陳 松 蔣 軍 黃 忠

(1. 安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院機電工程系，安徽 合肥 230011；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物技術(shù)中心，安徽 合肥 230036；3. 安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院機電工程系，安徽 合肥 230011)

如何使蘋果汁不受氧化褐變影響，保持其原有的色、香、味和營養(yǎng)成分，是蘋果汁生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[1]。破碎、打漿過程中，蘋果細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，果肉細胞呼吸作用加快，誘發(fā)酶促反應(yīng)，從而使蘋果褐變速度加快[2]。由于蘋果大部分是發(fā)生酶促褐變，其褐變控制方法主要有物理控制、化學(xué)控制和生物控制3種?；瘜W(xué)控制方法是在破碎、打漿環(huán)節(jié)，通過在果汁、果漿中添加抗氧化劑，以減少或抑制蘋果褐變[3]。該方法采用的是事后控制技術(shù)思路，褐變發(fā)生后才采取控制措施，會影響蘋果汁口感，對蘋果汁質(zhì)量產(chǎn)生一定的安全隱患，如有的果汁中出現(xiàn)的非法添加問題[4]。

目前，蘋果打漿過程幾乎是開放式的。真空蘋果打漿機是基于事前控制技術(shù)思路，在蘋果粉碎、打漿過程采用真空脫氣的物理控制技術(shù)防止褐變[3]。試驗擬研究一種中小型真空蘋果打漿機，利用真空脫氣，采用避免與空氣接觸的封閉作業(yè)方式完成蘋果的破碎、打漿過程[5]，旨在避免和解決蘋果發(fā)生氧化褐變的問題，以保證蘋果汁的良好外觀、口感和品質(zhì)。

1 真空打漿機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

蘋果真空打漿機(圖1)主要由筒體(包括內(nèi)筒、篩筒)、進料斗裝置、收集(出漿)料斗裝置、排渣口裝置、轉(zhuǎn)軸Ⅰ、轉(zhuǎn)軸Ⅱ、聯(lián)軸器、懸掛支承、破碎刀盤、打漿葉片、機架、傳動裝置、滾動軸承等部分組成。

1. 傳動裝置 2. 進料斗裝置 3. 破碎刀盤 4. 打漿葉片 5. 筒體(內(nèi)筒、篩筒) 6. 轉(zhuǎn)軸Ⅰ 7. 懸掛支承 8. 聯(lián)軸器 9. 轉(zhuǎn)軸Ⅱ 10. 滾動軸承 11. 排渣口裝置 12. 機架 13. 集料(出漿)斗裝置陰影部分為蘋果真空打漿機內(nèi)部破碎、打漿時的真空狀態(tài)圖1 間歇式中小型真空蘋果打漿機基本結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of the small and medium-sized intermittent apple vacuum pulper

筒體外部，進料斗、集料斗、排渣口等裝置分別設(shè)置在筒體的最上部、最下部和側(cè)下部，筒體上部裝有真空控制閥口和補氣閥口等。筒體內(nèi)部，內(nèi)筒、篩筒均與筒體連接；轉(zhuǎn)軸Ⅰ和Ⅱ用聯(lián)軸器連接一體，中間用懸掛支承固定。轉(zhuǎn)軸Ⅰ、Ⅱ支承皮帶輪、破碎刀盤、六組打漿葉片等零件，以傳遞打漿運動和動力，轉(zhuǎn)軸兩端用滾動軸承支承。

1.2 工作步驟

真空打漿機開始工作前，關(guān)閉集料斗裝置、排渣口，開啟傳動裝置。打漿過程包括進料、初步破碎、打漿、輸出果漿、排出廢渣等步驟。

(1) 采用間歇進料方法進料。清洗后的蘋果通過電器自動控制打開的氣動閥門A、B進入打漿機內(nèi)筒的破碎室，通過電器自動控制關(guān)閉氣動閥門A、B，完成進料。

(2) 內(nèi)筒(破碎室)內(nèi)蘋果真空狀態(tài)下被初步破碎。通過電器自動控制打開真空控制閥口C、關(guān)閉補氣閥D，破碎刀盤以劈碎和擊碎的方式破碎蘋果[6]。

(3) 蘋果進入篩筒(打漿室)開始真空打漿。初步粉碎的蘋果在篩筒中做螺旋移動，在蘋果與篩筒壁和漿葉片間摩擦力、離心力以及漿葉片的打擊作用下被徹底磨碎和擊碎[6]。產(chǎn)生的汁液和肉質(zhì)的果漿經(jīng)篩筒篩孔進入收集料斗待輸出；產(chǎn)生的皮和籽等廢渣移至排渣口待排出。

