木薯去皮加工技術(shù)研究進(jìn)展

譚支成，鄧干然，李 玲，鄭 爽，崔振德，李國杰，何洪光

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湛江 524091；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；3.農(nóng)業(yè)部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湛江 524091）

0 引言

木薯是世界上七大作物之一，與馬鈴薯、紅薯并稱世界三大薯類作物，是全球近7億生活在熱帶及亞熱帶人口的主要糧食作物之一[1-3]。木薯具有粗生粗長、耐貧瘠干旱、適宜酸性土壤、種植成本低等特點(diǎn)，目前，全球有將近百個國家種植木薯,木薯產(chǎn)量的65%用作食物，因木薯具有較好的生長特性，我國于19世紀(jì)20年代引入，并在廣東開始種植[4,5]。當(dāng)前，木薯在我國主要被用作生產(chǎn)淀粉、酒精、飼料等工業(yè)原料[6]。

21世紀(jì)以來，全球木薯種植面積呈現(xiàn)穩(wěn)定增長態(tài)勢，從2003年到2013年，10年間全球木薯種植面積增加了227萬hm2，同比提高了12%以上。按照FAO的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前木薯種植主要在非洲、亞洲、美洲，分別占木薯種植總面積的68.38%、20.17%、11.34%。我國2015年進(jìn)口木薯950萬t，占全國木薯總消費(fèi)量1 498萬t的63.42%，據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2017年我國木薯種植面積達(dá) 36.5萬 hm2[7-9]。

目前，我國木薯種植總體經(jīng)濟(jì)效益不高，木薯的多元化開發(fā)利用是提升效益的有效途徑。木薯含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)和膳食纖維，且含有的黃酮類化合物還具有保健作用，長期食用可提高免疫力，其特色食品的開發(fā)利用是木薯多元化利用的重要方向，對于提高木薯產(chǎn)業(yè)效益具有積極意義。木薯的鮮食方法主要有油炸、蒸煮以及制作成木薯粉粒、三色木薯等以木薯為原料的糕點(diǎn)，因此木薯是一種色香味俱全的食品[10]。

木薯食品化加工的基本工藝流程：清洗去泥→去皮→清洗→規(guī)格切制（段、片、條、粒等）→包裝→消毒→冷庫保存→銷售。木薯去皮是木薯食品化流程中的重要一步，因?yàn)槟臼砥ぶ泻袣淝杷?，食用方法不?dāng)會導(dǎo)致中毒甚至死亡，這種氫氰酸主要存在于深層皮內(nèi)[11]。目前，木薯去皮主要依靠手工剝離，勞動強(qiáng)度大，效率低，且剝皮不及時還易造成木薯變質(zhì)。因此，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化木薯去皮，對推動木薯食用化，帶動木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 國內(nèi)外果蔬去皮方法

去皮是果蔬加工的重要環(huán)節(jié)，其目的是去除果蔬中不宜食用的部分，目前國內(nèi)果蔬類的去皮方法主要有機(jī)械去皮法、化學(xué)去皮法以及蒸汽去皮法等。

1.1 機(jī)械去皮

機(jī)械去皮在果蔬類去皮方法中應(yīng)用最早、時間最長，同時也最有效。機(jī)械去皮分為切削去皮和摩擦去皮，切削去皮是采用相應(yīng)的刀具，通過刀具與果蔬的相對旋轉(zhuǎn)或者其他位移運(yùn)動實(shí)現(xiàn)果肉與皮的分離，如圖1所示。摩擦去皮是指果蔬在受到摩擦力、重力以及去皮機(jī)在工作時對果蔬產(chǎn)生的離心力三者共同作用下，果蔬與砂輪間產(chǎn)生速度差，二者在摩擦力的作用下完成對果蔬去皮，如圖2所示。機(jī)械去皮對果蔬無污染，損失率低，同時也便于后期的加工或者直接食用[12-14]。

1.滑動座；2.第二彈簧；3.支撐架；4.第二電機(jī)；5.右支撐板；6.第一電機(jī)；7.插桿；8.刀片；9.刀座；10.第一彈簧；11.螺孔；12.導(dǎo)向孔；13.移動座；14.導(dǎo)向桿；15.絲桿；16.支撐抓；17.左支撐板；18.底座

