張永成，馬佳樂，唐玉榮，劉揚，蘭海鵬，張宏

塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院（阿拉爾 843300）

核桃屬胡桃科核桃屬[1]，是我國重要的經(jīng)濟(jì)林樹種，具有較高的藥用和營養(yǎng)價值，享有“長壽果”“益智果”的美譽[2]。我國是世界六大核桃生產(chǎn)國之一，年產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一位[3]，我國核桃栽培歷史悠久，據(jù)報道早在300萬年前我國就有核桃生長[4]。近年來，我國核桃產(chǎn)量和種植面積飛速增長，2017年我國核桃產(chǎn)值達(dá)249億元，產(chǎn)量415萬 t[5]，預(yù)計2020年種植面積將超過260萬 hm2[6]。隨著種植面積和產(chǎn)量的不斷增加，傳統(tǒng)的核桃初加工模式已然不適應(yīng)核桃種植業(yè)的發(fā)展。因此，不斷發(fā)展和完善核桃加工機械化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展體系已成為核桃初加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題。

核桃的初加工是指對核桃進(jìn)行諸如脫青皮與清洗、清洗、干燥、分級、破殼和殼仁分離等加工處理過程，是核桃進(jìn)行精深加工的基礎(chǔ)。加強對核桃初加工現(xiàn)狀的研究，對促進(jìn)核桃初加工產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和核桃附加值的提升具有重要的意義。

1 核桃脫青皮與清洗的研究現(xiàn)狀

脫青皮與清洗是核桃采收后進(jìn)行干燥、貯藏、加工的首要工序，必須盡快進(jìn)行，否則長時間的存放會導(dǎo)致果仁霉變與皮色褐變，嚴(yán)重影響核桃的內(nèi)在品質(zhì)和外觀質(zhì)量，進(jìn)而造成核桃商品價值和使用價值的降低。

常用的核桃脫青皮方法有手工脫皮、機械脫青皮等[7]。為了實現(xiàn)核桃青皮的快速脫落和脫皮效果的提高，一般青核桃在手工或機械脫皮前會進(jìn)行一定的預(yù)處理，常用的預(yù)處理方式有采后堆漚和化學(xué)藥品（一般使用乙烯利）噴灑后堆漚處理[8]。

1.1 手工脫青皮與清洗

手工脫青皮主要是先人工采用刀削、棒敲等方式去除青皮，再進(jìn)行清洗晾干的方法[9]，工作量大，強度高，用工成本昂貴，而且生產(chǎn)率低，批量生產(chǎn)受限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足規(guī)模化種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不利于初加工產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此，機械脫皮是核桃脫青皮發(fā)展的必由之路。

1.2 機械脫青皮與清洗

在國內(nèi)，刮削、切割、擠壓、撞擊是核桃機械脫青皮的主要方法[10]。

刮削脫青皮主要是利用工作部件在與核桃發(fā)生相對運動時，通過工作部件實現(xiàn)核桃青皮刮落的方法。帕合爾鼎等[11]研制了6TXH-600型青核桃脫皮清洗機，工作時在滾刀的切削和滾筒與柵條之間的擠壓、摩擦作用下將核桃青皮剝離下來，可獲得高達(dá)600 kg/h的生產(chǎn)率，洗凈率和去青皮率高達(dá)95%以上。劉西寧等[12]研制了6TXH-3600型青核桃脫皮清洗機，工作時在凹板篩與鋼絲刷的緊密配合下，核桃青皮被刮削、揉搓和碾壓，最終實現(xiàn)核桃青皮脫落和核桃與青皮的分離，脫皮率高于85%，工作效率高，性能可靠。楊忠強等[13]研制了一種核桃脫青皮機，工作時核桃在輸送過程中受到板刷上鋼絲刷的剪切、擠壓和滾搓的作用將青皮脫下，板刷與輸送帶間隙可調(diào)，有效降低了破損率，提高了脫皮率，試驗表明在較優(yōu)參數(shù)組合下，脫凈率高達(dá)90%以上。此外，張兆國等[14]發(fā)明的青核桃去皮機，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)核桃脫青皮，而且能夠?qū)崿F(xiàn)清洗、初步烘干和清洗用水的循環(huán)使用，節(jié)能高效，具有一定的市場情景。

