曹光矗，杜志龍，程躍勝，盧天齊，李培剛，陳 達

(1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京100083； 2.中國機械工業(yè)集團有限公司，北京100080)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，發(fā)達國家90%以上的果蔬在采收后先進行加工包裝再出售，可獲取較大附加值，而我國果蔬采收后大多直接出售，商品化率不足40%。這導致我國果蔬采收后損失率高達30%，而發(fā)達國家的損失率低于5%，且我國蔬菜采后的價值與采摘時的自然產(chǎn)值比為0.38∶1，日本和美國分別達到2.2∶1和3.7∶1。因此，對采收后的果蔬進行后續(xù)加工，提高商品化率是增加農(nóng)產(chǎn)品附加值，增加農(nóng)民收入的有效措施[1]。近年來，隨著我國消費水平的提高和生活節(jié)奏的加快，人們對于食品提出了新的要求——方便、快捷，導致連鎖快餐和方便食品行業(yè)迅速發(fā)展，我國蔬菜加工產(chǎn)業(yè)也進入飛速發(fā)展階段。

我國薯類農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量均穩(wěn)居世界首位。薯類不僅富含人體需要的營養(yǎng)元素，還含有一些傳統(tǒng)主食沒有的膳食纖維，有助于居民膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級?；诖?，2015年我國啟動了馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，除了加工成饅頭、面條，薯類在快餐和方便食品(自熱快餐等)中同樣占據(jù)重要地位。薯類農(nóng)作物多為土下果實類作物，去皮加工是該類農(nóng)產(chǎn)品加工過程中不可或缺的工序之一。

1 傳統(tǒng)去皮技術概況

在工業(yè)加工中主要使用的去皮方式有機械去皮、化學去皮和蒸汽去皮[2]。

1.1機械式去皮

目前機械式去皮方式仍是應用最廣泛的去皮方式。機械式去皮設備有刀片式和摩擦式。

一部分機械式去皮設備是利用類似車床的原理，物料繞自身中心軸旋轉(zhuǎn)，刀具從物料一端加工到另一端完成削皮[3-4]。這種方式只能同時加工單個物料，對于單體較大的物料較為合適，但是用于薯類物料的去皮，加工效率較低。相比于該種去皮方法，機械摩擦去皮處理量大，加工效率高。

摩擦去皮設備主要由機架、摩擦去皮裝置和噴淋管等部件組成。按照工作部件的結(jié)構(gòu)特征，可分為立桶式和臥輥式摩擦去皮機。

立桶式摩擦去皮機采用立式圓筒，筒壁上粘貼金剛砂等堅硬磨料。工作時將物料放入立筒，圓筒底部有波浪形旋轉(zhuǎn)撥盤，使得物料在立式圓筒內(nèi)翻滾、碰撞；同時將物料推向筒壁與內(nèi)壁上的磨料產(chǎn)生摩擦，達到去皮目的；噴淋管提供的水流可以將摩擦產(chǎn)生的廢屑沖出流走[5-7]。

臥輥式摩擦去皮機則采用6～9根臥式摩擦輥子，排列成半封閉的U形空間，臥輥表面粘貼金剛砂磨料[8]。物料從進料端進入U形槽，由輸料螺旋推動向出料端移動，在移動過程中，由于臥輥不停旋轉(zhuǎn)，其表面上的金剛砂磨料與物料接觸并產(chǎn)生摩擦，將物料表皮磨削下去，形成摩擦去皮[9]。輥子表面也可以做成毛刷的，較軟的毛刷輥設備主要起清洗作用，而較硬的毛刷也可以對一些容易去皮的物料進行去皮作業(yè)[10]?，F(xiàn)有設備通常是將多種輥子進行組合使用。

還有一種臥式排刷去皮設備，其工作裝置是在臥式滾筒的內(nèi)壁上布置有多組排刷，排刷呈螺旋式結(jié)構(gòu)布置。螺旋狀的排刷在隨滾筒旋轉(zhuǎn)的同時對物料施加軸向推力，使物料在與毛刷接觸去皮的過程中同時向出料端移動。這種設備可以通過調(diào)整滾筒電機的轉(zhuǎn)速，或者滾筒進出料端的高度差來控制物料的去皮時間[11]。

