盛 强，王 冠，邓勇杰，赖曲芳，刘木华，胡淑芬*，肖本贵，曹昕奕，廖阳森，曾钰峰
（1.江西农业大学 工学院，江西 南昌 330045；
2.江西省现代农业装备重点实验室，江西 南昌 330045）
【研究意义】油茶为山茶科山茶属常绿乔木，是我国重要的食用油料作物，与油橄榄、油棕、椰子并列为世界四大木本油料作物[1]。油茶果由茶壳和茶籽组成[2]，茶籽提炼的茶油含有丰富的不饱和脂肪酸，被称为“东方橄榄油”[3-4]，在日化、药用、食用等方面均有较高应用价值[5]。但茶壳中不含油脂，对提取茶油不利，需对油茶果进行脱壳、清选处理[6]，而清选后的茶壳在制备碳材料、木质复合材料和转化能源等方面也有较高的利用价值[7]。因此，茶籽与茶壳的机械化高效分离可以提高油茶果的综合经济价值，为油茶果、壳的机械化加工和高值化应用提供理论依据与数据支撑。【前人研究进展】据调研统计，油茶果脱壳、清选成本约占油茶果采后加工成本的43%[8]。在油茶产业中，茶籽和茶壳的清选是必须要解决的技术问题。目前油茶籽壳的清选主要采用机器视觉、风选、浮选、齿光辊对辊清选、多级筛分等技术[9,16]。其中，机器视觉分选技术是将工业相机结合特定的机械结构，利用茶籽、茶壳的颜色、纹理和几何形状特征的不同分选茶壳与茶籽，由于茶籽和茶壳的纹理、几何特征较复杂，该法可以从油茶籽壳混合物中分选出大部分茶壳[9-10]，但清选效率不高。风选是利用物料悬浮速度不同来分离物料[11]，油茶鲜果的茶籽、茶壳密度相近，该法无法高效分离茶籽、茶壳。浮选分离工艺是根据茶籽与茶壳密度的差异来进行分离，既可以分离出壳，也可以分离出有品质偏差、霉变、不饱满的茶籽，在控制好油茶果含水率的前提下，该法能够进行油茶籽壳的清选[12]，但油茶果的含水率难以精准控制，清选效率难以保证。齿光辊对辊清选是利用茶壳和茶籽几何形状差异较大的特征，采用齿辊与光辊对辊式清选结构实现油茶籽壳的分离，该法清选效率高，速度快[13-14]，但该法损籽率较高。多级筛分技术利用多级筛分机构，将大小茶壳依次筛分出来，可以有效分离与茶籽尺寸差异性较大的茶壳，但无法分离出与茶籽大小相近的茶壳[15-16]。综上所述，油茶籽壳清选技术依然不够成熟，是阻碍油茶产业发展的瓶颈之一，急需有新的技术突破和应用。【本研究切入点】本研究基于弹簧针插壳式油茶籽壳清选方法，其原理是根据茶籽与茶壳的穿刺力学性能的差异性，设计弹簧针的弹力大于茶壳的穿刺力而小于茶籽的穿刺力，通过弹簧针插取茶壳来实现油茶籽壳的分离。工作时，给料装置输送油茶籽壳混合物，其上方的针辊最低点切线方向与给料装置运动方向反向转动，针辊上的弹簧针将茶壳扎起，再通过斜插梳齿板将弹簧针上的茶壳卸下。该清选原理简单，清选稳定、可靠。目前该清选方法已取得一些研究成果[17-18]，但油茶果含水率对茶籽、茶壳穿刺力影响的研究仍然较少。【拟解决的关键问题】该文在前期研究基础上，通过研究不同含水率下茶籽、茶壳穿刺力的差异性，确定弹簧针插壳清选的工艺参数，为弹簧针插壳式油茶籽壳清选装置的应用与推广提供翔实的数据支撑。
1.1 试验材料
本试验材料为江西省南昌市新建区的“长林4号”油茶鲜果，采摘于2021年10月26日。通过三维扫描仪测出油茶果腹部横向尺寸为21.68～44.40 mm，以该尺寸为标准将油茶果分为5 个等级，一到五级尺寸范围分别为20～25 mm、25～30 mm、30～35 mm、35～40 mm、40～45 mm，按照以上分级整理油茶果样品，进行相应的预处理后待用。
1.2 主要仪器与设备
TMS-Pro 质构仪（美国FTC 公司，精度±1%，量程0～1 000 N）；
手持3D 扫描仪（先临三维科技股份有限公司，EinScanPro2X2020 型，精度0.045 mm）；
恒温干燥箱（上虞市上仪仪器制造有限公司，101-2A型）；
电子天平（苏州恒锦机电科技有限公司，WT20002型，精度0.01 g）。
1.3 试验方法
1.3.1 试验样品预处理 油茶鲜果采摘后，先将油茶鲜果置于室内阴凉处堆沤5 d。于第6日起，将油茶果摊开晾晒，以获得不同含水率的油茶果。每日09：00 开始晾晒，每日晾晒6 h，晾晒后将油茶果装袋存放于室内阴凉处。每日晾晒前取15 个油茶果（每级各3 个），将油茶果沿天然纹理剥开，天然纹理见图1a，分离出茶籽和茶壳，用于穿刺试验；
另取200 g 左右油茶果进行粉碎，测量其含水率。经前期预试验发现，第14 日后，即油茶果含水率降低到11%，再经晾晒处理，油茶果含水率变化并不大，故样品共晾晒8 d，共进行9组试验。样品预处理时间、具体方式及取样量等内容见表1。
表1 样品预处理Tab.1 Changes in the moisture content of Camellia oleifera fruit
