油茶鮮果采收與初加工機械裝備研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

袁超哲， 黃旭波， 王洪艷， 張文福， 袁少飛， 葛永金， 張 建*

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 杭州 311300；[2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江杭州 310023；[3.華東藥用植物園科研管理中心，浙江 麗水 323000)

油茶(Camelliaoleifera)是我國特有的木本食用油料樹種，與油橄欖、油棕、椰子并稱為世界四大木本油料植物，具有十分重要的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益。采用油茶籽加工而成的山茶油作為高檔食用油，其含有特定的活性物質(zhì)，維生素E含量高，不飽和脂肪酸含量達(dá)90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他壓榨食用油[1]，具有溶血栓、降膽固醇、預(yù)防腫瘤等一定的藥用保健價值[2，3]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)藥、保健、美容等領(lǐng)域，而且副產(chǎn)品多，附加值高，市場潛力巨大。本文對我國油茶產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、油茶果采收與初加工裝備進行系統(tǒng)闡述，并分析了當(dāng)前油茶產(chǎn)業(yè)存在的問題和發(fā)展趨勢，旨在為油茶鮮果采收與初加工裝備的研制提供參考和借鑒。

1 油茶產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

我國人口眾多但可用耕地稀少，糧油供需矛盾十分突出，優(yōu)質(zhì)食用油更是匱乏，食用油自給率僅為30.1 %，需要通過大量進口來滿足我國國民對食用油的需求[4]。山茶油是一種優(yōu)質(zhì)的食用油，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也關(guān)系到山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展[5]。大力發(fā)展油茶產(chǎn)業(yè)，有利于緩解我國食用油供需矛盾、保障我國糧油安全，是促進山區(qū)農(nóng)民增收致富和改善自然生態(tài)環(huán)境的重要手段，在助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施和踐行“綠水青山就是金山銀山”理念中均發(fā)揮著重要的作用[6]。2009年國家發(fā)改委、財政部、原國家林業(yè)局聯(lián)合出臺了《全國油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2009-2020年)》，提出要把油茶產(chǎn)業(yè)建設(shè)成為促進山區(qū)農(nóng)民增收致富和改善山區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要產(chǎn)業(yè)。2014年國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加快木本油料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》，提出部署加快木本油料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，切實維護國家糧油安全[7]。近年來，油茶種植面積不斷擴大，全國油茶種植面積已達(dá)6 550萬畝，種植面積前四的省份分別是湖南、江西、廣西和浙江。油茶籽產(chǎn)量自2010年以來連年增長，2019年達(dá)到267.9萬噸，年產(chǎn)值達(dá)1 160億元[8]。

油茶從種植到加工成山茶油，主要分為撫育、采收、堆漚、脫蒲、干燥、清洗分離、壓榨等生產(chǎn)環(huán)節(jié)[9]，機械化水平低，機械裝備比較缺乏，處于“無機好用”“無好機可用”的局面，在撫育、采收、脫蒲與加工等諸多生產(chǎn)環(huán)節(jié)仍基本采用傳統(tǒng)的人工作業(yè)，特別是油茶鮮果采收及其后續(xù)脫蒲和油茶籽干燥處理[10-11]。油茶果成熟季節(jié)性強，采收時間集中，而且油茶果成熟季節(jié)，也是油茶的開花期，因此現(xiàn)有油茶果采收仍主要以人工為主，屬勞動力密集型作業(yè)，采收效率低、勞動強度大[12]。油茶鮮果采收后脫蒲和油茶籽干燥處理是山茶油加工重要的生產(chǎn)工序，傳統(tǒng)的鮮果晾曬和人工分揀油茶籽方式，需要大量的人工和場地，自然晾曬需要3～6天，受天氣影響也較大，生產(chǎn)效率低。油茶鮮果采收后如不及時進行去蒲和干燥處理，一旦遇到連續(xù)陰雨天氣，極易出現(xiàn)爛果爛籽，造成油茶籽霉變腐爛，嚴(yán)重影響山茶油品質(zhì)。另外，油茶基本種植在交通不便，水、電、通訊等設(shè)施不完備的山地丘陵，經(jīng)營的主體是農(nóng)民，勞動強度大，用工多[13，14]，同時油茶種植規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化程度偏低，采用品種和撫育管理水平良莠不齊，導(dǎo)致經(jīng)濟效益參差不齊[15，16]。再加上近年來生產(chǎn)要素成本上升的影響，油茶產(chǎn)業(yè)正面臨著前所未有的發(fā)展困境，主要表現(xiàn)在基礎(chǔ)設(shè)施依然薄弱、機械化水平低、創(chuàng)新能力不強、產(chǎn)品市場競爭力不高，其中生產(chǎn)工具的落后即機械化水平低已成為制約油茶產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的重要短板和痛點，也是油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展需迫切解決的問題。