機械式去皮是目前薯類作物去皮使用最多的一種方法，具有設備操作簡單、加工費用低和處理量大的特點。但是物料通過機械摩擦去皮方式加工后，會在去皮后的物料表面造成劃痕，去皮后表面粗糙更易發(fā)生褐變[12-13]。在容器中，物料之間、物料與筒壁之間有一定程度的碰撞，會造成去皮后物料近表層細胞破損，酶促褐變和非酶促褐變加速，影響后續(xù)加工產(chǎn)品品質(zhì)[14-15]。機械摩擦去皮不能將芽眼或凹陷部分表皮去除干凈，需要人工進一步處理。因此，機械摩擦去皮方式生產(chǎn)的產(chǎn)品表面質(zhì)量差，品相不好，可以用于生產(chǎn)薯類全粉，不宜用于鮮切果蔬(用于加工薯條或鮮切菜)的去皮加工。

1.2化學去皮

化學去皮原理是在鈍性容器中加入調(diào)配好的加熱堿性溶液，通過加熱堿性溶液浸泡，首先去除果皮表面蠟質(zhì)和角質(zhì)層，并在果肉內(nèi)擴散，在一定程度上破壞薄壁組織(果肉)，使果皮與果肉分離，但也會造成果肉損失[16]。

現(xiàn)有的化學去皮方法多是利用表面活性劑和堿性溶液混合使用，表面活性劑可以提高物料表皮的透過性，使堿性溶液能夠與表皮接觸得更充分。添加活性劑可以減少藥液的使用量，縮短處理時間，降低藥液殘留。常見的薯類去皮溶液為8%～20%的氫氧化鈉溶液加0.5%表面活性劑，經(jīng)過2～6 min和60～90 ℃的溶液浸泡，再經(jīng)高壓水沖洗可完成化學去皮[17-18]。

化學去皮不受物料形狀、大小影響，可以完全去皮沒有殘留，處理量大，成本低[19]。但是化學去皮方法存在很多問題，由于堿性溶液成分濃度及配比可控性差，且不可連續(xù)使用，排出后會造成環(huán)境污染；去皮后物料需要大量水沖洗，造成水資源浪費；堿液會破壞物料果肉中含有的胡蘿卜素等抗氧化成分，造成營養(yǎng)流失，使去皮后物料更容易氧化；堿液殘存會引發(fā)食品安全等問題；在處理過程中若水溫過高會導致“熱環(huán)”的出現(xiàn)[20-21]。目前化學去皮方法僅在加工罐頭中的部分水果去皮過程中還有少量應用。

1.3蒸汽去皮

蒸汽去皮是將物料放入密閉容器中，并向容器中通入高溫高壓的蒸汽。物料表層細胞水分會蒸發(fā)，同時由于高溫會引起表層細胞質(zhì)中部分蛋白質(zhì)變性、碳水化合物水解及其他大分子物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，細胞壁中半纖維素多糖降解和中層果膠的分解。在突然釋放掉高溫高壓氣體后，由于之前表層細胞與容器內(nèi)氣壓達到平衡，泄氣瞬間會使得物料表層細胞氣壓大于周圍環(huán)境，又由于細胞結(jié)構(gòu)被破壞，會使物料表皮爆開，之后再通過清洗可以達到去皮目的[22-23]。該技術關鍵在于前期容器內(nèi)壓力、溫度快速升高和后期容器內(nèi)壓力的迅速降低，可通過改進攪拌方式使物料受熱更快速、均勻；通過升級管道，使蒸汽排出更順暢，通過這些方法可以有效提高去皮后產(chǎn)品外觀[24]。

蒸汽去皮方法不受物料形狀影響，去皮干凈徹底，去皮損失小，留存率高，處理量大，可達5～10 th。蒸汽去皮需要高溫高壓蒸汽，耗能較高；去皮后會在物料表層產(chǎn)生1～10 mm的熟化層(熱環(huán))(與蒸汽壓力相關)，影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量[23]。因此蒸汽去皮方式可用于薯類全粉、薯條薯片加工和胡蘿卜等處理量較大、生產(chǎn)率高的加工流程之中。

