◎ 黃雅鑫，姚玉軍，馬素清，趙 航

（內(nèi)蒙古宇航人高技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 011517）

沙棘（Hippophae rhamnoidesL.）為胡頹子科沙棘屬植物，又名醋柳、酸刺，是一種多年生落葉灌木或小喬木[1]。沙棘屬于藥食同源植物，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，具有保健、醫(yī)用功能。沙棘被譽為天然維生素的寶庫，是目前世界上含有天然維生素種類最多的珍貴經(jīng)濟林樹種，其維生素C的含量遠遠高于鮮棗和獼猴桃。沙棘中含有的粗纖維能促進腸道蠕動，緩解便秘，沙棘可以改善腸胃環(huán)境，慢性腹瀉患者可以經(jīng)常食用。沙棘中富含大量的活性物質(zhì)，不僅有抗疲勞和增強機體活力及抗癌等特殊藥理性能，還可以降低血漿膽固醇、減少血管壁中膽固醇含量的作用，能防治高血脂癥和動脈粥樣硬化癥，并有促進傷口愈合的作用[1-4]。早在公元900年，沙棘已被作為藏藥使用。1997年，我國正式將沙棘列入《中華人民共和國藥典》[2-5]。

目前，全國的沙棘資源面積為2.33×106km2，占世界總資源的90%。沙棘屬非豆科固氮植物，兼具固氮改土的作用，其根系發(fā)達，具有根瘤菌及超強的側(cè)根萌蘗性系統(tǒng)，抗逆境能力很強，能在干旱貧瘠及鹽堿地等極端土壤環(huán)境下生長成林，因而被視為水土保持和防風固沙的先鋒植物，在我國西北、東北、華北地區(qū)發(fā)揮著治理生態(tài)環(huán)境、荒山造林綠化、山區(qū)河道護岸等重要作用[5-6]。

我國現(xiàn)有3 000多家各類沙棘加工廠，涵蓋食品、保健品、化妝品、藥品等8大類200余種產(chǎn)品[6]。隨著沙棘市場不斷發(fā)展，沙棘果利用率也在不斷擴大和提高，迫切需要選擇最佳的沙棘預(yù)處理加工工藝，為后續(xù)深加工提供優(yōu)質(zhì)的沙棘果，避免營養(yǎng)成分和活性物質(zhì)在預(yù)處理階段流失。本文通過TRIZ理論對沙棘預(yù)處理工藝進行研究和改進，旨在提供一種節(jié)水、高效、易操作的沙棘果汁（漿）預(yù)處理工藝，為相關(guān)的沙棘行業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用提供參考工藝。

1 沙棘果預(yù)處理工藝現(xiàn)狀及問題

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展與居民生活水平的提高，關(guān)于沙棘營養(yǎng)、藥用等價值的不斷推廣，沙棘產(chǎn)品逐漸獲得市場認可。銷售量逐年增加，沙棘原果的市場需求量增大，對于沙棘原果的預(yù)處理工藝技術(shù)也受到關(guān)注。

1.1 預(yù)處理工藝現(xiàn)狀

沙棘因果小皮薄、果柄短、枝條有刺，因此不直接采摘[6]。一般采用剪枝條后速凍脫果的辦法，采摘后的沙棘果儲存在-18 ℃以下的冷凍庫[2,7]，在我國東北地區(qū)（主要在黑龍江省及內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省的部分地區(qū)）、西北的新疆也采用直接打凍果的采摘方法。沙棘果預(yù)處理階段會將冷凍的沙棘原果采用洗果機解凍清洗，通過熱水緩慢給沙棘凍果解凍，并通過噴淋、鼓泡等方式對沙棘果進行清洗，使其表皮附著的灰塵、砂石以及沙棘果柄、枝條、葉片等雜質(zhì)在本階段實現(xiàn)分離，清洗后的沙棘果直接通過鏈板輸送機進入打漿機（壓榨機）進行打漿（壓榨）以獲取沙棘果汁（漿）。沙棘果打漿（或壓榨）后排出的果皮、果渣中依然含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，部分企業(yè)對其進行溶渣，將清水按一定比例和沙棘果皮果渣混合，在一定溫度條件下浸泡一定時間后再次進入壓榨機中進行二次壓榨，實現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)的回收，沙棘果加工預(yù)處理工藝流程見圖1。

