核桃破壳及其装备研究进展

沈柳杨 张宏 唐玉荣+刘扬 李勇

摘要：破壳是核桃精深加工的首要环节，对提升核桃经济附加值及其产业化发展具有重要作用。在介绍目前核桃破壳发展概况的基础上，重点阐述国内外有关核桃破壳及其装备的研究成果，分析相关破壳装备的结构与性能特点，并指出核桃破壳研究中存在的不足，对核桃破壳提出相应的建议。

关键词：核桃；破壳；破壳装备；产业化

中图分类号： S226.4文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）10-0016-04[HS）][HT9.SS]

核桃是我国栽培历史悠久、分布较为广泛的重要干果和经济树种之一，被列为世界四大干果之首[1]。核桃含有丰富的对人体有特殊生理功效的生物活性物质，具有很高的营养与食用价值[2]，而核桃仁所含的磷脂具有补脑作用，被誉为“天然脑黄金”[3]，深受国内外市场和消费者的青睐。

核桃破壳一直是制约核桃产业化发展的技术瓶颈之一。新疆维吾尔自治区作为我国核桃的重要生产基地之一，2014年核桃总产量为50.14万t[4]，且产量呈逐年增长趋势，市场潜力巨大，亟待开发。然而，目前新疆维吾尔自治区核桃的加工率仅为2%，几乎全部以原果形式出售，靠人工破壳已经无法适应核桃的产业化发展需求[5]。破壳是核桃精深加工的关键环节，也是提升核桃品质和经济附加值的重要技术手段，因此研发破壳效率高、破壳效果好的核桃破壳装备具有重要的现实意义。

1当前核桃破壳作业的发展概况

我国的核桃破壳作业经历由传统人工作业向现在机械式作业的转变。传统的核桃破壳作业主要依靠人工来进行，直接敲打核桃及借助简单的辅助工具来完成，这种作业方式不仅作业效率低、劳动和生产成本高，而且无法满足当前核桃加工企业对核桃仁的用量需求，因此对大规模的核桃破壳作业，传统破壳方式无法进行推广应用。

随着核桃仁及其深加工产品的增值，市场对核桃仁的需求日益增大，越来越多的果农意识到核桃破壳取仁能带来较大的经济效益，利用机械破壳装备代替传统破壳作业方式势在必行。然而，当前我国使用的核桃破壳装备尚存在不足，主要表现在破壳效率不高、核桃仁完整率较低、核仁表皮损伤率较高等，这直接关系到核桃仁的经济价值，而破壳方法及破壳参数将直接影响核桃的破壳效率和核桃仁完整率[6]。目前，国内外对核桃破壳装备进行了一些研究，而破壳效率与核桃仁完整率相对较低是核桃破壳亟待解决的关键问题，如这些问题得到解决，一方面将极大地推动核桃机械化作业和核桃产业的发展，另一方面可为其他坚果破壳提供一定的理论借鉴，具有重要的现实意义。

2核桃破壳的国内外研究现状

2.1核桃破壳特性的研究

国内外学者对核桃破壳特性开展了大量研究工作，主要集中在核桃的物理机械特性、破壳力学特性及破壳工艺参数等方面。赵超等对核桃的物理机械特性进行了测定和分析，结果表明，核桃球壳可以抽取为厚度均匀且各向同性的薄球壳，利用薄壳理论进行内力和变形分析，两对法向集中力作用较有利于核桃壳的完全均匀破裂，破壳所需的果壳变形量减少，整个破壳的效果得以改善[7-9]。Braga等研究了澳洲坚果在压缩载荷下的机械特性，对其在不同加载方向下的破壳力、变形量及能量进行了比较，同时找出了不受含水率影响的加载位置[10]。乔园园等通过对新疆几种主产核桃外形、内部结构、壳体厚度及内褶面积等物理特性的研究，分析了影响核桃壳、仁脱离特性的主要因素，为设计合理的核桃壳、仁分离机械提供了理论依据[11]。