切割脫皮是利用切割部件（一般為刀片）與青核桃作相對運動時，刀片將核桃青皮割掉或割裂，青皮在振動、擠壓、摩擦等因素的作用下實現(xiàn)脫離，達(dá)到去除青皮的效果。馮宏波等[15]研制了5QHT-500型青核桃脫皮清洗機，工作時青皮首先受到旋切滾刀的切割，然后在滾筒與格柵的擠壓、摩擦作用下與核桃分離，再通過初洗和精洗，脫皮和清洗效果明顯提高，目前已推廣應(yīng)用。王秉富等[16]發(fā)明了立式核桃脫青皮機，工作時在上下割刀的切割作用和去皮輥的作用下去皮，能夠較大程度減小核桃內(nèi)部損傷。豐佩印等[17]發(fā)明了核桃去皮機，該機工作時能夠在螺旋凸楞和鋸齒刀片的作用下實現(xiàn)批量核桃脫青皮，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作。楊少昆等[18]對一種青核桃脫皮機進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計及試驗分析，得出了脫皮的最優(yōu)方案。

擠壓脫皮法是指在工作部件產(chǎn)生的擠壓力作用下使青皮與核桃脫落的方法。梁金生等[19]設(shè)計了揉搓擠壓式核桃脫青皮機，工作時核桃在彈簧的作用下被壓板壓緊，將核桃青皮壓裂，因推桿和壓板之間有相對運動，利用摩擦力將被壓裂的核桃青皮揉搓去除，實現(xiàn)脫青皮的目的。石鑫[20]設(shè)計了一種青核桃脫皮裝置，主要由剝皮滾筒、柵條滾筒和螺旋輸送葉片等構(gòu)成，剝皮滾筒與柵條滾筒的間隙可調(diào)，工作中在柵條和耐磨橡膠條擠壓力、摩擦力、剪切力的共同作用下，將核桃青皮剝離。王亞妮等[21]研制了核桃去皮機，工作時核桃青皮在滾筒和壓板擠壓、碾搓作用下實現(xiàn)青皮的去除，設(shè)備簡單，但脫下青皮尺寸較大，還需人工進(jìn)輔助分離。

2 核桃干燥的研究

核桃干燥是核桃采后加工處理的重要環(huán)節(jié)之一，我國傳統(tǒng)的核桃干燥以自然晾曬為主[22]，因干燥過程無需成本投入，現(xiàn)已發(fā)展十分成熟，但規(guī)模生產(chǎn)受到很大程度限制，干燥過程易受環(huán)境影響，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。隨著核桃種植規(guī)模和產(chǎn)量的不斷提高，以及人們對美好生活的向往和食品安全意識的增強，新的干燥方式不斷引入和應(yīng)用于核桃干燥領(lǐng)域。主要有熱風(fēng)干燥、微波干燥、太陽能干燥和紅外干燥等[23]。近年來，核桃干燥技術(shù)主要集中在優(yōu)化干燥工藝參數(shù)、提高干燥速率、改善產(chǎn)品品質(zhì)、降低能耗和新型干燥技術(shù)研發(fā)推廣方面[24]。王慶惠等[25]進(jìn)行了核桃深層熱風(fēng)干燥特性研究，并通過試驗得出了核桃深層熱風(fēng)干燥最佳干燥工藝參數(shù)。姜苗[26]進(jìn)行了云南核桃熱風(fēng)干燥特性及其傳質(zhì)模擬研究，建立了干燥動力學(xué)方程，對云南核桃干燥過程的研究提供了參考。朱德泉等[27]進(jìn)行了山核桃熱風(fēng)干燥工藝研究。張紀(jì)柏等[28]對五香‘綠嶺1號’薄皮核桃進(jìn)行了烘烤試驗，得到了‘綠嶺1號’薄皮核桃的最佳烘烤條件。沈衛(wèi)強等[29]利用太陽能熱泵組合干燥設(shè)備對新疆脫青皮后的溫185進(jìn)行了試驗研究，并得到了生產(chǎn)率為1 000 kg/h的核桃干燥的最佳方案，即溫度、空氣流速、干燥時間分別為58 ℃，3 m/s和12 h。陳盈希等[30]利用熱泵干燥設(shè)備對大理脫青皮后的核桃進(jìn)行了干燥試驗，得到了最佳定色期和后期干燥溫度。張波[31]對核桃射頻熱風(fēng)聯(lián)合干燥特性及品質(zhì)變化進(jìn)行了研究，為射頻干燥在核桃干燥領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考和依據(jù)。

