香菇菇柄切除設備研究開發(fā)及應用進展

李 鋒 宋衛(wèi)東 - 王明友 - 王教領 - 吳今姬 - 丁天航 -

(農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所，江蘇 南京 210014)

香菇菇柄切除設備研究開發(fā)及應用進展

李 鋒LIFeng宋衛(wèi)東SONGWei-dong王明友WANGMing-you王教領WANGJiao-ling吳今姬WUJing-ji丁天航DINGTian-hang

(農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所，江蘇 南京 210014)

香菇菇柄切除設備有效緩解了勞動力密集對香菇去柄環(huán)節(jié)的制約，且能確保香菇的加工質量，提高菇柄的切除效率。針對菇柄切除設備領域進行深入分析，指出其面臨的現(xiàn)狀：菇柄切除設備研究起步晚，相應的科研硬件和軟件較差，排序、定位等關鍵技術尚未攻克，研發(fā)設計的設備簡單粗陋，機械化程度低。對此，從政府、行業(yè)協(xié)會、企業(yè)以及科研人員等角度提出可行性建議，為菇柄切除領域的研究內容和研究方向提供參考。

香菇；菇柄；切除；設備

菇柄(stipeLentinulaedodes)，生于菌蓋下方，支持菌蓋的柱狀體[1]；其別稱香菇腳、柄基、菇柄，是香菇的主要形態(tài)結構之一。香菇的菇柄富含粗白質、香菇嘌呤、香菇多糖，脂溶性物質以及維生素、礦物質等營養(yǎng)成分，具有較高的營養(yǎng)價值和藥用價值[2-3]。然而，由于菇柄粗纖維含量較高，適口性差，常常被剪除丟棄。近年來，隨著香菇多糖及氨基酸提取技術[4-7]、菇柄食品膨化技術[8]、超微粉碎技術[9-10]等精深加工技術發(fā)展，香菇分類利用受到重視，菇柄成為深加工食品的重要原料[11]。通過提取菇柄的營養(yǎng)成分開發(fā)出香菇仿真素食品[12]、香菇精[13]、香菇餅干[14]以及香菇淀粉[15]等深加工食品，提高了香菇的綜合利用率，提升了香菇的附加值，拓展了香菇的產業(yè)鏈。

香菇栽培主要集中在中國、日本、韓國、臺灣等東南亞國家及地區(qū)，從1987年開始中國始終是世界第一大香菇生產國，成為最大的香菇出口國和消費國[16-17]。據中國食用菌協(xié)會統(tǒng)計[18]：到2015年香菇產量達到766.66 萬t，占世界總產量90%以上，出口貿易占到世界總貿易量的95%以上。其中菇柄占香菇總質量30%左右。隨著香菇產量的增加，傳統(tǒng)的人工剪除菇柄方式的問題日益突顯[19-21]：人工剪除菇柄過程中需要工人單一地重復剪柄動作，勞動時間長，強度大，易疲勞；工人每小時只能處理20 kg左右香菇，菇柄切除效率低；隨著中國人口紅利逐漸消失，勞務費支出逐年增加，加工成本提高。菇柄切除設備研發(fā)迫在眉睫，急需加強國內的科研院所、企業(yè)和個體對香菇菇柄切除設備研發(fā)。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 人工定位式菇柄切除設備

人工定位式菇柄切除設備，即工人將香菇有序地擺放在菇柄切除設備的定位結構中，接著進行菇柄切除等操作，吳云峰等[22]設計的香菇切柄裝置。香菇切柄裝置(見圖1)工作時，工人將香菇依次擺放在香菇放置板的凹槽內，推動滑動壓板壓緊香菇菌蓋，拉動切刀整齊切除菇柄；香菇剪柄機工作時，工人將香菇依次單個放入進料口，通過一對皮帶輪夾持固定菇柄并傳送至圓盤切刀完成菌柄切除。該類菇柄切除設備初步實現(xiàn)了香菇加工半機械化，確保高效、一致切除菇柄，提高香菇的加工質量；但對人工輔助的依懶性較大。

