卿艷梅 李長友

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

中國龍眼產(chǎn)量大，約占全球50%以上[1]。龍眼成熟于高溫潮濕季節(jié)，鮮果水分含量高、不易貯存且加工適期短，而其深加工產(chǎn)品有很高的經(jīng)濟(jì)價值[1-3]，及時完成產(chǎn)后加工，對其產(chǎn)業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。龍眼剝殼去核是其深加工的重要前工序，龍眼果酒、果汁等對果肉完整性要求不高，剝殼后采用刮板打漿篩分去核[4-5]；而龍眼罐頭、干果等要求去核后果肉為燈籠狀。龍眼果肉柔軟多汁，獲取燈籠狀果肉是其機(jī)械去核的難點[6-7]。

前人已對水果的去核加工技術(shù)進(jìn)行了大量研究，如對單核果，紅棗的棗核大多呈梭狀，紅棗去核采用空心圓筒刀具插核再頂核全自動化去除果核[8-9]，杏果采用人工豎向擺放且用十字爪形刀頭沖核[10]及荔枝用柔性去核刀具切除果蒂組織抓取出果核[11]。近年就龍眼去核裝置及關(guān)鍵技術(shù)研究取得了很多研究成果[12-16]，但專利及裝置因可靠性、對物料的適應(yīng)性及加工果品質(zhì)量等問題使得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用困難。目前龍眼燈籠狀果肉大多仍依靠手工去核，不符合食品衛(wèi)生及不適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)[17]。為獲取龍眼燈籠狀果肉，剝殼后一般采用頂桿沖核，試驗擬對頂桿直徑、頂桿速度和橡膠墊圈孔徑各因素對去核性能的影響進(jìn)行研究，以期為龍眼機(jī)械去核獲取燈籠狀果肉提供設(shè)計依據(jù)。

1 龍眼去核工作原理和關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 龍眼去核工作原理

龍眼為單核果，果核近球形位于整果中心，果核材質(zhì)較脆且個體大小差異顯著。果殼、肉和核三者之間通過蒂部海綿狀組織連接，其他部位均為光滑表面且無粘連，剝殼后果肉外有一層光滑韌性薄膜，對果肉有一定保護(hù)作用。

如圖1所示為去核原理圖，頂桿作上下往復(fù)運動且與承料孔精確定位，剝殼后的龍眼果置于去核孔架上，去核孔架上安裝了柔性定位橡膠墊圈，墊圈孔邊緣相對于柔軟龍眼果肉則如柔性圓形刀具，在頂桿向下運動壓至龍眼果且果核未被頂出前，橡膠墊圈孔邊先把接觸處龍眼下方一小塊果肉切離，頂桿向下運動的沖力將龍眼核頂出，果核從去核孔往下掉落，隨重力下落到收集器，完成去核工序。

1.萬能試驗機(jī) 2.拉力傳感器 3.調(diào)速器 4.去核頂桿 5.橡膠墊圈 6.去核孔架 7.已剝殼龍眼 8.螺釘 9.去核口圖1 龍眼去核原理圖Figure 1 The principle of longan core removal

1.2 去核過程中的受力分析

1.2.1 果核的受力分析 圖2為龍眼去核中果核的受力圖，要使果核順利被頂出，則要滿足

Ft≥f+N+Fjsinβ，

(1)

式中：

Ft——頂桿去核力，N；

f——摩擦力，N；

N——果肉垂直方向包裹力，N；

Fj——核與果肉蒂部結(jié)合力，N；

β——蒂部與垂直方向的夾角，°。

頂桿去核力Ft由試驗臺測出，與頂桿速度有關(guān)，過小沖擊力不能頂出核或使果蒂拖曳果肉而增加果肉損失；過大的去核力易使果核捅裂、捅碎而不能順利去核，破碎及殘留果核也讓果肉品質(zhì)變差，如圖3所示。龍眼果肉與果核的摩擦力f較小，因果肉與果核接觸面是光滑無粘連(除蒂部外)；果肉包裹力N與果肉厚度有關(guān)，果肉包裹力N和蒂部結(jié)合力Fj可依據(jù)文獻(xiàn)[18]。

