基于籽瓜高值綠色加工的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐彥瑞，吳勁鋒，*，黃曉鵬，馬軍民，李曉偉，王仁軍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅靖遠(yuǎn)銀農(nóng)籽瓜科技有限公司，甘肅 靖遠(yuǎn) 730600)

籽瓜，又名打瓜，屬西瓜屬普通西瓜種的栽培變種[1]，是我國西北地區(qū)主要的經(jīng)濟(jì)作物之一[2]。雖然籽瓜具有廣闊的種植面積，但市場(chǎng)上對(duì)籽瓜的利用僅是將占鮮瓜重9%～11%的瓜籽用于食品加工，而將占鮮瓜重約90%的瓜瓤和瓜皮丟棄，忽略了其中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3]。這樣的生產(chǎn)方式不僅造成了籽瓜可利用資源的極大浪費(fèi)，而且還帶來了嚴(yán)重的土壤板結(jié)和環(huán)境污染問題[4]。因此，充分開發(fā)籽瓜系列產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是籽瓜綜合利用亟待解決的問題。

近年來，關(guān)于籽瓜副產(chǎn)物加工利用的研究越來越多，但對(duì)籽瓜高值全利用及連續(xù)生產(chǎn)加工的研究甚少[5]。目前，國內(nèi)外尚無籽瓜全利用加工生產(chǎn)線的應(yīng)用報(bào)道，本團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)籽瓜破碎取籽、固液分離等籽瓜深加工領(lǐng)域進(jìn)行深入研究[6]。張志強(qiáng)等[7]利用自主研制的籽瓜破碎取籽分離機(jī)進(jìn)行了籽瓜破碎取籽試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了不同因素對(duì)籽瓜破碎分離效果的影響規(guī)律；徐金梅等[8]利用臥螺離心機(jī)對(duì)籽瓜皮瓤混合汁進(jìn)行了固液分離效果試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了籽瓜全利用加工生產(chǎn)線下游工藝中籽瓜皮瓤混合液高效分離；段維根等[9]以多效蒸發(fā)器的各種操作參數(shù)為實(shí)驗(yàn)因素，研究了其對(duì)籽瓜濃縮漿制備過程的影響及變化規(guī)律；孫川等[10]基于HACCP原理探索了籽瓜濃縮液制備工藝，進(jìn)而分離出小分子水分、糖分、膳食纖維。

基于以上研究，設(shè)計(jì)了一條籽瓜全利用加工生產(chǎn)線，完成了關(guān)鍵設(shè)備的配置，確定了關(guān)鍵加工技術(shù)和相應(yīng)的生產(chǎn)工藝。該生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)瓜籽[11]、籽瓜汁[12]、籽瓜細(xì)胞水[13]、籽瓜膳食纖維、籽瓜濃縮漿和籽瓜水[14]等籽瓜系列產(chǎn)品的規(guī)?；庸どa(chǎn)，本生產(chǎn)線的投入應(yīng)用有助于推動(dòng)籽瓜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1 籽瓜全利用加工工藝及關(guān)鍵技術(shù)的確定

1.1 籽瓜全利用加工生產(chǎn)工藝的確定

籽瓜全利用加工生產(chǎn)線將籽瓜的皮、瓤、籽全利用，生產(chǎn)出瓜籽、籽瓜膳食纖維、籽瓜細(xì)胞水、籽瓜濃縮漿和籽瓜水等籽瓜系列產(chǎn)品，且能夠規(guī)?；⑴炕a(chǎn)。籽瓜全利用生產(chǎn)線加工工藝流程如圖1所示。

圖1 籽瓜全利用加工生產(chǎn)線工藝流程

1.2 籽瓜全利用加工關(guān)鍵技術(shù)的確定

1.2.1 破碎取籽

籽瓜破碎取籽是籽瓜全利用加工生產(chǎn)線中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其皮瓤及籽瓤分離機(jī)制直接影響籽瓜瓜籽的潔凈率和損失率，進(jìn)而影響籽瓜皮瓤的利用率和瓜籽的商品性[15]。相關(guān)科研機(jī)構(gòu)相繼研制出了一系列的籽瓜破碎取籽機(jī)，但國內(nèi)至今未見正式投入生產(chǎn)線的樣機(jī)，現(xiàn)有的小型籽瓜破碎取籽機(jī)普遍存在加工效率低、瓜籽潔凈率低、損傷率高等問題[16]，在籽瓜全利用加工生產(chǎn)線中籽瓜破碎取籽機(jī)的選擇與改進(jìn)至關(guān)重要。