1. 殼體 2. 香菇放置板 3. 滑動壓板 4. 切刀 5. 菇柄收集盒圖1 人工定位菇柄切除設備Figure 1 Shearing Equipment for Stipe Lentinula Edodes by manual positioning

1.2 振動定位式菇柄切除設備

雷于國等[23]設計的香菇切柄機(見圖2)工作時，抖動上下孔板使菇柄落入孔洞內完成香菇定位，壓緊固定板固定香菇，利用孔洞的刀刃邊切除菇柄；葉禮奎[24]設計的香菇剪腳機采用偏心機構振動圓孔篩，使菇柄落入篩孔內完成香菇定位，移動鋸齒刀具切除菇柄；鄧援朝等[25]在葉禮奎的研究基礎上進行了改進，香菇剪腳機利用曲柄滑塊機構抖動滑動機架及篩網定位香菇，同時依靠鏈條傳送孔型篩網，并增加壓輥部件固定香菇菌蓋；這些振動定位式菇柄切除設備是通過振動使菇柄落入定位孔實現(xiàn)香菇定位，然后進行菇柄切除等操作，初步實現(xiàn)機械化切除香菇菇柄，但是香菇定位精度和定位效率有待提高。

1. 上孔板 2. 下孔板 3. 上孔洞 4. 下空洞 5. 固定板 6. 刀刃邊 7. 活葉

圖2 振動定位菇柄切除設備

Figure 2 Shearing Equipment for Stipe Lentinula Edodes

by vibrational positioning

1.3 強制定位式菇柄切除設備

賈昊[26]設計的香菇柄蓋分離機(見圖3)利用輸送帶將香菇傳送到毛刷處，毛刷轉動過程中將菇柄強制壓入傳送帶間隙定位，之后經過壓輥固定香菇，并切除菇柄；李逵[27]發(fā)明的香菇切柄機則利用滾軸將菇柄強制壓入傳送網帶的定位孔內。這些強制定位式菇柄切除設備采用篩網—滾軸等方式將菇柄強制壓入定位孔，提高了香菇的定位效率，保證香菇定位率，進一步提高香菇加工效率；但也產生了香菇破損率增加等新問題。

1.4 水流式定位菇柄切除設備

程文杰等[28-29]設計了全自動香菇剪柄機見圖4(a)，其工作過程：香菇經過Z字形分料輸送機構進行單一有序排列，在定位水槽中完成香菇的自定心和分層平鋪，實現(xiàn)香菇定位，通過帶式擒縱機構將香菇撥到輸送帶上，并傳送至剪切機構完成菇柄切除，之后分別收集香菇菇柄和菌蓋；江宏偉[30]在程文杰等研究基礎上，進一步研究，對水流式定位菇柄切除設備適當改進見圖4(b)，設計了香菇全自動定時定量上料機構，改進了香菇緩沖翻面輸送槽、香菇輸送及固定結構，并添加了香菇檢測分級與分揀模塊，實現(xiàn)全自動上料、定位、固定、輸送、切柄以及檢測分級。水流式定位菇柄切除設備另辟蹊徑，利用香菇在水流中漂浮的特性進行定位，避免了剛性定位時的機械損傷，但由于該方法使香菇含水量升高，直接影響香菇品質，增加了其貯運難度。

1. 機架 2. 外殼 3. 進料斗 4. 傳送機構 5. 壓輥 6. 毛刷 7. 刀片 8. 動力機構 9. 控制開關圖3 強制定位菇柄切除設備Figure 3 Shearing Equipment for Stipe Lentinula Edodes by forcible positioning

圖4 水流定位菇柄切除設備Figure 4 Shearing Equipment for Stipe Lentinula Edodes by current positioning

1.5 其他類型菇柄切除設備

李衛(wèi)旗[31]提出了一種微粉生產過程中高效香菇柄蓋分離方法(見圖5)，其原理為：將含水率3%左右的干香菇倒入容器內，利用超干香菇的菇柄和菌蓋脆韌性不同的特性，通過脫離敲打棒將菌蓋粉碎為小顆粒，而菇柄基本保持原狀，在風機的作用下，根據菌蓋和菇柄的比重不同，完成香菇柄蓋分離。該分離方法主要針對超干香菇和異形香菇的加工粉碎。