2 油茶果采收機械裝備

近年來，由于市場對優(yōu)質(zhì)食用油需求量的不斷增大、勞動力緊缺、人工成本上升[17]，油茶果機械化采收變得尤為重要，促進高效省力的采摘機械油茶產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展。目前，研制的油茶果采收機械大同小異，采摘方式主要有沖擊式、切割式與振動式，但采收效果均不太理想。楊志峰等設(shè)計的一種沖擊式油茶果采摘器[18]，由叉頭、導(dǎo)管、驅(qū)動機構(gòu)、手持桿、背簍等5部分組成，采用沖擊原理，作業(yè)時在推力或沖擊力以及樹枝對油茶果反方向拉力的共同作用下將油茶果摘下。饒洪輝設(shè)計了便攜式油茶果實采收機構(gòu)[19]，采用了切割的方法采收油茶果，主要由長連桿、定刀片、動刀片、牽拉桿等8部分組成，其中刀片用于限位油茶果，拉動鋼絲轉(zhuǎn)動牽拉桿，從而使動刀片與定刀片閉合切割油茶果果蒂，切割力不夠時可通過下拉力或旋轉(zhuǎn)將油茶果脫落。王德華設(shè)計了一種便攜式茶果采摘機[20]，利用切割的原理實現(xiàn)對油茶果的采摘，工作時通過機械的張合力將油茶果摘下并落入收集裝置中。切割式的油茶果采收裝備與沖擊式油茶果采收裝備，相對于人工采摘，具有縮短油茶采收時間、降低勞動強度、降低作業(yè)危險性等優(yōu)勢。雖然設(shè)備為小型化產(chǎn)品，但仍有一定重量，作業(yè)效率受工人操作熟練度、油茶樹形及油茶基地環(huán)境地形等因素影響，生產(chǎn)效率仍較低，節(jié)省勞動力也比較有限。

國外振動式采收機械較多，主要應(yīng)用于蘋果、橄欖、開心果等林果采收，而油茶是我國特有的一種木本油料植物，關(guān)于采用振動原理的油茶果采收機械研究較少。王東等設(shè)計的振動式油茶青果采收機[21]，借鑒了國外林果振動式機械的采收原理，作業(yè)時將樹干夾緊后，通過采用曲柄連桿式的振動器伸縮桿往復(fù)直線運動，從而使油茶樹振動將油茶果掉落，采收率可達(dá)95%以上。由于油茶花果同期，在采用振動方式采收的時候會造成花苞掉落的情況，而且試驗發(fā)現(xiàn)隨著振動頻率上升，油茶果的采摘率與花苞掉落率呈上升趨勢。振動式油茶采收機械具有采收方便、采收效率高、節(jié)約人工、縮短采收時間等優(yōu)點[22]，但由于采收機械比較龐大，對油茶基地在株距、地形等方面規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化栽培要求比較高，而且作業(yè)時會造成花苞掉落，對油茶樹干產(chǎn)生傷害，影響下一年油茶果的產(chǎn)量。

