工業(yè)大麻干莖加工處理試驗(yàn)研究

馬蘭，劉佳杰，向偉，龍超海，文慶華，呂江南

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南長(zhǎng)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(qiáng)，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(jià)值的品種，這類品種經(jīng)國(guó)家備案許可后，可以進(jìn)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(jì)價(jià)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(duì)其進(jìn)行加工處理才能將纖維分離出來。國(guó)內(nèi)外對(duì)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(duì)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(shí)加工處理，主要有小型反拉式剝麻機(jī)［4-5］（剝苧麻鮮莖用，改進(jìn)后也用來剝制工業(yè)大麻鮮莖）和直喂式剝皮機(jī)［6］（適用于小面積種植的工業(yè)大麻，如品種試驗(yàn)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(jìn)行打麻，剝制出的長(zhǎng)麻用于紡織等對(duì)纖維長(zhǎng)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(jī)對(duì)其進(jìn)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(fù)合材料，汽車面板等；目前也有直接用亞麻二粗脫麻機(jī)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(jià)值。亞麻打麻生產(chǎn)線較長(zhǎng)，過程復(fù)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(jī)械，在保證生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，減少加工處理機(jī)械的數(shù)量，節(jié)約加工處理的場(chǎng)地空間，以促進(jìn)工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。

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

公開文獻(xiàn)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(jī)、雙滾筒梳理機(jī)和課題組研制的麻類干莖打麻機(jī)以及這些機(jī)械的不同組合，對(duì)工業(yè)大麻干莖碎莖、打麻、梳理不同工序進(jìn)行組合試驗(yàn)，研究不同組合試驗(yàn)中纖維的含骨率，并進(jìn)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(jìn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用工業(yè)大麻品種為龍麻1號(hào)，選自黑龍江省肇東漢麻種子繁育合作社農(nóng)科院實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，于2018年8月25日機(jī)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(jìn)行測(cè)定，干莖稈平均含水率6.46%，莖稈長(zhǎng)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(yàn)設(shè)備及其工作過程

試驗(yàn)用設(shè)備主要有麻類干莖碎莖機(jī)、麻類干莖打麻機(jī)、雙滾筒梳理機(jī)。麻類干莖碎莖機(jī)（黑龍江蘭西縣霽鴻園亞麻機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)，以下簡(jiǎn)稱碎莖機(jī)）如圖2所示，該機(jī)主要由14對(duì)螺旋壓輥、1對(duì)光輥、彈性軸承座機(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架、防護(hù)罩等部分組成，主要部件是14對(duì)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(shí)將亞麻（大麻）縱向薄層喂入軋輥，麻稈經(jīng)幾對(duì)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(duì)纖維的損傷，各軋輥的凸紋數(shù)不同，一般有11～14個(gè)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(jī)試驗(yàn)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(jī)見圖3，該機(jī)主要由喂入裝置、碎莖裝置、打麻裝置、去屑裝置、拋甩裝置、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、防護(hù)罩、機(jī)架等組成，工作時(shí)莖稈通過自動(dòng)喂入裝置垂直喂入4對(duì)品字形碎莖碾壓裝置，然后依次進(jìn)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(jī)是本課題組研制的新型麻類干莖加工處理機(jī)械，主要解決了采用亞麻打麻線僅能加工1 m左右長(zhǎng)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(jī)械對(duì)長(zhǎng)短干莖稈均可加工處理。

圖3 麻類干莖打麻機(jī)試驗(yàn)裝置Fig.3 Test device of scutching machine of bast fiber stalk

雙滾筒梳理機(jī)（黑龍江蘭西縣春雨麻類機(jī)械設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)）如圖4所示，主要由兩個(gè)釘齒滾筒、物料風(fēng)機(jī)、防護(hù)罩、機(jī)架、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。工作時(shí)，人工將物料喂入進(jìn)料口，經(jīng)過兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)釘齒滾筒上釘齒的梳打，碎麻骨被梳掉，并由物料風(fēng)機(jī)抽出并排出脫麻機(jī)。純凈的纖維從出麻口輸出。雙滾筒脫麻機(jī)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(jī)試驗(yàn)裝置Fig.4 Test device of double rollers carding machine

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 麻類干莖打麻機(jī)打麻試驗(yàn)

麻類干莖打麻機(jī)打麻試驗(yàn)記為試驗(yàn)1，試驗(yàn)時(shí)每次隨機(jī)選取3 kg物料，縱向喂入打麻機(jī)，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(fù)3次，從每個(gè)重復(fù)的3個(gè)樣品中各隨機(jī)取出3個(gè)小樣，測(cè)定含骨率，記錄試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.2 碎莖機(jī)碎莖試驗(yàn)