1. 容器 2. 電機 3. 脫離敲打棒 4. 風機 5. 分離箱 6. 菇柄出料口 7. 菌蓋出料口

圖5 其他類型菇柄切除設備

Figure 5 Shearing Equipment for Stipe Lentinula

Edodes by other positioning

2 現(xiàn)存問題

2.1 菇柄切除設備的研究處于初級研發(fā)階段，成果數量少

在過去，中國香菇研究側重于菌種選育[32]、栽培技術[33]、菌棒技術設備[34]、干燥以及食品加工技術設備[35-37]等領域，研發(fā)出香菇原生質體分離誘變育種技術、香菇代料栽培技術以及超聲波熱風組合干燥技術等；近幾年，香菇菇柄切除設備的研究開始得到重視，并進行初步研發(fā)設計。但是香菇菇柄切除環(huán)節(jié)仍然以人工剪除菇柄為主，菇柄切除設備研究取得的科研成果數量有限。其次，菇柄切除設備的研究成果側重于專利，技術專利占據其85%以上；而有關菇柄力學特性、菇柄切割原理等理論基礎研究仍處于空白。與香菇育種等環(huán)節(jié)研究成果相比，菇柄切除環(huán)節(jié)的科研成果無論是數量還是研究基礎都相差甚遠。

2.2 菇柄切除設備設計簡陋，有待進一步改進完善

以中國為主的香菇菇柄切除設備研究獲得較大進步，但是由于設備研發(fā)處于起步探索階段[38]，存在大量問題。調研現(xiàn)有香菇菇柄切除設備發(fā)現(xiàn)其工作原理存在不合理性：① 采用壓輥擠壓等機械方式強制進行香菇定位、固定等，極大地增加了損傷成本；② 設備制造簡陋粗糙，制造精度差，加工過程發(fā)生故障，嚴重影響工作穩(wěn)定性和連續(xù)性；③ 菇柄切除設備功能不完善，忽視安全防護等輔助部件設計，機械化和自動化水平有待提高；④ 菇柄切除設備缺乏創(chuàng)新性設計研究，科技含量低，產品相互仿制現(xiàn)象比較突出；⑤ 菇柄切除設備制造業(yè)以中小廠家為主，缺乏統(tǒng)一的制造標準，加工工藝和質量監(jiān)管不到位，設備類型繁多，質量參差不齊。

2.3 研發(fā)主體不合理

通過查閱菇柄切除相關文獻資料可以發(fā)現(xiàn)：個體取得的研發(fā)成果占到研究成果總數的55%；公司企業(yè)取得的研發(fā)成果占到研究成果總數的30%；科研院所及大專院校取得的研發(fā)成果僅占到研究成果總數的15%。其次，菇柄切除設備的研發(fā)人員以中級及以下技術人員為主，占到80%以上；而副高及以上的科研人員占比不足20%。目前，菇柄切除設備的研究主體是菇農和中小企業(yè)，作為科研實力雄厚的科研機構和大專院校反而占次要地位，科研實力和科研責任極不對稱，研究結構極不合理。

2.4 研發(fā)基礎差

(1) 菇農和中小企業(yè)由于受到技術水平、科研設備以及科研經費等因素限制，研發(fā)投入有限，難以進行創(chuàng)新性研究設計，設備相互仿制現(xiàn)象突出。

(2) 尚未意識到菇柄切除環(huán)節(jié)對香菇產業(yè)的制約，缺乏高層次專業(yè)技術人才，專業(yè)人才培養(yǎng)起步晚。

(3) 菇柄切除設備的研究主要以實踐生產經驗為依據，缺乏深入、系統(tǒng)的理論研究，尤其是菇柄物理特性、菇柄切割理論等基礎研究。

(4) 香菇產前和產后的科研投入不平衡，科研院所及大型企業(yè)大多將科研力量投入菌種培育、栽培技術等生產環(huán)節(jié)，忽視香菇產后加工設備的科研投入。

