澳洲堅果沖剪破殼試驗研究

薛忠，王槊，范建新，宋剛，王剛，何鳳平，韓樹全

(1.中國熱帶農業科學院 農業機械研究所，廣東 湛江 524091；2.貴州省農科院 亞熱帶作物研究所，貴州 興義 562400)

澳洲堅果(MacadamiaintegrifoliaMaiden&Betche)又稱夏威夷果，原產于澳大利亞昆士蘭州，主產地有澳大利亞、美國夏威夷、巴西、南非等，其果仁富含礦物質、維生素以及人體必需的多種氨基酸，果皮富含飼料添加所需的蛋白質和總糖，果殼可作為加工活性炭的原料，全身均有利用價值[1～3]。果皮粉碎后可用于家畜飼料的混合成份[4]。具有非常高的經濟價值，享有“堅果之王”的美譽。

國外已開始進行澳洲堅果果殼、果仁的綜合開發利用[5，6]，我國也正在進行綜合開發利用的研究性工作[7，8]，主要在廣東、廣西、云南、福建等地。截止2017年底全國種植面積總種植面積超過12.73萬hm2，隨著國內澳洲堅果種植面積的不斷增加，適時研發高效、中小型的加工機械業已成為產業發展的瓶頸和關鍵。

由于國內澳洲堅果破殼工藝研究起步較晚，幾乎全部破殼設備要求對殼果進行先分級后加工，加工方式主要集中在鋸殼、擠壓、剪切3種方式。鋸殼破殼方式對殘留的木質粉塵清除要求較高，而且鋸殼過程中，局部高溫導致產生焦油類物質，附著在果仁上，不利于健康；擠壓破殼存在開口率低、碎仁率高、機械適性差等缺點；剪切破殼目前主要集中在手動、半自動破殼機械，效率低，危險系數高，全自動剪切破殼技術國內鮮有報道。針對澳洲堅果帶殼果外形尺寸及果殼屬脆性材料的特點，項目團隊研究了一種基于V型雙通道破殼腔，無需對帶殼果進行分級，適用于連續加工不同果徑，利用“沖擊+剪切”的破殼方式的新型破殼裝備。

1 破殼機結構及工作原理

1.1 沖剪式破殼機結構組成

沖剪式破殼機主要由機架、電機、電控箱、進料箱、電磁振動器、喂料導槽、破殼裝置、出料導槽等組成，其工作部件大致可分為進料裝置、破殼裝置、出料裝置3個部分(圖1)。

圖1 沖剪式澳洲堅果破殼機Fig.1 Macadamia nut cracking machine with impacting and shearing1.機架； 2.電機； 3.罩蓋； 4.電控箱； 5.進料箱； 6.電磁振動器； 7.喂料導槽； 8.破殼裝置； 9.出料導槽

破殼機基本設計參數：

外形尺寸/mm：1 115×500×1 240

配套電機功率/kW： 1.5

刀盤轉速/r·min-1：300～500

純工作小時生產率/kg·h-1： ≥90.00

破殼率/%：≥95.00

凈仁率/%：≥23.00

整仁率/%：≥90

1.2 沖剪式破殼機工作過程

工作時，啟動電機和電磁振動器，進料箱內的澳洲堅果隨著振動均勻地以一定流量從出口排出，進入到一同振動的喂料導槽后排列成一隊，然后順序地喂入破殼裝置進行破殼。破殼后的果仁和果殼經出料導槽的出料緩沖板的緩沖后由出料口流出，整個加工過程結束。

