徐彥瑞，吳勁鋒，*，黃曉鵬，馬軍民，李曉偉，王仁軍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅靖遠銀農(nóng)籽瓜科技有限公司，甘肅 靖遠 730600)

籽瓜，又名打瓜，屬西瓜屬普通西瓜種的栽培變種[1]，是我國西北地區(qū)主要的經(jīng)濟作物之一[2]。雖然籽瓜具有廣闊的種植面積，但市場上對籽瓜的利用僅是將占鮮瓜重9%～11%的瓜籽用于食品加工，而將占鮮瓜重約90%的瓜瓤和瓜皮丟棄，忽略了其中的營養(yǎng)物質(zhì)[3]。這樣的生產(chǎn)方式不僅造成了籽瓜可利用資源的極大浪費，而且還帶來了嚴重的土壤板結(jié)和環(huán)境污染問題[4]。因此，充分開發(fā)籽瓜系列產(chǎn)品的經(jīng)濟價值，是籽瓜綜合利用亟待解決的問題。

近年來，關(guān)于籽瓜副產(chǎn)物加工利用的研究越來越多，但對籽瓜高值全利用及連續(xù)生產(chǎn)加工的研究甚少[5]。目前，國內(nèi)外尚無籽瓜全利用加工生產(chǎn)線的應(yīng)用報道，本團隊在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，對籽瓜破碎取籽、固液分離等籽瓜深加工領(lǐng)域進行深入研究[6]。張志強等[7]利用自主研制的籽瓜破碎取籽分離機進行了籽瓜破碎取籽試驗，系統(tǒng)分析了不同因素對籽瓜破碎分離效果的影響規(guī)律；徐金梅等[8]利用臥螺離心機對籽瓜皮瓤混合汁進行了固液分離效果試驗，實現(xiàn)了籽瓜全利用加工生產(chǎn)線下游工藝中籽瓜皮瓤混合液高效分離；段維根等[9]以多效蒸發(fā)器的各種操作參數(shù)為實驗因素，研究了其對籽瓜濃縮漿制備過程的影響及變化規(guī)律；孫川等[10]基于HACCP原理探索了籽瓜濃縮液制備工藝，進而分離出小分子水分、糖分、膳食纖維。

基于以上研究，設(shè)計了一條籽瓜全利用加工生產(chǎn)線，完成了關(guān)鍵設(shè)備的配置，確定了關(guān)鍵加工技術(shù)和相應(yīng)的生產(chǎn)工藝。該生產(chǎn)線可實現(xiàn)瓜籽[11]、籽瓜汁[12]、籽瓜細胞水[13]、籽瓜膳食纖維、籽瓜濃縮漿和籽瓜水[14]等籽瓜系列產(chǎn)品的規(guī)?；庸どa(chǎn)，本生產(chǎn)線的投入應(yīng)用有助于推動籽瓜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1 籽瓜全利用加工工藝及關(guān)鍵技術(shù)的確定

1.1 籽瓜全利用加工生產(chǎn)工藝的確定

籽瓜全利用加工生產(chǎn)線將籽瓜的皮、瓤、籽全利用，生產(chǎn)出瓜籽、籽瓜膳食纖維、籽瓜細胞水、籽瓜濃縮漿和籽瓜水等籽瓜系列產(chǎn)品，且能夠規(guī)?；⑴炕a(chǎn)。籽瓜全利用生產(chǎn)線加工工藝流程如圖1所示。

圖1 籽瓜全利用加工生產(chǎn)線工藝流程

1.2 籽瓜全利用加工關(guān)鍵技術(shù)的確定

1.2.1 破碎取籽

籽瓜破碎取籽是籽瓜全利用加工生產(chǎn)線中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其皮瓤及籽瓤分離機制直接影響籽瓜瓜籽的潔凈率和損失率，進而影響籽瓜皮瓤的利用率和瓜籽的商品性[15]。相關(guān)科研機構(gòu)相繼研制出了一系列的籽瓜破碎取籽機，但國內(nèi)至今未見正式投入生產(chǎn)線的樣機，現(xiàn)有的小型籽瓜破碎取籽機普遍存在加工效率低、瓜籽潔凈率低、損傷率高等問題[16]，在籽瓜全利用加工生產(chǎn)線中籽瓜破碎取籽機的選擇與改進至關(guān)重要。