1.2.2 固液分離

籽瓜經(jīng)破碎取籽后，剩余的皮瓤混合物經(jīng)打漿機(jī)破碎后實(shí)現(xiàn)瓜瓤和瓜皮中植物細(xì)胞的機(jī)械破壁，最終得到固體顆粒小于0.8 mm的籽瓜皮瓤混合汁濁液。籽瓜皮瓤混合汁理化性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見表1。

固液分離方法與被分離物料的濃度、固體顆粒粒度、分離要求有關(guān)，由于固液分離后的籽瓜汁清液要進(jìn)行膜分離處理，因此固液分離方法的選擇應(yīng)滿足籽瓜皮瓤混合汁的分離要求。籽瓜皮瓤混合汁分離要求見表2。

表1 籽瓜皮瓤混合汁理化參數(shù) %

清液含固率非可溶性固形物含量還原糖回收率<2.0<0.1>80

表2 籽瓜皮瓤混合汁分離要求

籽瓜汁溫度/℃含固率/%可溶性固形物/20℃折光法,%非可溶性固形物/%還原糖濃度/g·L-16～122.671.631.0416.34

1.2.3 產(chǎn)品殺菌

籽瓜皮瓤制汁后極易變質(zhì)，高溫又會(huì)使瓜汁產(chǎn)生蒸煮味，因此，非熱加工技術(shù)的使用是籽瓜系列產(chǎn)品加工的質(zhì)量保證[17]。籽瓜皮瓤混合汁經(jīng)固液分離、膜過濾和蒸發(fā)濃縮后，得到的籽瓜系列產(chǎn)品應(yīng)采用合理的殺菌方法才能在滿足殺菌要求的同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

2 籽瓜全利用加工生產(chǎn)線設(shè)計(jì)原則

針對(duì)傳統(tǒng)的籽瓜加工工藝，在進(jìn)行生產(chǎn)線的研究設(shè)計(jì)時(shí)，除了確定加工工藝及關(guān)鍵技術(shù)外，還要遵循以下原則。

(1)籽瓜是一種極具地域特色的農(nóng)產(chǎn)品，其收獲期一般為9-10月，加工的季節(jié)性強(qiáng)，籽瓜在溫度18 ℃、濕度 90%時(shí)僅存2個(gè)月，腐爛率高達(dá)25%[18]，且隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加，籽瓜中的水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)嚴(yán)重流失，利用價(jià)值大幅下降[19]。因此，籽瓜全利用加工生產(chǎn)線的產(chǎn)能需滿足當(dāng)?shù)刈压峡偖a(chǎn)量的加工需求，保證籽瓜深加工的時(shí)效性。

(2)生產(chǎn)線布局合理，便于后期操作和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)量化生產(chǎn)，操作流程方便可控；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性良好，符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)，滿足清潔化生產(chǎn)的要求，同時(shí)可以有效降低生產(chǎn)成本。

(3)生產(chǎn)線總體配置的加工參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍寬，充分考慮各設(shè)備的技術(shù)參數(shù)匹配，盡可能適應(yīng)不同產(chǎn)品的加工工藝要求，產(chǎn)品產(chǎn)量協(xié)調(diào)最大化，以獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

