木薯去皮加工技术研究进展

谭支成，邓干然，李 玲，郑 爽，崔振德，李国杰，何洪光

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，湛江 524091；2.华中农业大学工学院，武汉 430070；3.农业部热带作物农业装备重点实验室，湛江 524091）

0 引言

木薯是世界上七大作物之一，与马铃薯、红薯并称世界三大薯类作物，是全球近7亿生活在热带及亚热带人口的主要粮食作物之一[1-3]。木薯具有粗生粗长、耐贫瘠干旱、适宜酸性土壤、种植成本低等特点，目前，全球有将近百个国家种植木薯,木薯产量的65%用作食物，因木薯具有较好的生长特性，我国于19世纪20年代引入，并在广东开始种植[4,5]。当前，木薯在我国主要被用作生产淀粉、酒精、饲料等工业原料[6]。

21世纪以来，全球木薯种植面积呈现稳定增长态势，从2003年到2013年，10年间全球木薯种植面积增加了227万hm2，同比提高了12%以上。按照FAO的数据统计，目前木薯种植主要在非洲、亚洲、美洲，分别占木薯种植总面积的68.38%、20.17%、11.34%。我国2015年进口木薯950万t，占全国木薯总消费量1 498万t的63.42%，据不完全统计，仅2017年我国木薯种植面积达 36.5万 hm2[7-9]。

目前，我国木薯种植总体经济效益不高，木薯的多元化开发利用是提升效益的有效途径。木薯含有丰富的淀粉、蛋白质、维生素、矿物质和膳食纤维，且含有的黄酮类化合物还具有保健作用，长期食用可提高免疫力，其特色食品的开发利用是木薯多元化利用的重要方向，对于提高木薯产业效益具有积极意义。木薯的鲜食方法主要有油炸、蒸煮以及制作成木薯粉粒、三色木薯等以木薯为原料的糕点，因此木薯是一种色香味俱全的食品[10]。

木薯食品化加工的基本工艺流程：清洗去泥→去皮→清洗→规格切制（段、片、条、粒等）→包装→消毒→冷库保存→销售。木薯去皮是木薯食品化流程中的重要一步，因为木薯皮中含有氢氰酸，食用方法不当会导致中毒甚至死亡，这种氢氰酸主要存在于深层皮内[11]。目前，木薯去皮主要依靠手工剥离，劳动强度大，效率低，且剥皮不及时还易造成木薯变质。因此，实现机械化木薯去皮，对推动木薯食用化，带动木薯产业发展具有重要意义。

1 国内外果蔬去皮方法

去皮是果蔬加工的重要环节，其目的是去除果蔬中不宜食用的部分，目前国内果蔬类的去皮方法主要有机械去皮法、化学去皮法以及蒸汽去皮法等。

1.1 机械去皮

机械去皮在果蔬类去皮方法中应用最早、时间最长，同时也最有效。机械去皮分为切削去皮和摩擦去皮，切削去皮是采用相应的刀具，通过刀具与果蔬的相对旋转或者其他位移运动实现果肉与皮的分离，如图1所示。摩擦去皮是指果蔬在受到摩擦力、重力以及去皮机在工作时对果蔬产生的离心力三者共同作用下，果蔬与砂轮间产生速度差，二者在摩擦力的作用下完成对果蔬去皮，如图2所示。机械去皮对果蔬无污染，损失率低，同时也便于后期的加工或者直接食用[12-14]。

1.滑动座；2.第二弹簧；3.支撑架；4.第二电机；5.右支撑板；6.第一电机；7.插杆；8.刀片；9.刀座；10.第一弹簧；11.螺孔；12.导向孔；13.移动座；14.导向杆；15.丝杆；16.支撑抓；17.左支撑板；18.底座

南京工业职业技术学院殷建国、刘滨等人研制的马铃薯立式去皮机，主要由12部分组成。如图2，在筒体下面设计一个圆盘，在轴的带动下旋转，以此带动马铃薯在筒内旋转。在筒内侧有用金刚砂或棕刚玉粘接制成的凸点，这些凸点形成具有规律性的凹凸形状，在工作过程中，筒体在提升杆的带动下上下移动，马铃薯与内壁凸点之间产生摩擦，从而实现马铃薯与皮的分离。筒壁内表面均匀安装刷头，在去皮完成后刷头便将马铃薯表面的皮刷落，最后通过喷头用水将去完皮的马铃薯彻底清洗干净。试验结果表明，该去皮机去皮均匀，清洁度较好，去皮后的马铃薯剥离损失小于3%[15]。