1.2.2 固液分離

籽瓜經(jīng)破碎取籽后，剩余的皮瓤混合物經(jīng)打漿機破碎后實現(xiàn)瓜瓤和瓜皮中植物細胞的機械破壁，最終得到固體顆粒小于0.8 mm的籽瓜皮瓤混合汁濁液。籽瓜皮瓤混合汁理化性質(zhì)檢測結(jié)果見表1。

固液分離方法與被分離物料的濃度、固體顆粒粒度、分離要求有關(guān)，由于固液分離后的籽瓜汁清液要進行膜分離處理，因此固液分離方法的選擇應(yīng)滿足籽瓜皮瓤混合汁的分離要求。籽瓜皮瓤混合汁分離要求見表2。

表1 籽瓜皮瓤混合汁理化參數(shù) %

清液含固率非可溶性固形物含量還原糖回收率<2.0<0.1>80

表2 籽瓜皮瓤混合汁分離要求

籽瓜汁溫度/℃含固率/%可溶性固形物/20℃折光法,%非可溶性固形物/%還原糖濃度/g·L-16～122.671.631.0416.34

1.2.3 產(chǎn)品殺菌

籽瓜皮瓤制汁后極易變質(zhì)，高溫又會使瓜汁產(chǎn)生蒸煮味，因此，非熱加工技術(shù)的使用是籽瓜系列產(chǎn)品加工的質(zhì)量保證[17]。籽瓜皮瓤混合汁經(jīng)固液分離、膜過濾和蒸發(fā)濃縮后，得到的籽瓜系列產(chǎn)品應(yīng)采用合理的殺菌方法才能在滿足殺菌要求的同時降低生產(chǎn)成本。

2 籽瓜全利用加工生產(chǎn)線設(shè)計原則

針對傳統(tǒng)的籽瓜加工工藝，在進行生產(chǎn)線的研究設(shè)計時，除了確定加工工藝及關(guān)鍵技術(shù)外，還要遵循以下原則。

(1)籽瓜是一種極具地域特色的農(nóng)產(chǎn)品，其收獲期一般為9-10月，加工的季節(jié)性強，籽瓜在溫度18 ℃、濕度 90%時僅存2個月，腐爛率高達25%[18]，且隨著儲存時間的增加，籽瓜中的水分和營養(yǎng)物質(zhì)嚴重流失，利用價值大幅下降[19]。因此，籽瓜全利用加工生產(chǎn)線的產(chǎn)能需滿足當?shù)刈压峡偖a(chǎn)量的加工需求，保證籽瓜深加工的時效性。

(2)生產(chǎn)線布局合理，便于后期操作和維護，實現(xiàn)連續(xù)自動量化生產(chǎn)，操作流程方便可控；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性良好，符合國家食品安全標準，滿足清潔化生產(chǎn)的要求，同時可以有效降低生產(chǎn)成本。

(3)生產(chǎn)線總體配置的加工參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍寬，充分考慮各設(shè)備的技術(shù)參數(shù)匹配，盡可能適應(yīng)不同產(chǎn)品的加工工藝要求，產(chǎn)品產(chǎn)量協(xié)調(diào)最大化，以獲得最佳經(jīng)濟效益。

