◎ 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(zé)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，具有保健、醫(yī)用功能。沙棘被譽(yù)為天然維生素的寶庫(kù)，是目前世界上含有天然維生素種類(lèi)最多的珍貴經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種，其維生素C的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鮮棗和獼猴桃。沙棘中含有的粗纖維能促進(jìn)腸道蠕動(dòng)，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(qiáng)機(jī)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(dòng)脈粥樣硬化癥，并有促進(jìn)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(guó)正式將沙棘列入《中華人民共和國(guó)藥典》[2-5]。

目前，全國(guó)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(dá)，具有根瘤菌及超強(qiáng)的側(cè)根萌蘗性系統(tǒng)，抗逆境能力很強(qiáng)，能在干旱貧瘠及鹽堿地等極端土壤環(huán)境下生長(zhǎng)成林，因而被視為水土保持和防風(fēng)固沙的先鋒植物，在我國(guó)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(hù)岸等重要作用[5-6]。

我國(guó)現(xiàn)有3 000多家各類(lèi)沙棘加工廠，涵蓋食品、保健品、化妝品、藥品等8大類(lèi)200余種產(chǎn)品[6]。隨著沙棘市場(chǎng)不斷發(fā)展，沙棘果利用率也在不斷擴(kuò)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(yíng)養(yǎng)成分和活性物質(zhì)在預(yù)處理階段流失。本文通過(guò)TRIZ理論對(duì)沙棘預(yù)處理工藝進(jìn)行研究和改進(jìn)，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(wèn)題

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與居民生活水平的提高，關(guān)于沙棘營(yíng)養(yǎng)、藥用等價(jià)值的不斷推廣，沙棘產(chǎn)品逐漸獲得市場(chǎng)認(rèn)可。銷(xiāo)售量逐年增加，沙棘原果的市場(chǎng)需求量增大，對(duì)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(chǔ)存在-18 ℃以下的冷凍庫(kù)[2,7]，在我國(guó)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(huì)將冷凍的沙棘原果采用洗果機(jī)解凍清洗，通過(guò)熱水緩慢給沙棘凍果解凍，并通過(guò)噴淋、鼓泡等方式對(duì)沙棘果進(jìn)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(shí)現(xiàn)分離，清洗后的沙棘果直接通過(guò)鏈板輸送機(jī)進(jìn)入打漿機(jī)（壓榨機(jī)）進(jìn)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，部分企業(yè)對(duì)其進(jìn)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(shí)間后再次進(jìn)入壓榨機(jī)中進(jìn)行二次壓榨，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的回收，沙棘果加工預(yù)處理工藝流程見(jiàn)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(jiǎn)單，操作過(guò)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(dòng)強(qiáng)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(dāng)一部分沙棘枝條會(huì)隨著沙棘果一起進(jìn)入后續(xù)的打漿工序，使得后續(xù)沙棘果汁的處理工藝復(fù)雜、設(shè)備負(fù)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(guò)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(fèi)的現(xiàn)象，如沙棘果清洗水中含有大量的渣滓無(wú)法直接回收利用，需要經(jīng)過(guò)蓄水槽濾板循環(huán)使用，而過(guò)濾網(wǎng)板在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(bǔ)給純凈水。

1.2 預(yù)處理工藝問(wèn)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(diǎn)，極易破漿，因此不易清洗，導(dǎo)致在預(yù)處理工藝階段出現(xiàn)比較嚴(yán)重的問(wèn)題。據(jù)初步了解，在沙棘果清洗過(guò)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(fèi)和營(yíng)養(yǎng)成分的大量損失。在沙棘果清洗過(guò)程中，由于使用熱水及機(jī)械性的外力損傷，部分沙棘果破漿，造成沙棘果中的有機(jī)酸、維生素C、可溶性固形物等營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)入洗果水中，隨著洗果水被外排而損失。檢測(cè)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(lái)，帶入果漿（汁）中。泥沙對(duì)后續(xù)加工的打漿機(jī)、離心機(jī)造成負(fù)擔(dān)和損害，嚴(yán)重時(shí)可損壞設(shè)備；混入沙棘果中的枝條、葉片等會(huì)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(jìn)研究