图2 机械式摩擦去皮机结构简图

邵阳学院、中南大学的邓维克、刘志辉等人研制的脐橙自动去皮机，效率可以达到25个/min以上，且破损率低于3%。该机以电机带动转盘转动，在转盘上安装4个支撑底座，人工将脐橙放入支撑底座上，采用液压将脐橙压紧，以轴旋转带动脐橙做匀速旋转运动，去皮刀具相对于脐橙做上下移动，从而实现脐橙去皮的目的[16]。

Carlo Ascari等人设计发明了一种柑橘剥皮机，主要用于柑橘和橙子等紧皮柑橘的剥皮，其运行原理是先对柑橘用带有尖刺的夹具将蒂和柄夹持，限制柑橘在水平位置处能沿轴线转动以外的其他自由度，然后依据仿形切割原理，通过一个旋转的刀具沿着柑橘果形表面进行仿形切削果皮，达到去皮的目的，最后运用刀具沿着柑橘径向将柑橘与夹具接触的部位切除[17]。

1.2 化学去皮

化学去皮采用化学试剂对其表皮及内皮进行软化，再用清水对所需要去皮的果蔬进行冲洗，如图3所示。具体是利用果蔬脱皮剂对果蔬浸泡，然后进行脱皮，其原理是果蔬脱皮剂在碱液中自动生成的脂肪酸皂类阴离子型表面活性剂，其脂肪酸链部分的化学结构与果蔬表皮所含高级脂肪酸一元醇脂的结构相似度很高，能在果蔬表面形成定向吸附，因而能促使碱液快速渗入中胶层而水解其果胶质，导致皮、肉分离[18,19]。

图3 化学法去皮机结构简图

华南农业大学孙远明等人在研究以化学方法对魔芋进行去皮时，将魔芋浸泡在浓度为15%的氢氧化钠溶液与5%的葡甘聚糖阻溶剂混合液中5 min左右，保证温度在60℃，取出后用水冲洗，此时魔芋去皮率可以达到98%，除顶芽处不易被去除，需要人工去除外，其它芽眼处均能够达到去皮的目的[20,21]。

湖南省植物保护研究所陈绍光在研究马铃薯化学去皮试验中得到马铃薯在8%烧碱与0.3%果蔬脱皮剂组成的脱皮液中，于60℃条件下浸泡12～15min，再经人工或机械刷动可全去薯皮，且去皮后的薯块能保持其原有的硬度、色泽与营养[22]。

1.3 蒸汽去皮

蒸汽去皮法主要是利用热涨冷缩的原理达到去皮的目的。一般是指将果蔬放入高温蒸汽中一段时间，使果蔬皮软化，再利用工具将果蔬皮直接去除。其优点在于降低了人工成本，同时也避免了化学品带来的污染，便于对果蔬皮的再加工，做到资源利用最大化，但果蔬在蒸汽中加热的同时也会对果肉造成一定的软化，从而导致果蔬的损失，不利于果蔬的保存[23,24]。

华中农业大学宗望远等人在做马铃薯蒸汽去皮试验研究时得到，马铃薯在蒸汽温度为180℃时处理180 s，便可达到最佳去皮效果，但在实验过程中也出现了因蒸煮过度，使表面熟化层过厚的现象[25]。如图4所示。

图4 蒸汽去皮机结构简图

一位日本研究人员在设计柑橘去皮设备时，采用了对辊的设计方案。在对柑橘进行加工前，将其置于热水蒸汽中蒸烫，使其果皮韧性提高，更易于剥除，加热后采用带有尖刺的旋转轴对柑橘进行划皮，最后用对辊装置将橘皮剥除。该设备加工速度较快，能够进行批量生产，但去皮率低，果肉损失率较高，有的甚至需要二次加工[26]。

1.4 新型去皮方式

随着生物技术的发展，生物酶制剂对果蔬进行去皮也得到了有效的利用。中南大学单杨、李高阳等人在研究寻找商用酶制剂对柑橘进行去皮时，将果胶酶与纤维素酶按不同比例配合成酶制剂，在不同温度下，对柑橘处理不同的时间，观察经过酶制剂处理过的柑橘去皮效果情况，最终得到复合酶的去皮效果要优于单一酶，且果胶酶与纤维素酶按一定比例配合的酶制剂处理柑橘后去皮率可达97%[27]。