3 籽瓜全利用加工生產(chǎn)線設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備配置

3.1 籽瓜全利用加工生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的籽瓜全利用加工生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，產(chǎn)能為10 t/h，每日籽瓜加工量可達(dá)80 t。籽瓜全利用加工生產(chǎn)線設(shè)備配置如圖2所示，其加工流程如下：在生產(chǎn)前依次啟動(dòng)雙道打漿機(jī)、螺桿輸送泵、瓜皮破碎機(jī)、破碎取籽機(jī)、高位提升機(jī)、噴淋檢果機(jī)、鼓泡浮洗機(jī)、低位提升機(jī)，各設(shè)備運(yùn)行正常后開始投瓜生產(chǎn)，得到瓜籽和籽瓜皮瓤的混合汁濁液。當(dāng)?shù)谝粌?chǔ)存罐中的籽瓜皮瓤混合汁濁液液位達(dá)到一定位置時(shí)，依次開啟碟片分離機(jī)和臥螺分離機(jī)，等到各設(shè)備運(yùn)行正常后開啟離心泵，對(duì)濁液進(jìn)行分離，得到籽瓜皮渣和籽瓜皮瓤的混合汁清液；當(dāng)?shù)诙?chǔ)存罐中的籽瓜皮瓤混合汁清液液位達(dá)到一定位置時(shí)，開啟超濾設(shè)備和納濾設(shè)備，各設(shè)備運(yùn)行正常后開啟離心泵，對(duì)清液進(jìn)行再分離，得到籽瓜細(xì)胞水和籽瓜濃液，籽瓜濃液達(dá)到一定液位時(shí)開啟多效蒸發(fā)器，對(duì)籽瓜濃液進(jìn)行多效蒸發(fā)，最終得到籽瓜水和含糖40%以上的籽瓜濃縮漿。

圖2 籽瓜全利用加工生產(chǎn)線設(shè)備配置1.卸料臺(tái)；2.原料槽；3.低位提升機(jī)；4.鼓泡浮洗機(jī)；5.噴淋撿果機(jī)；6.高位提升機(jī)；7.破碎取籽機(jī)；8.瓜皮破碎機(jī)；9.螺桿輸送泵；10.雙道打漿機(jī)；11.緩沖罐Ⅰ；12.離心泵Ⅰ；13.儲(chǔ)存罐Ⅰ；14.臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)；15.碟片分離機(jī)；16.緩沖罐Ⅱ；17.離心泵Ⅱ；18.儲(chǔ)存罐Ⅱ；19.離心泵Ⅲ；20.超濾設(shè)備；21.納濾設(shè)備；22.多效蒸發(fā)器；23.成品儲(chǔ)存罐；24.電子束殺菌設(shè)備

3.2 關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)與配置

3.2.1 籽瓜破碎取籽設(shè)備的配置

根據(jù)籽瓜全利用加工生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)原則，在破碎取籽和打漿工段，配備自主設(shè)計(jì)的新型高產(chǎn)能籽瓜破碎取籽機(jī)、瓜皮破碎機(jī)[20]和籽瓜雙道打漿機(jī)[21]。籽瓜破碎取籽和打漿設(shè)備配置如圖3所示。

圖3 籽瓜破碎取籽和打漿設(shè)備配置1.破碎取籽機(jī)；2.瓜皮破碎機(jī)；3.螺桿輸送泵；4.雙道打漿機(jī)

破碎取籽機(jī)主要由破碎裝置、皮瓤分離裝置、螺旋破碎輸送裝置、籽瓤分離裝置和各分離物的出料口組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)籽瓜的打破和壓碎，使皮、瓤、籽達(dá)到相互脫離狀態(tài)；完成瓜籽與瓤汁的分離和對(duì)瓤汁的細(xì)化及輸送，以滿足籽瓜全利用加工生產(chǎn)線中瓜瓤加工設(shè)備對(duì)籽瓜瓤汁的要求。未破碎的瓜皮經(jīng)破碎取籽機(jī)的瓜皮出料口輸送到瓜皮破碎機(jī)的進(jìn)料口，通過破碎進(jìn)料裝置、破碎裝置、篩選裝置和出料裝置打碎到需要的粒度，瓜皮破碎比大，達(dá)到后續(xù)工藝細(xì)、碎、均勻的要求。經(jīng)破碎取籽機(jī)和瓜皮破碎機(jī)細(xì)化的籽瓜瓤汁由螺桿輸送泵送入籽瓜雙道打漿機(jī)，通過篩網(wǎng)孔徑為1 mm的一級(jí)打漿組件、主軸傳動(dòng)裝置、篩網(wǎng)孔徑為0.8 mm的二級(jí)打漿組件進(jìn)行大顆粒皮渣分離篩選，使被打漿的籽瓜皮瓤混合物循環(huán)打碎再細(xì)化，直至其粒度滿足后續(xù)離心分離工段的要求，然后流入緩沖罐，分段儲(chǔ)存。生產(chǎn)線破碎取籽和細(xì)化打漿工藝參數(shù)見表3。