2.1 TRIZ理論簡(jiǎn)介

20世紀(jì)50年代末，阿奇舒勒為全新的發(fā)明問(wèn)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(jìn)化的客觀規(guī)律，既可被認(rèn)知也可用于解決發(fā)明性問(wèn)題。TRIZ理論的主要優(yōu)點(diǎn)是從成千上萬(wàn)個(gè)可能的解決方案中快速找出復(fù)雜發(fā)明問(wèn)題。TRIZ理論核心思想：不同行業(yè)遇到的問(wèn)題，可采用相同原理解決；產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)不是隨機(jī)的，而是按照一定的規(guī)律在發(fā)展進(jìn)化。TRIZ理論相對(duì)于傳統(tǒng)方法，可以減少傳統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段耗時(shí)、低效等問(wèn)題。它采用科學(xué)的問(wèn)題求解方法，將特殊問(wèn)題轉(zhuǎn)化為問(wèn)題模型，應(yīng)用TRIZ尋找標(biāo)準(zhǔn)解得到解決方案模型，在此基礎(chǔ)上形成初始問(wèn)題的具體解決方案。而且在選取最佳方案時(shí)便可抓住主要矛盾，聯(lián)系實(shí)際，全面評(píng)估改進(jìn)設(shè)計(jì)使之切實(shí)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(jìn)中的應(yīng)用

（1）將沙棘果清洗系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用TRIZ理論和方法進(jìn)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(yùn)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(wèn)題的根本原因：枝條堵塞蓄水槽濾板，無(wú)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(chǎng)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(wèn)題。通過(guò)方案的匯總和擇優(yōu)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)試驗(yàn)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(jìn)研究中，兩次利用TRIZ理論，通過(guò)不同視角對(duì)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，一次改進(jìn)是對(duì)洗果機(jī)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(jìn)入后續(xù)裝置的現(xiàn)象；二次改進(jìn)是對(duì)蓄水槽濾板遭遇枝條、泥沙聚集后出現(xiàn)的堵塞問(wèn)題。

一次改進(jìn)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(gè)方案得出的工藝技術(shù)方案，在洗果機(jī)中安裝滾筒篩選機(jī)、鏈板輸送機(jī)，并且利用空間分布原理，根據(jù)物料的比重、粒徑等不同，對(duì)滾筒篩選機(jī)進(jìn)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(guò)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(jìn)入鏈板輸送機(jī)，枝條留在滾筒篩中通過(guò)出料溜槽排出。這次方案的改進(jìn)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒篩選機(jī)實(shí)現(xiàn)了沙棘果實(shí)、泥沙、枝條的分離，然后在滾筒篩選機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，清洗槽中的水對(duì)果實(shí)進(jìn)行清洗，提高了清洗去雜效率和效果。一次改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 一次改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

二次改進(jìn)方案利用裁剪法對(duì)功能模型進(jìn)行裁剪，由于枝條和泥沙的聚集導(dǎo)致堵塞濾板是有害功能，那么對(duì)其功能進(jìn)行裁剪，替換為刮板式除渣裝置實(shí)現(xiàn)功能正常，再利用曲面化原理和動(dòng)態(tài)特性原理使刮板式除渣裝置同時(shí)具有自清理濾板和排渣的功能，不會(huì)出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，保證洗果水快速過(guò)濾。二次改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 二次改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)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(jìn)流程示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 沙棘果加工預(yù)處理工藝改進(jìn)流程示意圖

