工業(yè)大麻干莖加工處理試驗研究

馬蘭，劉佳杰，向偉，龍超海，文慶華，呂江南

（中國農(nóng)業(yè)科學院麻類研究所，湖南長沙410205）

大麻（Cannabis sativa L.）是大麻科大麻屬一年生草本植物，其適應(yīng)性強，種植廣泛。工業(yè)大麻（Industrial Hemp）是指四氫大麻酚（THC）含量低于0.3%的無毒品提取價值的品種，這類品種經(jīng)國家備案許可后，可以進行種植和相關(guān)利用。工業(yè)大麻在紡織、造紙、食品、醫(yī)藥和新材料等領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用，具有極高的經(jīng)濟價值，尤其是工業(yè)大麻纖維具有抑菌、吸濕、耐熱和防靜電等優(yōu)良特性［1-3］，深受人們的喜愛。

工業(yè)大麻莖稈的韌皮部含有紡織所需的纖維，需要對其進行加工處理才能將纖維分離出來。國內(nèi)外對工業(yè)大麻莖稈的加工處理方法不盡相同，一般可分為鮮莖剝麻、干莖剝麻。

對工業(yè)大麻莖稈的加工處理也稱為剝制或剝麻，即從莖稈收獲后到加工出原麻的過程。鮮莖剝麻適用于收獲后及時加工處理，主要有小型反拉式剝麻機［4-5］（剝苧麻鮮莖用，改進后也用來剝制工業(yè)大麻鮮莖）和直喂式剝皮機［6］（適用于小面積種植的工業(yè)大麻，如品種試驗基地等）；干莖剝麻方式適用于大面積種植工業(yè)大麻的基地等，該方式有利于工廠化集中加工，且一般是加工處理脫膠后的干莖稈，干莖剝麻沒有專用的加工設(shè)備［7］，一般將莖稈切斷后采用亞麻打麻生產(chǎn)線［8］進行打麻，剝制出的長麻用于紡織等對纖維長度有要求的行業(yè)；打麻后的短纖維和麻屑、麻骨等的混合物，俗稱二粗，生產(chǎn)上使用亞麻二粗脫麻機對其進行加工處理，供后續(xù)需要應(yīng)用短纖維的行業(yè)，如纖維復合材料，汽車面板等；目前也有直接用亞麻二粗脫麻機將工業(yè)大麻干莖稈梳理成短纖維的加工處理方式，但得到的纖維較短，限制了工業(yè)大麻纖維的應(yīng)用范圍，降低了其纖維價值。亞麻打麻生產(chǎn)線較長，過程復雜，纖維損失量大，研制適用于工業(yè)大麻干莖加工處理的專用機械，在保證生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，減少加工處理機械的數(shù)量，節(jié)約加工處理的場地空間，以促進工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。

國內(nèi)外對工業(yè)大麻的研究主要集中在力學特性［9-10］、莖稈收割裝置［11-14］、剝麻機設(shè)計［15-16］、育種與栽培［17-19］、纖維復合材料［20-21］、土壤重金屬污染植物修復［22-27］、藥用價值研究［28-31］上，這些研究在一定程度上促進了工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)向縱深領(lǐng)域發(fā)展。

公開文獻中鮮見有關(guān)工業(yè)大麻干莖加工處理方面的研究。本文分別采用碎莖機、雙滾筒梳理機和課題組研制的麻類干莖打麻機以及這些機械的不同組合，對工業(yè)大麻干莖碎莖、打麻、梳理不同工序進行組合試驗，研究不同組合試驗中纖維的含骨率，并進行方差分析和多重比較，旨在提出適用于工業(yè)大麻干莖加工的處理方案，為麻類干莖棉型纖維加工工藝提供參考，亦可為麻類纖維加工處理設(shè)備的改進提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用工業(yè)大麻品種為龍麻1號，選自黑龍江省肇東漢麻種子繁育合作社農(nóng)科院實驗點，于2018年8月25日機械收割后，鋪放在田里，20 d后，收集壓縮打包。樣品含水率參照GB／T 1931進行測定，干莖稈平均含水率6.46%，莖稈長度70～80 mm。工業(yè)大麻主要農(nóng)藝性狀見表1。

