徐克生， 杜鵬東*， 湯晶宇， 王 東， 吳 昊， 張禹鑫

(1.國(guó)家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；3.國(guó)家林業(yè)和草原局機(jī)電工程實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086；4.國(guó)家林業(yè)和草原局林業(yè)技術(shù)裝備工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086；5.哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080)

茶油是我國(guó)重要的木本食用油料，含有多種不飽和脂肪酸和活性成分，長(zhǎng)期食用具有降低血脂、預(yù)防心血管病、提高人體免疫力、降低癌癥發(fā)病率等功效[1-2]。油茶果是制作茶油的原料，成熟期的油茶果果殼微裂，此時(shí)應(yīng)及時(shí)采收。采收后的油茶果經(jīng)過(guò)一系列處理后進(jìn)行壓榨工作，其步驟主要有：采收→堆漚→晾曬→脫蒲(殼)→清選→干燥→炒制→碎粉→制餅→壓榨，其中對(duì)油茶果預(yù)處理主要包括堆漚、晾曬、脫蒲(殼)、清選、干燥工序。本文主要列舉部分整體式和分體式油茶果脫殼、清選裝備，并分析我國(guó)油茶果預(yù)處理裝備發(fā)展趨勢(shì)，以期為今后油茶果預(yù)處理成套裝備的研制開(kāi)發(fā)提供參考。

1 我國(guó)油茶主要產(chǎn)區(qū)

油茶果由油茶蒲(果殼)、茶蒂、茶籽組成，整體呈球狀或卵圓狀，直徑在2～4 cm分布不等，分為1～5室，每室內(nèi)有種子1粒或2粒，油茶果如圖1所示。茶籽背面呈圓形拱起，腹面扁平，表面淡棕色，富含油脂。

圖1 油茶果

我國(guó)油茶的品種主要有普通油茶、小果油茶、攸縣油茶、浙江紅花油茶、騰沖紅花油茶[3]，主要分布于長(zhǎng)江流域以南地區(qū)，陜西、河南也有部分種植，江西、湖南、廣西等省區(qū)是油茶主要產(chǎn)區(qū)[4]。普通油茶種植面積最廣，除陜西外，其他種植油茶的12省區(qū)均有種植普通油茶。騰沖紅花油茶僅在云南有種植。小果油茶種植區(qū)域分布僅次于普通油茶，湖南、貴州和廣西是小果油茶的主要產(chǎn)區(qū)。攸縣油茶在陜西、湖南、浙江均有種植，其中陜西是主產(chǎn)區(qū)。浙江紅花油茶在浙江、江西、福建均有種植。浙江種植的油茶品種最多，主要有普通油茶、浙江紅花油茶、小果油茶、攸縣油茶，湖南、江西、福建次之。

2 油茶果預(yù)處理流程及裝備

2.1 堆漚

油茶果采收期集中在10～11月，采收后一般要堆漚5～7天，其目的是讓茶籽起到后熟作用，增加其含油量。堆漚現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 堆漚

2.2 晾曬

將堆漚處理后的油茶果攤開(kāi)翻曬，晾曬3～4天后，部分油茶果自然開(kāi)裂，一般晾曬10天左右才能使淀粉和可溶性糖等有機(jī)物充分轉(zhuǎn)化成油脂。晾曬現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 晾曬

2.3 脫蒲(殼)、清選

評(píng)價(jià)機(jī)械脫殼、清選運(yùn)行好壞的指標(biāo)主要有損失率、生產(chǎn)率、脫凈率、破損率、清選率(含雜率)。損失率主要指油茶果在進(jìn)行機(jī)械脫殼過(guò)程中因?yàn)槟承┰驌p失掉的部分，如因尺寸原因無(wú)法被脫殼。脫凈率指油茶果殼與茶籽分離、脫凈的比例。破損率指在脫殼過(guò)程中對(duì)油茶籽造成的破損所占的比例。清選率指清選后的茶籽中所含雜物的比例。

