圓盤旋轉帶動板栗與高速旋轉的刀具接觸，完成切口。該裝置結構緊湊，通過調節彈簧的變形量可以控制板栗切口深度；不足的是板栗切口的方向和位置難以確定。

3.2.3撞擊式切口

張素梅改進的錐栗果外殼切口機如圖9所示，板栗批量進入滾筒后在攪動的過程中被刀盤隨機切口，一定時間栗殼全部被脫下。2021年陶春生［22］設計的家用板栗去殼機也使用撞擊切口，結構緊湊，生產率高。由于切口的位置不精確，深度也無法精確把握，所以多用于以脫殼為目的的板栗加工，不適用于商超板栗切口。

3.2.4激光式切口

激光切口機工作原理大同小異，不同之處多在于定位裝置。2014年，賀會新［10］研發激光板栗切口機中采用雙輪定位機構，可將板栗固定住，保證了切口的穩定性。該機沒有設置姿態調整裝置，進料后無法確保板栗落入到凹槽內時圓弧面向上，也無法滿足在板栗縱向圓弧面完全切口的要求。定量輪的表面有凹槽，與漏斗連接處容易發生堵塞現象。若進入切口裝置的板栗大小不同，切口的深度也無法做到一致。

2022年汪雅馨等［11］研發了板栗激光切割裝置，輸送帶上的擋塊與U形板配合將板栗固定，達到定位的目的，如圖10所示。該裝置較文獻［10］結構更簡單，振動電機改善了入料堵塞；板栗在振動過程中自動調正位置，保證了切割位置的準確性。定位時板栗與定位裝置間存在間隙，切口時穩定性無法保證，導致切口位置會出現偏離。

目前我國雖有許多板栗開口機械的專利和期刊文獻，但沒有成熟的商品化的板栗開口設備。隨著板栗深加工產業的發展，機械化開口技術的研究引起了更多的關注［2324］，板栗加工企業紛紛投入到板栗開口設備的研發中，已經制作出樣機進行試生產。廣州BL-CP-18板栗開口機由箱體、輸送裝置、切割裝置和電機組成，需要手動定位來調節刀具的高度，輸送裝置分有單鏈與雙鏈的結構，單鏈切口生產率達50 kg/h左右。BL-CP-18板栗開口機體積較小，但僅適用于家庭使用；手動定位無法適應工業化流水線作業，需進一步研發以提高板栗切口的精準度。

炒制已開口的板栗是我國板栗深加工的重要途徑，板栗表面開口是商超炒制板栗必需的加工工藝，我國在板栗開口技術研究及應用方面，無論是擠壓式、旋轉式、撞擊式，還是激光式等切口技術，在開口率、生產率等方面取得了一定進展，但在開口質量等方面仍需要提高。

4存在問題

近年來，我國板栗加工業發展迅速，目前有20 000余家板栗加工企業，其中上萬家企業是5年內成立的。板栗開口普遍采用手工操作，生產效率低、勞動強度大且易劃傷手指，開口深度、長度等無法滿足商超炒制板栗的加工要求。隨著勞動力成本的提高和板栗產品出口量的增加，板栗產品價格上漲，市場急需板栗開口機械替代手工開口，以降低板栗加工成本。目前我國板栗機械化開口技術落后于板栗栽培育種等產業的發展，在生產應用中存在如下問題。

4.1機械開口生產率低，栗仁損傷率高

對機械化開口的要求是較高的生產率和較低的栗仁損傷率，滿足板栗開口后的炒制要求。目前熟練工人每分鐘可完成30個板栗手工切口，部分機械每分鐘僅能完成30～40個板栗的切口，幾乎與手工操作相當，無法體現出機械化開口的優勢。部分開口機械雖生產率高，但切口時板栗做無序運動，多次與切刀接觸，致使栗殼表面切口較多，栗仁損傷率高，影響板栗制品的銷售。板栗開口設備的低生產率、高損失率，影響了板栗開口設備的商品化，制約著板栗加工機械化的步伐。

4.2切口長度、深度、位置不準確，開口質量不高

如前文所述，商超板栗切口的長度、深度和位置有著嚴格的要求，需經入料、調姿、開口等部件協調作業才能保證切口質量。但在生產實際中，板栗經入料口以自由落體運動落至輸送裝置時，著落位置隨機，無法確保圓弧面向上，無法保證切刀落在圓弧面一側，不能保證板栗切口的位置。板栗果殼和果實中有一層板栗仁衣，當刀具下刀過深時，會切傷果仁；當刀具下刀過淺時，無法將板栗的外殼和板栗仁衣穿透，導致切口深度不夠。炒制時爆裂不徹底，既影響板栗產品的美觀，又增加了手剝板栗的難度。剛性切刀作用在板栗表面的作用力相同，切口深度不易控制，加工后的成品直接影響到板栗的銷量。商超炒制的板栗切口長度不足，手動剝殼困難，消費者食用不方便，導致銷量下降。以泄壓為目的的切口機中，板栗位置不固定，刀具不能與板栗很好地仿形，切口長度無法達到手剝的要求。