1.頂桿 2.果蒂 3.果肉 4.果核 5.孔架 6.去核孔圖2 龍眼去核過程中果核的受力Figure 2 Force analysis of kernel in coreing process

圖3 龍眼去核后果核圖Figure 3 Kernels chart after stoning

1.2.2 果肉的受力分析 果肉受力如圖4所示，果肉受果核和頂桿擠壓力Ft'、橡膠墊圈支撐反力Nd1和Nd2、摩擦力f'及蒂部組織對果肉拉力Fj'。擠壓力和蒂部組織對果肉的拉力太大，使橡膠墊圈的支撐反力增大，對果肉的完整性不利。去核中的果肉損傷主要有擠壓損傷和撕裂損傷，包括頂桿切入對果肉的擠壓、果核和去核孔對果肉的損傷以及果核與果肉連接的蒂部組織對果肉的撕裂等。頂桿直徑和果核越大，去核時對果肉的擠壓損傷越大。頂桿去核力遠(yuǎn)大于果肉抗壓力時，頂核時果肉下端會被彈性橡膠墊切去一小塊而造成果肉的損失。

圖4 龍眼去核過程中果肉受力Figure 4 Force analysis of longan pulp

當(dāng)去核力與果肉、果核蒂部組織接合力相比不是足夠大，去核時因果核的結(jié)蒂組織拖拽果肉，果肉在撕裂力的作用下破損，果核蒂部粘連果肉致果肉損傷和損失。圖5為預(yù)備試驗去核后果肉圖。

圖5 龍眼去核后果肉圖Figure 5 Pulps chart after stoning

通過上述分析可知，要保證龍眼果核順利被頂出又不破碎，減少果汁果肉損失和保持果肉的完整性，去核關(guān)鍵部件應(yīng)滿足以下要求：① 頂桿要有合適的向下沖擊力和直徑；② 彈性橡膠墊圈要有合適的去核孔徑和足夠的柔性；③ 盡可能降低各構(gòu)件作用于果肉的力。

1.3 去核關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3.1 頂桿 龍眼果核平均直徑約為外徑的50%，為減小果肉損失，頂桿直徑不能按果核最大外徑來設(shè)計，頂桿直徑越小對果肉的擠壓損傷越小，但去核預(yù)備試驗中發(fā)現(xiàn)，頂桿直徑在4 mm以下時出現(xiàn)難脫核、碎核現(xiàn)象，見圖3(b)。

根據(jù)預(yù)備試驗和龍眼物性，設(shè)計7根直徑為4，5，6，7，8，9，10 mm的頂桿，其長度均為40 mm，去核桿徑<7 mm的頂桿，其頭部長度均為10 mm、直徑為8 mm以方便夾持；其他為直桿，頂桿都采用圓柱狀平底面，材質(zhì)為不銹鋼，如圖6所示。

圖6 不同直徑的頂桿Figure 6 Ejector rod of different diameter

1.3.2 柔性橡膠墊圈和孔架 頂桿作用力通過試驗臺自帶軟件生成力學(xué)曲線，頂桿向下運動推擠到果核，去核力快速上升并達(dá)峰值，迫使果核向下運動，一旦果核與蒂部果肉分離下移時，去核力迅速下降。在預(yù)去核試驗中，柔性橡膠墊圈孔徑為12 mm或更小時，其去核力增加，可知當(dāng)核大而去核孔徑過小其沖核阻力增大。

橡膠墊圈有彈性，橡膠墊圈孔直徑比龍眼核略小時依然能成功去核。橡膠墊圈孔徑越大，去核時切除的小塊肉質(zhì)量也越大，損失率增加(未考慮小塊果肉回收)；當(dāng)果核大而去核孔徑過小會增大去核力，過大去核力易使果核被擠裂或捅碎。

根據(jù)前期預(yù)備試驗和果核物性，設(shè)計了橡膠墊圈孔徑為15.0，14.0，13.0，12.2 mm，孔架孔徑為16 mm，橡膠墊圈為食品級PP彈性材質(zhì)，加工好后用螺釘固定在不銹鋼金屬孔架上，見圖1。

2 龍眼去核試驗

2.1 試驗材料

廣東“儲良”龍眼鮮果，個體形態(tài)及成熟度良好，果實大小先分級，手動剝殼后完整帶核果肉，整果質(zhì)量約在9.5～16.5 g，果核直徑約在11～16 mm。

