陳長(zhǎng)卿，鄭寨生，陳 斌，邊曉東，陳麗娟，余桂平，袁名安

(金華市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院(浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院)，浙江 金華 321017)

0 引言

茶葉籽綜合利用是對(duì)茶樹(shù)重要功能價(jià)值的全新利用。茶葉籽是茶樹(shù)的種子，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)達(dá)400多d，富含不飽和脂肪酸、茶多酚、維生素E和角鯊烯等多種高品質(zhì)功能活性成分，是整株茶樹(shù)中最精華的部位。檢測(cè)表明：茶葉籽油不飽和脂肪酸含量超過(guò)80%，其中油酸40%～60%、亞油酸15%～35%，富含多種維生素和礦物質(zhì)，更特別的是含有豐富的天然茶多酚、角鯊烯和維生素E等多種功能活性成分，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值媲美橄欖油，多項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)超過(guò)橄欖油，長(zhǎng)期食用能增強(qiáng)免疫功能、促進(jìn)新陳代謝、提高抗病能力和延緩機(jī)體衰老，是一種綠色健康的功能食用油，特別是可作為老年人或心血管病人的保健用油。

茶葉籽分選技術(shù)落后是影響茶葉籽油品質(zhì)和制約茶葉籽油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。茶葉籽由果殼和茶籽組成，其中果殼、種殼的主要成分為粗纖維且含有較多金屬元素，不利于油脂的加工。此外茶籽采摘后容易霉變，霉變茶葉籽會(huì)造成茶葉籽油中的苯并芘含量過(guò)高，從而影響成品茶油的品質(zhì)和口感。目前茶葉籽破殼清選大多采用半手工半機(jī)械操作，且清選設(shè)備普遍存在殼仁分離不徹底的情況，后續(xù)殼仁分離需要人工手搖風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)選。此外，霉變的茶葉籽只能通過(guò)人工篩選，且人工霉變篩選只能識(shí)別殼外霉變的茶葉籽而造成浪費(fèi)，以及無(wú)法識(shí)別殼內(nèi)霉變的茶葉籽而影響茶油品質(zhì)。茶葉籽人工分選工作量大(小規(guī)模的茶油加工基地，一天需要壓榨500 kg左右的茶葉籽)、強(qiáng)度高且效率極低(一個(gè)工人一天只能對(duì)150 kg左右殼仁混合物清選或50 kg茶葉籽霉變篩選)，因此，當(dāng)前亟待研究開(kāi)發(fā)茶葉籽脫殼、清選和色選自動(dòng)化加工技術(shù)。

1 技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 茶葉籽脫殼技術(shù)

目前，關(guān)于茶籽破殼機(jī)理及物理力學(xué)特性的研究主要集中在油茶果的破殼技術(shù)方面。曲振興等[1]研發(fā)了擠壓抽打式復(fù)合脫殼機(jī)，破殼方式為擠壓式。該機(jī)破殼率為98%左右，但后期茶籽分離難度大。唐湘等[2]研究了一種油茶果脫殼裝置，該裝置采用撞擊搓擦的原理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能適用含水率<65%的油茶鮮果脫殼，但脫殼率僅為85.3%。朱廣飛[3]研究了一種脫殼間隙可調(diào)節(jié)的油茶果脫殼機(jī)，該機(jī)采用擠壓、搓擦的工作原理，在帶有紋桿的滾筒與固定的弧形柵板之間的間隙中進(jìn)行破殼，該間隙可通過(guò)調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同粒徑的油茶果。李善淼[4]設(shè)計(jì)了一種油茶青皮脫殼機(jī)，主要利用剪切式破殼，破殼裝置主要為螺旋滾刀，油茶果進(jìn)入破殼箱后，在螺旋滾刀的作用下，油茶果受到反復(fù)切割和撞擊實(shí)現(xiàn)破殼，但未對(duì)該機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，破殼效率未可知。

1.2 茶葉籽清選技術(shù)