3 核桃分級的研究

核桃分級是核桃干燥后進(jìn)行商品化的重要環(huán)節(jié)，是提高核桃附加值的有效途徑，同時也可以為核桃后續(xù)的破殼加工作業(yè)提供保障，提高破殼率，降低損失率。何鑫等[32]研制了6FG-900型核桃分級機，工作時核桃隨分級輥一起運動并不斷翻轉(zhuǎn)對位，調(diào)整姿態(tài)，當(dāng)核桃直徑小于或等于輥子間隙時，核桃便通過間隙而實現(xiàn)分級，試驗表明，鏈條前進(jìn)速度、喂入量、分級輥轉(zhuǎn)速分別為24 m/min，15 kg/min和180 r/min時，具有較高的分級精度，可達(dá)95%。沈柳楊等[33]研制了一種自分級擠壓式核桃破殼機，具有較好的分級和破殼效果，試驗表明，經(jīng)分級后的核桃一次性破殼率平均達(dá)93.2%。劉軍[34]進(jìn)行了基于機器視覺的核桃外部缺陷檢測與分級研究，為機器視覺檢測在核桃分級設(shè)備領(lǐng)域的研究提供了新參考。

4 核桃破殼的研究

破殼取仁是核桃進(jìn)行深加工的前提和保障，直接影響核桃后續(xù)加工環(huán)節(jié)的順利進(jìn)行和核桃附加值的提高[35]?；瘜W(xué)腐蝕破殼法、真空破殼法、超聲波破殼法、機械破殼法是核桃破殼取仁的主要方法[36]?；瘜W(xué)腐蝕破殼法在實際腐蝕破殼過程中不易控制，核仁易受污染，難以得到用戶和消費者的認(rèn)可。真空破殼法與超聲波破殼法初期投資大，破殼成本較高，推廣困難。機械破殼法結(jié)構(gòu)簡單，破殼效果易于控制，是目前廣大學(xué)者的主要研究方向。常見的機械破殼方法有敲擊式、擠壓式和剪切式等[6]。

4.1 機械破殼裝備的研究

4.1.1 敲擊式破殼機械的研究

丁冉等[37]進(jìn)行了仿生敲擊式山核桃破殼機的設(shè)計與試驗，提出了一種核桃仿生破殼方法，試驗表明，在最佳的參數(shù)組合下，破殼率為99.41%，具有較低的果仁損傷率，加工效果良好，可以滿足當(dāng)前山核桃的加工要求。朱德泉等[38]進(jìn)行了6HS-6型山核桃破殼機研制及試驗研究，該機破殼工作時山核桃在半球形凹槽中受到敲擊臂擊打而使核桃殼產(chǎn)生裂紋破裂，敲擊臂的打擊力可通過調(diào)節(jié)扭簧的回復(fù)力實現(xiàn)，調(diào)節(jié)不同的打擊力，可以適應(yīng)不同含水率、不同大小山核桃的破殼要求，試驗表明，敲擊臂與滾筒間隙、主滾筒轉(zhuǎn)速、扭簧力分別為95 mm，9 r/min和25 N時，可獲得98%的破殼率和2%的破碎率，破殼效果較佳。