3 籽瓜全利用加工生產(chǎn)線設(shè)計及關(guān)鍵設(shè)備配置

3.1 籽瓜全利用加工生產(chǎn)線設(shè)計

設(shè)計的籽瓜全利用加工生產(chǎn)線可實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，產(chǎn)能為10 t/h，每日籽瓜加工量可達80 t。籽瓜全利用加工生產(chǎn)線設(shè)備配置如圖2所示，其加工流程如下：在生產(chǎn)前依次啟動雙道打漿機、螺桿輸送泵、瓜皮破碎機、破碎取籽機、高位提升機、噴淋檢果機、鼓泡浮洗機、低位提升機，各設(shè)備運行正常后開始投瓜生產(chǎn)，得到瓜籽和籽瓜皮瓤的混合汁濁液。當?shù)谝粌Υ婀拗械淖压掀と炕旌现瓭嵋阂何贿_到一定位置時，依次開啟碟片分離機和臥螺分離機，等到各設(shè)備運行正常后開啟離心泵，對濁液進行分離，得到籽瓜皮渣和籽瓜皮瓤的混合汁清液；當?shù)诙Υ婀拗械淖压掀と炕旌现逡阂何贿_到一定位置時，開啟超濾設(shè)備和納濾設(shè)備，各設(shè)備運行正常后開啟離心泵，對清液進行再分離，得到籽瓜細胞水和籽瓜濃液，籽瓜濃液達到一定液位時開啟多效蒸發(fā)器，對籽瓜濃液進行多效蒸發(fā)，最終得到籽瓜水和含糖40%以上的籽瓜濃縮漿。

圖2 籽瓜全利用加工生產(chǎn)線設(shè)備配置1.卸料臺；2.原料槽；3.低位提升機；4.鼓泡浮洗機；5.噴淋撿果機；6.高位提升機；7.破碎取籽機；8.瓜皮破碎機；9.螺桿輸送泵；10.雙道打漿機；11.緩沖罐Ⅰ；12.離心泵Ⅰ；13.儲存罐Ⅰ；14.臥式螺旋卸料沉降離心機；15.碟片分離機；16.緩沖罐Ⅱ；17.離心泵Ⅱ；18.儲存罐Ⅱ；19.離心泵Ⅲ；20.超濾設(shè)備；21.納濾設(shè)備；22.多效蒸發(fā)器；23.成品儲存罐；24.電子束殺菌設(shè)備

3.2 關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計與配置

3.2.1 籽瓜破碎取籽設(shè)備的配置

根據(jù)籽瓜全利用加工生產(chǎn)線的設(shè)計原則，在破碎取籽和打漿工段，配備自主設(shè)計的新型高產(chǎn)能籽瓜破碎取籽機、瓜皮破碎機[20]和籽瓜雙道打漿機[21]。籽瓜破碎取籽和打漿設(shè)備配置如圖3所示。

圖3 籽瓜破碎取籽和打漿設(shè)備配置1.破碎取籽機；2.瓜皮破碎機；3.螺桿輸送泵；4.雙道打漿機

破碎取籽機主要由破碎裝置、皮瓤分離裝置、螺旋破碎輸送裝置、籽瓤分離裝置和各分離物的出料口組成，實現(xiàn)對籽瓜的打破和壓碎，使皮、瓤、籽達到相互脫離狀態(tài)；完成瓜籽與瓤汁的分離和對瓤汁的細化及輸送，以滿足籽瓜全利用加工生產(chǎn)線中瓜瓤加工設(shè)備對籽瓜瓤汁的要求。未破碎的瓜皮經(jīng)破碎取籽機的瓜皮出料口輸送到瓜皮破碎機的進料口，通過破碎進料裝置、破碎裝置、篩選裝置和出料裝置打碎到需要的粒度，瓜皮破碎比大，達到后續(xù)工藝細、碎、均勻的要求。經(jīng)破碎取籽機和瓜皮破碎機細化的籽瓜瓤汁由螺桿輸送泵送入籽瓜雙道打漿機，通過篩網(wǎng)孔徑為1 mm的一級打漿組件、主軸傳動裝置、篩網(wǎng)孔徑為0.8 mm的二級打漿組件進行大顆粒皮渣分離篩選，使被打漿的籽瓜皮瓤混合物循環(huán)打碎再細化，直至其粒度滿足后續(xù)離心分離工段的要求，然后流入緩沖罐，分段儲存。生產(chǎn)線破碎取籽和細化打漿工藝參數(shù)見表3。