2.2 試驗設(shè)備

以濟(jì)南試驗機(jī)廠生產(chǎn)的WD-E精密型微控電子式萬能試驗機(jī)為作業(yè)平臺，傳感器量程為0～20 kN，精度為0.1 N。在垂直升降上壓板中固定去核頂桿，靜止下壓板上安裝帶有橡膠墊圈的孔架作為試驗平臺，以及日本A&D公司生產(chǎn)的HF-300/d型上皿式精密電子天平、游標(biāo)卡尺和計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.3 評價指標(biāo)

2.3.1 去核成功率 按式(2)計算。

(2)

式中：

S——去核成功率，%；

n1——去核成功的龍眼數(shù)，個；

n——試樣龍眼總數(shù)，個。

2.3.2 去核損失率 按式(3)計算。

(3)

式中：

η——去核損失率，%；

m1——去核中損失的果肉和果汁質(zhì)量，g；

m2——剝殼后整果質(zhì)量，g。

2.3.3 果肉完整性 參照文獻(xiàn)[5]。

2.4 龍眼去核單因素試驗

以頂桿直徑、頂桿速度、橡膠墊圈去核孔徑為試驗因素進(jìn)行單因素去核試驗，記錄龍眼去核前的質(zhì)量、去核后果肉質(zhì)量和果核質(zhì)量,每組試驗選取20個試樣，重復(fù)5次取平均值。

(1) 頂桿直徑：取頂桿直徑4，5，6，7，8，9，10 mm共7個水平，頂桿速度500 mm/min，橡膠墊圈去核孔直徑為15 mm。

(2) 頂桿速度：取頂桿速度180，360，500 mm/min共3個水平，頂桿直徑為10 mm，橡膠墊圈去核孔直徑為15 mm。

(3) 橡膠墊去核孔徑：取橡膠墊圈孔徑15.0，14.0，13.0，12.2 mm共4個水平，頂桿速度500 mm/min，頂桿直徑10 mm。

2.5 龍眼去核正交試驗

為進(jìn)一步探究各因素對去核性能影響的顯著性以及影響的主次關(guān)系，在單因素試驗基礎(chǔ)上，開展正交試驗。取頂桿直徑、橡膠墊圈孔徑和頂桿速度3個試驗因素和去核較好的3個水平進(jìn)行正交試驗，如表1所示。每組試驗選取100個試樣，重復(fù)3次取平均值。選取L9(34)正交表安排試驗。試驗時選擇大小相差不大的龍眼果實手動將其果殼剝離用做去核試樣，每組去核試驗后，分別測出取樣總質(zhì)量，包括完整剝殼后整果質(zhì)量、去核果肉質(zhì)量、果核質(zhì)量等數(shù)據(jù)，記錄并計算去核成功率、損失率和果肉完整性。

表1 龍眼去核正交試驗因素水平表Table 1 Factor level of longan stoning orthogonal experimental

2.6 試驗結(jié)果與分析

2.6.1 單因素試驗結(jié)果 不同頂桿直徑的去核試驗結(jié)果如圖7所示。頂桿直徑>6 mm其去核率為99%以上，試驗中發(fā)現(xiàn)，頂桿直徑為4 mm出現(xiàn)難脫核或核捅碎現(xiàn)象，使部分碎核殘留果肉中，故頂桿直徑不宜太小。頂桿直徑為7 mm時損失率較小。頂桿直徑為7 mm去核后果肉完整性較好，直徑為10 mm時果肉完整性稍差，說明大直徑頂桿對果肉的擠壓力大而影響果肉完整性。

圖7 不同頂桿直徑去核試驗結(jié)果Figure 7 Results of stoning by different diameter ejector rod

不同頂桿速度的去核試驗結(jié)果如圖8所示。在試驗速度內(nèi)，果肉完整性在0.95以上，說明頂桿速度在0～500 mm/min對果肉的沖擊小。后期試驗可在更高的速度下進(jìn)行，考慮現(xiàn)有低速去核試驗各項指標(biāo)較好，在低速完成去核，而空行程退回采用較高速度快速復(fù)位，并將頂桿定在較短行程約40 mm，以提高去核效率。頂桿速度低至180 mm/min，損失率高的原因是頂桿去核力小，果蒂組織拖曳果肉所致。