4.1.2 擠壓式破殼機械的研究

吳子岳[39]在對薄殼理論分析的基礎(chǔ)上，提出了綿核桃破殼取仁理論，并以此為基礎(chǔ)研制了綿核桃剝殼機，工作時綿核桃在向下轉(zhuǎn)動過程中受到圓齒盤和齒板之間擠壓而實現(xiàn)破殼。王亞雄[40]研制了一種多點擠壓式核桃破殼機，并應(yīng)用Admas軟件對擠壓機構(gòu)進(jìn)行了運動分析。沈柳楊[41]進(jìn)行了沖壓式核桃破殼機的設(shè)計及試驗研究，其設(shè)計的破殼機既能實現(xiàn)分級處理，又能實現(xiàn)核桃破殼，試驗表明，在最佳參數(shù)組合下，該機具有高達(dá)91.67%的分級效果，88.72%高露仁率和92.80%的破殼率。董詩韓等[42]進(jìn)行了多輥擠壓式核桃破殼裝置的研制，并通過試驗獲得了最佳破殼效果時破殼機的工作參數(shù)組合。奉山森等[43]設(shè)計了立式滾壓核桃破殼機，工作時核桃在定錐形與螺旋槽筒中沿螺旋槽軌自上而下滾動的過程中受到定錐形與螺旋槽筒的滾壓作用，最終實現(xiàn)核桃的擠壓破殼。偏心輪的偏心距可調(diào)，對不同品種核桃都有很好的適應(yīng)性。鄭甲紅等[44]設(shè)計了鋸口擠壓式核桃破殼機，工作時在對核桃進(jìn)行擠壓破殼之前，先使用鋸片、伸縮桿、凸輪等組成的鋸口裝置對核桃殼進(jìn)行鋸口處理，破殼效果較好，露仁率高，對核桃破殼具有一定的借鑒意義。閆茹等[45]研制了“四點擠壓式”核桃破殼機，通過四點受力和兩點受力下核桃破殼情況對比試驗，得出了四點受力明顯優(yōu)于兩點受力的結(jié)論，當(dāng)擠壓行程為6 mm時，核桃的破殼效果最好，能達(dá)到100%破殼率和96.8%的高露仁率。何義川等[46]研制了對輥擠壓式核桃破殼裝置，工作時核桃分別在擠壓輥Ⅰ和擠壓輥Ⅱ之間、擠壓輥與凹板之間受到的擠壓力和剪切力的作用下實現(xiàn)核桃兩次破殼。李忠新等[47]進(jìn)行了錐籃式核桃破殼裝置設(shè)計與試驗，試驗獲取了最適錐籃角度6°以及最適宜破殼核桃的物性參數(shù)。

4.1.3 剪切式破殼機械的研究

劉明政等[48]采用了一種基于剪切力的柔性破殼方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了相應(yīng)的破殼設(shè)備，通過試驗研究分析了相關(guān)設(shè)計參數(shù)對核桃破殼效果的影響，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)可對尺寸不一的核桃完成破殼，并且能夠?qū)崿F(xiàn)破殼、殼仁分選和核仁品相的提高。王大源等[49]采用針式夾具夾持固定、刀具切割，之后進(jìn)行撞擊破碎的方法，實現(xiàn)了核桃破殼，因核桃的切削深度可控，具有一定的適應(yīng)性。

4.2 預(yù)處理工藝下的破殼研究

提高核桃的破殼質(zhì)量和效果，一直以來是學(xué)者們孜孜以求的目標(biāo)。梁莉等[50]用微波對新鮮核桃經(jīng)微波處理再進(jìn)行直接破殼，具有較好的破殼效果，破殼率可達(dá)87.65%。柴秀洪[51]發(fā)明了激光環(huán)周切割式山核桃破殼機，工作時山核桃在激光切刀的多次切割作用下在山核桃環(huán)周破開多個口子，之后在破殼刀頭與擠壓桿擠壓作用下實現(xiàn)破殼，破殼效率大大提升。楊銳等[52]對核桃進(jìn)行了激光照射預(yù)處理，并對照射后核桃破裂行為進(jìn)行了數(shù)值分析與模擬，為核桃激光破殼提供了參考。高警等[53]試驗表明核桃水沸預(yù)處理對核桃破殼力的影響比較顯著。

此外，史建新等[54]利用Solid Works創(chuàng)建了核桃相關(guān)分析的前處理模型，模擬了氣爆式破殼時的應(yīng)力、應(yīng)變變化過程，驗證了氣爆式破殼方案的可行性，為進(jìn)一步研制氣爆式破殼提供了一定的理論基礎(chǔ)。周軍等[55]設(shè)計研發(fā)了氣爆式核桃破殼機，并通過試驗得出了最高破殼率時的破殼方案。

5 核桃殼仁分離的研究現(xiàn)狀

殼仁分離是核桃破殼后獲得干凈核仁的重要工序，分離效果好壞直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的品質(zhì)與產(chǎn)量。氣流清選法、氣流與篩選組合法、比重分選法是目前國內(nèi)物料殼仁分離使用較多的方法[56-58]。

