澳洲坚果冲剪破壳试验研究

薛忠，王槊，范建新，宋刚，王刚，何凤平，韩树全

(1.中国热带农业科学院 农业机械研究所，广东 湛江 524091；2.贵州省农科院 亚热带作物研究所，贵州 兴义 562400)

澳洲坚果(MacadamiaintegrifoliaMaiden&Betche)又称夏威夷果，原产于澳大利亚昆士兰州，主产地有澳大利亚、美国夏威夷、巴西、南非等，其果仁富含矿物质、维生素以及人体必需的多种氨基酸，果皮富含饲料添加所需的蛋白质和总糖，果壳可作为加工活性炭的原料，全身均有利用价值[1～3]。果皮粉碎后可用于家畜饲料的混合成份[4]。具有非常高的经济价值，享有“坚果之王”的美誉。

国外已开始进行澳洲坚果果壳、果仁的综合开发利用[5，6]，我国也正在进行综合开发利用的研究性工作[7，8]，主要在广东、广西、云南、福建等地。截止2017年底全国种植面积总种植面积超过12.73万hm2，随着国内澳洲坚果种植面积的不断增加，适时研发高效、中小型的加工机械业已成为产业发展的瓶颈和关键。

由于国内澳洲坚果破壳工艺研究起步较晚，几乎全部破壳设备要求对壳果进行先分级后加工，加工方式主要集中在锯壳、挤压、剪切3种方式。锯壳破壳方式对残留的木质粉尘清除要求较高，而且锯壳过程中，局部高温导致产生焦油类物质，附着在果仁上，不利于健康；挤压破壳存在开口率低、碎仁率高、机械适性差等缺点；剪切破壳目前主要集中在手动、半自动破壳机械，效率低，危险系数高，全自动剪切破壳技术国内鲜有报道。针对澳洲坚果带壳果外形尺寸及果壳属脆性材料的特点，项目团队研究了一种基于V型双通道破壳腔，无需对带壳果进行分级，适用于连续加工不同果径，利用“冲击+剪切”的破壳方式的新型破壳装备。

1 破壳机结构及工作原理

1.1 冲剪式破壳机结构组成

冲剪式破壳机主要由机架、电机、电控箱、进料箱、电磁振动器、喂料导槽、破壳装置、出料导槽等组成，其工作部件大致可分为进料装置、破壳装置、出料装置3个部分(图1)。

图1 冲剪式澳洲坚果破壳机Fig.1 Macadamia nut cracking machine with impacting and shearing1.机架； 2.电机； 3.罩盖； 4.电控箱； 5.进料箱； 6.电磁振动器； 7.喂料导槽； 8.破壳装置； 9.出料导槽

破壳机基本设计参数：

外形尺寸/mm：1 115×500×1 240

配套电机功率/kW： 1.5

刀盘转速/r·min-1：300～500

纯工作小时生产率/kg·h-1： ≥90.00

破壳率/%：≥95.00

净仁率/%：≥23.00

整仁率/%：≥90

1.2 冲剪式破壳机工作过程

工作时，启动电机和电磁振动器，进料箱内的澳洲坚果随着振动均匀地以一定流量从出口排出，进入到一同振动的喂料导槽后排列成一队，然后顺序地喂入破壳装置进行破壳。破壳后的果仁和果壳经出料导槽的出料缓冲板的缓冲后由出料口流出，整个加工过程结束。

1.3 冲剪式破壳原理

破壳机的冲剪式破壳装置[9]主要由破壳室、外壳、动刀盘、动破壳刀、静破壳刀、动刀盘轴等组成，采用双通道、连续喂料、连续排料的工作模式以提高破壳生产率，动、静破壳刀相遇时设计成V型间隙，一方面实现良好的果实尺寸适应性，另一方面实现对澳洲坚果的剪切和挤压作用，电机驱动动刀盘轴，料箱中的澳洲坚果由喂料导槽分别送入破壳室中动刀盘的两侧，动刀盘转动并由其上的动破壳刀强制澳洲坚果一起运动，澳洲坚果首先与静破壳刀相遇形成冲击破壳作用，之后由动破壳刀与静破壳刀的V型间隙配置形成对澳洲坚果的剪切和挤压作用，澳洲坚果外壳破碎后形成的混合物由动破壳刀排出破壳室，破壳过程结束。

2 试验材料与方法

2.1 试验设备及材料

采集南亚热带植物园中的澳洲坚果作为试验材料，并将其烘干到含水率在2%～5%范围内。

2种试验样机是冲剪式澳洲坚果破壳机(自制)和冲击式澳洲坚果破壳机(河南郑州产)。试验用的仪器和工具主要是SFY-60 型红外线快速水分测定仪、游标卡尺、电子秤和秒表等。

2.2 试验指标

试验时，2种破壳机采用相同的转速，测定破壳率、整仁率、生产率等3个指标。测定每次试验前澳洲坚果样品的个数和总质量，对试验后破壳机排出物中的各个成份进行分拣，分别测定其质量，并测定破壳加工后未破壳坚果的个数，并通过如下计算方法分别求出相应的指标数据。

破壳率，指破壳加工后达到破碎标准的坚果个数占喂入坚果总个数的百分率：

(1)

式中：BR为破壳率/%；A为破壳坚果的个数；C为喂入坚果的总个数。

依据澳洲坚果果仁标准[10]，整仁率定义为完整坚果仁的质量占喂入坚果仁总质量的百分率：

(2)

式中：WR为整仁率/%；W为完整坚果仁的质量/kg；F为喂入坚果仁的总质量/kg。

生产率，指破壳机工作过程中单位时间所加工坚果的质量：

(3)