南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院殷建國、劉濱等人研制的馬鈴薯立式去皮機(jī)，主要由12部分組成。如圖2，在筒體下面設(shè)計一個圓盤，在軸的帶動下旋轉(zhuǎn)，以此帶動馬鈴薯在筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在筒內(nèi)側(cè)有用金剛砂或棕剛玉粘接制成的凸點(diǎn)，這些凸點(diǎn)形成具有規(guī)律性的凹凸形狀，在工作過程中，筒體在提升桿的帶動下上下移動，馬鈴薯與內(nèi)壁凸點(diǎn)之間產(chǎn)生摩擦，從而實(shí)現(xiàn)馬鈴薯與皮的分離。筒壁內(nèi)表面均勻安裝刷頭，在去皮完成后刷頭便將馬鈴薯表面的皮刷落，最后通過噴頭用水將去完皮的馬鈴薯徹底清洗干凈。試驗(yàn)結(jié)果表明，該去皮機(jī)去皮均勻，清潔度較好，去皮后的馬鈴薯剝離損失小于3%[15]。

圖2 機(jī)械式摩擦去皮機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

邵陽學(xué)院、中南大學(xué)的鄧維克、劉志輝等人研制的臍橙自動去皮機(jī)，效率可以達(dá)到25個/min以上，且破損率低于3%。該機(jī)以電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)盤上安裝4個支撐底座，人工將臍橙放入支撐底座上，采用液壓將臍橙壓緊，以軸旋轉(zhuǎn)帶動臍橙做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，去皮刀具相對于臍橙做上下移動，從而實(shí)現(xiàn)臍橙去皮的目的[16]。

Carlo Ascari等人設(shè)計發(fā)明了一種柑橘剝皮機(jī)，主要用于柑橘和橙子等緊皮柑橘的剝皮，其運(yùn)行原理是先對柑橘用帶有尖刺的夾具將蒂和柄夾持，限制柑橘在水平位置處能沿軸線轉(zhuǎn)動以外的其他自由度，然后依據(jù)仿形切割原理，通過一個旋轉(zhuǎn)的刀具沿著柑橘果形表面進(jìn)行仿形切削果皮，達(dá)到去皮的目的，最后運(yùn)用刀具沿著柑橘徑向?qū)⒏涕倥c夾具接觸的部位切除[17]。

1.2 化學(xué)去皮

化學(xué)去皮采用化學(xué)試劑對其表皮及內(nèi)皮進(jìn)行軟化，再用清水對所需要去皮的果蔬進(jìn)行沖洗，如圖3所示。具體是利用果蔬脫皮劑對果蔬浸泡，然后進(jìn)行脫皮，其原理是果蔬脫皮劑在堿液中自動生成的脂肪酸皂類陰離子型表面活性劑，其脂肪酸鏈部分的化學(xué)結(jié)構(gòu)與果蔬表皮所含高級脂肪酸一元醇脂的結(jié)構(gòu)相似度很高，能在果蔬表面形成定向吸附，因而能促使堿液快速滲入中膠層而水解其果膠質(zhì)，導(dǎo)致皮、肉分離[18,19]。

圖3 化學(xué)法去皮機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)孫遠(yuǎn)明等人在研究以化學(xué)方法對魔芋進(jìn)行去皮時，將魔芋浸泡在濃度為15%的氫氧化鈉溶液與5%的葡甘聚糖阻溶劑混合液中5 min左右，保證溫度在60℃，取出后用水沖洗，此時魔芋去皮率可以達(dá)到98%，除頂芽處不易被去除，需要人工去除外，其它芽眼處均能夠達(dá)到去皮的目的[20,21]。

湖南省植物保護(hù)研究所陳紹光在研究馬鈴薯化學(xué)去皮試驗(yàn)中得到馬鈴薯在8%燒堿與0.3%果蔬脫皮劑組成的脫皮液中，于60℃條件下浸泡12～15min，再經(jīng)人工或機(jī)械刷動可全去薯皮，且去皮后的薯塊能保持其原有的硬度、色澤與營養(yǎng)[22]。

