油茶果破壳力学特性试验研究

唐湘，谢方平，2，3＊，李旭，3，刘大为 ，3，王修善，3，欧佳顺，3

（1.湖南农业大学 工学院，湖南 长沙410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙410128；3.南方粮油作物协同创新中心 湖南 长沙410128）

脱壳是油茶果加工的首道工序，也是油茶果加工的技术难题之一，处理不当会造成油茶果仁的损伤，影响其加工产品的品质。油茶果脱壳技术的研究起步较晚，主要是借鉴其它坚果类脱壳设备，如澳洲坚果、龙眼鲜果、核桃等坚果的脱壳技术研究［1～5］。与油茶果物理特性相近的澳洲坚果的脱壳技术已经比较成熟，世界上普遍使用压板式破壳，两压板在机构的驱动下，逐渐缩小间隙压破果壳。另外，有一种螺杆式破壳机，在螺杆上开一个螺旋槽，坚果由螺杆边输送边压破外壳。这两种设计脱壳效率高，适合坚果大产量的加工，缺点是果仁破碎率较高。针对这一问题，大量研究工作者探究了新的澳洲坚果破壳方法和设备，Dursu［6］研究了挤压位置对坚果破壳力的影响，Liu等［7］通过压缩载荷试验研究了澳洲坚果的破裂行为；黄克昌［8］通过试验探索了澳洲坚果不同含水率和破壳效果的关系；Braga等［9］研究了澳洲坚果在压缩载荷小所需要的破壳力、变形和能量；Prussia and Verma［10］研究了一种利用撞击破壳的方法。

对于油茶果脱壳设备和技术的研究，国内相关工作者近几年才开始探究。涂立新［11］研究了一种油茶果脱壳机，该脱壳机采用搓擦原理，油茶果在一个用螺纹钢条焊接的内外笼之间受搓擦而脱壳，螺纹钢条间隙由于焊接不能调整，茶果有可能挤入内笼或外笼，因此该装置对不同大小的油茶果适应性较差；蓝峰、崔勇等［12］等利用撞击、揉搓和挤压原理研究了一种油茶果脱壳清选机，该机采用回转半径不同的脱壳杆，在滚筒里形成一锲形脱壳室，对油茶果进行撞击、挤压脱壳，该脱壳机能适应不同大小的油茶果脱壳，但对含水率较高的油茶果的适应性较差；王建等［13］采用剪切原理研制了一种油茶果脱壳机，该机利用刀片对茶果进行切割脱壳，脱壳效率高，但果仁极易被刀片挤碎，损失率大。油茶果机械脱壳时，存在对不同大小和含水率的适应性差、籽粒破损率大等问题，因此为改善破壳质量，探明油茶果破壳内因非常重要。本文针对油茶果不同的物理特性，研究影响油茶果破壳力大小的因素，试图为油茶果脱壳加工机械设计提供理论依据。

1 试验材料与设备

1.1 试验材料

选用长沙市场购买的普通油茶鲜果，2014年11月收获，试验前油茶果没有堆沤摊晒，含水率70%以上，茶果大小未分级，形状规则，完整、无虫害。

1.2 试验设备

CMT6104微机控制电子万能试验机（精度：0.01N，厂家：深圳市新三思材料检测有限公司）、DHG－9030A电热恒温鼓风干燥机（精度：0.1℃，厂家：镇江市科密仪器仪表有限公司）、游标卡尺（精度：0.02mm，厂家：上海九量五金工具有限公司）、电子称（精度：0.1g，生产厂家：广州市贺氏办公设备有限公司）。

2 试验方法

一般坚果破壳的难易程度既与果实本身物理特性有关，如含水率、形状、大小等，又与外界压力的加载条件等因素有关［14］。本试验选取油茶果的含水率、直径大小、加载方向、加载速率作为影响因素，以确定各因素对破壳力大小的影响规律。

2.1 油茶果含水率的确定

油茶果鲜果采摘后含水率最大，随着堆沤时间的增长其含水率逐渐减少。因此，在收获日（设定日）后取5kg油茶果鲜果分成5份，分别摊晒1、2、3、4、5天，利用 DHG－9030A电热恒温鼓风干燥机定期对油茶果进行水分测量，测得含水率5 个 水 平 分 别 为 73.2%、65.6%、52.5%、43.7%、28.6%。