碎莖機(jī)碎莖試驗(yàn)記為試驗(yàn)2，試驗(yàn)時(shí)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(jī)，稱重碎莖后試驗(yàn)物料（即原麻）。重復(fù)3次，從每個(gè)重復(fù)的3個(gè)樣品中各隨機(jī)選取出3個(gè)小樣，測(cè)定含骨率，記錄試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.3 雙滾筒梳理機(jī)梳理試驗(yàn)

雙滾筒梳理機(jī)梳理試驗(yàn)記為試驗(yàn)3，試驗(yàn)時(shí)每次隨機(jī)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(jī)，稱重梳理后試驗(yàn)物料（即原麻）。重復(fù)3次，從每個(gè)重復(fù)的3個(gè)樣品中各隨機(jī)取出3個(gè)小樣，測(cè)定含骨率，記錄試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.4 碎莖機(jī)-麻類干莖打麻機(jī)處理試驗(yàn)

碎莖機(jī)-麻類干莖打麻機(jī)處理試驗(yàn)記為試驗(yàn)4，試驗(yàn)時(shí)每次隨機(jī)選取3 kg物料，采用橫向喂入方式將莖稈喂入碎莖機(jī)，收集碎莖后物料；將碎莖后物料喂入麻類干莖打麻機(jī)進(jìn)行打麻試驗(yàn)，收集打麻后的試驗(yàn)物料（即原麻），并稱重記錄。重復(fù)3次，從每個(gè)重復(fù)的3個(gè)樣品中各隨機(jī)取出3個(gè)小樣，測(cè)定含骨率，記錄試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.5 碎莖機(jī)-雙滾筒梳理機(jī)處理試驗(yàn)

碎莖機(jī)-雙滾筒梳理機(jī)處理試驗(yàn)記為試驗(yàn)5，試驗(yàn)時(shí)每次隨機(jī)選取3 kg物料，碎莖時(shí)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(jī)進(jìn)行梳理，收集梳理后的試驗(yàn)物料（即原麻），并稱重記錄。試驗(yàn)重復(fù)3次，從每個(gè)重復(fù)的3個(gè)樣品中各隨機(jī)取出3個(gè)小樣，測(cè)定含骨率，記錄試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.6 麻類干莖打麻機(jī)-雙滾筒梳理機(jī)處理試驗(yàn)

麻類干莖打麻機(jī)-雙滾筒梳理機(jī)處理試驗(yàn)記為試驗(yàn)6，試驗(yàn)時(shí)每次隨機(jī)選取3 kg物料，縱向喂入打麻機(jī)，打麻后物料稱重；將打麻后物料喂入雙滾筒梳理機(jī)進(jìn)行梳理試驗(yàn)，收集梳理后的試驗(yàn)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(yàn)重復(fù)3次，從每個(gè)重復(fù)的3個(gè)樣品中各隨機(jī)取出3個(gè)小樣，測(cè)定含骨率，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.7 碎莖機(jī)-麻類干莖打麻機(jī)-雙滾筒梳理機(jī)處理試驗(yàn)

碎莖機(jī)-麻類干莖打麻機(jī)-雙滾筒梳理機(jī)處理試驗(yàn)記為試驗(yàn)7，試驗(yàn)時(shí)每次隨機(jī)選取3 kg物料，碎莖時(shí)采用橫向喂入方式，收集碎莖后試驗(yàn)物料；將碎莖后的物料喂入打麻機(jī)，收集打麻后的試驗(yàn)物料；將打麻后物料喂入雙滾筒梳理機(jī)，收集梳理后的試驗(yàn)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(yàn)重復(fù)3次，從每個(gè)重復(fù)的3個(gè)樣品中各隨機(jī)取出3個(gè)小樣（每個(gè)小樣不小于200 g），測(cè)定含骨率，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

1.4 含骨率測(cè)定

工業(yè)大麻莖稈經(jīng)機(jī)械加工處理后所得纖維（含骨）稱為原麻。含骨率是莖稈在機(jī)械加工處理?xiàng)l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(jì)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(píng)價(jià)麻類纖維加工處理好壞的定量指標(biāo)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(jì)分析

采用Excel處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理間各指標(biāo)的差異顯著性檢驗(yàn)，采用新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 麻類干莖打麻機(jī)打麻試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知，3次打麻試驗(yàn)含骨率平均為37.43%，可見采用該麻類干莖打麻機(jī)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(zhǎng)度為2～6mm，纖維長(zhǎng)度平均為540mm，見圖6。