3 油茶果初加工機械裝備

油茶鮮果采收后處理是山茶油加工的重要工序，因為需經(jīng)晾曬、脫蒲、分選、油茶籽干燥后才能進行榨油加工[23]。

3.1 油茶果脫蒲機械設(shè)備

油茶果的脫蒲工藝是影響山茶油品質(zhì)的主要因素[24]，采用脫蒲方式不同，對出油率、山茶油品質(zhì)、酸值與微量營養(yǎng)成分的影響也將會不同。油茶果現(xiàn)有脫蒲方式主要有自然晾曬法、人工脫蒲法和爆蒲法。自然晾曬法是將采收的油茶鮮果攤開在地面上，進行自然晾曬，果蒲開裂后取出油茶籽。人工脫蒲法是將鮮果油茶進行人工或機械脫蒲，分離出油茶籽。爆蒲法是將油茶鮮果通過烘烤處理直致果蒲全部裂開，取出油茶籽。綜合比較不同脫蒲方式的出油率、山茶油品質(zhì)、酸值與微量營養(yǎng)成分后發(fā)現(xiàn)，爆蒲法工藝綜合更優(yōu)。采用機械對油茶果進行脫蒲-油茶籽分離，已有較多學(xué)者進行研究，其基本原理主要有機械撞擊、揉搓、剪切等方式，并通過機械篩將油茶果蒲和油茶籽進行分離。熊平原等設(shè)計的油茶青果脫殼裝置[25]，使用了一種多滾刀撞擊切割方案對油茶進行脫蒲，再將果殼與油茶籽送入三級篩選機構(gòu)通過篩網(wǎng)搖擺分離出大殼、中殼、粉渣和油茶籽。

樊濤等設(shè)計的油茶青果脫皮機[26]通過擠壓與柔性抽打的方式對油茶果進行脫蒲，先利用擠壓輥把油茶果擠裂，再經(jīng)過柔性抽打輥的抽打完成果蒲與油茶籽的分離。陳禮東等設(shè)計的切割式油茶果脫蒲機[27]，先將油茶果進行切割預(yù)處理，再分別經(jīng)過搓擦工藝、擊打工藝、摩擦工藝后實現(xiàn)油茶果脫蒲，最后通過篩網(wǎng)實現(xiàn)果蒲與油茶籽的分離。唐湘等設(shè)計的油茶果脫殼裝置[28]采用了撞擊與揉搓原理，油茶果在落在轉(zhuǎn)動的離心甩盤上離心力的作用下快速撞擊在齒圈上進而完成脫蒲，最后果蒲與油茶籽一起落入下殼體中再進行分選。藍(lán)峰等研制的油茶果脫殼清選機[29]主要采用撞擊、擠壓、揉搓的方法對油茶果進行脫蒲，工作時油茶果由進料口豎直向下掉落進入滾筒，在呈錐形的脫殼桿的作用下受到擠壓與撞擊。脫蒲后油茶果蒲與油茶籽分離穿過篩孔掉落在清選裝置上，利用果蒲與油茶籽的流動性差異實現(xiàn)油茶果蒲和油茶籽的分離。朱廣飛研制的油茶脫蒲機[30，31]采用擠壓與搓擦的工作原理對油茶果進行脫蒲，通過滾筒上均勻分布的凹槽結(jié)構(gòu)推動油茶果在滾筒和弧形柵板之間互相擠壓實現(xiàn)果蒲破裂，再利用中心圓弧槽篩網(wǎng)將果蒲與油茶籽進行分離。

不同品種的油茶在鮮果大小、籽粒大小、果皮硬度與韌性、果殼開裂程度等物理性狀上差異較大[32，33]，需要在脫蒲前根據(jù)油茶鮮果直徑大小、開裂程度、品種等進行預(yù)分級，以達(dá)到較好的脫蒲效果[34]。例如湯晶宇等設(shè)計的四通道全自動油茶成熟鮮果脫殼機[35，36]預(yù)先將油茶果實進行分級來提高脫蒲效果。目前，油茶果脫蒲設(shè)備還存在果蒲-油茶籽分離效果不好、茶籽破損率高、生產(chǎn)效率低等問題，除了不同油茶品種果實大小差異較大的原因外，還有脫蒲后的油茶籽粒大小不一，脫蒲后果蒲形狀及大小均不可控的原因。如油茶品種長林40號，鮮果較大，但每顆鮮果含5～6粒油茶籽，其果大籽小；而長林166號，每顆鮮果基本含1粒油茶籽，其果小籽大[37]。