圖1 工業(yè)大麻莖稈加工處理Fig.1 The processing and treatment of industrial hemp stalk

表1 工業(yè)大麻主要農(nóng)藝性狀Table 1 Main agronomic characters of industrial hemp

1.2 試驗設(shè)備及其工作過程

試驗用設(shè)備主要有麻類干莖碎莖機、麻類干莖打麻機、雙滾筒梳理機。麻類干莖碎莖機（黑龍江蘭西縣霽鴻園亞麻機械制造有限公司生產(chǎn)，以下簡稱碎莖機）如圖2所示，該機主要由14對螺旋壓輥、1對光輥、彈性軸承座機構(gòu)、動力傳動系統(tǒng)、機架、防護罩等部分組成，主要部件是14對上下連續(xù)布置的帶凸紋的軋輥。上排軋輥軸承座上彈性調(diào)節(jié)裝置中的壓縮彈簧可調(diào)節(jié)改變軋輥的壓力。工作時將亞麻（大麻）縱向薄層喂入軋輥，麻稈經(jīng)幾對軋輥的多次壓揉和彎曲使其韌皮與麻骨分離。為了減少軋輥對纖維的損傷，各軋輥的凸紋數(shù)不同，一般有11～14個凸紋，軋輥直徑為140 mm，軋輥轉(zhuǎn)速為 100～135 r／min，各軋輥線速度為 0.6～0.8 m／s。

圖2 碎莖機試驗裝置Fig.2 Test device of breaking machine

工作過程：在喂入口處人工鋪放莖稈，并喂入上下嚙合的壓輥中，莖稈的木質(zhì)部被壓輥壓碎并破碎成小塊（俗稱麻骨或麻屑），部分麻骨從其韌皮纖維中分離出來，含有麻骨的莖稈經(jīng)出麻口輸出，完成碎莖工作。

麻類干莖打麻機見圖3，該機主要由喂入裝置、碎莖裝置、打麻裝置、去屑裝置、拋甩裝置、動力傳動系統(tǒng)、防護罩、機架等組成，工作時莖稈通過自動喂入裝置垂直喂入4對品字形碎莖碾壓裝置，然后依次進入打麻裝置、去屑裝置，經(jīng)打麻去屑后，由拋甩裝置的滾筒拋出。麻類干莖打麻機是本課題組研制的新型麻類干莖加工處理機械，主要解決了采用亞麻打麻線僅能加工1 m左右長度的工業(yè)大麻的問題，可供給中小工業(yè)大麻種植用戶使用。該機械對長短干莖稈均可加工處理。

圖3 麻類干莖打麻機試驗裝置Fig.3 Test device of scutching machine of bast fiber stalk

雙滾筒梳理機（黑龍江蘭西縣春雨麻類機械設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)）如圖4所示，主要由兩個釘齒滾筒、物料風機、防護罩、機架、動力傳動系統(tǒng)等部分組成。工作時，人工將物料喂入進料口，經(jīng)過兩個相對運動釘齒滾筒上釘齒的梳打，碎麻骨被梳掉，并由物料風機抽出并排出脫麻機。純凈的纖維從出麻口輸出。雙滾筒脫麻機的釘齒滾筒直徑為500 mm，轉(zhuǎn)速為280 r／min。

圖4 雙滾筒梳理機試驗裝置Fig.4 Test device of double rollers carding machine

1.3 試驗方法

1.3.1 麻類干莖打麻機打麻試驗

麻類干莖打麻機打麻試驗記為試驗1，試驗時每次隨機選取3 kg物料，縱向喂入打麻機，收集打麻后的物料（即原麻）并稱重。采用人工方法，揀掉原麻中的麻骨，并記錄麻骨重量。重復3次，從每個重復的3個樣品中各隨機取出3個小樣，測定含骨率，記錄試驗結(jié)果。