圖1 沙棘果加工預(yù)處理工藝流程圖

目前，沙棘果預(yù)處理清洗裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作過程中需要大量的人力在清洗階段手工挑選枝條去雜，不但加大工人的勞動強度，增加人工成本，并且清洗效果、枝條泥沙與沙棘果分離效果不佳，相當一部分沙棘枝條會隨著沙棘果一起進入后續(xù)的打漿工序，使得后續(xù)沙棘果汁的處理工藝復雜、設(shè)備負荷加大，甚至影響沙棘果汁（漿）的口感[8]。整套沙棘果汁（漿）預(yù)處理過程中清洗去雜效率低，水資源消耗量大，并且存在水資源浪費的現(xiàn)象，如沙棘果清洗水中含有大量的渣滓無法直接回收利用，需要經(jīng)過蓄水槽濾板循環(huán)使用，而過濾網(wǎng)板在長時間運行工作后，被大量聚集的枝條泥沙堵塞，洗果水循環(huán)利用根本不能滿足生產(chǎn)需求，只能外加補給純凈水。

1.2 預(yù)處理工藝問題

由于沙棘果是一種小漿果植物品種[2]，具有皮薄、體積小的特點，極易破漿，因此不易清洗，導致在預(yù)處理工藝階段出現(xiàn)比較嚴重的問題。據(jù)初步了解，在沙棘果清洗過程中，全部使用一次清水，每清洗1 t沙棘果需要消耗一次清水5 t，造成大量水資源的浪費和營養(yǎng)成分的大量損失。在沙棘果清洗過程中，由于使用熱水及機械性的外力損傷，部分沙棘果破漿，造成沙棘果中的有機酸、維生素C、可溶性固形物等營養(yǎng)成分進入洗果水中，隨著洗果水被外排而損失。檢測發(fā)現(xiàn)，在一般洗果水中，其pH值為2.65，總酸在1.71%～2.49%（平均為2.07%），維生素C含量111.4～167.1 mg/100 g（平均137.64 mg/100g）。部分泥沙、枝條等由于不能與沙棘果完全分離出來，帶入果漿（汁）中。泥沙對后續(xù)加工的打漿機、離心機造成負擔和損害，嚴重時可損壞設(shè)備；混入沙棘果中的枝條、葉片等會將其中的葉綠素、單寧等雜質(zhì)融入果漿（汁）中，影響產(chǎn)品的口感[7]。

2 沙棘果預(yù)處理工藝技術(shù)方案改進研究

2.1 TRIZ理論簡介

20世紀50年代末，阿奇舒勒為全新的發(fā)明問題解決理論（TRIZ）奠定了基礎(chǔ)[9]。TRIZ理論的基礎(chǔ)是技術(shù)系統(tǒng)進化的客觀規(guī)律，既可被認知也可用于解決發(fā)明性問題。TRIZ理論的主要優(yōu)點是從成千上萬個可能的解決方案中快速找出復雜發(fā)明問題。TRIZ理論核心思想：不同行業(yè)遇到的問題，可采用相同原理解決；產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)不是隨機的，而是按照一定的規(guī)律在發(fā)展進化。TRIZ理論相對于傳統(tǒng)方法，可以減少傳統(tǒng)試驗設(shè)計階段耗時、低效等問題。它采用科學的問題求解方法，將特殊問題轉(zhuǎn)化為問題模型，應(yīng)用TRIZ尋找標準解得到解決方案模型，在此基礎(chǔ)上形成初始問題的具體解決方案。而且在選取最佳方案時便可抓住主要矛盾，聯(lián)系實際，全面評估改進設(shè)計使之切實可行[9-11]。

2.2 TRIZ理論在沙棘果預(yù)處理工藝技術(shù)方案改進中的應(yīng)用

（1）將沙棘果清洗系統(tǒng)作為一個獨立的技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用TRIZ理論和方法進行分析研究。確定其系統(tǒng)功能：清洗潔凈沙棘果。最優(yōu)解：清洗系統(tǒng)穩(wěn)定運行，泥沙及枝條清理干凈，最大限度減少引入清洗水。采用功能分析和因果分析，確定該技術(shù)系統(tǒng)中存在的不足和有害功能，找出產(chǎn)生問題的根本原因：枝條堵塞蓄水槽濾板，無法滿足洗果水循環(huán)利用；沙棘和雜質(zhì)處于混合狀態(tài)不易分離，降低后續(xù)打漿工藝效率。