以上傳統(tǒng)去皮方法由于自身存在的表面質(zhì)量差、熱環(huán)等問題，不適宜用于鮮切薯類產(chǎn)品的加工。用于加工鮮切薯類的物料去皮設備應滿足處理量大、效率較高和去皮后表面質(zhì)量較好的要求。為此，本文介紹幾款滿足上述要求的削皮設備。

2 薯類作物削皮設備

研究表明，鋒利刀具對物料進行切削，刀具削皮斷面較平滑，去皮后僅表層細胞被切斷，不傷及深層細胞，可以減少物料內(nèi)部的氧化酶與氧氣的接觸，降低物料氧化速度，延緩加工后物料褐變；削皮后可以保持較好表面質(zhì)量，有助于提高產(chǎn)品品相[25]。以下是4種可用于薯類作物的機械式削皮設備。

2.1設備原理與工作過程

物料從進料口進入設備內(nèi)部與工作裝置接觸。工作裝置由電機通過傳動裝置帶動旋轉(zhuǎn)，物料表皮與工作裝置上刀具或削皮孔接觸產(chǎn)生切削，達到去皮效果。在削皮過程中，可通過控制工作裝置的轉(zhuǎn)速來控制削皮的效率，但同時要限制轉(zhuǎn)速不能使物料由于工作裝置轉(zhuǎn)速過高而產(chǎn)生機械損傷。輸送裝置(刮板或螺旋)推送物料在設備內(nèi)部從進料端向出料端移動，完成削皮的物料最終從出料口排出。輸送裝置獨立與工作裝置單獨控制，通過控制輸送裝置的速度來調(diào)節(jié)物料在設備內(nèi)部的切削時間，使物料能夠完全去皮的同時防止物料被過度切削。

2.2干式削皮設備

2.2.1結(jié)構(gòu)組成

干式削皮設備結(jié)構(gòu)如圖1所示，該削皮設備主要由機架、傳動部分、送料裝置和削皮裝置組成。

(1)削皮裝置。設備的削皮裝置為平行放置的兩個旋轉(zhuǎn)不銹鋼滾筒，滾筒外壁加工有削皮孔。兩個并排放置的不銹鋼滾筒，可以通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度來使物料與兩邊滾筒接觸的界面形成速度差，兩邊滾筒上的削皮孔與物料產(chǎn)生相對運動，實現(xiàn)對物料的削皮[26]。

削皮滾筒上的削皮孔可以設置不同的形狀如圓形孔、斜長形孔等，以實現(xiàn)不同的功能。削皮滾筒可以在不同部位加工不同形狀的削皮孔，從而改變每次滾筒轉(zhuǎn)動削除物料表皮的面積。斜長形孔可以提高削皮的效率，使每次切削都能夠削除更多的皮屑，在削皮滾筒的前部可以用大圓孔或長孔，增加單次削皮的量。在滾筒的后部使用小孔削皮，可以減少物料的損耗。該種削皮滾筒需要配合傳輸裝置，控制物料在削皮滾筒上的削皮時間，適用于多種不同性質(zhì)物料的削皮。對于芋頭、木薯等表皮纖維較多且較為堅硬的物料，可以在同一部位采用圓孔、長孔交錯排布的方式進行削皮。

(2)輸料裝置。在工作裝置上方為鏈條驅(qū)動的輸送裝置，鏈條上安裝有擋板，輸送電機帶動鏈條，擋板隨鏈條轉(zhuǎn)動推動兩個滾筒之間的物料向出料口方向運動。通過調(diào)節(jié)電動滾筒轉(zhuǎn)速來控制物料在削皮滾筒間的切削時間，使裝置能夠適應不同物料的特性，用于多種物料的削皮，同時達到較好削皮效果。