1.3.2 碎莖機碎莖試驗

碎莖機碎莖試驗記為試驗2，試驗時每次取3 kg東北大麻物料，莖稈采用橫向喂入方式喂入碎莖機，稱重碎莖后試驗物料（即原麻）。重復3次，從每個重復的3個樣品中各隨機選取出3個小樣，測定含骨率，記錄試驗結(jié)果。

1.3.3 雙滾筒梳理機梳理試驗

雙滾筒梳理機梳理試驗記為試驗3，試驗時每次隨機選取3 kg東北大麻物料，莖稈采用縱向喂入方式喂入梳理機，稱重梳理后試驗物料（即原麻）。重復3次，從每個重復的3個樣品中各隨機取出3個小樣，測定含骨率，記錄試驗結(jié)果。

1.3.4 碎莖機-麻類干莖打麻機處理試驗

碎莖機-麻類干莖打麻機處理試驗記為試驗4，試驗時每次隨機選取3 kg物料，采用橫向喂入方式將莖稈喂入碎莖機，收集碎莖后物料；將碎莖后物料喂入麻類干莖打麻機進行打麻試驗，收集打麻后的試驗物料（即原麻），并稱重記錄。重復3次，從每個重復的3個樣品中各隨機取出3個小樣，測定含骨率，記錄試驗結(jié)果。

1.3.5 碎莖機-雙滾筒梳理機處理試驗

碎莖機-雙滾筒梳理機處理試驗記為試驗5，試驗時每次隨機選取3 kg物料，碎莖時采用橫向喂入方式，碎莖后物料稱重；將碎莖后物料喂入雙滾筒梳理機進行梳理，收集梳理后的試驗物料（即原麻），并稱重記錄。試驗重復3次，從每個重復的3個樣品中各隨機取出3個小樣，測定含骨率，記錄試驗結(jié)果。

1.3.6 麻類干莖打麻機-雙滾筒梳理機處理試驗

麻類干莖打麻機-雙滾筒梳理機處理試驗記為試驗6，試驗時每次隨機選取3 kg物料，縱向喂入打麻機，打麻后物料稱重；將打麻后物料喂入雙滾筒梳理機進行梳理試驗，收集梳理后的試驗物料（即原麻），并稱重記錄。采用人工方法，揀掉原麻中的麻骨，并記錄麻骨重量。試驗重復3次，從每個重復的3個樣品中各隨機取出3個小樣，測定含骨率，并記錄試驗結(jié)果。

1.3.7 碎莖機-麻類干莖打麻機-雙滾筒梳理機處理試驗

碎莖機-麻類干莖打麻機-雙滾筒梳理機處理試驗記為試驗7，試驗時每次隨機選取3 kg物料，碎莖時采用橫向喂入方式，收集碎莖后試驗物料；將碎莖后的物料喂入打麻機，收集打麻后的試驗物料；將打麻后物料喂入雙滾筒梳理機，收集梳理后的試驗物料（即原麻），并稱重記錄。采用人工方法，揀掉原麻中的麻骨，并記錄麻骨重量。試驗重復3次，從每個重復的3個樣品中各隨機取出3個小樣（每個小樣不小于200 g），測定含骨率，并記錄試驗結(jié)果。

1.4 含骨率測定

工業(yè)大麻莖稈經(jīng)機械加工處理后所得纖維（含骨）稱為原麻。含骨率是莖稈在機械加工處理條件下所得原麻中麻骨含量與原麻（含骨）總重量的比值，按公式計算：

式中：

B—含骨率，%；

wb—原麻中所含麻骨的重量，kg；

wmp—原麻總重量，kg。

含骨率是評價麻類纖維加工處理好壞的定量指標之一，可以直觀地說明加工處理后的纖維質(zhì)量。含骨率越低，說明原纖維中麻骨的含量越少，減少了后續(xù)加工處理工序，更有利于后續(xù)纖維的利用。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel處理試驗數(shù)據(jù)并進行處理間各指標的差異顯著性檢驗，采用新復極差法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 麻類干莖打麻機打麻試驗結(jié)果