表3 破碎取籽和細化打漿工藝參數(shù)

參數(shù)數(shù)值或方法配套動力/kW7.5～8.5瓜籽破碎率/%<1瓜籽脫凈率/%>98皮瓤混合汁粒度/mm<0.8額定產(chǎn)能/t·h-110實際產(chǎn)能/t·h-1≥10運行方式變頻器

3.2.2 固液分離工藝要求

由于一般的果蔬汁固液分離工藝對分離的要求較低，分離清液中可以允許有少量固體沉淀，所以僅用一臺離心沉降設(shè)備即可達到分離要求[22]。但籽瓜皮瓤混合汁制備還原糖濃縮液工藝需要經(jīng)過超濾設(shè)備的分離濃縮，為防止超濾膜發(fā)生堵塞，對分離清液含固率要求較高，要求分離清液含固率盡可能低。僅用一臺分離設(shè)備達不到分離要求，需要兩種或兩種以上分離設(shè)備的組合使用。

3.2.3 固液分離設(shè)備的選型與配置

根據(jù)籽瓜皮瓤混合汁的理化性質(zhì)及各項分離要求，前端固液分離優(yōu)先選用LW450×1 800—N型臥螺離心機[23]。綜合考慮投資、生產(chǎn)成本和籽瓜皮瓤混合汁的物料性質(zhì)，用兩組臥螺離心機組合分離的成本太高難以實現(xiàn)[24]，后端需增設(shè)一臺分離級別小且能滿足籽瓜皮瓤混合汁分離要求的離心沉降設(shè)備[25]。參考國內(nèi)離心分離設(shè)備組合使用工藝[26]，優(yōu)先選用AF-KYDH207DD-23型碟式分離機[27]。生產(chǎn)線固液分離工段關(guān)鍵設(shè)備配置如圖4所示。

圖4 固液分離設(shè)備配置1.臥式螺旋卸料沉降離心機；2.碟片分離機

經(jīng)破碎打漿后的籽瓜皮瓤混合濁液流入儲罐中，當儲罐的液位達到一定位置時，依次啟動碟片分離機和臥式螺旋卸料沉降離心機，籽瓜濁液經(jīng)離心泵泵入臥式螺旋卸料沉降離心機，經(jīng)初步分離后得到籽瓜皮瓤混合汁半清液和皮渣，皮渣中含有大量膳食纖維，收集后進行氣流干燥等后續(xù)精加工工序，半清液則流入下級碟片分離機，再次離心分離。臥式螺旋卸料沉降離心機分離工藝參數(shù)見表4。

半清液進入碟片分離機后再次被分離機分離，得到籽瓜皮瓤混合汁清液和皮渣，皮渣中含有大量膳食纖維，與臥式螺旋卸料沉降離心機分離出來的籽瓜皮渣進行氣流干燥等后續(xù)精加工工序。籽瓜汁清液則流入儲罐中，可經(jīng)冷殺菌后直接進行無菌灌裝，得到籽瓜純汁，也可依次經(jīng)超濾設(shè)備和納濾設(shè)備加工處理后得到籽瓜細胞水和籽瓜濃液，所得籽瓜濃液經(jīng)多效蒸發(fā)器進行濃縮蒸發(fā)，得到籽瓜細胞水和含糖40%以上的籽瓜濃縮漿。碟片分離機分離工藝參數(shù)見表5。

表4 臥螺離心機分離工藝參數(shù)