表3 破碎取籽和細(xì)化打漿工藝參數(shù)

參數(shù)數(shù)值或方法配套動(dòng)力/kW7.5～8.5瓜籽破碎率/%<1瓜籽脫凈率/%>98皮瓤混合汁粒度/mm<0.8額定產(chǎn)能/t·h-110實(shí)際產(chǎn)能/t·h-1≥10運(yùn)行方式變頻器

3.2.2 固液分離工藝要求

由于一般的果蔬汁固液分離工藝對(duì)分離的要求較低，分離清液中可以允許有少量固體沉淀，所以僅用一臺(tái)離心沉降設(shè)備即可達(dá)到分離要求[22]。但籽瓜皮瓤混合汁制備還原糖濃縮液工藝需要經(jīng)過超濾設(shè)備的分離濃縮，為防止超濾膜發(fā)生堵塞，對(duì)分離清液含固率要求較高，要求分離清液含固率盡可能低。僅用一臺(tái)分離設(shè)備達(dá)不到分離要求，需要兩種或兩種以上分離設(shè)備的組合使用。

3.2.3 固液分離設(shè)備的選型與配置

根據(jù)籽瓜皮瓤混合汁的理化性質(zhì)及各項(xiàng)分離要求，前端固液分離優(yōu)先選用LW450×1 800—N型臥螺離心機(jī)[23]。綜合考慮投資、生產(chǎn)成本和籽瓜皮瓤混合汁的物料性質(zhì)，用兩組臥螺離心機(jī)組合分離的成本太高難以實(shí)現(xiàn)[24]，后端需增設(shè)一臺(tái)分離級(jí)別小且能滿足籽瓜皮瓤混合汁分離要求的離心沉降設(shè)備[25]。參考國內(nèi)離心分離設(shè)備組合使用工藝[26]，優(yōu)先選用AF-KYDH207DD-23型碟式分離機(jī)[27]。生產(chǎn)線固液分離工段關(guān)鍵設(shè)備配置如圖4所示。

圖4 固液分離設(shè)備配置1.臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)；2.碟片分離機(jī)

經(jīng)破碎打漿后的籽瓜皮瓤混合濁液流入儲(chǔ)罐中，當(dāng)儲(chǔ)罐的液位達(dá)到一定位置時(shí)，依次啟動(dòng)碟片分離機(jī)和臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)，籽瓜濁液經(jīng)離心泵泵入臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)，經(jīng)初步分離后得到籽瓜皮瓤混合汁半清液和皮渣，皮渣中含有大量膳食纖維，收集后進(jìn)行氣流干燥等后續(xù)精加工工序，半清液則流入下級(jí)碟片分離機(jī)，再次離心分離。臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)分離工藝參數(shù)見表4。

半清液進(jìn)入碟片分離機(jī)后再次被分離機(jī)分離，得到籽瓜皮瓤混合汁清液和皮渣，皮渣中含有大量膳食纖維，與臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)分離出來的籽瓜皮渣進(jìn)行氣流干燥等后續(xù)精加工工序。籽瓜汁清液則流入儲(chǔ)罐中，可經(jīng)冷殺菌后直接進(jìn)行無菌灌裝，得到籽瓜純汁，也可依次經(jīng)超濾設(shè)備和納濾設(shè)備加工處理后得到籽瓜細(xì)胞水和籽瓜濃液，所得籽瓜濃液經(jīng)多效蒸發(fā)器進(jìn)行濃縮蒸發(fā)，得到籽瓜細(xì)胞水和含糖40%以上的籽瓜濃縮漿。碟片分離機(jī)分離工藝參數(shù)見表5。

表4 臥螺離心機(jī)分離工藝參數(shù)