4.3設備適應性差，可靠性低

目前部分切口設備對板栗有著苛刻的加工要求，如品種、形狀一致，尺寸變化范圍小，需要經過分級工序等；若板栗的物理特性不盡相同，板栗加工效果不一，不能保證開口質量，較低的適應性限制了開口機械的廣泛應用。多數的板栗切口機配備了大小不同的凹槽，來適應尺寸不同的板栗，但在連續工作過程中會出現板栗卡住、嵌在刀具上等突發問題，切口效果差強人意。為了達到滿意的切口效果，開口工序復雜，往往包含入料、調整姿態、夾持、切割等多道工序，致使設備運轉前需要反復調試才能達到理想的工作狀態，無法做到即開即用；且工作過程中常常出現裝置間不能協調配合的現象，降低了設備的可靠性。

4.4切口技術標準尚未形成

板栗產業雖有較高的經濟效益，但作為經濟樹種、特色堅果，與主要糧食作物研究不同，從事板栗加工設備研究的企業、科研院所較少，板栗產業技術標準尚不完善。關于板栗的國家標準有GB/T 22346—2008［25］，規定了板栗質量等級、檢驗方法、檢驗規則、包裝、標志運輸和貯藏，可用于指導板栗的生產、收購和銷售。SB/T 10557—2009是行業標準［26］，規定了熟制板栗和仁的試驗方法、檢驗規則等內容；行業標準JB/T 11906—2014［27］，規定了板栗脫蓬機的型號、安全要求及主要技術要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝等內容。針對板栗切口的標準尚未制定，致使板栗切口的位置、深度以及長度難以統一，切口質量無法用統一的標準衡量，設備的性能無法客觀評價。

4.5切口機理對深加工品質的影響研究較少

切口機理對深加工的板栗制品有著較大影響，當切口過大時，在相同的條件下加工，板栗受熱時水分的流失速度也不相同，板栗成品口感、風味等也會不同。目前板栗制品性能研究多集中于不同的加熱方式對板栗干燥特性的影響方面［2829］，只有一篇文章初步分析了板栗的切口形式、切口的放置方向、切口數目和切口長度對干燥效果產生的影響［30］。未來有待深入研究板栗開口機理對加工后板栗制品品質的影響。

5發展對策

以加工商超板栗為主要應用的切口機，以達到市售手剝板栗要求為目的，今后的研究主要解決板栗切口設備所存在的問題。

5.1優化切口工序，提高切口效率與質量

順暢入料是提高切口生產率的關鍵，采用振動輸送入料，避免入料堵塞；調節入料電機的振動頻率，使板栗的下落速度與輸送裝置的運行速度相匹配，實現入料與輸送有序銜接。板栗進入切口裝置的姿勢是決定切口質量的前提條件，在入料口處加入氣吹裝置，調節氣吹裝置氣流的方向，使氣流出口正對板栗擺放位置，通過氣流將圓弧面向下的板栗（姿勢不正確的板栗）吹落。設置收集裝置接收被吹落的板栗，并將吹落的板栗送回入料裝置，形成循環入料，提高加工效率。采用振動輸送裝置，通過振動會調整板栗水平方向的位置，提高板栗切口精度。與入料的振動裝置不同，輸送裝置的振動頻率與振幅更為精準，入料的振動裝置以不堵塞入料口為目的，振動頻率較大。

5.2引入機器視覺技術，提高切口智能化水平

機器視覺技術是用計算機圖像處理系統模擬人的視覺系統從客觀事物的圖像中提取信息，最終實現對目標事物的檢測、測量和控制。利用機器視覺技術可進行農產品大小、形狀、面積、顏色、表面損傷與缺陷檢測等［3132］。板栗篩選及切割位置的確定方面可運用機器視覺技術。在切口前對板栗進行篩選，配合氣力清除裝置將不規則的板栗去除；在板栗切口的過程中進行監視，保證板栗切口的位置正確；通過捕捉板栗的體積數據來控制刀具的進給量，從而不損傷果仁。

5.3完善標準化生產體系，提高設備的通用性

完善板栗產業技術體系標準，使板栗的種植、產前產后加工均有標準可依，從而提高板栗加工機械的通用性。加工前對板栗進行篩選分級；尤其通過機械視覺識別，將板栗按照體積分類，分別適配相應的定位裝置和切口刀具。制定商超板栗一致的切口標準，生產廠商可依標準設計切口設備，用戶可更好地評判設備的切口質量。設備盡量適用不同品種、不同尺寸板栗的切口，如在刀具的兩側加入擋片，實現板栗切口深度仿形；或在切割部件處加入阻尼裝置，根據板栗外殼的硬度自適應地調整阻尼的大小，實現板栗外形的仿形。

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