核桃破壳力学特性及参数是设计核桃破壳装备的重要理论依据。辛动军利用薄壳理论和动态裂纹扩展理论对核桃的破壳原理进行分析，结果表明，在两对法向集中力的作用下核桃容易破裂，在破壳时给核桃壳施加一交变力，有利于壳的破裂和裂纹的扩展，从而更有利于核桃的破裂[12]。高警等研究影响核桃破壳力大小的因素，得出破壳因素与破壳力之间的关系，在破壳前进行预处理可以减小破壳力，为核桃破壳机的设计提供参考[13]。Koyuncu等利用压缩万能试验机对胡桃壳壁厚度和几何平均直径在不同压缩位置进行力学特性试验，结果表明，破裂功随壳体厚度的增大（除长度位置）呈线性增加，随几何平均直径的增加呈线性下降[14]。Liu等利用薄壳理论及有限元法对有裂纹的澳洲坚果和核桃进行分析，结果表明，压力强度随壳体厚度的变化呈现线性变化，并找出了核桃壳变形量不大且产生局部裂纹点多、裂纹点易扩展的最佳的施力方式[15-16]。Aviara等研究含水率对埃及坚果破壳力学特性的影响，结果表明，容积密度与含水率呈线性关系，静摩擦系数随含水率的增加而增大[17]。何义川等利用有限元方法对核桃在3种载荷加载方式下的受力状态进行应力与应变分析，得出了最佳的破壳方式[18-19]。

核桃破壳工艺参数为核桃破壳装备的结构设计提供了依据。Sharifian等研究含水率、加载速度、加载方向对核桃破壳的影响，结果表明，含水率21%、加载速度为500 mm/min、沿X方向（长径）加载时的破壳效果较好[20]。张宏等通过试验得出，温185核桃的破壳工艺参数为加载变形量12 mm、核桃含水率8%、加载速度为300.15 mm/min、沿C向加载，在此条件下核桃的整仁得率最高可达60.28%[21]。涂灿等对澳洲坚果破壳整仁得率的影响因素进行研究，通过正交试验优化出适宜澳洲堅果破壳的最佳工艺参数为加载速率 45 mm/min、沿水平向加载、果壳含水率6%～9%，整仁率最高可达93%，这为澳洲坚果破壳机的研制提供了理论基础[22]。[JP]

2.2核桃破壳装备的研究

国外对核桃加工机械的研究起步相对较早，目前对核桃初、精加工已实现了生产线作业，破壳效率和自动化生产程度较高。核桃破壳装备典型的破壳机构主要有平板挤压式、单滚子辊动挤压式、双辊子滚动挤压式等。Eisel发明的平板挤压式破壳机构[23]工作时，通过调节电机转速来改变偏心轮的运动，完成动、定破壳板对核桃的挤压作用，进而实现破壳（图1）。该机构结构简单、造价成本低，但破壳效率不高，较难推广到大规模核桃破壳生产中。Kim发明的单辊子挤压式破壳机构[24]工作时，当核桃落入到由转动辊子与被动摩擦板形成的破壳间隙时，在两者的挤压下实现对核桃的破壳，而通过调节间隙调节手轮，可以实现对不同大小核桃的破壳（图2）。该机构虽然结构简单，易于操作，但在破壳前须要对核桃进行分级，调节好转动辊子与摩擦板之间的间隙才能实现破壳，否则不同大小的核桃无法一次性完成破壳。McSwain发明的双辊子滚动挤压式破壳机构[25]工作时，利用重力和摩擦力的共同作用，将核桃带入到2个运动的辊子间隙之间来实现破壳（图3）。该机构虽然结构简单，但其破壳效率低、效果差，且在破壳前也须要预先调节好2个滚轮之间的间隙。Ghafari等针对传统的手工破壳方式设计了一款核桃破壳机，该机主要由进料装置、破壳装置、分级装置及动力装置等部分组成，其破壳的整仁率为 66.66%，破壳效率为25.2 kg/h[26]。

与国外相比，我国的核桃破壳装备研究起步相对较晚，目前虽存在很多技术问题亟待解决，但在借鉴和吸收国外核桃破壳装备的基础上，也研制出形式多样的破壳装备。朱德泉等设计的一款6HS-6型山核桃破壳机（图4）工作时，可通过调节敲击臂扭簧限位销钉的位置来控制打击力，可适应不同大小和含水率的核桃破壳要求，此外，还可通过改变橡胶减振垫的厚度，来调节打击的惯性力；通过3因素5水平二次回归正交试验表明，选择合适的转速、扭簧力、敲击臂与滚筒间隙，可以较好地提高破壳效率[27]。奉山森等设计的新型滚压式核桃破壳机[28]工作时，将核桃从进料口倒入，通过动螺旋槽筒的圆周运动，核桃自上而下并受到滚压作用，随着挤压间