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

圖6 試驗(yàn)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(jī)碎莖試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知，3次試驗(yàn)含骨率平均為66.05%，可見碎莖機(jī)僅對(duì)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(jìn)一步處理才可去除，說明單一采用碎莖機(jī)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(zhǎng)度約為1～5 mm，纖維長(zhǎng)度平均為450.6 mm。

圖7 碎莖機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test result of breaking machine

2.3 雙滾筒梳理機(jī)梳理試驗(yàn)

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

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

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

2.4 碎莖機(jī)碎莖-麻類干莖打麻機(jī)打麻試驗(yàn)

由圖10可知，3次試驗(yàn)含骨率平均為11.59%，對(duì)比單獨(dú)采用碎莖機(jī)或單獨(dú)采用麻類干莖打麻機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，可見碎莖機(jī)僅對(duì)莖稈起到了初步碾壓的作用。采用碎莖機(jī)碎莖-麻類干莖打麻機(jī)加工處理后的纖維平均長(zhǎng)度約為520.8 mm。

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

2.5 碎莖機(jī)-雙滾筒梳理機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

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

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

2.6 麻類干莖打麻機(jī)-雙滾筒梳理機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

由圖12可知，3次試驗(yàn)含骨率平均為6.19%。其纖維平均長(zhǎng)度約為110.5 mm。

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

2.7 碎莖機(jī)-麻類干莖打麻機(jī)-雙滾筒梳理機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

由圖13可知，3次試驗(yàn)含骨率平均為6.58%。其纖維平均長(zhǎng)度約為101.7 mm。

圖13 碎莖機(jī)-麻類干莖打麻機(jī)-雙滾筒梳理機(jī)試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)下的工業(yè)大麻含骨率差異達(dá)極顯著水平。

表2 不同組合試驗(yàn)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(duì)不同組合試驗(yàn)的含骨率進(jìn)行多重比較，將不同的組合試驗(yàn)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(yàn)4、5、6、7之間無顯著差異，處理試驗(yàn)2與4、5、6、7呈極顯著差異，處理試驗(yàn)2與1、3有明顯差異，處理試驗(yàn)1和3之間無顯著性差異，但處理試驗(yàn)3所得纖維含有較長(zhǎng)麻骨，纖維被打斷成短纖維，降低了應(yīng)用價(jià)值，而處理試驗(yàn)5、6、7最后一個(gè)試驗(yàn)裝置都采用了雙滾筒梳理機(jī)，但結(jié)果與處理試驗(yàn)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(yàn)效果的前提下，優(yōu)先采用試驗(yàn)4即碎莖機(jī)碎莖-麻類干莖打麻機(jī)打麻路線。

表3 不同組合試驗(yàn)的含骨率多重比較（新復(fù)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(jìn)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(yàn)1和3之間，以及處理試驗(yàn)4、5、6、7之間無顯著性差異，處理試驗(yàn) 2與處理試驗(yàn)4、5、6、7呈極顯著差異，處理試驗(yàn)2與處理試驗(yàn)1、3之間差異顯著。

（2）對(duì)于含骨率而言，處理試驗(yàn)2與其他處理試驗(yàn)1、3、4、5、6、7之間都有顯著性差異，僅采用處理試驗(yàn)2即工業(yè)大麻碎莖機(jī)對(duì)其莖稈進(jìn)行碎莖達(dá)不到對(duì)工業(yè)大麻加工處理的效果。試驗(yàn)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(jìn)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(duì)不同的產(chǎn)業(yè)需求，可以綜合考慮機(jī)械的使用方式。

（3）在上述處理試驗(yàn)（試驗(yàn)5、6、7）中，采用了雙滾筒梳理機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，加工處理過的纖維含骨率都較低，但加工后的纖維長(zhǎng)度短，降低了纖維的使用價(jià)值，可見雙滾筒梳理機(jī)不適合對(duì)長(zhǎng)纖維的加工處理，但是采用雙滾筒梳理機(jī)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(jìn)一步改進(jìn)工業(yè)大麻加工處理機(jī)械提供新思路。如：處理試驗(yàn)4即碎莖機(jī)-麻類干莖打麻機(jī)，把碎莖機(jī)的碎莖功能融入麻類干莖打麻機(jī)中，可改進(jìn)麻類干莖打麻機(jī)設(shè)計(jì)，縮短工業(yè)大麻加工處理工序，減少其加工處理機(jī)械作業(yè)線，節(jié)省場(chǎng)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。