1.3 沖剪式破殼原理

破殼機的沖剪式破殼裝置[9]主要由破殼室、外殼、動刀盤、動破殼刀、靜破殼刀、動刀盤軸等組成，采用雙通道、連續喂料、連續排料的工作模式以提高破殼生產率，動、靜破殼刀相遇時設計成V型間隙，一方面實現良好的果實尺寸適應性，另一方面實現對澳洲堅果的剪切和擠壓作用，電機驅動動刀盤軸，料箱中的澳洲堅果由喂料導槽分別送入破殼室中動刀盤的兩側，動刀盤轉動并由其上的動破殼刀強制澳洲堅果一起運動，澳洲堅果首先與靜破殼刀相遇形成沖擊破殼作用，之后由動破殼刀與靜破殼刀的V型間隙配置形成對澳洲堅果的剪切和擠壓作用，澳洲堅果外殼破碎后形成的混合物由動破殼刀排出破殼室，破殼過程結束。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗設備及材料

采集南亞熱帶植物園中的澳洲堅果作為試驗材料，并將其烘干到含水率在2%～5%范圍內。

2種試驗樣機是沖剪式澳洲堅果破殼機(自制)和沖擊式澳洲堅果破殼機(河南鄭州產)。試驗用的儀器和工具主要是SFY-60 型紅外線快速水分測定儀、游標卡尺、電子秤和秒表等。

2.2 試驗指標

試驗時，2種破殼機采用相同的轉速，測定破殼率、整仁率、生產率等3個指標。測定每次試驗前澳洲堅果樣品的個數和總質量，對試驗后破殼機排出物中的各個成份進行分揀，分別測定其質量，并測定破殼加工后未破殼堅果的個數，并通過如下計算方法分別求出相應的指標數據。

破殼率，指破殼加工后達到破碎標準的堅果個數占喂入堅果總個數的百分率：

(1)

式中：BR為破殼率/%；A為破殼堅果的個數；C為喂入堅果的總個數。

依據澳洲堅果果仁標準[10]，整仁率定義為完整堅果仁的質量占喂入堅果仁總質量的百分率：

(2)

式中：WR為整仁率/%；W為完整堅果仁的質量/kg；F為喂入堅果仁的總質量/kg。

生產率，指破殼機工作過程中單位時間所加工堅果的質量：

(3)

式中：WR為生產率/kg·h-1；RT為規定時間內加工堅果的質量/kg；T為規定的加工時間/h。

測定的生產率值愈大，則表明破殼機的加工效率或加工能力愈高，而測定的破殼率、整仁率等值愈大，則表明破殼機對澳洲堅果的加工質量愈好。

2.3 試驗堅果預處理

根據實際情況，澳洲堅果的果實可分為2級，分別為大果(>26 mm)和小果(≤26 mm)，表1中的每個試驗處理均選取人工干燥后的澳洲堅果5 kg作為一個破殼試驗樣本[11]，全部試驗耗用60 kg澳洲堅果?？紤]到果仁含水率的影響[12,13]，從每個樣本中抽取部分樣品，經人工敲打分離果殼及果仁，將樣品磨碎至粉末狀，用SFY-60 型紅外線快速水分測定儀測定其含水率，含水率值介于2%～5%時判定為合格樣本則可用于試驗。

3 破殼機性能的試驗比較

3.1 試驗方案

為測定沖剪式破殼機的性能，并與沖擊式破殼機比較[14]，以破殼機類型(簡稱機型)、澳洲堅果果實尺寸(簡稱尺寸)為試驗因素，試驗測定了2種破殼機的破殼率、整仁率和生產率[15]。試驗模式采用平衡完全隨機析因設計，每個處理3個重復，每個重復用5 kg澳洲堅果。

影響因素為機型和果實尺寸，機型分沖剪式和沖擊式兩水平，果實尺寸分大果和小果兩水平。

表1 試驗方案Table 1 Test scheme design

3.2 試驗結果

試驗結果見圖2～圖4。

圖2 2種破殼機的生產率比較Fig.2 The productivity comparison of two kinds of cracking machines

圖3 2種破殼機的破殼率比較Fig.3 The shell cracking rate comparison of two kinds of cracking machines

圖4 2種破殼機的整仁率比較Fig.4 The whole kernel rate comparison of two kinds of cracking machines