油茶果的脫殼方法主要分為鮮果脫殼與爆蒲脫殼。影響鮮果機(jī)械脫殼的主要因素有含水率、油茶果精細(xì)化分級(jí)等。鮮果機(jī)械脫殼前必須進(jìn)行堆漚、晾曬等方法以降低含水率。影響爆蒲脫殼的主要因素有溫度、傳送速度和平鋪厚度等。鮮果機(jī)械脫殼原理主要有撞擊、剪切、擠壓、碾搓和搓撕等，現(xiàn)有的鮮果脫殼機(jī)絕大多數(shù)采取以上一種或兼具多種原理使茶籽與茶殼分離。張風(fēng)等[5]采用擠壓原理設(shè)計(jì)了一臺(tái)油茶鮮果剝殼機(jī)，如圖4所示。唐湘等[6]采用撞擊、搓擦原理，設(shè)計(jì)了一種油茶果脫殼裝置，如圖5所示。楊樹(shù)松等[7]采用擠壓、揉搓的破殼原理，設(shè)計(jì)了一臺(tái)油茶果破殼裝置，如圖6所示。

目前，我國(guó)油茶殼籽清選設(shè)備的研制處于起步階段，主要采用的清選原理有風(fēng)選、色選、浮選、摩擦清選、尺寸篩選和對(duì)輥間隙清選，或是其中一種、二種及以上的組合[8]。劉浩等[9]利用色選原理研制了一臺(tái)油茶殼籽色選試驗(yàn)樣機(jī)，如圖7所示。李陽(yáng)等[10]利用摩擦清選原理，設(shè)計(jì)了一臺(tái)油茶殼籽清選機(jī)構(gòu)，如圖8所示。朱廣飛等[11]利用尺寸篩選原理，設(shè)計(jì)一臺(tái)油茶殼籽清選分離裝置，如圖9所示。

圖6 油茶果破殼裝置1.機(jī)架；2.電動(dòng)機(jī)；3.帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)；4.進(jìn)料斗；5.破殼筒；6.破殼滾筒；7.出料口；8.控制系統(tǒng)

圖7 色選試驗(yàn)樣機(jī)1.機(jī)架；2.振動(dòng)給料器；3.電機(jī)與撥片；4.色選通道；5.光源；6.線陣CCD工業(yè)相機(jī)

圖8 油茶籽清選機(jī)總體結(jié)構(gòu)1.輸送裝置；2.進(jìn)料斗；3.布料器；4.振動(dòng)電機(jī)；5.振動(dòng)器；6.調(diào)節(jié)架；7.AV減速電機(jī)

圖9 分離裝置結(jié)構(gòu)1.攪拌軸；2.攪拌齒；3.圓弧槽篩網(wǎng)

劉曉敏等[12]設(shè)計(jì)的油茶果脫殼機(jī)由分級(jí)裝置、脫殼裝置和清選裝置構(gòu)成，如圖10所示。分級(jí)裝置中，通過(guò)帶螺旋葉片的導(dǎo)向輥帶動(dòng)油茶果移動(dòng)完成油茶果的分級(jí)。脫殼裝置由楔形滾筒和圓弧壓板組成，油茶果通過(guò)楔形滾筒和圓弧壓板提供的擠壓力、搓擦力脫殼。清選裝置采用尺寸篩選的方式，僅實(shí)現(xiàn)了油茶果殼的粗選，即將殼籽混合物中一些較大的碎殼、小部分未完成脫殼的油茶果從殼籽混合物中清選出來(lái)，并未實(shí)現(xiàn)殼籽的分離，且此種分級(jí)、脫殼方式易造成茶籽破損率較高。