由圖5可知，3次打麻試驗含骨率平均為37.43%，可見采用該麻類干莖打麻機加工處理工業(yè)大麻莖稈，可去除50%以上的麻骨。打麻后麻骨長度為2～6mm，纖維長度平均為540mm，見圖6。

圖5 麻類干莖打麻機試驗結(jié)果Fig.5 Test result of scutching machine of bast fiber stalk

圖6 試驗后的典型工業(yè)大麻樣品Fig.6 Typical sample of industrial hemp after test

2.2 碎莖機碎莖試驗結(jié)果

由圖7可知，3次試驗含骨率平均為66.05%，可見碎莖機僅對莖稈起到了初步碾壓的作用。經(jīng)過碾壓后的莖稈，其麻骨大部分附著在纖維上，需要進一步處理才可去除，說明單一采用碎莖機加工處理工業(yè)大麻莖稈，并不能得到潔凈的纖維。經(jīng)碎莖處理后的麻骨長度約為1～5 mm，纖維長度平均為450.6 mm。

圖7 碎莖機試驗結(jié)果Fig.7 Test result of breaking machine

2.3 雙滾筒梳理機梳理試驗

由圖8可知，3次試驗含骨率平均為37.07%。采用梳理機梳理后的纖維平均長度為100.9 mm，梳理后的麻骨長度平均為58.0 mm，麻骨較長，梳理后的短碎麻骨很少，見圖9。雙滾筒梳理機一般用來加工處理二粗（即經(jīng)過其他機械加工處理后的含骨率較高的纖維團），其可將短碎麻骨從二粗中梳理出來，并由物料風機抽掉排出，而梳理后的纖維通過與喂入口相對位置的出麻口排出。從試驗結(jié)果可知，直接用雙滾筒梳理機對1100 mm左右的長麻進行梳理，梳理后纖維長度減小，且所含麻骨長度較長。

圖8 雙滾筒梳理機試驗結(jié)果Fig.8 Test result of double rollers carding machine

圖9 試驗后典型工業(yè)大麻樣品Fig.9 Typical sample of industrial hemp after test

2.4 碎莖機碎莖-麻類干莖打麻機打麻試驗

由圖10可知，3次試驗含骨率平均為11.59%，對比單獨采用碎莖機或單獨采用麻類干莖打麻機的試驗結(jié)果，可見碎莖機僅對莖稈起到了初步碾壓的作用。采用碎莖機碎莖-麻類干莖打麻機加工處理后的纖維平均長度約為520.8 mm。

圖10 碎莖機-麻類干莖打麻機試驗結(jié)果Fig.10 Test result of breaking machine-industrial hemp dry stalk scutching machine

2.5 碎莖機-雙滾筒梳理機試驗結(jié)果

由圖11可知，3次試驗結(jié)果的含骨率平均為6.33%。試驗后的纖維平均長度約為121.1 mm。

圖11 碎莖機-雙滾筒梳理機試驗結(jié)果Fig.11 Test result of breaking machine-double rollers carding machine

2.6 麻類干莖打麻機-雙滾筒梳理機試驗結(jié)果

由圖12可知，3次試驗含骨率平均為6.19%。其纖維平均長度約為110.5 mm。

圖12 麻類干莖打麻機-雙滾筒梳理機試驗結(jié)果Fig.12 Test result of industrial hemp dry stalk scutching machine-double rollers carding machine

2.7 碎莖機-麻類干莖打麻機-雙滾筒梳理機試驗結(jié)果

由圖13可知，3次試驗含骨率平均為6.58%。其纖維平均長度約為101.7 mm。

圖13 碎莖機-麻類干莖打麻機-雙滾筒梳理機試驗結(jié)果Fig.13 Test result of breaking machine-industrial hemp dry stalk scutching machine-double rollers carding machine