2.2 油茶果直径大小的确定

成熟后的油茶鲜果大小不一，呈椭球形，直径大致在15～40mm之间，利用游标卡尺对油茶鲜果进行测量，将油茶鲜果分成5个直径等级，分别为A级（15～20mm）、B级（20～25mm）、C级（25～30 mm）、D级（30～35mm）、E级（35～40mm）。

2.3 加载方向的确定

油茶果的几何形状近似于椭球体，试验加载方向如图1所示，X方向指平行于茶果根顶连线方向。

图1 油茶果加载方向Fig.1 The loading direction of camellia fruit

2.4 加载速率的确定

一般农业物料压缩加载速率的范围为2～100 mm·min－1［14］，试验中选择的加载速率为5～80 mm·min－1，在这个范围内设定5个不同的加载速率，分别为5、10、20、40和80mm·min－1。

压力试验机加载试验采用的的压头为平板压头，当压头接触到油茶果时，其显示器开始显示压力数据；直到油茶果因受力增大开始破裂时，压力骤减而自动停机，记录压力峰值；每次试验时任意选用5颗油茶果，最后取试验结果的平均值［15～17］。

试验数据采用SPSS软件进行方差和回归分析。

3 试验结果与分析

3.1 油茶果物理特性结果与分析

从购买的普通油茶鲜果中，随机选取40颗，利用游标卡尺依次对油茶果外形尺寸进行测定，统计结果如表1，图2所示。

表1 普通油茶果物理特性参数统计结果Table 1 Statistical results of physical parameters of the Camellia fruit

图2 油茶果物理特性直方图Fig.2 Camellia fruit physical parameters of histogram

表1为油茶荚果直径、果壳厚、壳仁间隙包括的均值、方差等统计参数结果。从图2可以直观的看出，所测油茶果4个参数的高峰值及分散状况，其中，荚果直径多数集中在30～35mm，果壳厚2.5～4.5mm，壳仁X向间隙0.3～0.6mm，壳仁Y向间隙0.1～0.35mm。

由统计结果可知，荚果直径方差较大，说明油茶果大小不一，差异较大；果壳厚方差较小，果壳厚度比较均匀；壳仁X向间隙大于Y向间隙。

3.2 油茶果破壳力学特性试验结果与分析

3.2.1 加载方向对油茶果破壳力的影响

经上述对油茶果物理特性的研究可知，油茶鲜果直径多数集中在30～35mm（D级），含水率为65.6%左右，因此，取D等级、含水率为65.6%的油茶鲜果，加载速率为20mm·min－1，通过对油茶果沿X向、Y向加载直到油茶果破裂。在每一个方向下各进行5次试验，根据每次试验的力－变形曲线，分析不同加载方向对油茶果破壳力的影响。其F－S曲线见图3。

图3 沿不同方向加载的F－S曲线Fig.3 The curve of F－S that following the different direction loading

由图3可见，油茶果在准静态压缩试验刚开始时，油茶果所受的压力与变形量之间呈线性增长关系，当压缩至某一载荷时，油茶果的果壳纤维组织出现裂纹，果壳的强度急剧降低，图中曲线开始下降，此时所对应的最大压力即为油茶果破壳力。

根据沿不同方向的加载方式，计算各方向的破壳力的平均值（见表2），可知加载方向不同，破壳力大小也不同。沿Y向加载时破壳力大于沿X向加载的破壳力。由表1可见，壳仁之间的间隙沿X向最大，因此果壳开裂时破壳力沿X向加载时最小。另外，由于果壳组织结构的纤维是沿X向的，破壳时裂口沿X向分布，因而沿X向施加外力，外壳易破裂。

表2 不同加载方向时油茶果的破壳力及均值Table 2 The broken shell force and average of camellia fruit at different direction load

3.2.2 不同加载速率对油茶果破壳力的影响

取D等级，含水率为65.6%的油茶果，采用X向加载方式，通过5个不同的加载速率对油茶果进行加载直至破裂，每个加载速率各进行5次试验，根据每次试验的力－变形曲线，记录油茶果开裂时的破壳力值，并计算其平均值，结果见表3。对不同加载速率下的破壳力进行方差分析，得到结果见表4。

表3 不同加载速率时油茶果的破壳力及均值Table 3 The broken shell force and average of camellia fruit at different loading speed