3.2 油茶籽干燥機械裝備

油茶鮮果脫蒲后的油茶籽含水率一般在35%以上，不能直接用于壓榨加工山茶油，也不能長時間貯存[38]。脫蒲后的油茶籽，需進行烘干后才能加工成山茶油。油茶籽干燥過程對山茶油的加工非常重要，干燥工藝的優(yōu)劣既會影響到后續(xù)加工的難易程度，又會影響到山茶油的品質(zhì)。一些學(xué)者只是對油茶籽的干燥特性進行了相應(yīng)研究，如發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)溫度和堆積密度等參數(shù)對油茶籽熱風(fēng)干燥過程有一定的影響[39]。羅凡等對熱風(fēng)干燥、微波干燥、紅外干燥等不同干燥方式對壓榨油茶籽油品質(zhì)的影響進行了研究[40]。王鳳賀等對油茶籽熱風(fēng)干燥動力學(xué)進行了研究[41]。邢朝宏對水分含量和相對濕度對油茶籽儲存穩(wěn)定性的影響進行了研究[42，43]。以上這些主要是關(guān)于不同干燥方式或干燥條件對油茶籽儲存或山茶油品質(zhì)影響的進行研究，未對不同干燥方式或干燥條件處理后油茶籽含水率、油茶籽含油率、山茶油成份等變化情況進行系統(tǒng)研究。

機械烘干技術(shù)是一種常用快速高效的處理方式，主要是采用科學(xué)合理干燥工藝和干燥設(shè)備，在不損害物料品質(zhì)的前提下，使其達(dá)到安全儲存標(biāo)準(zhǔn)[44]，這不僅可有效防止連綿陰雨等災(zāi)害性天氣所造成的損失，還具有減輕勞動強度、改善勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率等明顯優(yōu)勢[45]。目前，一般大型山茶油加工企業(yè)多配備塔式烘干設(shè)備進行油茶籽干燥處理[46]，烘干塔是一種塔式烘干設(shè)備，形如高塔，內(nèi)裝有角狀氣道，其特點是占地面積小、內(nèi)部容積大、干燥時間長。而中小型企業(yè)一般采用生物質(zhì)能源或電能的快速烘干設(shè)備[47]。王德華設(shè)計了油茶籽分段式加熱的帶式烘干機[48]和按油茶籽含水率進行分級的烘干系統(tǒng)[49]，優(yōu)點是加熱均勻、避免劇烈加熱與過度加熱對茶籽烘干過度。油茶籽烘干設(shè)備主要采用電能或生物質(zhì)能源加熱空氣作為熱源，通過熱風(fēng)烘干油茶籽，具有能耗大的缺點，還有些企業(yè)以木材、煤、天然氣為熱源干燥油茶籽[50]，存在污染大和成本高的弊端。

4 存在問題

油茶是我國特有的木本油料樹種，油茶鮮果采收和脫蒲存在采收時間集中、用工量多、占用場地面積大、機械化水平低等問題，已成為制約油茶產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的重要短板。雖然我國在油茶鮮果機械化采收和脫蒲處理工藝及機械設(shè)備上取得了一些突破和成果，但整體來看，還存在設(shè)備實用性低、自動化水平低、能耗大、研發(fā)投入低、產(chǎn)品缺乏標(biāo)準(zhǔn)等現(xiàn)實問題。

4.1 宜機化技術(shù)研究滯后

目前，油茶雖然在新品種選育、規(guī)?；N植、標(biāo)準(zhǔn)化種植等方面取得了重要成果，但整體來看還有很多油茶林經(jīng)營主體為農(nóng)民，他們?nèi)鄙賹ν恋剡m宜性的考量，在油茶種植后不能有效進行撫育管理[15]，栽培技術(shù)措施不到位[16]。同時油茶品種較多，油茶鮮果及油茶籽個體差異較大、果花同期、采收時間不統(tǒng)一，不利于機械化采收和脫蒲。缺少針對油茶不同品種、不同種植環(huán)境、不同種植模式等宜機化采收系統(tǒng)研究。