（2）利用TRIZ工具裁剪、技術(shù)矛盾、物理矛盾、物場分析等方法，帶入技術(shù)系統(tǒng)提出方案，解決不足和有害功能等問題。通過方案的匯總和擇優(yōu)，經(jīng)過現(xiàn)場勘測試驗等方式，最終確定最優(yōu)方案。在沙棘果預(yù)處理工藝技術(shù)方案改進研究中，兩次利用TRIZ理論，通過不同視角對技術(shù)問題進行改進，一次改進是對洗果機本身清洗效果不佳，沙棘和雜質(zhì)處于混合狀態(tài)不易分離出現(xiàn)一起進入后續(xù)裝置的現(xiàn)象；二次改進是對蓄水槽濾板遭遇枝條、泥沙聚集后出現(xiàn)的堵塞問題。

一次改進方案是利用技術(shù)矛盾和物理矛盾分別得出方案后結(jié)合兩個方案得出的工藝技術(shù)方案，在洗果機中安裝滾筒篩選機、鏈板輸送機，并且利用空間分布原理，根據(jù)物料的比重、粒徑等不同，對滾筒篩選機進行改造。篩筒筒體分為兩部分，第一篩網(wǎng)筒的網(wǎng)孔尺寸大于沙棘果的果徑，用于過濾泥沙；第二篩網(wǎng)筒的網(wǎng)孔尺寸小于沙棘果的果徑，用于排出沙棘果進入鏈板輸送機，枝條留在滾筒篩中通過出料溜槽排出。這次方案的改進通過轉(zhuǎn)動的滾筒篩選機實現(xiàn)了沙棘果實、泥沙、枝條的分離，然后在滾筒篩選機運行的過程中，清洗槽中的水對果實進行清洗，提高了清洗去雜效率和效果。一次改進方案結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。

圖2 一次改進方案結(jié)構(gòu)簡圖

二次改進方案利用裁剪法對功能模型進行裁剪，由于枝條和泥沙的聚集導致堵塞濾板是有害功能，那么對其功能進行裁剪，替換為刮板式除渣裝置實現(xiàn)功能正常，再利用曲面化原理和動態(tài)特性原理使刮板式除渣裝置同時具有自清理濾板和排渣的功能，不會出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，保證洗果水快速過濾。二次改進方案結(jié)構(gòu)簡圖見圖3。

圖3 二次改進方案結(jié)構(gòu)簡圖

（3）確定優(yōu)化的沙棘果預(yù)處理工藝技術(shù)方案。為方便介紹整套沙棘果預(yù)處理工藝，分為清洗去雜系統(tǒng)、提取分離系統(tǒng)、洗果水處理回收系統(tǒng)3部分。其中，清洗去雜系統(tǒng)和洗果水處理回收系統(tǒng)中的刮板式除渣裝置是通過TRIZ理論得出的核心技術(shù)，提取分離系統(tǒng)、洗果水處理回收系統(tǒng)的其余部分是由目前成熟的工藝方法結(jié)合本技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用而成。沙棘果加工預(yù)處理工藝改進流程示意圖見圖4。

圖4 沙棘果加工預(yù)處理工藝改進流程示意圖

3 沙棘果預(yù)處理工藝技術(shù)改進方案

針對目前沙棘果預(yù)處理工藝出現(xiàn)的問題，利用TRIZ理論進行研究改進，得出可行工藝技術(shù)方案，結(jié)合實際情況加以利用，把目前已有的成熟工藝與TRIZ理論得出的可行方案結(jié)合優(yōu)化，徹底解決沙棘果清洗去雜效率低、沙棘和雜質(zhì)分離效果不佳、水資源浪費、營養(yǎng)物質(zhì)流失等問題。并且使沙棘果預(yù)處理工藝在沙棘行業(yè)內(nèi)有普遍的適用性，可以根據(jù)實際情況組合使用。

3.1 工藝流程

3.1.1 沙棘果的清洗除雜階段

沙棘原果進入洗果機中的滾筒篩選機，期間使用溫水對沙棘果緩慢解凍，勻速旋轉(zhuǎn)的滾筒篩選機利用不同孔徑的網(wǎng)篩使其雜質(zhì)與果分離，落入清洗水中的泥沙墜入洗果機的錐形底部定期排出；枝條留在滾筒篩中通過旋轉(zhuǎn)進入滾筒篩選機出口頂部的“L型”出料溜槽排出；清洗干凈后的沙棘果通過滾筒篩選機底部落在鏈板輸送機上運入第一打漿機中。

