油茶果破殼力學特性試驗研究

唐湘，謝方平，2，3＊，李旭，3，劉大為 ，3，王修善，3，歐佳順，3

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學 工學院，湖南 長沙410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術研究中心，湖南 長沙410128；3.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心 湖南 長沙410128）

脫殼是油茶果加工的首道工序，也是油茶果加工的技術難題之一，處理不當會造成油茶果仁的損傷，影響其加工產(chǎn)品的品質(zhì)。油茶果脫殼技術的研究起步較晚，主要是借鑒其它堅果類脫殼設備，如澳洲堅果、龍眼鮮果、核桃等堅果的脫殼技術研究［1～5］。與油茶果物理特性相近的澳洲堅果的脫殼技術已經(jīng)比較成熟，世界上普遍使用壓板式破殼，兩壓板在機構(gòu)的驅(qū)動下，逐漸縮小間隙壓破果殼。另外，有一種螺桿式破殼機，在螺桿上開一個螺旋槽，堅果由螺桿邊輸送邊壓破外殼。這兩種設計脫殼效率高，適合堅果大產(chǎn)量的加工，缺點是果仁破碎率較高。針對這一問題，大量研究工作者探究了新的澳洲堅果破殼方法和設備，Dursu［6］研究了擠壓位置對堅果破殼力的影響，Liu等［7］通過壓縮載荷試驗研究了澳洲堅果的破裂行為；黃克昌［8］通過試驗探索了澳洲堅果不同含水率和破殼效果的關系；Braga等［9］研究了澳洲堅果在壓縮載荷小所需要的破殼力、變形和能量；Prussia and Verma［10］研究了一種利用撞擊破殼的方法。

對于油茶果脫殼設備和技術的研究，國內(nèi)相關工作者近幾年才開始探究。涂立新［11］研究了一種油茶果脫殼機，該脫殼機采用搓擦原理，油茶果在一個用螺紋鋼條焊接的內(nèi)外籠之間受搓擦而脫殼，螺紋鋼條間隙由于焊接不能調(diào)整，茶果有可能擠入內(nèi)籠或外籠，因此該裝置對不同大小的油茶果適應性較差；藍峰、崔勇等［12］等利用撞擊、揉搓和擠壓原理研究了一種油茶果脫殼清選機，該機采用回轉(zhuǎn)半徑不同的脫殼桿，在滾筒里形成一鍥形脫殼室，對油茶果進行撞擊、擠壓脫殼，該脫殼機能適應不同大小的油茶果脫殼，但對含水率較高的油茶果的適應性較差；王建等［13］采用剪切原理研制了一種油茶果脫殼機，該機利用刀片對茶果進行切割脫殼，脫殼效率高，但果仁極易被刀片擠碎，損失率大。油茶果機械脫殼時，存在對不同大小和含水率的適應性差、籽粒破損率大等問題，因此為改善破殼質(zhì)量，探明油茶果破殼內(nèi)因非常重要。本文針對油茶果不同的物理特性，研究影響油茶果破殼力大小的因素，試圖為油茶果脫殼加工機械設計提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與設備

1.1 試驗材料

選用長沙市場購買的普通油茶鮮果，2014年11月收獲，試驗前油茶果沒有堆漚攤曬，含水率70%以上，茶果大小未分級，形狀規(guī)則，完整、無蟲害。

1.2 試驗設備

CMT6104微機控制電子萬能試驗機（精度：0.01N，廠家：深圳市新三思材料檢測有限公司）、DHG－9030A電熱恒溫鼓風干燥機（精度：0.1℃，廠家：鎮(zhèn)江市科密儀器儀表有限公司）、游標卡尺（精度：0.02mm，廠家：上海九量五金工具有限公司）、電子稱（精度：0.1g，生產(chǎn)廠家：廣州市賀氏辦公設備有限公司）。

2 試驗方法

一般堅果破殼的難易程度既與果實本身物理特性有關，如含水率、形狀、大小等，又與外界壓力的加載條件等因素有關［14］。本試驗選取油茶果的含水率、直徑大小、加載方向、加載速率作為影響因素，以確定各因素對破殼力大小的影響規(guī)律。

2.1 油茶果含水率的確定

油茶果鮮果采摘后含水率最大，隨著堆漚時間的增長其含水率逐漸減少。因此，在收獲日（設定日）后取5kg油茶果鮮果分成5份，分別攤曬1、2、3、4、5天，利用 DHG－9030A電熱恒溫鼓風干燥機定期對油茶果進行水分測量，測得含水率5 個 水 平 分 別 為 73.2%、65.6%、52.5%、43.7%、28.6%。