1.3 蒸汽去皮

蒸汽去皮法主要是利用熱漲冷縮的原理達(dá)到去皮的目的。一般是指將果蔬放入高溫蒸汽中一段時間，使果蔬皮軟化，再利用工具將果蔬皮直接去除。其優(yōu)點(diǎn)在于降低了人工成本，同時也避免了化學(xué)品帶來的污染，便于對果蔬皮的再加工，做到資源利用最大化，但果蔬在蒸汽中加熱的同時也會對果肉造成一定的軟化，從而導(dǎo)致果蔬的損失，不利于果蔬的保存[23,24]。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)宗望遠(yuǎn)等人在做馬鈴薯蒸汽去皮試驗(yàn)研究時得到，馬鈴薯在蒸汽溫度為180℃時處理180 s，便可達(dá)到最佳去皮效果，但在實(shí)驗(yàn)過程中也出現(xiàn)了因蒸煮過度，使表面熟化層過厚的現(xiàn)象[25]。如圖4所示。

圖4 蒸汽去皮機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

一位日本研究人員在設(shè)計柑橘去皮設(shè)備時，采用了對輥的設(shè)計方案。在對柑橘進(jìn)行加工前，將其置于熱水蒸汽中蒸燙，使其果皮韌性提高，更易于剝除，加熱后采用帶有尖刺的旋轉(zhuǎn)軸對柑橘進(jìn)行劃皮，最后用對輥裝置將橘皮剝除。該設(shè)備加工速度較快，能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)，但去皮率低，果肉損失率較高，有的甚至需要二次加工[26]。

1.4 新型去皮方式

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，生物酶制劑對果蔬進(jìn)行去皮也得到了有效的利用。中南大學(xué)單楊、李高陽等人在研究尋找商用酶制劑對柑橘進(jìn)行去皮時，將果膠酶與纖維素酶按不同比例配合成酶制劑，在不同溫度下，對柑橘處理不同的時間，觀察經(jīng)過酶制劑處理過的柑橘去皮效果情況，最終得到復(fù)合酶的去皮效果要優(yōu)于單一酶，且果膠酶與纖維素酶按一定比例配合的酶制劑處理柑橘后去皮率可達(dá)97%[27]。

湖南農(nóng)產(chǎn)品加工所付復(fù)華、袁洪燕等人在研究利用酶制劑對黃桃進(jìn)行去皮時，得到當(dāng)用酶制劑對黃桃進(jìn)行作用的同時添加450 W超聲波輔助，酶制劑對黃桃的去皮效果更好，超聲波的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)能夠增大溶劑向原料細(xì)胞的滲透量并破壞細(xì)胞壁[28]。

2 木薯去皮方式技術(shù)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的木薯去皮方法，一般都采用手工去皮法，以刀劃和手剝?yōu)橹鳎@樣很容易將手弄傷，工作效率僅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。在當(dāng)前的手工木薯去皮方法中，已經(jīng)開始使用簡單的木薯去皮機(jī)械專用工具，去皮更加安全，同時去皮效率也有所提高，適合家庭和少量加工使用。但在大規(guī)模的木薯生產(chǎn)加工中，手工以及簡單的去皮機(jī)械已經(jīng)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，研制適合大型加工場所的專用木薯去皮設(shè)備已成為急需解決的問題。

賀州思通信息技術(shù)有限公司的榮景盛、勞加斌研制了一款手動木薯剝皮器，如圖5所示，其結(jié)構(gòu)簡單，操作容易且符合木薯的外形特點(diǎn)，比較適合家庭食用木薯的去皮[29]。

圖5 木薯手動剝皮器

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所薛忠、宋剛等人研究的夾持式木薯削皮機(jī)，該削皮機(jī)通過軸與夾持機(jī)構(gòu)連接分別驅(qū)動喂入夾持對輥和拉出夾持對輥旋轉(zhuǎn)，將需去皮木薯向削皮機(jī)構(gòu)輸送，電動機(jī)帶動錐齒輪副，通過錐齒輪換向增速帶動垂直水平傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，垂直水平傳動機(jī)構(gòu)帶動削皮機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，完成木薯表皮的剝削工作[30]。

廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所游向榮、張雅媛等人研究的木薯削皮機(jī)，通過傳送皮帶將轉(zhuǎn)動軸與電機(jī)相連，軸上裝有主動夾具，從動軸上裝有從動夾具，傳送機(jī)構(gòu)通過變速箱連接電機(jī)，傳送機(jī)構(gòu)上裝有刀具，在第一機(jī)構(gòu)上裝粗加工的刀具，在第二機(jī)構(gòu)上裝精修刀。雙刀具的設(shè)置可有效地去除木薯表皮及含毒層，達(dá)到木薯去皮食用的要求[31]。

