西瓜子破殼開口研究進展

西瓜是西瓜的種子。它獨特的味道，芳香的味道，豐富的養分，可食用。西瓜子可以通過加工制作風味豐富的香瓜子、果肉瓜果和各種口味的瓜子。它非常爽口，深受人們喜愛。西瓜子形狀扁平,外形類似橢圓,是一類具有堅硬外殼的堅果。其殼、仁間隙較小,殼質較硬,不易入味,并且在食用過程中容易損傷牙齒。為使西瓜子方便入味和食用,可以對其進行預開口處理。但西瓜子的破殼開口難度較大,因此對西瓜子破殼開口技術進行研究有著重要的現實意義。1西瓜子破殼工藝的研究西瓜子深加工的頭道工序是破殼開口,而破殼開口的前提是了解西瓜子的破殼開口機理。迄今為止,關于板栗破殼機理方面的研究報道并不多見。董有利等對西瓜子的物理性質進行了試驗研究,測定并分析了西瓜子的有關物理性質,為西瓜子機械開口的研制提供了理論依據。同年他們還對西瓜子破殼力學特性的影響因素進行了研究,對影響西瓜子破殼載荷的加載位置、加載速率、西瓜子寬度和含水率等因素進行研究分析,為西瓜子的破殼加工工藝提供理論依據。2008年,董有利等又對西瓜子破殼時力和變形特性進行研究并建立了數學模型,采用二次回歸通用旋轉組合設計研究了西瓜子破殼開口過程中西瓜子寬度、含水率和加載速率對破殼力、壓縮變形量的影響。2西瓜子開口技術的現狀西瓜子殼韌硬堅實,縫合線結合緊密,無法直接食用,這使得西瓜子的開口難以實施。近年來,雖然西瓜子的開口機理及西瓜子的開口技術有所發展,但是其整仁率和破殼率以及栗仁品質還不理想。總的來說,西瓜子的破殼方法概括起來大致可分為手工破殼法、物理破殼法、化學破殼法、機械破殼法等4種[4～7]。2.1手動中斷法手工破殼法是最早被使用的西瓜子破殼方法。這種方法生產效率非常低,而且不衛生,無法進行規模化的工業生產,產品質量低劣。2.2物理破碎法物理破殼法是基于西瓜子的物理性質所采用的破殼方法,主要包括壓力膨脹法、高真空法和微波加熱法。2.2.1西瓜脫殼這種方法是將西瓜子處于高壓力室中,并讓其停留較長時間,這樣殼內部的壓力趨于與外部的壓力一致,氣壓達到平衡,然后突然泄去外部壓力,內外壓力平衡被打破,而此時殼體內部仍是高壓狀態,在內外壓差的作用下,產生較大的爆破力,使西瓜外殼破裂,從而達到脫殼的目的。2.2.2殼外壓力差導致區域破裂將堅果放在真空條件下,加熱到一定溫度,在真空泵的抽吸下,西瓜子吸熱使其外殼的水分蒸發,其韌性與強度降低,真空作用又使其殼外壓力降低,殼內部處于較高壓力狀態,在內外壓力差的作用下就會使外殼爆裂。2.2.3西瓜子仁在微波作用下,其符合微波條件下組織內通過微波加熱,殼體內部水分在微波作用下,短時間內具有很高的能量而形成高壓水氣,迅速向外擴散,導致西瓜子仁失水、收縮;另一方面,殼、仁在微波的作用下組織內的結合水分減少,纖維組織韌性下降,強度降低。殼、仁的變形不一致導致了殼、仁分離,實現破殼。2.3機械破殼破殼將待破殼的西瓜子浸入破殼溶液中,軟化并溶去一部分外殼,然后再利用機械進行破殼。化學法雖可獲得較高的整仁率,但需添加一些限制性的化學成分,如堿、酶等,而這些添加物容易殘留于殼、仁中,會導致產品具有異味異質,外觀顏色也不是很理想,影響成品品質與風味。2.4機械力球裂裂法機械破殼法是目前西瓜子最常見的破殼方式,它是采用機械來施加機械力,使西瓜子殼在外力的作用下破裂。常用的機械破殼方式又可以分成撞擊法、擠壓法和切割法等。2.4.1西瓜子脫殼裂縫工藝西瓜子高速運動時突然受阻而產生沖擊力,使外殼破碎,實現脫殼目的。當西瓜子以很高的速度去碰撞固定的堅硬平面,其外殼就會產生較大的變形,進而形成裂縫。但是撞擊法容易引起仁的損壞,同時破殼率也不是很高。2.4.2輥-板式壓實擠壓法脫殼是在研究、分析西瓜子壓縮特性基礎上提出來的。它通過擠壓籽粒使外殼破裂,與內仁分離,達到脫殼目的。目前采用擠壓原理的破殼裝備主要又有3種形式。(1)對輥碾壓方式,它是靠一對直徑相同、轉動方向相反、轉速相等的圓柱輥,將其調整到適當間隙,使西瓜子粒通過間隙時受到輥的擠壓而破殼。兩擠壓輥間的間隙大小是影響西瓜子碎仁率和破殼率高低的重要因素。(2)輥-板式碾壓方式,這種破殼設備采用的是輥狀和板狀機構,其原理是運動輥將西瓜子帶入輥與板的間隙,西瓜子受到擠壓作用,使其破殼開口。(3)平板碾壓方式,是讓待破殼的西瓜子在兩平板之間運動,兩平板之間有一定的夾角,西瓜子在運動過程中受到碾壓、揉、搓等作用,從而得以破殼。