目前，越來(lái)越多的專家學(xué)者及設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)展了茶籽機(jī)械清選裝備的研究工作，清選方式主要有多層篩網(wǎng)清選、輥間隙清選、風(fēng)選、摩擦和機(jī)器視覺(jué)清選等[5-7]。肖靜等[8]設(shè)計(jì)的油茶果殼籽清選機(jī)應(yīng)用齒光輥對(duì)輥原理，設(shè)計(jì)了帶有V型槽截面的齒輥和光輥，依靠油茶果殼與籽的物理特性不同來(lái)對(duì)其進(jìn)行清選。江西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所[9]采用分級(jí)清選原理設(shè)計(jì)了油茶果脫殼清選機(jī)。該設(shè)備采用兩級(jí)清選方式，油茶果殼仁混合物輸送到兩個(gè)一級(jí)清選機(jī)構(gòu)，再傳遞到二級(jí)清選機(jī)構(gòu)上，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同含水率和大小的油茶果進(jìn)行清選作業(yè)。李陽(yáng)等[10]利用油茶籽與殼的外形及摩擦系數(shù)的差異性設(shè)計(jì)了油茶籽清選機(jī)。當(dāng)茶籽與果殼的混合物落入清選機(jī)時(shí)，由于籽與殼的形狀及摩擦系數(shù)的差異性，油茶果殼摩擦系數(shù)大容易向上運(yùn)動(dòng)而茶籽摩擦系數(shù)小靠重力的作用會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)茶籽與果殼的分離。湖南潤(rùn)農(nóng)生態(tài)茶油有限公司[11]利用油茶籽與果殼力不同，采用風(fēng)選方式設(shè)計(jì)了清選機(jī)構(gòu)。利用風(fēng)機(jī)在清選機(jī)構(gòu)內(nèi)形成上升旋流，將較輕的破損油茶果殼吹出，從而實(shí)現(xiàn)了殼籽分離的目的。

2 存在的主要問(wèn)題

目前茶葉籽破殼清選機(jī)械仍然處于起步階段，當(dāng)前還沒(méi)有一款成熟的機(jī)械能夠滿足工程應(yīng)用的要求。

關(guān)于茶葉籽破殼方面，主要以擠壓碾搓式為主，但這種破殼技術(shù)存在以下問(wèn)題難以解決：在擠壓碾搓的過(guò)程中，難以調(diào)節(jié)擠壓間隙，容易出現(xiàn)漏剝或碾碎的情況；擠壓碾搓后，殼與茶籽粘附嚴(yán)重，不利于后期清選分離；茶葉籽含油脂，碾壓的過(guò)程中容易導(dǎo)致茶籽滲油。

關(guān)于殼籽分離方面，主要采用篩選和風(fēng)選的方式，然而因?yàn)椴枳褮ぷ衙芏认嘟捌茪ず髿ぷ逊蛛x不徹底等實(shí)際情況，這些傳統(tǒng)的清選方法并不能有效地將殼籽混合物成功分離。而油茶果殼籽混合物嚴(yán)重降低茶籽破殼清選的效率，阻礙茶籽加工的產(chǎn)業(yè)化。

目前，對(duì)色選技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中在大米、花生、茶葉等農(nóng)產(chǎn)品分揀與精選領(lǐng)域，但關(guān)于茶葉籽仁霉變色選方面，如何快速、精準(zhǔn)對(duì)茶葉籽霉變篩選，當(dāng)前尚未有這一方面的研究和設(shè)備，可以參考現(xiàn)有農(nóng)產(chǎn)品色選技術(shù)和原理，對(duì)茶葉籽霉變特征進(jìn)行分析，應(yīng)用到茶葉籽仁霉變篩選中。

為提高茶葉籽油品質(zhì)，增加茶葉籽分選效果和效率，降低茶葉籽在加工中損耗，茶葉籽分選技術(shù)和工藝還有待進(jìn)行更加深入的研究。同時(shí)，也需對(duì)破殼清選設(shè)備進(jìn)行技術(shù)、結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化，增加茶葉籽仁霉變色選設(shè)備，構(gòu)建新型的茶葉籽分選工藝模式，研發(fā)茶葉籽油提質(zhì)增效的籽粒分選工藝及設(shè)備。

3 技術(shù)解決方案

3.1 茶葉籽特性研究與分選工藝模式

以浙江省主要茶樹(shù)品種的茶葉籽為研究對(duì)象，研究分析茶葉籽鮮果、破殼后殼仁混合物的物料特性，開(kāi)展茶葉籽破殼力學(xué)特性試驗(yàn)，探索茶葉籽破殼和殼仁清選的處理技術(shù)，研究茶葉籽霉變顏色特性與分布規(guī)律，探索茶葉籽霉變色選的處理技術(shù)?；诓枞~籽的特性研究，構(gòu)建集茶籽破殼—?dú)と是暹x—霉變色選的茶葉籽分選工藝模式，如圖1所示。

圖1 茶葉籽分選工藝方案Fig.1 Technological scheme of tea seed separation

3.2 茶葉籽破殼、殼仁清選技術(shù)設(shè)備開(kāi)發(fā)