Patrick Ebunilo等人設(shè)計了一種基于車床原理的新型木薯剝皮機(jī)，如圖6所示，整機(jī)采用自加載、自調(diào)整的單點(diǎn)切割工具，可根據(jù)所需切割木薯塊莖大小的輪廓進(jìn)行切割，單點(diǎn)切割工具使削皮機(jī)可以有效地剝掉剛收獲的木薯塊莖。試驗(yàn)結(jié)果表明，所有類型的塊莖都有超過70%的脫皮效率，而且皮肉損失最小[32,33]。

圖6 木薯塊莖剝皮機(jī)

3 幾種去皮方式的比較

綜合以上相關(guān)果蔬去皮方式的工作原理及特點(diǎn)，再結(jié)合木薯的外形尺寸及力學(xué)特性，比較上述幾種去皮技術(shù)的特點(diǎn)，總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1）人工去皮：人工去皮的優(yōu)點(diǎn)在于對設(shè)備幾乎無要求，完全依靠手工完成，對設(shè)備的一次性投入較少，能耗低，對環(huán)境無污染，木薯的去皮率高且無需二次對去皮木薯進(jìn)行處理，可保存，后期薯皮及木薯其他去掉部位的可回收利用率高；缺點(diǎn)為去皮效率低，用工量大，人工成本高。

2）化學(xué)去皮：利用化學(xué)去皮法對木薯進(jìn)行去皮，對機(jī)器結(jié)構(gòu)要求小，對木薯的外形尺寸適應(yīng)性好，且去皮迅速，去皮率高，去皮后得到的木薯表面光滑，芽眼處都能得到有效的處理，只需簡單二次處理就能得到去皮完整的木薯；但化學(xué)處理一般主要是利用堿液如氫氧化鈉溶液破壞皮與肉之間的纖維素、果膠，使薯肉與外皮分離，但也使薯皮與其他去掉部位的回收較困難，且容易對環(huán)境造成污染，處理后的薯肉容易發(fā)生顏色變化，影響交易，因此，化學(xué)去皮法對木薯不適用。

3）蒸汽去皮：蒸汽式去皮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對木薯的外形尺寸無要求，且芽眼部分的去皮也能夠除盡，對環(huán)境無污染，但利用蒸汽對木薯去皮需加熱，消耗能量，經(jīng)濟(jì)效益相對較差，且如果用作食用木薯進(jìn)行交易時，經(jīng)過去皮后的木薯表面有蒸煮層，二次處理時勞動量過大，并沒有達(dá)到減少工人量，增加效率的目的。

4）超聲波與酶制劑去皮：利用酶制劑作用于木薯皮，能夠達(dá)到木薯去皮所需要的一切效果，且去皮方案簡單，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，去皮效率高，對環(huán)境無污染；但酶制劑一般價格較高，這對本身經(jīng)濟(jì)效益就很低的木薯來說很難得到應(yīng)用。

5）機(jī)械去皮：機(jī)械法木薯去皮對機(jī)械結(jié)構(gòu)要求高，且加工過程中易產(chǎn)生噪聲，芽眼部位也無法全數(shù)除盡，二次加工時勞動強(qiáng)度較高，但機(jī)械法去皮卻能得到較好的經(jīng)濟(jì)效益，對環(huán)境無污染，切削下的皮層部分可回收加工成飼料，能耗較低，適合木薯去皮。

4 我國木薯去皮機(jī)存在的問題與發(fā)展趨勢

4.1 存在的問題

近年來，隨著我國工業(yè)的迅速發(fā)展，我國在對薯種植、收獲以及中期管理等階段的機(jī)械化有較多的研究與應(yīng)用，并取得了一定的成果。但在木薯后期加工中的去皮環(huán)節(jié)卻很少有實(shí)用性機(jī)械可使用，且木薯食用化去皮階段消耗人力大、作業(yè)成本高，因此急需推廣性強(qiáng)、實(shí)用性高的木薯去皮機(jī)械。目前，木薯去皮機(jī)械應(yīng)用還存在諸多問題，主要有以下5個方面：