2.5 菇柄切除設備的技術難題依然存在

2.5.1 香菇傘形排序技術難點尚未有效解決 香菇在上料過程中位置有很大隨機性，自動有序排列困難。菇柄切除設備采用排序方法主要是人工排序的方式，這要求工人快速重復撿菇放菇動作，將香菇擺放在一定位置，勞動強度較大，工作效率低，整體實用性差；多數菇柄切除設備缺少香菇排序工序，直接進行香菇定位等后續(xù)操作，這些設備存在香菇精準定位效果差，定位部件的利用效率低等問題，影響設備后續(xù)加工連續(xù)性和香菇加工質量。目前，香菇排序環(huán)節(jié)沒有行之有效的技術方案，傘形排序技術難題亟需解決。

2.5.2 香菇定位技術亟需創(chuàng)新 現(xiàn)有的香菇菇柄切除設備采用的定位方式有：人工定位、強制定位、震動定位和水流定位。這些定位方式都存在不可避免的弊端，其中人工定位弊端在此不再贅述；強制定位則通過滾軸等輔助部件將菇柄強制壓入定位篩孔內，該過程精準定位程度低，工作效率差，且在定位過程中會壓傷香菇菌蓋，影響加工質量；震動定位則依靠振動篩抖動，使香菇在振動過程中菇柄落入定位篩孔，該定位過程存在香菇相互干涉的問題，無法保證香菇菇柄精準落入篩孔內，出現(xiàn)篩孔利用率低，或香菇未全部定位的現(xiàn)象，實際工作效果并不理想；水流定位則提出利用香菇浮力和水流的旋流作用實現(xiàn)香菇自動定位，該方法進一步提高了香菇的水分含量，增加了鮮香菇的貯運難度以及香菇干燥等后續(xù)加工成本。這些定位結構存在不合理的地方，亟需創(chuàng)新設計更加高效、精準的定位結構。

2.5.3 香菇固定結構有待改進 目前，主要通過壓輥等剛性結構給菌蓋施加向下的擠壓力來固定香菇，結構簡單，固定方式粗陋。香菇被動定位過程中，由于其大小存在差異，極易導致大香菇的菌蓋因為受力過大而破損，而小香菇的菌蓋因為受力較小固定效果不佳產生滑移，出現(xiàn)菇柄切除不整齊等現(xiàn)象，影響香菇的商品質量。

3 對策與建議

3.1 政府和行業(yè)組織積極加強科研引導

國家政府加強政策性指導，科學規(guī)劃，鼓勵香菇加工設備科研項目立項，支持該領域研究工作，激發(fā)科研機構、企業(yè)以及科研人員的研發(fā)熱情；優(yōu)化科研結構，鼓勵、吸引科研實力雄厚的機構、大專院校進入該領域，形成以科研院所、大專院校為主體的新局面；中國食用菌協(xié)會、國家食用菌產業(yè)技術體系等組織協(xié)會加強科研引導，根據其掌握的大量統(tǒng)計數據和豐富的一手調研資料，明確香菇產業(yè)發(fā)展需求及發(fā)展趨勢，為廣大科研院所指出明確的研究方向及研究內容。

3.2 政府和食用菌加工企業(yè)增加設備研發(fā)投入

消費者對香菇的品質要求變高，香菇現(xiàn)在面臨由量變到質變轉變的關鍵時期[39]。香菇產后加工作為直接影響香菇加工品質的重要環(huán)節(jié)，政府適當調整香菇產業(yè)各環(huán)節(jié)研發(fā)經費比例，增加菇柄切除等產后加工設備的科研經費投入。食用菌加工企業(yè)應該立足市場需求，加大菇柄切除設備研發(fā)資金投入，加強設備研發(fā)力度，提高香菇的加工質量和加工效率，促進加工企業(yè)和香菇產業(yè)的良性發(fā)展，