表4 加载速率的方差分析Table 4 The variance analysis of loading speed

表4中F＝17.255＞F0.01（4，20），故加载速率对破壳力的影响极为显著，不同加载速率时油茶果的破壳力不相同。利用SPSS软件，对试验数据进行相关性分析，得到加载速率与破壳力之间的关系曲线，如图4所示。对试验数据进行二次函数拟合，得到破壳力y与加载速率x1之间的关系式为：

式 中：y － 破 壳 力／N；x1—加 载 速率／mm·min－1

对非线性回归方程进行拟合分析，用非线性的相关系数R2验证，得到R2＝0.997。此系数非常接近1，因此方程拟合良好，由曲线图可知破壳力随加载速率的增加先升高后降低。

3.2.3 含水率对破壳力的影响

采用X向加载方式，加载速率为20mm·min－1，选择5个不同含水率水平的D等级油茶果进行加载直至破裂，每个水平各进行5次试验，根据每次试验的力－变形曲线，记录油茶果开裂时的破壳力值，并计算其平均值，结果见表5。对不同含水率油茶果进行方差分析，结果见表6。

图4 加载速率和破壳力的关系曲线Fig.4 The relationship of loading speed andbreak froce

表5 不同含水率的油茶果破壳力及均值Table 5 The broken shell force and average of camellia fruit at different moisture content

表6 油茶果含水率的方差分析Table 6 The variance analysis of moisture content of camellia fruit

表6中F＝17.255＞F0.01（4，20），故含水率对破壳力的影响极为显著，不同含水率油茶果的破壳力不相等。利用SPSS软件，对试验数据进行相关性分析，得到加载速率与破壳力之间的关系曲线，如图5所示。同样对试验数据进行二次函数拟合，得到破壳力y与含水率x2之间的关系式为：

式中：y－破壳力N；x2—油茶果含水率%

图5 含水率和破壳力的关系曲线Fig.5 The relationship of water content andbreak froce

对非线性回归方程进行拟合分析，用非线性的相关系数R2验证，得到R2＝0.983.此系数非常接近1，因此方程拟合良好，由曲线图可知油茶果含水率越大破壳力越大。这是由于油茶果壳主要由纤维素组成，水分越少，纤维的脆性越大、韧性越小，其抵抗破裂的能力就越小，当含水率降低到一定程度时，果壳会从顶部裂开，破壳力随之进一步降低。

3.2.4 油茶果直径对破壳力的影响

取含水率为65.6%的油茶果，采用X向加载方式，加载速率为20mm·min－1，通过对5个不同直径水平的油茶果进行加载直至破裂，每个水平各进行5次试验，根据每次试验的力－变形曲线，记录油茶果开裂时的破壳力值，并计算其平均值（表7）。对不同直径的油茶果进行方差分析，得到结果见表8。

表7 不同直径的油茶果破壳力及均值Table 7 The broken shell force and average of camellia fruit at different diameter

表8 油茶果直径的方差分析Table 8 The variance analysis of diameter of camellia fruit

表8中F＝23.420〉F0.01（4，20），故油茶果的直径对破壳力的影响极为显著，不同直径的油茶果的破壳力不相同，直径越大，油茶果的破壳力越大。这是由于较小的荚果饱满度不大，果壳较薄，壳仁间隙较大，破壳力较小，随着荚果尺寸的增加，果壳间隙减少，破壳力随之增加。

4 结论与讨论

本文对油茶果的物理特性进行了测定与分析，并进行了准静态压缩试验，对影响油茶果破壳力的因素展开研究，结果表明：

1）影响油茶果破壳力的主要因素为加载方向、加载速率、油茶果含水率以及油茶果直径大小。

2）对油茶果施加不同载荷，结果发现沿茶果根顶连线方向（X向）加载更省力。

3）方差分析表明加载速率、油茶果含水率和油茶果直径大小对破壳力的影响极为显著。破壳力随加载速率的增加先升高后降低，随含水率和直径的增加而升高。对加载速率、油茶果含水率与破壳力的关系模型进行了二次函数拟合分析，方程拟合良好。

油茶果的破壳难易程度除了受自身物理特性的影响，还与外界受力情况有关，研究两者的相关性为油茶果脱壳加工机械的设计提供了理论依据。

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