參數(shù)數(shù)值或方法分離因數(shù)2 261轉(zhuǎn)鼓最高轉(zhuǎn)速/r·min-13 000轉(zhuǎn)鼓與螺旋速差/r·min-115～30液位半徑/mm147～162分離輥錐度/°4處理能力/t·h-14～8還原糖回收率/%92～98沉渣含水率/%80～90清液固形物含量/%2.0～2.4螺旋輸送器單頭/左旋/滯后

表5 碟片分離機分離工藝參數(shù)

參數(shù)數(shù)值處理能力/t·h-14～8還原糖回收率/%>80沉渣含水率/%80～90清液固形物含量/%2.0～2.2最高工作溫度/℃90額定處理量/L·h-13 000轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速/r·min-16 300分離因數(shù)8 807

3.3 產(chǎn)品殺菌工藝選擇

籽瓜屬葫蘆科草本植物，基于籽瓜汁生產(chǎn)的系列產(chǎn)品具有熱敏性，采用一般食品工業(yè)上的熱力殺菌會導致其原有風味的嚴重損失和異味的產(chǎn)生。故采用紫外和臭氧瞬時冷殺菌技術(shù)，完成細胞水和籽瓜水的殺菌處理后進行無菌灌裝得到達標成品。多效蒸發(fā)器在制備籽瓜濃縮漿的同時對其進行高溫殺菌處理，可直接進行無菌灌裝。由于細化分離后的籽瓜汁具有特殊的理化性質(zhì)，傳統(tǒng)的紫外和臭氧對其殺菌不完全，無法達到食品安全標準。電子束輻照殺菌作為近年來新興的一種常溫時效非熱殺菌技術(shù)，能有效地殺滅食品中的腐敗微生物[28-30]。采用適當?shù)妮椪談┝?，在有效滅菌的同時可以很好地保留籽瓜汁特有的感官品質(zhì)和組織形態(tài)[31-33]，無菌灌裝后可得到風味純正的籽瓜汁。

4 生產(chǎn)線的實際應(yīng)用

該籽瓜全利用加工生產(chǎn)線目前已在甘肅靖遠銀農(nóng)籽瓜科技有限公司投入生產(chǎn)使用。實際生產(chǎn)表明，該生產(chǎn)線較好地完成了設(shè)計目標，實現(xiàn)了籽瓜皮、瓤、籽的全利用高值加工，產(chǎn)能達到10 t/h、生產(chǎn)能力≥80 t/天、瓜籽脫凈率≥98%、瓜籽破碎率≤1.0%、破碎打漿后皮瓤混合汁粒度<0.8 mm、固液分離后籽瓜汁固形物含量為2.0%～2.2%、還原糖回收率>80%，各項指標均滿足生產(chǎn)工藝要求。由于籽瓜加工具有季節(jié)性，本生產(chǎn)線的實際產(chǎn)能與預(yù)期產(chǎn)能有一定出入，生產(chǎn)線實際產(chǎn)能見表6。

表6 生產(chǎn)線實際產(chǎn)能 t/年

5 小結(jié)

針對籽瓜產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)模式和發(fā)展瓶頸，設(shè)計了一條籽瓜全利用生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線前端的破碎取籽和打漿設(shè)備在籽瓜全利用加工過程中高效地實現(xiàn)了瓜體破碎、皮瓤籽分離、皮瓤混合汁細化；中端的固液分離裝置和蒸發(fā)濃縮設(shè)備使籽瓜資源利用最大化，并進行籽瓜系列產(chǎn)品的規(guī)?；⒆詣踊B續(xù)生產(chǎn)；后端的殺菌設(shè)備保障了產(chǎn)品的食品安全性。該生產(chǎn)線可對籽瓜進行高值綠色加工，各項指標均滿足生產(chǎn)工藝要求，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性良好，實現(xiàn)籽瓜全利用的同時產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟效益，在解決籽瓜副產(chǎn)物綜合開發(fā)問題的同時提高了籽瓜產(chǎn)品的附加值，促進了籽瓜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。