湖南农产品加工所付复华、袁洪燕等人在研究利用酶制剂对黄桃进行去皮时，得到当用酶制剂对黄桃进行作用的同时添加450 W超声波辅助，酶制剂对黄桃的去皮效果更好，超声波的机械效应和空化效应能够增大溶剂向原料细胞的渗透量并破坏细胞壁[28]。

2 木薯去皮方式技术现状

传统的木薯去皮方法，一般都采用手工去皮法，以刀划和手剥为主，这样很容易将手弄伤，工作效率仅50～100 kg /人·d，目前人工成本100～200元/人·d，去皮效率低且成本高。在当前的手工木薯去皮方法中，已经开始使用简单的木薯去皮机械专用工具，去皮更加安全，同时去皮效率也有所提高，适合家庭和少量加工使用。但在大规模的木薯生产加工中，手工以及简单的去皮机械已经不能满足实际生产需要，研制适合大型加工场所的专用木薯去皮设备已成为急需解决的问题。

贺州思通信息技术有限公司的荣景盛、劳加斌研制了一款手动木薯剥皮器，如图5所示，其结构简单，操作容易且符合木薯的外形特点，比较适合家庭食用木薯的去皮[29]。

图5 木薯手动剥皮器

中国热带农业科学院农业机械研究所薛忠、宋刚等人研究的夹持式木薯削皮机，该削皮机通过轴与夹持机构连接分别驱动喂入夹持对辊和拉出夹持对辊旋转，将需去皮木薯向削皮机构输送，电动机带动锥齿轮副，通过锥齿轮换向增速带动垂直水平传动机构运转，垂直水平传动机构带动削皮机构旋转，完成木薯表皮的剥削工作[30]。

广西农业科学院农产品加工研究所游向荣、张雅媛等人研究的木薯削皮机，通过传送皮带将转动轴与电机相连，轴上装有主动夹具，从动轴上装有从动夹具，传送机构通过变速箱连接电机，传送机构上装有刀具，在第一机构上装粗加工的刀具，在第二机构上装精修刀。双刀具的设置可有效地去除木薯表皮及含毒层，达到木薯去皮食用的要求[31]。

Patrick Ebunilo等人设计了一种基于车床原理的新型木薯剥皮机，如图6所示，整机采用自加载、自调整的单点切割工具，可根据所需切割木薯块茎大小的轮廓进行切割，单点切割工具使削皮机可以有效地剥掉刚收获的木薯块茎。试验结果表明，所有类型的块茎都有超过70%的脱皮效率，而且皮肉损失最小[32,33]。

图6 木薯块茎剥皮机

3 几种去皮方式的比较

综合以上相关果蔬去皮方式的工作原理及特点，再结合木薯的外形尺寸及力学特性，比较上述几种去皮技术的特点，总结其优缺点如下：

1）人工去皮：人工去皮的优点在于对设备几乎无要求，完全依靠手工完成，对设备的一次性投入较少，能耗低，对环境无污染，木薯的去皮率高且无需二次对去皮木薯进行处理，可保存，后期薯皮及木薯其他去掉部位的可回收利用率高；缺点为去皮效率低，用工量大，人工成本高。

2）化学去皮：利用化学去皮法对木薯进行去皮，对机器结构要求小，对木薯的外形尺寸适应性好，且去皮迅速，去皮率高，去皮后得到的木薯表面光滑，芽眼处都能得到有效的处理，只需简单二次处理就能得到去皮完整的木薯；但化学处理一般主要是利用碱液如氢氧化钠溶液破坏皮与肉之间的纤维素、果胶，使薯肉与外皮分离，但也使薯皮与其他去掉部位的回收较困难，且容易对环境造成污染，处理后的薯肉容易发生颜色变化，影响交易，因此，化学去皮法对木薯不适用。

3）蒸汽去皮：蒸汽式去皮机结构复杂，对木薯的外形尺寸无要求，且芽眼部分的去皮也能够除尽，对环境无污染，但利用蒸汽对木薯去皮需加热，消耗能量，经济效益相对较差，且如果用作食用木薯进行交易时，经过去皮后的木薯表面有蒸煮层，二次处理时劳动量过大，并没有达到减少工人量，增加效率的目的。