4.2 產(chǎn)品供給能力不足

目前，市場上存在一些油茶果采收、油茶果蒲-籽分離、油茶籽干燥等設(shè)備，但都是獨立工作的設(shè)備[51-53]，僅能實現(xiàn)一個工序的機械化工作，自動化水平低，不能實現(xiàn)連續(xù)式規(guī)?；a(chǎn)，而且缺乏系統(tǒng)的油茶鮮果采后預(yù)處理配套技術(shù)研究，存在設(shè)備功能單一、能耗大、脫蒲率低、蒲-籽分離率低、茶籽破損率高、生產(chǎn)效率低等問題[54]。

4.3 研發(fā)投入仍然不足

油茶產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展和加工設(shè)備的升級換代需要同步進行，但油茶生產(chǎn)設(shè)備制造企業(yè)集中度低，利潤低，市場份額小，又缺乏國家補貼等政策支持，研發(fā)和生產(chǎn)的資金投入嚴(yán)重不足，而且缺乏具有創(chuàng)新能力的龍頭制造企業(yè)。油茶生產(chǎn)設(shè)備研究基礎(chǔ)薄弱，政府投入少，基本是企業(yè)自主研發(fā)，缺乏專門的研發(fā)機構(gòu)和技術(shù)人才，使得油茶生產(chǎn)設(shè)備缺少原始性創(chuàng)新和核心技術(shù)。

5 發(fā)展趨勢

油茶產(chǎn)業(yè)整體保持著上升的良好態(tài)勢，特別是在精深加工及食用、醫(yī)藥、保健、美容等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。先進實用的生產(chǎn)工具是油茶產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要前提和必然選擇，也是油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的客觀需要。

5.1 注重基礎(chǔ)研究

重點開展宜機化采收油茶新品種選育、宜機化采收油茶種植模式、宜機化采收油茶經(jīng)營配伍技術(shù)等研究，并加強推廣應(yīng)用[55，56]。以及油茶鮮果機械化采收對花苞損害影響、油茶鮮果采后預(yù)處理技術(shù)、快速連續(xù)式脫蒲技術(shù)及原理、高效蒲-籽分離技術(shù)及原理、油茶籽分級干燥技術(shù)及原理等研究[57]。

5.2 加快研發(fā)攻關(guān)

油茶鮮果采收和初加工實現(xiàn)機械化必須依靠科技創(chuàng)新。政府應(yīng)加大科研財政投入，支持開展油茶宜機化新品種選育、種植模式研究和新工藝、新設(shè)備開發(fā)。整合高校、科研院所、企業(yè)等各種資源，構(gòu)建研發(fā)創(chuàng)新平臺，聯(lián)合攻關(guān)，研發(fā)油茶采收和初加工急需的機械裝備研發(fā)，加快技術(shù)和設(shè)備的升級換代，實現(xiàn)科技含量低、自動化水平低、能耗大的機械裝備向高端多功能、低能耗、自動化水平高的機械裝備轉(zhuǎn)變。

5.3 提升產(chǎn)品適用性

裝備的高效性、適用性、連續(xù)性和自動化成為時代發(fā)展的需求，根據(jù)當(dāng)前油茶鮮果采收和初加工面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，通過與智能、數(shù)控和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的有機融合，研制多工序之間的自動化、清潔化、高效化、成套化的油茶鮮果采收和初加工裝備。油茶鮮果采收裝備要適用于不同油茶品種、不同種植模式、不同種植環(huán)境的機械化采收，同時要兼具經(jīng)濟性、便攜性、省力性、高效性；油茶鮮果機械化后熟處理機械裝備要實現(xiàn)由單工序獨立作業(yè)向多工序連續(xù)式自動化作業(yè)的轉(zhuǎn)變。

5.4 制定扶持政策

政府和行業(yè)部門要進一步建立和完善相應(yīng)的法律法規(guī)，制定出臺專門針對油茶鮮果采收和初加工機械裝備的產(chǎn)品購置補貼等扶持政策，并加快制訂機械裝備產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，以便更好地推動產(chǎn)品開發(fā)和市場推廣。