3.1.2 提取分離階段

將清洗分離后沙棘果送至第一打漿機中進行打漿，得到沙棘果漿液和一次果渣。一次果渣送至第一溶渣槽中，同時按一定比例加入復合酶制劑和水，在一定溫度條件下進行生物酶反應(yīng)。經(jīng)過酶反應(yīng)后的一次溶渣料液送至第二打漿機進行打漿，得到沙棘果漿液和二次果渣。向第二溶渣槽中按一定比例加入復合酶制劑和水，在一定溫度條件下進行生物酶反應(yīng)。經(jīng)過酶反應(yīng)后的二次溶渣送至壓榨機中進行壓榨，得到沙棘果漿（汁）液和廢渣。兩次打漿和一次壓榨得到的沙棘果漿（汁）出汁率78%～85%（平均80%），果漿固形物含量在10.5%～11.5%（平均11%）。對于二次打漿和一次壓榨得到的沙棘果漿（汁）可混合收集，也可根據(jù)下一步生產(chǎn)加工需要單獨利用。

提取分離技術(shù)主要包括生物酶工程和打漿、壓榨等技術(shù)，將沙棘果中的汁液與皮渣、種子分離出來。沙棘果渣再依次經(jīng)過兩次溶渣浸泡，期間利用生物酶反應(yīng)將包裹在果渣中的大量營養(yǎng)物質(zhì)釋放出來，提高出汁率[12]，也為后續(xù)沙棘果漿（汁）的精制創(chuàng)造條件。然后與循環(huán)洗果水中的營養(yǎng)成分一起回收至最終產(chǎn)品，提高了產(chǎn)品的營養(yǎng)性和資源利用率、單位原料的成品率，降低了單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

3.1.3 洗果水處理階段

洗果機底部第一污水室排出的洗果污水先經(jīng)過刮板式除渣裝置進行初步除雜，接著送至沉降桶中進行絮凝沉降，沉降桶內(nèi)的上清液經(jīng)過曲面篩去除雜質(zhì)之后作為去雜裝置、溶渣槽的清洗水循環(huán)利用；洗果機底部第二污水室排出的污水和沉降桶內(nèi)底部的污泥通過板框壓濾機壓濾之后得到清洗水和泥餅；清洗水作為車間衛(wèi)生清洗水被儲存在儲水桶中，泥餅由于其偏酸性且含有的營養(yǎng)成分可經(jīng)過調(diào)配、生物發(fā)酵等后續(xù)處理，用作肥料或用于鹽堿地治理，沙棘果加工預(yù)處理工藝改進流程見圖5。

圖5 沙棘果加工預(yù)處理工藝改進流程圖

3.2 優(yōu)勢對比分析

本研究在內(nèi)蒙古宇航人高技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限責任公司沙棘果加工車間進行了中試研究分析比對，采用內(nèi)蒙古中部地區(qū)的沙棘果為原料，通過原生產(chǎn)工藝和改進后的工藝技術(shù)方案，進行了比對試驗，具體實驗結(jié)果如表1所示。通過實驗數(shù)據(jù)對比可知，改進后的沙棘果預(yù)處理工藝技術(shù)方案可以突破現(xiàn)有工藝瓶頸，改進后工藝技術(shù)方案增加了兩次溶渣，應(yīng)用了生物酶工程技術(shù)，沙棘果出汁率由65%提高到80%以上，固形物含量下降到11%左右，清洗用水量由過去的5 t/噸果，降低到2 t/噸果，實現(xiàn)節(jié)約用水、減少營養(yǎng)成分流失、提高生產(chǎn)質(zhì)量等目標。在操作運行時，核心工藝可以完全實現(xiàn)其功能，及時分離枝條泥沙；清洗水循環(huán)系統(tǒng)正常運行，不僅保證供水充足，而且減少水中含有的營養(yǎng)物質(zhì)流失；高效分離雜質(zhì)保障產(chǎn)品質(zhì)量安全，同時降低后續(xù)打漿機、分離機等設(shè)備的損耗。

表1 工藝技術(shù)比對生產(chǎn)記錄表

4 結(jié)論

我國加工企業(yè)在沙棘果清洗和預(yù)處理過程中普遍技術(shù)水平偏低，由此造成產(chǎn)品質(zhì)量低和資源利用率低等問題，制約著行業(yè)的發(fā)展。而伴隨著沙棘市場的不斷擴展，沙棘工業(yè)化發(fā)展將會越來越高效化、智能化、環(huán)?；?。沙棘果預(yù)處理工藝改進基于TRIZ理論激發(fā)創(chuàng)新思維，突破技術(shù)瓶頸，改進后對工藝流程反復試驗，生產(chǎn)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，生產(chǎn)質(zhì)量顯著提高，生產(chǎn)成本明顯降低。體現(xiàn)出高效高值、節(jié)水環(huán)保的加工工藝體系，推動沙棘行業(yè)發(fā)展，在未來具有非常廣闊的應(yīng)用前景。