2.2.2設備特點

干式削皮設備主要有以下優(yōu)點。①干式削皮設備可以通過滾筒產(chǎn)生的切向力將削下來的皮屑帶走，落入下方的收集裝置，在加工過程中不需要噴水清洗皮屑，減少耗水量，可以節(jié)省水資源。②滾筒兩端通過卡扣安裝，便于拆卸更換和清洗。③電機分別連接兩個削皮滾筒，可自由調(diào)節(jié)兩個滾筒的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，方便地調(diào)整參數(shù)以適應多種不同物料的削皮，并能達到良好削皮效果。④設備為臥式可連續(xù)式生產(chǎn)，可以用于組裝生產(chǎn)線。

干式削皮設備同時存在以下缺點。①干式設備進行皮屑切削的有效切削范圍為滾筒與物料接觸的面，切削面積小，設備削皮效率較低，約300 kgh。②削掉的皮屑很碎，無法利用。③兩個滾筒平行放置，物料在滾筒中間空隙進行削皮，物料最終會被削成圓柱狀，適合木薯、紅薯等長條形物料的削皮，對于形狀接近球形的物料進行削皮，物料損耗較大。

2.3臥筒式(連續(xù))削皮設備

2.3.1結(jié)構(gòu)組成

臥式滾筒削皮設備結(jié)構(gòu)如圖2所示，該設備主要由削皮裝置、機架、送料裝置和削皮滾筒組成。

(1)削皮裝置。設備的削皮裝置是臥式削皮滾筒，滾筒內(nèi)壁上加工有安裝孔，削皮刀片安裝在內(nèi)壁上的安裝孔上。

削皮滾筒內(nèi)的削皮刀具安裝角度與圓筒軸向成15°～30°夾角。如圖3所示，在滾筒轉(zhuǎn)動時，刀具瞬時速度為繞滾筒軸線的速度V1，其法線方向速度為V2，滾筒上刀具的刃角上法線方向與刀具該時刻的瞬時速度方向有夾角即滑切角α，可以實現(xiàn)對物料的滑切，使物料表皮被切削所需切削力更小，物料表皮更容易被削除[2，27]。

削皮滾筒內(nèi)壁是由多個帶有刀具安裝孔的矩形切削板組成，切削板上加工有許多相互平行的矩形凹臺，凹臺一部分加工有安裝孔，一部分為狹縫。安裝孔用于安裝削皮刀具，刀具的刀刃略高于切削板平面；狹縫用于將削下的皮屑排出削皮滾筒。削皮滾筒結(jié)構(gòu)如圖4所示。

如果滾筒中物料太多或者物料形狀特殊會使物料不容易翻轉(zhuǎn)，因為內(nèi)壁是由平面切削板組成的，所以如果物料在滾筒內(nèi)保持特定方向，會使物料僅一側(cè)被刀具切削，其余部分很少被削到。如圖4所示，為了避免這種情況，可以通過用一塊寬的板代替兩個切削板，打破削皮滾筒內(nèi)部的規(guī)律性，使施加在待削皮產(chǎn)品上力的大小和方向發(fā)生變化；同時寬板上布置有凸塊可以使?jié)L筒內(nèi)物料翻轉(zhuǎn)，使削皮更均勻[28-29]。

(2)輸料裝置。在輸料螺旋轉(zhuǎn)動時物料只能在葉片的推力作用下沿著滾筒的底部向前移動。輸料螺旋將物料限制在螺旋葉片之間，可以確保物料分布均勻，不會出現(xiàn)某一位置物料大量堆積影響削皮質(zhì)量或物料分布稀疏，降低設備削皮效率。

2.3.2設備特點

臥筒式削皮設備有以下優(yōu)點。①臥筒式削皮設備可以通過更換不同形制的刀具以適應不同物料的削皮，通過更換不同厚度刀具實現(xiàn)不同的削皮厚度，生產(chǎn)靈活。②刀具安裝孔連線與其所在滾筒位置的法面有斜角，可以實現(xiàn)滑切，減小切削力，使削皮效率更高[2]。③臥式滾筒削皮方式能夠裝配在生產(chǎn)線中，可用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。④滾筒采用懸掛式安裝，滾筒拆裝較方便。