4）超声波与酶制剂去皮：利用酶制剂作用于木薯皮，能够达到木薯去皮所需要的一切效果，且去皮方案简单，结构不复杂，去皮效率高，对环境无污染；但酶制剂一般价格较高，这对本身经济效益就很低的木薯来说很难得到应用。

5）机械去皮：机械法木薯去皮对机械结构要求高，且加工过程中易产生噪声，芽眼部位也无法全数除尽，二次加工时劳动强度较高，但机械法去皮却能得到较好的经济效益，对环境无污染，切削下的皮层部分可回收加工成饲料，能耗较低，适合木薯去皮。

4 我国木薯去皮机存在的问题与发展趋势

4.1 存在的问题

近年来，随着我国工业的迅速发展，我国在对薯种植、收获以及中期管理等阶段的机械化有较多的研究与应用，并取得了一定的成果。但在木薯后期加工中的去皮环节却很少有实用性机械可使用，且木薯食用化去皮阶段消耗人力大、作业成本高，因此急需推广性强、实用性高的木薯去皮机械。目前，木薯去皮机械应用还存在诸多问题，主要有以下5个方面：

1）实用性低。不同地区或者同一地区的木薯品种存在多样性，且不同品种木薯的外形尺寸存在一定的差异，因此设计的去皮机械不能在木薯去皮上实现通用，往往导致一个工厂或者家庭需要不同种类的去皮机，经济投入过大，不利于木薯去皮机的推广。

2）去皮可靠性低。由于木薯品种的差异，导致相关的去皮厚度差异性太大，因此不同机器的制造差异较大，机器性能也不尽相同，从而导致工作时适应性相对较弱，出现故障的频率大大增加，可靠性差，机器生命期内维护成本较高，直接降低了木薯产业的经济效益。

3）生产效率低。目前，生产上应用的木薯去皮机的机型均为间歇式工作，一般操作流程为将需要去皮的木薯放入去皮机后开机，等待一段时间再将去好皮的木薯拿出，才能进行下一次木薯去皮，这大大增加了劳动时间，限制了工人的操作空间，生产效率低。同时人工上机操作不但成本高，也存在安全隐患。

4）木薯去皮机械的规范化、标准化程度低。我国木薯品种多样，且种植木薯的土地多处在丘陵山地等地形复杂的地区，种植等农艺标准相差太大，缺乏相应有效的技术服务体系及农机技术推广人员，即使同品种木薯在不同产地所产木薯的特性也有一定的差异，这对去皮机的研制带来了很大的困难，同时也对木薯的集中去皮产生了极大的影响。

5）集中化程度低。木薯后期去皮是一个标准化的过程，必须要保证能够有效且完整的去皮、较一致的外观规格，才能够作为商品食用木薯进行交易，提高经济效益。

4.2 木薯去皮的发展趋势

随着我国经济的快速发展，对木薯的需求逐年增加，以木薯为原料的加工食品消费市场呈上升趋势[33]，因此对木薯去皮这一繁重工作实行机械化势在必行。针对现有问题，建议通过以下途径加快木薯去皮机械化研发进展：

1）加大规范化标准，提高木薯种植规模化以及标准化经营水平，同一地区的木薯尽量种植相同品种，政府成立专业合作社，为种植户提供机械化技术种植以及农艺技术支撑，提高地区木薯品种的统一性，便于机械化的推广。

2）行业主导木薯品种以及相应的种植工艺的规范与推广，木薯生产机械、农艺、企业等各个学科、单位协调一致，提高农业机械与农艺的融合水平。

3）加大各科研单位、研发企业之间的技术合作与交流，集中优势，运用现代的设计理念与检测工具，结合先进的计算机仿真分析功能，在采用国内外新机型的基础上，通过各农机推广服务站对各地区需求的了解，使得从设计研发、生产制造、服务推广到机械应用等各环节紧密联系，建立高效的木薯生产机械化服务体系。

5 总结与展望

随着农业产业结构的调整，木薯食品化是增加木薯种植效益的有效途径，木薯能否高效机械化去皮对木薯食品化及让木薯产业在农业结构调整中立于不败之地具有重要意义。今后的木薯去皮技术研究方面重点为提高木薯去皮效率、降低去皮成本的联合去皮技术，并对去皮下脚料进行综合利用。在木薯去皮机械设计时，要以提高机械的标准化、去皮加工的连续性为目标，做到高效节能，适用于大规模工业化生产商品食用木薯。