式中：WR为生产率/kg·h-1；RT为规定时间内加工坚果的质量/kg；T为规定的加工时间/h。

测定的生产率值愈大，则表明破壳机的加工效率或加工能力愈高，而测定的破壳率、整仁率等值愈大，则表明破壳机对澳洲坚果的加工质量愈好。

2.3 试验坚果预处理

根据实际情况，澳洲坚果的果实可分为2级，分别为大果(>26 mm)和小果(≤26 mm)，表1中的每个试验处理均选取人工干燥后的澳洲坚果5 kg作为一个破壳试验样本[11]，全部试验耗用60 kg澳洲坚果。考虑到果仁含水率的影响[12,13]，从每个样本中抽取部分样品，经人工敲打分离果壳及果仁，将样品磨碎至粉末状，用SFY-60 型红外线快速水分测定仪测定其含水率，含水率值介于2%～5%时判定为合格样本则可用于试验。

3 破壳机性能的试验比较

3.1 试验方案

为测定冲剪式破壳机的性能，并与冲击式破壳机比较[14]，以破壳机类型(简称机型)、澳洲坚果果实尺寸(简称尺寸)为试验因素，试验测定了2种破壳机的破壳率、整仁率和生产率[15]。试验模式采用平衡完全随机析因设计，每个处理3个重复，每个重复用5 kg澳洲坚果。

影响因素为机型和果实尺寸，机型分冲剪式和冲击式两水平，果实尺寸分大果和小果两水平。

表1 试验方案Table 1 Test scheme design

3.2 试验结果

试验结果见图2～图4。

图2 2种破壳机的生产率比较Fig.2 The productivity comparison of two kinds of cracking machines

图3 2种破壳机的破壳率比较Fig.3 The shell cracking rate comparison of two kinds of cracking machines

图4 2种破壳机的整仁率比较Fig.4 The whole kernel rate comparison of two kinds of cracking machines

参照表2由图2可见，大果试验2种破壳机的生产率差异不明显，但小果试验冲剪式破壳机的生产率明显高于冲击式，生产率均值为93.53 kg·h-1。

参照表2并由图3可见，无论大果试验还是小果试验，冲剪式破壳机的破壳率均明显高于冲击式，且破壳率值在90.61%～97.01%范围内。

参照表2并由图4可见，大果试验冲剪式破壳机的整仁率略低于冲击式，然而小果试验冲剪式破壳机的整仁率大幅低于冲击式，且整仁率在36.63%～47.08%范围内。

综上所述，就试验结果的直观表现而言，冲剪式破壳机在生产率和破壳率上优于冲击式，但在整仁率上劣于冲击式。

表2 生产率试验方差分析表Table 2 Variance analysis of productivity test

3.3 讨论与分析

为探明2种破壳机及果实大小在生产率、破壳率及整仁率上的差异显著性，进而为冲剪式破壳机的后续改进提供支持，利用SAS软件对试验结果做了方差分析。

参见表2和图2。生产率试验方差分析模型的效应显著，决定系数达0.809 7，说明方差分析结果可信。冲剪式破壳机的生产率显著高于冲击式。2种破壳机加工小果的生产率显著高于大果，说明对小果的机械式破壳加工较易提高效率。2种破壳机与果实尺寸互作的生产率差异显著，参照图2可看出造成差异显著的原因是，冲剪式破壳随着果实尺寸变小而生产率大幅变高，冲击式破壳随着果实尺寸变小而生产率变化不大。

参见表3和图3。破壳率试验方差分析模型的效应小于0.000 1水平上显著，决定系数达0.933 8，说明方差分析结果可信。冲剪式破壳机的破壳率小于0.000 1水平上显著高于冲击式。2种破壳机加工大果的破壳率0.001 9水平上显著高于小果，表明大果用机械式破壳加工更容易实现壳破。2种破壳机与果实尺寸互作的破壳率0.189 0水平上差异不显著，参照图3可看出造成差异不显著的原因是，2种破壳机对大果和小果的适应性具有一致性趋势。

表3 破壳率试验方差分析表Table 3 Variance analysis of shell cracking rate test

参见表4和图4。整仁率试验方差分析模型的效应显著，决定系数达0.838 3，说明方差分析结果可信。冲剪式破壳机的整仁率显著低于冲击式。2种破壳机加工大果的整仁率显著低于小果，表明大果用机械式破壳加工更难保持整仁。2种破壳机与果实尺寸互作的整仁率差异显著，参照图4可看出造成显著差异的原因是，冲剪式破壳时整仁率对果实尺寸不敏感，而冲击式破壳时果实尺寸愈小则整仁率愈大，不敏感的冲剪式特性较好。

4 结论

冲剪式破壳机的生产率0.05水平上显著高于冲击式，2种破壳机加工小果的生产率显著高于大果，冲剪式的生产率均值为93.53 kg·h-1。且较小的果实尺寸可实现较高的生产率。

表4 整仁率试验方差分析表Table 4 Variance analysis of whole kernel rate test

冲剪式破壳机的破壳率显著高于冲击式，2种破壳机加工大果的破壳率显著高于小果，冲剪式的破壳率处于较高的90.61%～97.01%范围，且较大的果实尺寸可实现较大的破壳率。

冲剪式破壳机的整仁率显著低于冲击式，2种破壳机加工大果的整仁率显著低于小果，冲剪式的整仁率处于较低的36.63%～47.08%范围，且果实尺寸对整仁率的影响不明显。

与冲击式比较，冲剪式破壳机的生产率和破壳率均显著提高，其中生产率对果实尺寸敏感，破壳率对果实尺寸不敏感。冲剪式破壳机的整仁率不尽如人意，显示出提高生产率和破壳率后的负面效应，其原因有待探讨，冲剪式破壳机的结构和参数也需要进一步改进。