臥筒式削皮設備的不足是拆裝更換刀具不方便，更換清洗單個刀具需要將滾筒和滾筒中的切削板拆下。

2.4刀盤式(連續(xù))削皮設備

2.4.1結(jié)構(gòu)組成

連續(xù)刀盤式削皮設備如圖5所示，設備由機架、削皮裝置、輸料裝置和廢屑收集裝置等部分組成。

(1)輸料裝置。輸料裝置為由鏈條帶動的送料擋板，擋板可以推動位于平臺上的物料前進。

(2)削皮裝置。削皮裝置為刀盤，電機直接通過連接罩驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)[30]。削皮裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

為使物料削皮更均勻，減少削皮過程中的損耗，在刀盤上布置有撥塊，如圖6所示。在刀盤轉(zhuǎn)動時可以使物料翻滾，防止僅部分物料與刀片接觸或僅物料的一側(cè)與刀片接觸，避免出現(xiàn)部分物料過度切削，部分物料去皮不徹底的現(xiàn)象。

刀盤上刀具的布置可以多樣化以適應不同物料的要求，在設備前后段可以使用不同規(guī)格的刀盤，前端刀盤可以減少刀片數(shù)量，適當增加刀片與刀盤之間的間隙，增大一次切削的削皮面積。后端刀盤可使用短刀片，增加刀片數(shù)量，可以提升削皮效率、減少切削損耗。也可以使用毛刷盤實現(xiàn)對物料的清洗功能。

2.4.2設備特點

刀盤式(連續(xù))削皮設備有以下優(yōu)點。①拆裝更換及維修簡單，打開側(cè)門可以直接接觸到刀盤，在刀具或刀盤損壞時可以實現(xiàn)單獨刀片和刀盤的拆裝更換。②效率高，多個刀盤同時切削，切削面積大，可以進行流水線生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。③模塊化設計，維修更換方便，刀盤及刀盤電機組都可以模塊化快速更換，可以減少設備故障帶來的損失。④節(jié)省水資源，切削的皮屑可以從下方落下，不需要在加工的同時使用大量水流沖洗。⑤削除的物料表皮完整，可以飼用或進行后續(xù)加工。⑥刀盤與電機直接連接，不需要傳動系統(tǒng)。

刀盤式(連續(xù))削皮設備也存在以下缺點。①使用多個電機，成本較高。②機架應能滿足多個電機安裝，且不能阻擋皮屑下落，機架的設計制造較復雜。

2.5立筒式(間歇)削皮設備

2.5.1結(jié)構(gòu)組成

立筒式(間歇)削皮設備主要包括容器、沖洗裝置、削皮裝置、電機和傳動裝置等部件[31]。結(jié)構(gòu)如圖7所示。

立筒式削皮設備根據(jù)削皮裝置的不同可分為立筒式刀盤削皮和立筒式筒壁削皮。

(1)刀盤削皮的削皮裝置為安裝有削皮刀具的刀盤，刀盤安裝于圓筒容器底部并與傳動機構(gòu)連接。將物料放入削皮容器內(nèi)，物料由于重力原因會堆積在圓筒下方與削皮刀盤接觸，電機通過傳動裝置驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)，從而使刀盤上的刀片旋轉(zhuǎn)，削除物料表皮。

(2)筒壁削皮的工作裝置為內(nèi)壁安裝有刀具的削皮滾筒，滾筒內(nèi)壁為多個削皮板拼接而成。削皮滾筒底部有撥盤。撥盤為中心高兩邊低的波浪形圓盤，可以將物料拋起，并且中心高兩邊低使得撥盤能夠在旋轉(zhuǎn)時對物料施加一個徑向力將物料推向削皮筒壁，使物料能夠更容易接觸滾筒內(nèi)壁的刀具完成削皮作業(yè)[32]。