李善淼等[13]采用剪切、撞擊和撕搓相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了油茶青果脫皮機(jī)與轉(zhuǎn)子滾刀脫殼機(jī)構(gòu)，如圖11所示。作業(yè)時(shí)，油茶果在破殼箱中受到旋轉(zhuǎn)滾刀反復(fù)割切和撞擊，被割裂的果實(shí)在彼此撞擊或與箱壁摩擦下實(shí)現(xiàn)油茶果的脫殼。高速旋轉(zhuǎn)下，轉(zhuǎn)子滾刀結(jié)構(gòu)會(huì)造成茶籽大量破損。為實(shí)現(xiàn)油茶殼籽的清選，又設(shè)計(jì)了并聯(lián)式螺旋分離器，如圖12所示。但僅對(duì)并聯(lián)式螺旋分離器做了分離過(guò)程的理論分析，并未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖10 油茶果脫殼機(jī)

圖11 油茶青果脫皮機(jī)與轉(zhuǎn)子滾刀結(jié)構(gòu)1.機(jī)架；2.振動(dòng)分離篩；3.曲柄輪；4.主軸皮帶輪；5.進(jìn)料斗；6.電機(jī)；7.連桿；8.破殼箱；9.脫殼部件主軸；10.軸承座；11.破殼刀具；12.刀具連接片；13.法蘭盤(pán)；14.連接銷軸

圖12 并聯(lián)式螺旋分離器1.入料槽；2.螺旋面；3.回轉(zhuǎn)面；4.茶籽出口；5.果皮出口；6.萬(wàn)向輪

國(guó)家林草局哈爾濱林機(jī)所油茶機(jī)械裝備研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)油茶果的形狀、大小等特性進(jìn)行分析后，研究出一種多通道精細(xì)化油茶果脫殼清選方法，脫殼技術(shù)工藝流程如圖13所示。對(duì)采摘下的油茶果進(jìn)行分級(jí)，按照不同體積將油茶果分為多級(jí)，對(duì)每一級(jí)的油茶果分別進(jìn)行脫殼，再將脫殼后的殼、籽混合在一起通過(guò)外徑尺寸進(jìn)行篩選分成四級(jí)：碎渣、小果殼和小茶籽、大果殼和大茶籽、特大果殼，除去碎渣與特大果殼，其余兩級(jí)分別進(jìn)行清選，獲得茶籽。此脫殼技術(shù)已申報(bào)7件技術(shù)專利，其中發(fā)明專利4件。

圖13 多通道精細(xì)化油茶果機(jī)械脫殼技術(shù)工藝流程

多通道精細(xì)化油茶果機(jī)械脫殼設(shè)備的多個(gè)料斗和多個(gè)脫殼機(jī)構(gòu)成一排設(shè)置在機(jī)架上，每個(gè)料斗的下方對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)脫殼機(jī)構(gòu)。油茶果經(jīng)過(guò)分級(jí)后進(jìn)入脫殼裝置中，脫殼裝置由底板、傳動(dòng)軸、滾筒和多個(gè)抽打輥組成，傳動(dòng)軸通過(guò)軸承座設(shè)置在機(jī)架上，其上固定有滾筒，滾筒上設(shè)置有多個(gè)呈交錯(cuò)布置的抽打輥，滾筒的底部設(shè)置有與抽打輥端部有一定距離的底板，底板固定在機(jī)架上，其上設(shè)置有多個(gè)能容納油茶果殼和茶籽通過(guò)的孔。通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸，帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，分選后的體積相差不多的油茶果進(jìn)入到各自對(duì)應(yīng)的料斗中，通過(guò)抽打輥與底板的擠壓以及抽打輥的撞擊作用將油茶果殼撕碎，達(dá)到脫殼的目的。

得到殼、籽混合物后，進(jìn)入分級(jí)式油茶果軸輥強(qiáng)制帶入殼籽分離裝置。多個(gè)小軸輥組件和多個(gè)大軸輥組件成一排設(shè)置在機(jī)架上，且相鄰兩個(gè)大軸輥組件之間設(shè)有一個(gè)小軸輥組件，一個(gè)大軸輥組件與一個(gè)小軸輥組件之間設(shè)有一定間隙，相鄰的小軸輥組件和大軸輥組件通過(guò)齒輪嚙合傳動(dòng)，多通道分級(jí)脫殼機(jī)清選輥如圖14所示。軸輥的橫截面為棘輪輪齒形，如此設(shè)置可增大摩擦力，將果殼強(qiáng)行帶出。當(dāng)茶籽和果殼進(jìn)入到大軸輥和小軸輥之間時(shí)，因茶籽形狀比果殼形狀相對(duì)規(guī)則，果殼受到軸輥向下的力較大而被強(qiáng)行帶走，茶籽受到切向力較大被向前傳動(dòng)，直至進(jìn)入到出口處被收集。