王亞妮等[59]發(fā)明了一種氣吸式風(fēng)選核桃殼仁分離機，工作時因風(fēng)管尺寸逐漸變大，殼仁混合物各組分因懸浮速度不同實現(xiàn)分離。張開興等[60]發(fā)明了一種山核桃風(fēng)選式殼仁分離裝置，主要由機架、落料口、振動板、驅(qū)動凸輪、風(fēng)機、集料箱組成，破殼后的殼仁混合物在振動板的作用下被拋出，在向外吹的氣流作用下因各成分空氣動力學(xué)特性的不同而被分離。朱占江等[61]研制了小型短風(fēng)道核桃殼仁分選機，生產(chǎn)率最高可達(dá)300 kg/h，約是人工的70倍，生產(chǎn)率顯著提高，目前該機已在多地得到推廣應(yīng)用。

朱曉燕[62]發(fā)明了集破殼和氣吹式殼仁分離裝置，工作時傳動桿上下往復(fù)運動，從而帶動破碎錘上下往復(fù)運動，實現(xiàn)輸料槽內(nèi)的核桃壓碎，壓碎的核桃殼仁組分分別經(jīng)接料斗、振動板均勻掉落總成室，掉落過程中因殼仁受到氣流作用的差異從而分別掉落在不同的儲料槽中，實現(xiàn)核桃的殼仁分離。羅坤等[63]發(fā)明了一種山核桃風(fēng)選殼仁分離機，該機通過電磁振動給料機給料，離心調(diào)速風(fēng)機產(chǎn)生氣流，結(jié)構(gòu)緊湊、效率高。史建新等[64]發(fā)明了堅果殼仁分離裝置，分選氣流壓力和速度可調(diào)，通用性強，不僅適用于核桃，而且對松籽、杏核等其他堅果殼仁分離也有較好的分選效果。田智輝等[65]、朱占江等[66]進(jìn)行了核桃破殼-殼仁分離生產(chǎn)線的研制，破殼和殼仁分離效率顯著提高。

此外，丁進(jìn)鋒[67]、王兆臣等[68]利用靜電分離方法分別對脫殼后亞麻籽混合物以及核桃、榛子、杏核等物料的殼仁混合物實現(xiàn)了精確的殼仁分離。

綜上所述，國內(nèi)學(xué)者對核桃脫青皮與清洗、干燥、分級、破殼及殼仁分離等初加工環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量研究，積極研制和開發(fā)了多種類型的核桃初加工機械或設(shè)備，核桃初加工機械化程度不斷增強，但許多機械或設(shè)備還處于研發(fā)或樣機試驗階段，未能推廣應(yīng)用，即便成熟機型能夠進(jìn)行批產(chǎn)和推廣的也不多見。此外，很多學(xué)者僅進(jìn)行了初加工中某一環(huán)節(jié)的研究，缺乏產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的實踐檢驗，批量生產(chǎn)能力不強。我國核桃品種多，很多品種物理特性差異大，各核桃產(chǎn)區(qū)研發(fā)的初加工設(shè)備具有鮮明的地域特色，產(chǎn)品質(zhì)量參次不齊，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，制約著我國核桃初深加工產(chǎn)業(yè)的又好又快發(fā)展。

6 結(jié)語與展望

雖然我國核桃初加工中存在問題，但核桃初加工產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已勢在必行。

首先，不斷加強現(xiàn)有設(shè)備的優(yōu)化和推廣，加快成熟機型生產(chǎn)應(yīng)用，不斷推進(jìn)核桃初加工全程機械化。同時，結(jié)合我國核桃的實際種植情況，不斷引進(jìn)國外先進(jìn)的產(chǎn)業(yè)化初加工設(shè)備和生產(chǎn)線，不斷加強消化吸收和自主創(chuàng)新步伐，加快新產(chǎn)品開發(fā)。

其次，加強引導(dǎo)和支持，積極推進(jìn)科學(xué)研究、生產(chǎn)加工、產(chǎn)品推廣與應(yīng)用的緊密結(jié)合，鼓勵企業(yè)與科研院所、大專院校強強聯(lián)合，不斷開展項目申報、科技攻關(guān)、成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品推廣與示范等全過程合作，揚長避短，形成“科研指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)反哺科研”的良性循環(huán)。

再次，建立完整的初加工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化體系。不斷提高產(chǎn)品的可靠性、通用性和適用性，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，讓我國的核桃走向世界。