1）實(shí)用性低。不同地區(qū)或者同一地區(qū)的木薯品種存在多樣性，且不同品種木薯的外形尺寸存在一定的差異，因此設(shè)計的去皮機(jī)械不能在木薯去皮上實(shí)現(xiàn)通用，往往導(dǎo)致一個工廠或者家庭需要不同種類的去皮機(jī)，經(jīng)濟(jì)投入過大，不利于木薯去皮機(jī)的推廣。

2）去皮可靠性低。由于木薯品種的差異，導(dǎo)致相關(guān)的去皮厚度差異性太大，因此不同機(jī)器的制造差異較大，機(jī)器性能也不盡相同，從而導(dǎo)致工作時適應(yīng)性相對較弱，出現(xiàn)故障的頻率大大增加，可靠性差，機(jī)器生命期內(nèi)維護(hù)成本較高，直接降低了木薯產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3）生產(chǎn)效率低。目前，生產(chǎn)上應(yīng)用的木薯去皮機(jī)的機(jī)型均為間歇式工作，一般操作流程為將需要去皮的木薯放入去皮機(jī)后開機(jī)，等待一段時間再將去好皮的木薯拿出，才能進(jìn)行下一次木薯去皮，這大大增加了勞動時間，限制了工人的操作空間，生產(chǎn)效率低。同時人工上機(jī)操作不但成本高，也存在安全隱患。

4）木薯去皮機(jī)械的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化程度低。我國木薯品種多樣，且種植木薯的土地多處在丘陵山地等地形復(fù)雜的地區(qū)，種植等農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)相差太大，缺乏相應(yīng)有效的技術(shù)服務(wù)體系及農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣人員，即使同品種木薯在不同產(chǎn)地所產(chǎn)木薯的特性也有一定的差異，這對去皮機(jī)的研制帶來了很大的困難，同時也對木薯的集中去皮產(chǎn)生了極大的影響。

5）集中化程度低。木薯后期去皮是一個標(biāo)準(zhǔn)化的過程，必須要保證能夠有效且完整的去皮、較一致的外觀規(guī)格，才能夠作為商品食用木薯進(jìn)行交易，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 木薯去皮的發(fā)展趨勢

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對木薯的需求逐年增加，以木薯為原料的加工食品消費(fèi)市場呈上升趨勢[33]，因此對木薯去皮這一繁重工作實(shí)行機(jī)械化勢在必行。針對現(xiàn)有問題，建議通過以下途徑加快木薯去皮機(jī)械化研發(fā)進(jìn)展：

1）加大規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)，提高木薯種植規(guī)?；约皹?biāo)準(zhǔn)化經(jīng)營水平，同一地區(qū)的木薯盡量種植相同品種，政府成立專業(yè)合作社，為種植戶提供機(jī)械化技術(shù)種植以及農(nóng)藝技術(shù)支撐，提高地區(qū)木薯品種的統(tǒng)一性，便于機(jī)械化的推廣。

2）行業(yè)主導(dǎo)木薯品種以及相應(yīng)的種植工藝的規(guī)范與推廣，木薯生產(chǎn)機(jī)械、農(nóng)藝、企業(yè)等各個學(xué)科、單位協(xié)調(diào)一致，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械與農(nóng)藝的融合水平。

3）加大各科研單位、研發(fā)企業(yè)之間的技術(shù)合作與交流，集中優(yōu)勢，運(yùn)用現(xiàn)代的設(shè)計理念與檢測工具，結(jié)合先進(jìn)的計算機(jī)仿真分析功能，在采用國內(nèi)外新機(jī)型的基礎(chǔ)上，通過各農(nóng)機(jī)推廣服務(wù)站對各地區(qū)需求的了解，使得從設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、服務(wù)推廣到機(jī)械應(yīng)用等各環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，建立高效的木薯生產(chǎn)機(jī)械化服務(wù)體系。

5 總結(jié)與展望

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，木薯食品化是增加木薯種植效益的有效途徑，木薯能否高效機(jī)械化去皮對木薯食品化及讓木薯產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中立于不敗之地具有重要意義。今后的木薯去皮技術(shù)研究方面重點(diǎn)為提高木薯去皮效率、降低去皮成本的聯(lián)合去皮技術(shù)，并對去皮下腳料進(jìn)行綜合利用。在木薯去皮機(jī)械設(shè)計時，要以提高機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)化、去皮加工的連續(xù)性為目標(biāo)，做到高效節(jié)能，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)商品食用木薯。