圖14 多通道分級(jí)脫殼機(jī)清選輥

采用多通道精細(xì)化油茶果機(jī)械脫殼技術(shù)工藝研制了1GT-1500型油茶鮮果分級(jí)脫殼機(jī)，如圖15所示。已于2017年完成油茶果脫殼機(jī)原理驗(yàn)證試驗(yàn)，2018年完成油茶果脫殼機(jī)性能應(yīng)用試驗(yàn)，脫殼機(jī)工作過(guò)程中性能穩(wěn)定，滿足使用需求。

圖15 1GT-1500型油茶鮮果分級(jí)脫殼機(jī)

晾曬好的油茶籽應(yīng)放在通風(fēng)干燥處存放1～2月后油茶籽出油率達(dá)到最高時(shí)，復(fù)曬1～2天后，進(jìn)行壓榨處理。

2.4 烘干

傳統(tǒng)油茶籽的干燥方式為晾曬，但受到天氣影響較大，機(jī)械干燥能有效防止天氣造成的影響，還能提高生產(chǎn)效率。目前，主要應(yīng)用的機(jī)械干燥方法是熱風(fēng)干燥。通過(guò)熱風(fēng)干燥的茶籽在貯藏過(guò)程中酸價(jià)和過(guò)氧化值升高最小、品質(zhì)最好，且干燥時(shí)間大大縮短，是油茶籽加工企業(yè)首選的干燥處理方法。油茶籽烘干機(jī)如圖16所示。

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 油茶果預(yù)處理成套技術(shù)

根據(jù)油茶果采摘后處理流程，規(guī)劃出油茶鮮果預(yù)處理成套技術(shù)工序圖，使采摘下來(lái)的油茶鮮果通過(guò)油茶果上料機(jī)進(jìn)入到分級(jí)設(shè)備、脫殼設(shè)備，脫殼后的殼、籽混合物通過(guò)提升機(jī)進(jìn)入到清選設(shè)備完成殼、籽分離，最后將茶籽輸送到烘干設(shè)備，完成整套油茶果預(yù)處理工序。該套處理設(shè)備的開(kāi)發(fā)，將大大縮短油茶果榨油前預(yù)處理工作的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。油茶鮮果成套處理技術(shù)工序如圖17所示。

圖16 油茶籽烘干機(jī)

圖17 油茶鮮果成套處理技術(shù)工序

3.2 小型簡(jiǎn)便化處理設(shè)備

針對(duì)小面積油茶種植戶，開(kāi)展小型簡(jiǎn)便化處理設(shè)備，工序不需一次性完成，具有可移動(dòng)、輕小便攜、成本低、便于運(yùn)輸、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等特點(diǎn)。

3.3 智能化發(fā)展

將油茶果預(yù)處理設(shè)備單機(jī)配備程序化控制方案，一是使脫殼設(shè)備可以根據(jù)上料口的喂入量自動(dòng)調(diào)節(jié)分級(jí)、脫殼、清選、烘干等裝置的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等，減少人工操作，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行。二是具有智能化監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)一個(gè)工人可以通過(guò)電腦反饋的信息同時(shí)操縱多臺(tái)設(shè)備，減少所需勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)智能化。三是將油茶產(chǎn)區(qū)的處理設(shè)備納入多機(jī)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)大數(shù)據(jù)共享實(shí)現(xiàn)對(duì)油茶果收獲量、處理量的快速統(tǒng)計(jì)，對(duì)后期茶油產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)估，分析年度油茶產(chǎn)量與市場(chǎng)的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)茶油市場(chǎng)供應(yīng)進(jìn)行有效配置與調(diào)節(jié)。