參數(shù)數(shù)值或方法分離因數(shù)2 261轉(zhuǎn)鼓最高轉(zhuǎn)速/r·min-13 000轉(zhuǎn)鼓與螺旋速差/r·min-115～30液位半徑/mm147～162分離輥錐度/°4處理能力/t·h-14～8還原糖回收率/%92～98沉渣含水率/%80～90清液固形物含量/%2.0～2.4螺旋輸送器單頭/左旋/滯后

表5 碟片分離機(jī)分離工藝參數(shù)

參數(shù)數(shù)值處理能力/t·h-14～8還原糖回收率/%>80沉渣含水率/%80～90清液固形物含量/%2.0～2.2最高工作溫度/℃90額定處理量/L·h-13 000轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速/r·min-16 300分離因數(shù)8 807

3.3 產(chǎn)品殺菌工藝選擇

籽瓜屬葫蘆科草本植物，基于籽瓜汁生產(chǎn)的系列產(chǎn)品具有熱敏性，采用一般食品工業(yè)上的熱力殺菌會(huì)導(dǎo)致其原有風(fēng)味的嚴(yán)重?fù)p失和異味的產(chǎn)生。故采用紫外和臭氧瞬時(shí)冷殺菌技術(shù)，完成細(xì)胞水和籽瓜水的殺菌處理后進(jìn)行無菌灌裝得到達(dá)標(biāo)成品。多效蒸發(fā)器在制備籽瓜濃縮漿的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行高溫殺菌處理，可直接進(jìn)行無菌灌裝。由于細(xì)化分離后的籽瓜汁具有特殊的理化性質(zhì)，傳統(tǒng)的紫外和臭氧對(duì)其殺菌不完全，無法達(dá)到食品安全標(biāo)準(zhǔn)。電子束輻照殺菌作為近年來新興的一種常溫時(shí)效非熱殺菌技術(shù)，能有效地殺滅食品中的腐敗微生物[28-30]。采用適當(dāng)?shù)妮椪談┝?，在有效滅菌的同時(shí)可以很好地保留籽瓜汁特有的感官品質(zhì)和組織形態(tài)[31-33]，無菌灌裝后可得到風(fēng)味純正的籽瓜汁。

4 生產(chǎn)線的實(shí)際應(yīng)用

該籽瓜全利用加工生產(chǎn)線目前已在甘肅靖遠(yuǎn)銀農(nóng)籽瓜科技有限公司投入生產(chǎn)使用。實(shí)際生產(chǎn)表明，該生產(chǎn)線較好地完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了籽瓜皮、瓤、籽的全利用高值加工，產(chǎn)能達(dá)到10 t/h、生產(chǎn)能力≥80 t/天、瓜籽脫凈率≥98%、瓜籽破碎率≤1.0%、破碎打漿后皮瓤混合汁粒度<0.8 mm、固液分離后籽瓜汁固形物含量為2.0%～2.2%、還原糖回收率>80%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足生產(chǎn)工藝要求。由于籽瓜加工具有季節(jié)性，本生產(chǎn)線的實(shí)際產(chǎn)能與預(yù)期產(chǎn)能有一定出入，生產(chǎn)線實(shí)際產(chǎn)能見表6。

表6 生產(chǎn)線實(shí)際產(chǎn)能 t/年

5 小結(jié)

針對(duì)籽瓜產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)模式和發(fā)展瓶頸，設(shè)計(jì)了一條籽瓜全利用生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線前端的破碎取籽和打漿設(shè)備在籽瓜全利用加工過程中高效地實(shí)現(xiàn)了瓜體破碎、皮瓤籽分離、皮瓤混合汁細(xì)化；中端的固液分離裝置和蒸發(fā)濃縮設(shè)備使籽瓜資源利用最大化，并進(jìn)行籽瓜系列產(chǎn)品的規(guī)模化、自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)；后端的殺菌設(shè)備保障了產(chǎn)品的食品安全性。該生產(chǎn)線可對(duì)籽瓜進(jìn)行高值綠色加工，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足生產(chǎn)工藝要求，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性良好，實(shí)現(xiàn)籽瓜全利用的同時(shí)產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，在解決籽瓜副產(chǎn)物綜合開發(fā)問題的同時(shí)提高了籽瓜產(chǎn)品的附加值，促進(jìn)了籽瓜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。