(4) 常壓下漿液輸出和廢渣排出。收集料斗下部裝有電動球閥E。當(dāng)收集料斗內(nèi)的液面達到一定高度(如h1)，電器自動控制關(guān)閉真空控制氣閥C、打開補氣閥D、打開電動球閥E，筒體內(nèi)恢復(fù)常壓。蘋果漿液在重力作用下通過電動球閥E輸出，收集料斗內(nèi)液面高度開始下降。當(dāng)收集料斗內(nèi)液面高度下降到一定高度(如h2)，電器自動控制關(guān)閉電動球閥E，漿液輸出停止，出漿完成。同時，排渣口裝有閉氣式卸料器，在該卸料器內(nèi)葉輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，既將廢渣排出，又保證排渣口處于密閉狀態(tài)。

(5) 再次進料。電器自動控制再次打開氣動閥門A、B，洗凈的蘋果再次進入打漿機內(nèi)筒破碎室。

2 真空打漿機的主要關(guān)鍵零部件

真空打漿機主要零部件分為兩類：筒體及相關(guān)零件、進料口、集料口、排渣口裝置等為關(guān)鍵零部件，破碎刀盤、打漿葉片、傳動裝置、機架等為常規(guī)零部件。

2.1 筒體及相關(guān)零件

筒體材料采用不銹鋼0Cr19Ni9。設(shè)計時，采用上下半圓筒焊接而成。該材料具有良好的韌性、塑性、焊接性和耐腐蝕性，滿足筒體耐腐蝕、防銹和健康衛(wèi)生等使用要求[7]。蘋果真空打漿機筒體內(nèi)壁上焊接有內(nèi)筒和篩筒，篩筒由鋼制金屬網(wǎng)制作，筒體內(nèi)形成破碎室和打漿室。筒體外壁，正上方、正下方、右側(cè)下方設(shè)有進料口、出料口和排渣口等；右上方設(shè)有真空控制閥口C和補氣閥口D等主要閥口。

2.2 進料斗、集料斗、排渣口裝置

進料斗裝置(圖2)在筒體上部頂面，由進料口、氣動閥門A、氣動閥門B[8]等組成，與筒體通過法蘭連接。洗凈的蘋果通過進料口裝置間歇方式進入內(nèi)筒(破碎室)完成初步破碎。

1. 進料口 2. 氣動閥門A 3. 氣動閥門B 4. 平溝槽密封面圖2 進料斗裝置Figure 2 The feeding hopper

集料斗裝置(圖3)在筒體下部底面，由出料口、電動球閥E等組成，與筒體焊接一體。果漿液通過集料斗裝置輸出。

1. 出料口 2. 電動球閥E圖3 集料斗裝置Figure 3 The collecting hopper

排渣口裝置(圖4)在筒體右側(cè)面下部，由排渣口管、閉氣式卸料器[8]組成，與筒體焊接一體。打漿中產(chǎn)生的廢渣通過排渣口裝置排出。

1. 排渣口管 2. 閉氣式卸料器 3. 旋轉(zhuǎn)葉片及密封膠條圖4 排渣口裝置Figure 4 The drainage port

3 真空打漿機的真空脫氣保障

蘋果真空打漿機區(qū)別于普通果蔬打漿機的創(chuàng)新之處在于破碎、打漿過程在真空脫氣狀態(tài)下進行，避免了果肉與空氣接觸而產(chǎn)生氧化褐變，確保了果汁的新鮮。因此，需充分保障真空打漿機真空脫氣的技術(shù)要求，切實保障整個打漿機工作運行過程的真空狀態(tài)。

3.1 蘋果真空打漿機的筒體制造

蘋果真空破碎、打漿過程中，筒體內(nèi)真空度為0.01 MPa，為負壓操作容器，但不屬于GB 150—2011管轄的真空容器(真空度>0.02 MPa)。制造過程中保證筒體質(zhì)量、滿足外壓穩(wěn)定的條件，按一般真空容器制造即可[9]，不需要增加額外制造成本就可完全保障真空打漿的技術(shù)要求。

3.2 電動機和真空泵的選擇

按蘋果真空打漿機1.5 t/h的生產(chǎn)能力，查閱機械手冊，確定帶傳動效率為0.7[10]，電動機功率P=2.3/0.7=3.3 kW。考慮到超載和其他意外情況，選擇該間歇式蘋果真空打漿機的電動機為Y132S-4[10]。該電動機功率為5.5 kW，可完全滿足打漿動力要求。