2.2 油茶果直徑大小的確定

成熟后的油茶鮮果大小不一，呈橢球形，直徑大致在15～40mm之間，利用游標卡尺對油茶鮮果進行測量，將油茶鮮果分成5個直徑等級，分別為A級（15～20mm）、B級（20～25mm）、C級（25～30 mm）、D級（30～35mm）、E級（35～40mm）。

2.3 加載方向的確定

油茶果的幾何形狀近似于橢球體，試驗加載方向如圖1所示，X方向指平行于茶果根頂連線方向。

圖1 油茶果加載方向Fig.1 The loading direction of camellia fruit

2.4 加載速率的確定

一般農(nóng)業(yè)物料壓縮加載速率的范圍為2～100 mm·min－1［14］，試驗中選擇的加載速率為5～80 mm·min－1，在這個范圍內(nèi)設定5個不同的加載速率，分別為5、10、20、40和80mm·min－1。

壓力試驗機加載試驗采用的的壓頭為平板壓頭，當壓頭接觸到油茶果時，其顯示器開始顯示壓力數(shù)據(jù)；直到油茶果因受力增大開始破裂時，壓力驟減而自動停機，記錄壓力峰值；每次試驗時任意選用5顆油茶果，最后取試驗結(jié)果的平均值［15～17］。

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進行方差和回歸分析。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 油茶果物理特性結(jié)果與分析

從購買的普通油茶鮮果中，隨機選取40顆，利用游標卡尺依次對油茶果外形尺寸進行測定，統(tǒng)計結(jié)果如表1，圖2所示。

表1 普通油茶果物理特性參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistical results of physical parameters of the Camellia fruit

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

表1為油茶莢果直徑、果殼厚、殼仁間隙包括的均值、方差等統(tǒng)計參數(shù)結(jié)果。從圖2可以直觀的看出，所測油茶果4個參數(shù)的高峰值及分散狀況，其中，莢果直徑多數(shù)集中在30～35mm，果殼厚2.5～4.5mm，殼仁X向間隙0.3～0.6mm，殼仁Y向間隙0.1～0.35mm。

由統(tǒng)計結(jié)果可知，莢果直徑方差較大，說明油茶果大小不一，差異較大；果殼厚方差較小，果殼厚度比較均勻；殼仁X向間隙大于Y向間隙。

3.2 油茶果破殼力學特性試驗結(jié)果與分析

3.2.1 加載方向?qū)τ筒韫茪ちΦ挠绊?/p>

經(jīng)上述對油茶果物理特性的研究可知，油茶鮮果直徑多數(shù)集中在30～35mm（D級），含水率為65.6%左右，因此，取D等級、含水率為65.6%的油茶鮮果，加載速率為20mm·min－1，通過對油茶果沿X向、Y向加載直到油茶果破裂。在每一個方向下各進行5次試驗，根據(jù)每次試驗的力－變形曲線，分析不同加載方向?qū)τ筒韫茪ちΦ挠绊憽Ｆ銯－S曲線見圖3。

圖3 沿不同方向加載的F－S曲線Fig.3 The curve of F－S that following the different direction loading

由圖3可見，油茶果在準靜態(tài)壓縮試驗剛開始時，油茶果所受的壓力與變形量之間呈線性增長關系，當壓縮至某一載荷時，油茶果的果殼纖維組織出現(xiàn)裂紋，果殼的強度急劇降低，圖中曲線開始下降，此時所對應的最大壓力即為油茶果破殼力。

根據(jù)沿不同方向的加載方式，計算各方向的破殼力的平均值（見表2），可知加載方向不同，破殼力大小也不同。沿Y向加載時破殼力大于沿X向加載的破殼力。由表1可見，殼仁之間的間隙沿X向最大，因此果殼開裂時破殼力沿X向加載時最小。另外，由于果殼組織結(jié)構(gòu)的纖維是沿X向的，破殼時裂口沿X向分布，因而沿X向施加外力，外殼易破裂。

表2 不同加載方向時油茶果的破殼力及均值Table 2 The broken shell force and average of camellia fruit at different direction load

3.2.2 不同加載速率對油茶果破殼力的影響

取D等級，含水率為65.6%的油茶果，采用X向加載方式，通過5個不同的加載速率對油茶果進行加載直至破裂，每個加載速率各進行5次試驗，根據(jù)每次試驗的力－變形曲線，記錄油茶果開裂時的破殼力值，并計算其平均值，結(jié)果見表3。對不同加載速率下的破殼力進行方差分析，得到結(jié)果見表4。