隙逐渐减小，其滚压变形程度越来越大，最终实现核桃的破壳（图5），这种破壳方式由于核桃受力较均匀，因此破壳效果较

好，核桃仁的完整率也较高。

围绕新疆维吾尔族自治区核桃的特点，新疆农垦科学院农机所和新疆农业大学等单位相关科研人员对核桃破壳装备进行了大量研究，并试验研制出一些核桃加工生产装备。2011年，新疆农垦科学院农机所研制的6PK-500型核桃破壳机（图6），其生产率可达到500～600 kg/h，破壳率达到90%以上，头仁率达70%，果仁破损率为2%，但在实际生产中，仍出现大量核桃仁表皮磨损的现象，对核桃品质造成影响[29]。同年，新疆农业大学董诗韩等设计出一种多辊挤压式核桃破壳装置（图7），该机采用间断性挤压式破壳方法，当最小破壳间距小于核桃横径2 mm、破壳辊转速80 r/min、辅助破壳辊转速 50 r/min 时的破壳质量较好[30]。2012年，新疆农垦科学院机械装备研究所何义川等研制出对辊挤压式核桃破壳装置（图8），核桃在摩擦和剪切力作用下实现破壳，具有较好的破壳效果，通过正交试验表明，当挤压辊Ⅰ的转速为95 r/min、挤压辊Ⅱ的转速为75 r/min、挤压间隙为33 mm时，可取得较好的破壳效果[31]。2013年，新疆农业大学王晓萱等进行离心式核桃二次破壳机（图9）的设计与试验研究，通过正交试验初步确定其最优参数为撞击桶的锥角为30°、离心板转速为 420 r/min、撞击桶间距为273 mm，此时离心式核桃二次破壳机的有效破壳率≥80%，损失率≤1.89%[32]。

3核桃破壳及装备研究中存在的不足及改进建议

目前，我国的核桃破壳装备虽然在数量和种类方面较多，但在破壳效果方面仍参差不齐。因此，除对现有破壳装备进

行结构改进和优化外，还须应用新技术、新理论、新方法研发新的核桃破壳装备。核桃破壳装备的不足和建议主要有：一是我国现有的核桃破壳装备普遍存在适应性差、效率低、破壳效果不理想等问题，严重影响核桃破壳技术的发展与推广，制约了核桃加工水平的提高；而国外的核桃破壳装备在国内适应性相对较差，也需要进行较大的改进才能使用。因此，需要对现有破壳装备在使用过程中存在的问题进行改进和优化。二是尽管对核桃破壳机理进行了一些的研究，但研究的方向过于分散，较难融合共有的研究成果在核桃破壳装备研制中进行应用，如王维等采用ANSYS板壳结构有限元分析法，从加载方式、核桃大小、加载方向、受力点等对核桃的力学特性进行试验，以寻找破壳的最佳条件[33]；张宏等利用扫描电子显微镜和脆性断裂原理对核桃的裂纹断面进行观察和分析，找出核桃壳体受载后裂纹产生的原因[34]。因此，核桃破壳特性的研究有待进一步深入，须加强对核桃破壳机理共性问题的研究。三是在核桃破壳方法研究中，对新技术、新理论、新方法的应用较少，即使有学者应用了一些新技术、新方法，但其应用深度和广度还不够，如杨锐等利用激光技术对核桃破壳进行了尝试和研究[35]；张宏等利用逆向工程技术对新疆温185核桃进行了壳体重构，为核桃破壳受力过程的模拟仿真奠定了基础[36]；周军等提出了一种全新的破壳方法，即利用气爆原理和核桃本身的气密性，在核桃外部开小孔向其内部注入高压空气，使核桃内外部产生压力差，从而实现核桃壳体爆开破裂[37]。今后，在核桃破壳及装备的研究中应加强对新技术、新理论、新方法的应用，深入研究核桃破壳机理，为研制出破壳效率高、破壳效果好的破壳装备奠定基础。

我国是核桃产业大国，核桃产量一直位居世界首位[38]。然而核桃机械加工率却很低，对高效、优质的核桃机械加工装备存在很大的需求缺口，严重制约了核桃产业的发展。针对当前我国核桃破壳及装备的研究现状及其存在问题，须充分结合核桃的结构特性和特点，积极开展对核桃破壳机理及装备的研究，大膽尝试新技术、新理论、新方法在核桃破壳研究中的应用，找出核桃破壳的最佳特性参数，为高效的破壳装备设计与研制提供参考和理论借鉴。

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