2.8 方差分析

各組合試驗含骨率方差分析結(jié)果見表2。由表2及查F分布表可知，顯著性檢驗結(jié)果P-value＝2.89E-08＜0.01，F(xiàn)0．05＝2.8477，F(xiàn)0．01＝FINV（0．01，6，14）＝ 4．46，F(xiàn)＝43．55＞F0．01。表明不同組合試驗下的工業(yè)大麻含骨率差異達極顯著水平。

表2 不同組合試驗的含骨率方差分析Table 2 Bone content analysis of variance about different combination test

2.9 多重比較分析

采用SSR法對不同組合試驗的含骨率進行多重比較，將不同的組合試驗結(jié)果分為7組，多重比較結(jié)果見表3。從表3可以看出，在0.01和0.05水平下，多重比較結(jié)果顯示一致。處理試驗4、5、6、7之間無顯著差異，處理試驗2與4、5、6、7呈極顯著差異，處理試驗2與1、3有明顯差異，處理試驗1和3之間無顯著性差異，但處理試驗3所得纖維含有較長麻骨，纖維被打斷成短纖維，降低了應(yīng)用價值，而處理試驗5、6、7最后一個試驗裝置都采用了雙滾筒梳理機，但結(jié)果與處理試驗4之間無顯著性差異，故在盡量減少加工處理設(shè)備而不影響試驗效果的前提下，優(yōu)先采用試驗4即碎莖機碎莖-麻類干莖打麻機打麻路線。

表3 不同組合試驗的含骨率多重比較（新復極差法SSR）Table 3 Bone content multiple comparison of variance about different combination test（SSR）

3 結(jié)論

（1）不同工業(yè)大麻加工處理方式下含骨率方差分析結(jié)果呈極顯著差異，有必要進一步比較不同加工處理方式，判斷兩兩處理平均含骨率之間的差異顯著性，多重比較分析表明，處理試驗1和3之間，以及處理試驗4、5、6、7之間無顯著性差異，處理試驗 2與處理試驗4、5、6、7呈極顯著差異，處理試驗2與處理試驗1、3之間差異顯著。

（2）對于含骨率而言，處理試驗2與其他處理試驗1、3、4、5、6、7之間都有顯著性差異，僅采用處理試驗2即工業(yè)大麻碎莖機對其莖稈進行碎莖達不到對工業(yè)大麻加工處理的效果。試驗中，工業(yè)大麻莖稈碎莖后，其纖維上帶有大量的麻骨或稈芯，需要進一步加工處理才能得到較潔凈的纖維，供紡織、裝飾等行業(yè)應(yīng)用。碎莖后得到的麻骨尺寸在2 mm左右，比較適合后續(xù)的工業(yè)應(yīng)用（制碳等），針對不同的產(chǎn)業(yè)需求，可以綜合考慮機械的使用方式。

（3）在上述處理試驗（試驗5、6、7）中，采用了雙滾筒梳理機進行試驗，加工處理過的纖維含骨率都較低，但加工后的纖維長度短，降低了纖維的使用價值，可見雙滾筒梳理機不適合對長纖維的加工處理，但是采用雙滾筒梳理機加工二粗，可以得到潔凈度高的短纖維。

（4）由多重比較結(jié)果可知，可提出新的工業(yè)大麻加工處理工藝，為進一步改進工業(yè)大麻加工處理機械提供新思路。如：處理試驗4即碎莖機-麻類干莖打麻機，把碎莖機的碎莖功能融入麻類干莖打麻機中，可改進麻類干莖打麻機設(shè)計，縮短工業(yè)大麻加工處理工序，減少其加工處理機械作業(yè)線，節(jié)省場地空間，解決工業(yè)大麻生產(chǎn)缺少專業(yè)設(shè)備問題，亦可以為其他植物干莖稈的加工處理提供參考。