3 沙棘果預(yù)處理工藝技術(shù)改進(jìn)方案

針對(duì)目前沙棘果預(yù)處理工藝出現(xiàn)的問(wèn)題，利用TRIZ理論進(jìn)行研究改進(jìn)，得出可行工藝技術(shù)方案，結(jié)合實(shí)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(fèi)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失等問(wèn)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(shí)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(jìn)入洗果機(jī)中的滾筒篩選機(jī)，期間使用溫水對(duì)沙棘果緩慢解凍，勻速旋轉(zhuǎn)的滾筒篩選機(jī)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(jī)的錐形底部定期排出；枝條留在滾筒篩中通過(guò)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入滾筒篩選機(jī)出口頂部的“L型”出料溜槽排出；清洗干凈后的沙棘果通過(guò)滾筒篩選機(jī)底部落在鏈板輸送機(jī)上運(yùn)入第一打漿機(jī)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(jī)中進(jìn)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(shí)按一定比例加入復(fù)合酶制劑和水，在一定溫度條件下進(jìn)行生物酶反應(yīng)。經(jīng)過(guò)酶反應(yīng)后的一次溶渣料液送至第二打漿機(jī)進(jìn)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(fù)合酶制劑和水，在一定溫度條件下進(jìn)行生物酶反應(yīng)。經(jīng)過(guò)酶反應(yīng)后的二次溶渣送至壓榨機(jī)中進(jìn)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(duì)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(dú)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(lái)。沙棘果渣再依次經(jīng)過(guò)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放出來(lái)，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(yíng)養(yǎng)成分一起回收至最終產(chǎn)品，提高了產(chǎn)品的營(yíng)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(jì)效益。

3.1.3 洗果水處理階段

洗果機(jī)底部第一污水室排出的洗果污水先經(jīng)過(guò)刮板式除渣裝置進(jìn)行初步除雜，接著送至沉降桶中進(jìn)行絮凝沉降，沉降桶內(nèi)的上清液經(jīng)過(guò)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(jī)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(guò)板框壓濾機(jī)壓濾之后得到清洗水和泥餅；清洗水作為車(chē)間衛(wèi)生清洗水被儲(chǔ)存在儲(chǔ)水桶中，泥餅由于其偏酸性且含有的營(yíng)養(yǎng)成分可經(jīng)過(guò)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(jìn)流程見(jiàn)圖5。

圖5 沙棘果加工預(yù)處理工藝改進(jìn)流程圖

3.2 優(yōu)勢(shì)對(duì)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(zé)任公司沙棘果加工車(chē)間進(jìn)行了中試研究分析比對(duì)，采用內(nèi)蒙古中部地區(qū)的沙棘果為原料，通過(guò)原生產(chǎn)工藝和改進(jìn)后的工藝技術(shù)方案，進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，改進(jìn)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(jìn)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(guò)去的5 t/噸果，降低到2 t/噸果，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水、減少營(yíng)養(yǎng)成分流失、提高生產(chǎn)質(zhì)量等目標(biāo)。在操作運(yùn)行時(shí)，核心工藝可以完全實(shí)現(xiàn)其功能，及時(shí)分離枝條泥沙；清洗水循環(huán)系統(tǒng)正常運(yùn)行，不僅保證供水充足，而且減少水中含有的營(yíng)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(shí)降低后續(xù)打漿機(jī)、分離機(jī)等設(shè)備的損耗。

表1 工藝技術(shù)比對(duì)生產(chǎn)記錄表

4 結(jié)論

我國(guó)加工企業(yè)在沙棘果清洗和預(yù)處理過(guò)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(wèn)題，制約著行業(yè)的發(fā)展。而伴隨著沙棘市場(chǎng)的不斷擴(kuò)展，沙棘工業(yè)化發(fā)展將會(huì)越來(lái)越高效化、智能化、環(huán)?；?。沙棘果預(yù)處理工藝改進(jìn)基于TRIZ理論激發(fā)創(chuàng)新思維，突破技術(shù)瓶頸，改進(jìn)后對(duì)工藝流程反復(fù)試驗(yàn)，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(dòng)沙棘行業(yè)發(fā)展，在未來(lái)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。