表3 不同加載速率時油茶果的破殼力及均值Table 3 The broken shell force and average of camellia fruit at different loading speed

表4 加載速率的方差分析Table 4 The variance analysis of loading speed

表4中F＝17.255＞F0.01（4，20），故加載速率對破殼力的影響極為顯著，不同加載速率時油茶果的破殼力不相同。利用SPSS軟件，對試驗數(shù)據(jù)進行相關性分析，得到加載速率與破殼力之間的關系曲線，如圖4所示。對試驗數(shù)據(jù)進行二次函數(shù)擬合，得到破殼力y與加載速率x1之間的關系式為：

式 中：y － 破 殼 力／N；x1—加 載 速率／mm·min－1

對非線性回歸方程進行擬合分析，用非線性的相關系數(shù)R2驗證，得到R2＝0.997。此系數(shù)非常接近1，因此方程擬合良好，由曲線圖可知破殼力隨加載速率的增加先升高后降低。

3.2.3 含水率對破殼力的影響

采用X向加載方式，加載速率為20mm·min－1，選擇5個不同含水率水平的D等級油茶果進行加載直至破裂，每個水平各進行5次試驗，根據(jù)每次試驗的力－變形曲線，記錄油茶果開裂時的破殼力值，并計算其平均值，結(jié)果見表5。對不同含水率油茶果進行方差分析，結(jié)果見表6。

圖4 加載速率和破殼力的關系曲線Fig.4 The relationship of loading speed andbreak froce

表5 不同含水率的油茶果破殼力及均值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），故含水率對破殼力的影響極為顯著，不同含水率油茶果的破殼力不相等。利用SPSS軟件，對試驗數(shù)據(jù)進行相關性分析，得到加載速率與破殼力之間的關系曲線，如圖5所示。同樣對試驗數(shù)據(jù)進行二次函數(shù)擬合，得到破殼力y與含水率x2之間的關系式為：

式中：y－破殼力N；x2—油茶果含水率%

圖5 含水率和破殼力的關系曲線Fig.5 The relationship of water content andbreak froce

對非線性回歸方程進行擬合分析，用非線性的相關系數(shù)R2驗證，得到R2＝0.983.此系數(shù)非常接近1，因此方程擬合良好，由曲線圖可知油茶果含水率越大破殼力越大。這是由于油茶果殼主要由纖維素組成，水分越少，纖維的脆性越大、韌性越小，其抵抗破裂的能力就越小，當含水率降低到一定程度時，果殼會從頂部裂開，破殼力隨之進一步降低。

3.2.4 油茶果直徑對破殼力的影響

取含水率為65.6%的油茶果，采用X向加載方式，加載速率為20mm·min－1，通過對5個不同直徑水平的油茶果進行加載直至破裂，每個水平各進行5次試驗，根據(jù)每次試驗的力－變形曲線，記錄油茶果開裂時的破殼力值，并計算其平均值（表7）。對不同直徑的油茶果進行方差分析，得到結(jié)果見表8。

表7 不同直徑的油茶果破殼力及均值Table 7 The broken shell force and average of camellia fruit at different diameter

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

表8中F＝23.420〉F0.01（4，20），故油茶果的直徑對破殼力的影響極為顯著，不同直徑的油茶果的破殼力不相同，直徑越大，油茶果的破殼力越大。這是由于較小的莢果飽滿度不大，果殼較薄，殼仁間隙較大，破殼力較小，隨著莢果尺寸的增加，果殼間隙減少，破殼力隨之增加。

4 結(jié)論與討論

本文對油茶果的物理特性進行了測定與分析，并進行了準靜態(tài)壓縮試驗，對影響油茶果破殼力的因素展開研究，結(jié)果表明：

1）影響油茶果破殼力的主要因素為加載方向、加載速率、油茶果含水率以及油茶果直徑大小。

2）對油茶果施加不同載荷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沿茶果根頂連線方向（X向）加載更省力。

3）方差分析表明加載速率、油茶果含水率和油茶果直徑大小對破殼力的影響極為顯著。破殼力隨加載速率的增加先升高后降低，隨含水率和直徑的增加而升高。對加載速率、油茶果含水率與破殼力的關系模型進行了二次函數(shù)擬合分析，方程擬合良好。

油茶果的破殼難易程度除了受自身物理特性的影響，還與外界受力情況有關，研究兩者的相關性為油茶果脫殼加工機械的設計提供了理論依據(jù)。

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