參照表2由圖2可見，大果試驗2種破殼機的生產率差異不明顯，但小果試驗沖剪式破殼機的生產率明顯高于沖擊式，生產率均值為93.53 kg·h-1。

參照表2并由圖3可見，無論大果試驗還是小果試驗，沖剪式破殼機的破殼率均明顯高于沖擊式，且破殼率值在90.61%～97.01%范圍內。

參照表2并由圖4可見，大果試驗沖剪式破殼機的整仁率略低于沖擊式，然而小果試驗沖剪式破殼機的整仁率大幅低于沖擊式，且整仁率在36.63%～47.08%范圍內。

綜上所述，就試驗結果的直觀表現而言，沖剪式破殼機在生產率和破殼率上優于沖擊式，但在整仁率上劣于沖擊式。

表2 生產率試驗方差分析表Table 2 Variance analysis of productivity test

3.3 討論與分析

為探明2種破殼機及果實大小在生產率、破殼率及整仁率上的差異顯著性，進而為沖剪式破殼機的后續改進提供支持，利用SAS軟件對試驗結果做了方差分析。

參見表2和圖2。生產率試驗方差分析模型的效應顯著，決定系數達0.809 7，說明方差分析結果可信。沖剪式破殼機的生產率顯著高于沖擊式。2種破殼機加工小果的生產率顯著高于大果，說明對小果的機械式破殼加工較易提高效率。2種破殼機與果實尺寸互作的生產率差異顯著，參照圖2可看出造成差異顯著的原因是，沖剪式破殼隨著果實尺寸變小而生產率大幅變高，沖擊式破殼隨著果實尺寸變小而生產率變化不大。

參見表3和圖3。破殼率試驗方差分析模型的效應小于0.000 1水平上顯著，決定系數達0.933 8，說明方差分析結果可信。沖剪式破殼機的破殼率小于0.000 1水平上顯著高于沖擊式。2種破殼機加工大果的破殼率0.001 9水平上顯著高于小果，表明大果用機械式破殼加工更容易實現殼破。2種破殼機與果實尺寸互作的破殼率0.189 0水平上差異不顯著，參照圖3可看出造成差異不顯著的原因是，2種破殼機對大果和小果的適應性具有一致性趨勢。

表3 破殼率試驗方差分析表Table 3 Variance analysis of shell cracking rate test

參見表4和圖4。整仁率試驗方差分析模型的效應顯著，決定系數達0.838 3，說明方差分析結果可信。沖剪式破殼機的整仁率顯著低于沖擊式。2種破殼機加工大果的整仁率顯著低于小果，表明大果用機械式破殼加工更難保持整仁。2種破殼機與果實尺寸互作的整仁率差異顯著，參照圖4可看出造成顯著差異的原因是，沖剪式破殼時整仁率對果實尺寸不敏感，而沖擊式破殼時果實尺寸愈小則整仁率愈大，不敏感的沖剪式特性較好。

4 結論

沖剪式破殼機的生產率0.05水平上顯著高于沖擊式，2種破殼機加工小果的生產率顯著高于大果，沖剪式的生產率均值為93.53 kg·h-1。且較小的果實尺寸可實現較高的生產率。

表4 整仁率試驗方差分析表Table 4 Variance analysis of whole kernel rate test

沖剪式破殼機的破殼率顯著高于沖擊式，2種破殼機加工大果的破殼率顯著高于小果，沖剪式的破殼率處于較高的90.61%～97.01%范圍，且較大的果實尺寸可實現較大的破殼率。

沖剪式破殼機的整仁率顯著低于沖擊式，2種破殼機加工大果的整仁率顯著低于小果，沖剪式的整仁率處于較低的36.63%～47.08%范圍，且果實尺寸對整仁率的影響不明顯。

與沖擊式比較，沖剪式破殼機的生產率和破殼率均顯著提高，其中生產率對果實尺寸敏感，破殼率對果實尺寸不敏感。沖剪式破殼機的整仁率不盡如人意，顯示出提高生產率和破殼率后的負面效應，其原因有待探討，沖剪式破殼機的結構和參數也需要進一步改進。