3.3 增強食用菌加工設備科研軟實力

創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，加強專業(yè)人才培養(yǎng)投入，采取走出去與請進來相結合等形式，提高科研人員專業(yè)素質；加大香菇的生物學特性以及力學特性等基礎理論研究，深入分析菇柄切除設備的生產實踐，理論與實踐相互應證，建立完善、系統(tǒng)的理論基礎，增強設備研發(fā)軟實力，為今后的菇柄切除設備研發(fā)工作提供指導。

3.4 引進先進設計理念，進行技術創(chuàng)新，攻克技術難點

(1) 要引入加工系統(tǒng)的理念，將菇柄切除加工過程視為有機整體，香菇有序排列工序、香菇定位工序、香菇固定工序、菇柄切除工序、菌蓋、菌柄收集工序，各相互獨立統(tǒng)一，缺一不可。

(2) 系統(tǒng)分析香菇菇柄切除工藝，分清主次，優(yōu)先攻克香菇排序等尚未解決的技術難點。

(3) 借鑒、引進其他領域的新技術，將其消化吸收并移植到菇柄切除設備，進行技術創(chuàng)新，解決香菇排序和定位技術難點，改進香菇固定和菇柄切除結構。

3.5 加強科研信息傳播，促進技術交流合作

積極促進行業(yè)內科研機構的信息技術交流合作，及時分享科研成果，互通有無，加強科研合作的深度和廣度，相互協(xié)作，高效研究；增加不同科研領域、不同科研背景的研究人員交流碰撞，開闊科研視野，拓展創(chuàng)新思路；積極與日本、韓國等主要香菇栽培國進行技術交流和探討，參觀考察它們的研究成果，開展廣泛的國內外交流合作。

4 結束語

香菇產業(yè)未來朝著產業(yè)化、集團化和現(xiàn)代化方向發(fā)展，具有廣闊的發(fā)展前景[40-42]。菇柄切除作為香菇加工的首道工序，是初加工和深加工的必需環(huán)節(jié)，其機械化程度直接制約香菇產業(yè)發(fā)展。作為香菇產業(yè)發(fā)展的物質保障，菇柄切除設備必然成為研發(fā)重點環(huán)節(jié)，引起重視。在國家、行業(yè)組織、食用菌企業(yè)以及科研院所共同努力下，促進香菇機械化生產替代手工勞動，實現(xiàn)香菇產業(yè)設施化、機械化、標準化加工生產。因此，菇柄切除設備作為香菇加工設備的重要組成部分，其今后的主要研究內容和研究方向為：① 完善菇柄切除理論研究，形成系統(tǒng)的、完整的理論體系，夯實菇柄切除設備研發(fā)基礎；② 攻克香菇排序、香菇定位等關鍵技術難點，創(chuàng)新設計新型結構，基本完成全自動切除香菇菇柄，實現(xiàn)機械化加工生產；③ 將農產品檢測、物聯(lián)網等高新技術逐步引入菇柄切除設備，構建香菇加工系統(tǒng)，實現(xiàn)菇柄切除環(huán)節(jié)全程機械化和智能化。

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Overview on Shearing Equipment for StipeLentinulaEdodes

(NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanizationMinistryofAgriculture,Nanjing,Jiangsu210014,China)

Shearing equipment for stipeLentinulaedodesalleviates the restriction of shearing stipeLentinulaedodesby labor intensive, ensures the processing quality of theLentinulaedodesand improves the efficiency of Shearing for stipeLentinulaedodes. Therefore, this paper does deep analysis on research progress of shearing equipment for stipeLentinulaedodes, and points out that: the research of shearing equipment for stipeLentinulaedodesstarted later, and the development of hardware and software was poorer; the design of equipment was simple and humble; , and the key techniques such as sorting, positioning did not conquer; degree of mechanization was lower. The paper put forward feasible suggestions for the government, industry associations, enterprises, researchers and so on，and provided the reference for the research content and direction in the future research work of Shearing shearing stipeLentinulaedodes.

Lentinulaedodes; stipeLentinulaedodes; Shearshear; equipment

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.04.042