針對(duì)茶葉籽的物料特征及力學(xué)特性，擬定高速離心撞擊式茶葉籽破殼及正反雙風(fēng)道氣流式殼仁清選技術(shù)方案，設(shè)計(jì)一種茶葉籽破殼與殼籽清選設(shè)備。茶葉籽破殼裝置主要由進(jìn)料部件、破殼滾筒部件、動(dòng)力傳輸部件和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。破殼電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片，使茶葉籽產(chǎn)生強(qiáng)離心力并向外拋射，撞擊到導(dǎo)料板內(nèi)側(cè)表面凸起，完成破殼。殼仁清選裝置主要由風(fēng)機(jī)、正反雙出殼風(fēng)道、穩(wěn)壓部件和機(jī)架組成。殼仁清選裝置的1號(hào)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生反向氣流，使殼仁混合物中粉末和部分殼被分離；2號(hào)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生正向氣流將剩余的殼吹出。以茶葉籽進(jìn)料量為輸入、風(fēng)道內(nèi)風(fēng)力場(chǎng)為反饋、正反雙風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為輸出，開(kāi)發(fā)基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法，實(shí)現(xiàn)清選風(fēng)速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制，提高茶葉籽破殼清選質(zhì)量。茶葉籽破殼清選設(shè)備如圖2所示。

圖2 茶葉籽破殼清選設(shè)備Fig.2 Equipment for tea seed shell breaking and cleaning

3.3 茶葉籽仁霉變色選技術(shù)與設(shè)備

以茶葉籽仁為處理對(duì)象，研究茶葉籽仁霉變色選技術(shù)，分析不同品質(zhì)茶葉籽仁在灰度圖像上的特性差異，研究霉變茶葉籽仁圖像處理識(shí)別算法。設(shè)計(jì)包含振動(dòng)喂料裝置、基于雙CCD的光電色選模塊、氣動(dòng)噴閥裝置、成品槽和次品槽等裝置的整體結(jié)構(gòu)方案。開(kāi)展茶葉籽霉變篩選設(shè)備的性能試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性和霉變色選的高效性。

3.4 自動(dòng)化加工控制系統(tǒng)

通過(guò)輸送帶、提升裝置將研發(fā)設(shè)計(jì)的茶葉籽破殼清選設(shè)備和茶葉籽霉變篩選設(shè)備進(jìn)行輸送連接，實(shí)現(xiàn)茶葉籽破殼、清選、色選自動(dòng)化加工生產(chǎn)，對(duì)茶葉籽分選設(shè)備性能及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，分解整個(gè)清選流程與時(shí)序步驟，完成茶葉籽破殼、清選、色選自動(dòng)化加工控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。通過(guò)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置檢測(cè)傳感器形成閉環(huán)控制，提高分選設(shè)備運(yùn)行的分選效果和穩(wěn)定性。

3.5 預(yù)期目標(biāo)

①作業(yè)效率≥150 kg/h。②茶葉籽破殼率≥98%。③仁中含殼率≤10%。④殼中含仁率≤1%。⑤霉變壞仁率≤2%。

4 市場(chǎng)前景和技術(shù)展望

我國(guó)現(xiàn)有茶園300萬(wàn)hm2，茶葉籽產(chǎn)量按525 kg/hm2計(jì)算，全國(guó)每年潛在茶葉籽資源約157.5萬(wàn)t，因此茶葉籽資源充足。本文研發(fā)構(gòu)建了集茶籽破殼—?dú)と是暹x—霉變色選的茶葉籽分選工藝模式，實(shí)現(xiàn)茶葉籽油提質(zhì)增效，解決茶葉籽分選過(guò)程中的殼仁分離不徹底、茶葉籽人工霉變篩選效率低、成本高等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)茶葉籽油產(chǎn)業(yè)的興起，為我國(guó)提供了一種高檔的木本植物營(yíng)養(yǎng)保健油，豐富我國(guó)的植物油品種，促進(jìn)國(guó)內(nèi)食用油產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)，提高國(guó)產(chǎn)食用油的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，提升綜合經(jīng)濟(jì)收益。因此，本文介紹的成果具有良好的推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景，并會(huì)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本成果市場(chǎng)需求量大，有利于帶動(dòng)茶葉籽油產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時(shí)還促進(jìn)傳統(tǒng)茶產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，改變單一的茶葉生產(chǎn)模式，有利于緩解茶葉價(jià)格波動(dòng)對(duì)產(chǎn)業(yè)整體效益的影響，增加茶農(nóng)收入，增加城鄉(xiāng)就業(yè)機(jī)會(huì)，并帶動(dòng)山區(qū)茶農(nóng)脫貧致富，減輕社會(huì)壓力，對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速、健康發(fā)展和鄉(xiāng)村振興具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。