2.4.3消毒方法切割技術是利用刀片在西瓜子表面劃上很多刀痕而切割西瓜子殼,同時運用揉、搓等作用來完成破殼,可分為刀片切割和激光切割等2種方式。3西瓜子撞擊開口1988年,蘭州大學李守三研制了1臺電動、手動兩用的黑西瓜子脫殼機,該機械裝置主要由分檢振動篩、梳理器、破殼器、篩選容器等組成。西瓜子經分檢振動篩進行分檢,再通過6個輸送槽將分檢后的西瓜子分成6類,分別送入對應的梳理器內,梳理器將這些無規則排列的西瓜子進行梳理后,落入由兩個滾軸組成的破殼器內進行破殼,經篩選容器旋轉振動之后,即完成西瓜子破殼后仁與殼分離的工序。同年,陸榮虎設計的西瓜子破殼機,包括機架及一對置于機架上的表面具有相同弧形槽的反向旋轉的滾筒和隔離件。西瓜子通過輸送裝置進入傾斜的滑槽,滑槽引導西瓜子送入滾筒的弧形槽,西瓜子隨著滾筒旋轉的方向一起運動,進入兩滾筒弧形槽所組成的圓孔。該圓孔的直徑略小于西瓜子的最大寬度,因此西瓜子在通過該圓孔時受到滾筒的旋轉擠壓,致使西瓜子破殼。1988年,凌石研制了西瓜子撞擊開口裝置,該裝置由機架、動力及傳動機構、料斗、傳送帶及托棍組成。1992年,凌石對沖擊裝置進行改進,該沖擊裝置由框架、沖擊板、彈簧、沖擊板連軸、凸輪及凸輪軸等組成。凸輪與沖擊板連軸上方的滾輪相接觸,凸輪轉動時帶動沖擊板做上下起落運動。1994年,常可華也研制了西瓜子開口設備,該設備包括機座、支架、傳動裝置、擠壓裝置等。該擠壓裝置由一滾輪及一裝于撥叉內的擠壓副輪組成。工作時,西瓜子通過料斗送至滾輪芯及擠壓副輪的R槽中,進行擠壓處理。該裝置的特別之處在于撥叉在擠壓彈簧的作用下,可帶動擠壓副輪上下滑動。1998年,曹斌設計出了全自動西瓜子破殼機,該裝置主要包括一個壓力罐體,在壓力罐體上設有加壓氣口,罐內設有螺旋推進器,推進器的前后端的壓力罐上分別有進料口和出料口。為保證罐體內的壓力,其出料口處設有定時開閉的門,該門為一有孔的盤片,當盤片的孔與出料口重合時門打開,非重合時出料口關閉。工作時,高溫高壓氣體從進氣口進入壓力罐內給西瓜子加溫加壓,有孔的盤片隨螺旋推進器一同轉動,當盤片的孔與出料口重合時門即打開,隨即有一部分西瓜子被推出出料口,由于壓力的驟然降低,被推出出料口的西瓜子爆裂開來,即完成加工過程。2001年,李躍生研制了西瓜子開口裝置,該裝置結構是在基座一側的中部設置偏心輪,偏心輪的兩側各固定設置限位滑軌,限位滑軌的端部設置擠壓滑塊。工作時,西瓜子經由料道的進料口滑移,當滑移至擠壓滑塊時電機帶動偏心輪旋轉,偏心輪的凸端面推動擠壓滑塊,將西瓜子擠壓開口,西瓜子經擠壓滑塊擠壓開口后,又沿料道自由滑至出料口。而偏心輪的凸端面旋轉離開擠壓滑塊的內側面,擠壓滑塊沿限位滑軌向擠壓條移動,復位簧迫使擠壓滑塊恢復到原位。2004年,閆新年設計出了西瓜子開口機,該裝置包括導料器、殼體、擠壓機構和驅動機構。擠壓機構安裝在殼體內,導料器位于擠壓機構的上方,擠壓機構由至少一對向相反方向轉動的擠壓機構組成。將一定量的未開口的西瓜子倒入進料口,沿內壁滑落至導料器底部通道,逐個進入擠壓機構的擠壓空隙內,西瓜子的表皮平面與擠壓輪的切面相互垂直,通過兩擠壓輪的轉動對西瓜子的邊緣進行擠壓,將西瓜子擠壓開口,最后將開口后的西瓜子沿側壁的出料口倒出。4開發出口機械材料的研究方向綜上所述,在西瓜子的破殼開口設備中,更多的為機械擠壓開口設備,與傳統手工法相比,機械法省工、省力、高效、環保,但這種設備仍存在著開口率低、碎仁率高、機械適性差等缺點。而對于西瓜子破殼開口設備及開口技術的研究,均基于西瓜子的機理研究。筆者認為在西瓜子破殼開口技術與破殼機理的研究中,尚存在著以下幾方面需要解決的問題,這也是將來西瓜子開口機械研究的發展方向。(1)西瓜子的微觀結構研究。微觀結構是宏觀性能的決定因素,西瓜子的開口力學變形都是基于其可開口的微觀結構組成,但可惜的是目前人們對此尚未研究。由于這一根本性問題的存在,使人們進一步在理論上研究西瓜子破殼力學特性時遇到了很大困難。(2)開口力學特性研究。目前,人們對西瓜子的開口物理力學性能、機械性能的研究主要采用實驗的方法進行定性分析,從理論上進行定量研究的很少。而西瓜子破殼可開口性機理復雜,力學特性參數甚多。因此,這方面問題的解決僅靠實驗研究是不夠的。(3)影響因素的確定與控制。影響西瓜子破殼開口的因素眾多,各因素之間相互影響,關系極為復雜。在某一特定破殼開口操作中,對影響參數條件的控制操作不易掌握,這就使得西瓜子的破殼開口設備在很大范圍內推廣使用受到限制。5破殼開口機