2.5.2設備特點

立筒式削皮設備的優(yōu)勢是設備體積小，移動靈活，使用場合較廣，可用于小規(guī)模生產(chǎn)如餐廳、食堂，但是也存在以下不足。①在加工的同時需要用水流沖洗將皮屑沖走，需要消耗水。②削皮作業(yè)為間歇式，不便用于生產(chǎn)線，削皮效率較低。③削皮過程為物料與刀片的碰撞接觸，物料與筒壁、物料之間都會有一定強度的碰撞，可能會造成物料近表皮處損傷發(fā)軟，因此適用于外形相對規(guī)則，質(zhì)地堅硬的物料，如芋頭、馬鈴薯和紅薯等。

2.6機械式削皮設備總結(jié)

機械削皮方法用刀具削皮后對產(chǎn)品表面損傷小，可以減少物料中含有的氧化酶與空氣的接觸面積，延緩去皮后褐變的發(fā)生，削皮后產(chǎn)品表面質(zhì)量好。臥式削皮設備加工效率高，通?？蛇_到2～5 th，可用于組建中央廚房生產(chǎn)線。削皮后產(chǎn)品可用于鮮切薯類的加工，如薯條及用于自熱快餐和連鎖快餐的鮮切馬鈴薯等。

但是刀片切削去皮容易產(chǎn)生過度切削，導致?lián)p耗率較高及去皮不徹底，需要人工再加工。同時刀具對于堅硬物體如沙礫、石塊很敏感，非常容易發(fā)生崩刃。因此，用于削皮加工的物料必須先經(jīng)過充分清洗，避免物料中混有堅硬雜物進入設備工作裝置損壞刀具。

機械削皮方式在減輕物料加工過程中的表面損傷及延緩褐變等方面有一定優(yōu)勢。目前國外已有多種類型削皮設備，但是國內(nèi)對于大型削皮設備鮮有研發(fā)，同時設備設計生產(chǎn)尚無理論支持。相信隨著市場對于高質(zhì)量凈菜需求的增長和研究的深入，削皮設備會有廣闊前景。

3 結(jié)束語

食品安全問題是食品加工中的最關鍵問題，應保證在薯類作物去皮過程中，不引入污染物。對于機械摩擦去皮方法，磨料可能脫落混入加工的產(chǎn)品中；化學去皮方法可能會有化學藥劑殘留。對于摩擦去皮，應提高磨料質(zhì)量，保證磨料在受到撞擊、摩擦時不脫落；化學去皮方法應保證在去皮后進行充分的清洗，去除殘留堿液。同時設備設計制造過程中應保證設備結(jié)構(gòu)易拆卸，便于清洗，不存在死角，防止使用后部分物料黏附在設備上，滋生病菌。

我國對于環(huán)境保護、資源節(jié)約越來越重視，綠色節(jié)能生產(chǎn)是對果蔬加工提出的新要求。蒸汽去皮需要消耗大量熱能；設備運轉(zhuǎn)需要消耗電能；機械去皮需要用水進行沖洗帶走削掉的廢屑；化學去皮會排放污水，同時需要消耗大量水資源。如何提高去皮設備的能源利用率，減少熱能、電能和水等資源的消耗，同時保證生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物得到安全的處置是設備設計面臨的另一個問題。相比于其他方式，削皮設備產(chǎn)生的廢屑較為完整，可以直接飼用或用于其他加工，不會產(chǎn)生廢棄物。

隨著社會發(fā)展和生活節(jié)奏的加快，越來越多的人選擇快餐，這促使連鎖快餐店的發(fā)展對于鮮切菜的需求越來越大。近些年來我國各大城市附近都建立了中央廚房，為所在城市的餐飲行業(yè)配送食材。鮮切薯類產(chǎn)品巨大的需求量及食品集中化加工趨勢對加工設備的效率也提出了更高的要求。

我國從事薯類作物去皮加工設備操作的普通工人普遍年齡較大，文化水平不高。這就要求設備設計應智能化，使操作應盡可能簡便。同時設備維修也應該能夠簡便、快速地完成，避免延誤生產(chǎn)造成更大損失。設備應進行模塊化設計，在設備的零部件損毀時，實現(xiàn)零部件的快速更換，縮短維修時間，減少設備損毀所帶來的時間成本。同時模塊化設計可以使零部件實現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，縮短設備開發(fā)設計周期，從而促進我國果蔬加工行業(yè)的快速發(fā)展。