真空泵是蘋果真空打漿機的核心部件，按真空度0.01 MPa 的技術(shù)要求和真空泵工作壓力范圍，該真空泵屬于粗真空工作，可選擇目前應(yīng)用較廣的2XZ-0.5型高速直聯(lián)旋片真空泵[11]，該真空泵功率180 W，極限真空<1.33 Pa，完全可以滿足真空度技術(shù)要求。

3.3 真空狀態(tài)切換過程的自動控制系統(tǒng)

蘋果真空打漿機在破碎、打漿操作中必須保證真空狀態(tài)，而進料、出料、排渣操作為非真空狀態(tài)。為了保證打漿機“進料—打漿—出漿—排渣”工作運行過程，打漿機內(nèi)部需進行“非真空—真空—非真空—真空”的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，而實現(xiàn)這個狀態(tài)轉(zhuǎn)換利用的是電器控制原理。非真空狀態(tài)下進料完成后，電器自動控制系統(tǒng)完成“氣閥門A、B關(guān)—補氣閥D關(guān)—真空控制閥C開”的控制流程，進行真空狀態(tài)蘋果破碎、打漿。真空打漿完成后，電器自動控制系統(tǒng)進行“真空控制閥C關(guān)—補氣閥D開—電動球閥E開—電動球閥E關(guān)—氣閥門A、B開”流程控制，完成非真空狀態(tài)下出漿、排渣、進料。循環(huán)往復(fù)，電器自動控制系統(tǒng)精準(zhǔn)控制和保障了蘋果真空打漿機整個工作運行過程的真空狀態(tài)要求。

3.4 真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

蘋果真空打漿機中，真空控制閥口連接有壓力傳感器，以保證打漿過程中真空度(0.01 MPa)不變。真空泵接口設(shè)計在打漿機筒體頂端，距漿葉片足夠高度，從而保證真空控制閥口不被果漿堵塞(見圖1)。進料斗、集料斗、排渣口3大筒體出口裝置的結(jié)構(gòu)對保證筒體內(nèi)部的真空狀態(tài)非常重要，分別采用雙氣動閥門、閉氣卸料器等結(jié)構(gòu)，選用電動球閥，從結(jié)構(gòu)設(shè)計上保證整個設(shè)備的真空技術(shù)要求(見圖1～4)。

3.5 真空系統(tǒng)密封設(shè)計

蘋果真空打漿機所有對外出口管法蘭均采用平溝槽密封面，如圖2所示，配用硅膠密封膠條確保密封效果。為了提高進料斗的氣密性，采用兩組氣動閥門A、B，且閥門插板四周用槽形密封硅膠條密封。集料斗選用優(yōu)質(zhì)電動球閥保證氣密性(見圖3)。排渣口采用閉氣式卸料器結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)葉片與內(nèi)壁間用膠條密封(見圖4)。在轉(zhuǎn)軸Ⅰ和轉(zhuǎn)軸Ⅱ的兩端和筒體孔之間，按動密封要求，采用成型填料的方法，用O形圈進行密封[11]。所有這些嚴格密封設(shè)計，保障了該蘋果真空打漿機在蘋果破碎、打漿環(huán)節(jié)的密封性，實現(xiàn)真空工作狀態(tài)。

4 性能驗證實驗

褐變度用果漿在420 nm處的吸光度(OD420 nm)表示，其值越大，褐變程度越高。多酚氧化酶PPO活性和過氧化物酶POD活性是果漿內(nèi)多酚氧化酶和過氧化物酶活性，活性越低，越能有效抑制褐變[12]。由表1可知，蘋果真空打漿機的設(shè)計解決了蘋果打漿過程中的氧化褐變問題，可以顯著提高蘋果果漿質(zhì)量，蘋果漿為蘋果原色，口感與新鮮蘋果無異。

表1 蘋果真空打漿機性能測試

5 結(jié)論

試驗提出了真空設(shè)計理念，解決了蘋果打漿過程中的氧化褐變問題，保證了蘋果漿原汁原味；轉(zhuǎn)軸采用分段設(shè)計，解決了運行過程中可能出現(xiàn)的打漿葉片碰撞筒體內(nèi)壁磨損和安全事故；選擇優(yōu)質(zhì)電動球閥、采用閉氣式卸料器和氣動閥門結(jié)構(gòu)，確保了打漿機內(nèi)部系統(tǒng)密封性，保證蘋果破碎、打漿在真空下進行。保證后續(xù)的濃縮、脫氣、殺菌、灌裝等生產(chǎn)工藝中[13]的真空環(huán)境，可最大程度實現(xiàn)蘋果汁生產(chǎn)的全真空狀態(tài)。