圖8 不同頂桿速度去核試驗結(jié)果Figure 8 Results of stoning by different speed ejector rod

不同橡膠墊圈孔徑的去核試驗結(jié)果如圖9所示。橡膠墊圈孔徑對去核后果肉完整性影響小，其去核后果肉完整性達(dá)0.95以上。當(dāng)橡膠墊圈孔徑為12.2 mm，因孔徑小而果核不能順利通過或被擠碎，使其去核成功率低。龍眼去核損失率隨橡膠墊圈孔徑的增大而增大，因果肉與墊圈孔徑相接觸而果肉被切掉小塊，可回收切下的小塊果肉以減小損失率。

圖9 不同橡膠墊圈孔徑去核試驗結(jié)果Figure 9 Results of stoning by different rubber washer aperture

2.6.2 正交試驗結(jié)果

由表2可知，影響去核成功率的因素順序為頂桿直徑、橡膠墊圈孔徑>頂桿速度；影響損失率因素順序為橡膠墊圈孔徑>頂桿直徑>頂桿速度；影響果肉完整性的因素順序為橡膠墊圈孔徑、頂桿速度>頂桿直徑，頂桿直徑在7～8 mm對果肉完整性影響小。

表2 龍眼去核正交試驗結(jié)果及極差分析Table 2 Orthogonal test results of longan stoning and range analysis

由表3可知，橡膠墊圈孔徑對去核成功率的影響顯著，頂桿直徑和頂桿速度表現(xiàn)為不顯著。橡膠墊圈孔徑對去核損失率的影響極顯著，頂桿直徑對去核損失率的影響顯著，頂桿速度表現(xiàn)為不顯著。

表3 龍眼去核試驗結(jié)果的方差分析?Table 3 Variance analysis of longan stoning test results

橡膠墊圈孔徑對果肉損失率的影響極顯著，主要原因是橡膠墊圈孔會將果肉下部切去一小塊肉，隨果核一起通過去核孔掉落，要避免果肉下端被橡膠墊切去一小塊，可采取更加柔軟的橡膠墊，以使頂桿作用力主要由果核來承受，而果肉受到的擠壓則由果肉和橡膠的足夠彈性變形來共同分擔(dān)，以減小果肉的損傷。后續(xù)進(jìn)一步試驗，可設(shè)計定向輸送機(jī)構(gòu)，以期獲取龍眼蒂部位于最下部即去核孔上，這樣橡膠墊圈切去一小塊果肉的大部分是果蒂組織，減少了果肉和果蒂組織的結(jié)合力從而使所需去核力小，且可減少去核時果蒂組織拖拽果肉，可降低損失率。

從上述對各評價指標(biāo)的分析可知，影響去核性能的因素順序依次為B、A、C。對去核成功率其三因素的優(yōu)方案是A3B3C1或A3B3C2，對去核損失率其優(yōu)方案是A1B1C1，對果肉完整性其優(yōu)方案是A1B3C1。分析得出去核綜合性能最好的試驗方案為A1B3C1，即頂桿直徑為7 mm，橡膠墊圈孔徑為14 mm，頂桿速度為400 mm/min。

3 結(jié)論

影響龍眼去核成功率的主要因素為頂桿直徑、橡膠墊圈孔徑，頂桿直徑較小為4 mm時出現(xiàn)難以脫核或是核被捅碎現(xiàn)象，橡膠墊圈孔徑較小為12 mm時去核成功率較低。影響損失率的因素順序為橡膠墊圈孔徑>頂桿直徑>頂桿速度，損失率隨橡膠墊圈孔徑的增大而增大。

柔性果龍眼采用頂核式和橡膠墊圈柔性定位以機(jī)械去核獲取燈籠狀果肉是可行性的。

后續(xù)可研究去核前設(shè)計定向輸送機(jī)構(gòu)，使龍眼蒂部剛好位于去核孔位置，這樣因橡膠墊圈切去的一小塊果肉大部分是果蒂組織，以減少果肉損失及果蒂組織拖拽果肉。