1.3.2 油茶果含水率测定 将所取200 g油茶果粉碎，用101-2A 恒温干燥箱进行干燥，干燥过程温度设定为105 ℃，干燥时间8 h，按下式计算油茶果的含水率：
式（1）中：M为油茶果含水率；
m前为油茶果干燥前质量；
m后为油茶果干燥后质量。
1.3.3 茶籽穿刺力测定 经1.3.1 预处理后的每日晾晒样品取样15 个，在每个样品中随机取一枚茶籽，用3D 扫描仪测量茶籽尺寸（茶籽胸径），再利用质构仪对茶籽的穿刺力进行测定，根据邓勇杰等[17]的结论：穿刺深度为2 mm 时，弹簧针插壳式油茶籽壳清选效果最佳，故本穿刺试验设计的穿刺距离（深度）为2 mm。质构仪选用直径2 mm 针状探头，设置试验参数为：测试模式为穿刺测试，测试速度、测后速度均为6 mm/min，起始穿刺力为1 N，穿刺距离（深度）为2 mm。茶籽穿刺部位见图1b。茶籽内侧、外侧各测3次，取平均值，获得茶籽尺寸和穿刺力数据270组，利用Crubbs法排除异常值。
1.3.4 茶壳穿刺力测定 在所取的15 个样品中，在每个样品中随机取1 片茶壳，6 个穿刺部位：外侧头部、外侧腹部、外侧尾部、内侧头部、内侧腹部、内侧尾部（下文分别简称外头部、外腹部、外尾部、内头部、内腹部、内尾部），见图1c。用3D扫描仪测量各部位的厚度，再利用质构仪对茶壳内侧和外侧的3个部位进行穿刺力测定，穿刺距离（深度）2 mm（若茶壳厚度不足2 mm时，穿刺距离设置为茶壳厚度），其余测量方法与1.3.2 相同。各位置测3 次，取平均值，获得茶壳厚度和茶壳穿刺力810 组，利用Crubbs 法排除异常值。
图1 穿刺试验穿刺部位Fig.1 Puncture test puncture site
前人研究发现，油茶果堆沤处理后出油率显著提升，但含水率变化不大，故堆沤期间不进行含水率测定[19]。试验样品堆沤5 d后，第6日至第14日试验样品含水率分别为64.12%、59.32%、51.34%、47.13%、44.96%、35.36%、31.09%、27.53%、11.24%。分析油茶果含水率的数据可知，自然晾晒后，油茶果含水率逐渐降低，但下降速度并不均匀，应是受自然光强弱和油茶果晾晒爆蒲的影响所致。
2.1 典型的穿刺图谱
试验中测得的茶籽和茶壳穿刺图谱整体呈现一致的趋势，随机取1 个茶籽、茶壳的典型穿刺图谱（图2），并对其进行初步分析，穿刺力曲线中，探针运动路程2 mm 内为质构仪探针接触测试材料后探针受力曲线，2 mm 后为探针返回至起始位置时的受力曲线。茶籽的力-穿刺距离曲线中，针头所受的最大力就是所测得的茶籽穿刺力，曲线呈现双驼峰，对应的2 个峰值，分别是探针穿刺茶籽壳和穿刺茶籽肉时的最大穿刺力；
茶壳的力-穿刺距离曲线呈单峰状，峰值为针头所受的最大力，即探针穿刺茶壳至2 mm 时所测得的茶壳穿刺力。通过对上述穿刺图谱的分析，获得穿刺力试验数据，并在下文对全部试验数据进行整理、统计、分析与讨论。
图2 茶籽、茶壳穿刺图谱Fig.2 Puncture atlas of Camellia oleifera seeds and Camellia oleifera shells
2.2 不同含水率下油茶果的茶籽穿刺力
整理茶籽尺寸与茶籽外侧、内侧穿刺力数据见图3a，茶籽的横向尺寸大多集中在20 mm 左右；
茶籽外侧穿刺力范围主要集中于15～40 N；
茶籽内侧穿刺力范围较茶籽外侧更为集中，主要集中在12～20 N。由上述数据整理获得图3b，茶籽外侧平均穿刺力始终大于茶籽内侧平均穿刺力；
茶籽内侧穿刺力随着油茶果含水率降低而降低；
当油茶果含水率高于44.96%时，茶籽外侧穿刺力随油茶果含水率的减小而减小；
第10 日后，即油茶果含水率低于44.96%时，茶籽外侧平均穿刺力随油茶果含水率的减小而增大。
图3 茶籽穿刺力数据Fig.3 Puncture force and size density of Camellia oleifera seeds
分析出现该情况的原因，与油茶果爆蒲有关，样品处理第6 日，已经有油茶果已经出现裂纹，随着油茶籽含水率的减少，茶籽中的果肉会逐渐缩小，试验中质构仪探针刺破茶籽壳后，由于缺少果肉的内部支撑，且探针穿刺到果肉的距离变短，茶籽穿刺力是逐渐减小的。第11 日，油茶果含水率为35.36%时，油茶果完全爆蒲，大多茶籽与茶壳分离，茶籽也会被阳光照射，茶籽壳会变脆，茶籽内侧的茶籽壳比较薄，茶籽内侧穿刺力会略微减小；
而由于茶籽外侧的茶籽壳比较厚，且晾晒过程中茶籽壳变致密，即使晾晒导致茶籽壳变脆，茶籽外侧穿刺力也会变大。由此可知：随着油茶果含水率降低，茶籽外侧穿刺力先减小后增大，茶籽内侧穿刺力是逐渐减小的；
茶籽外侧穿刺力在第14日（含水率11.24%）时最大，茶籽内侧穿刺力在第6日（含水率64.12%）时最大。
2.3 不同含水率下油茶果的茶壳的穿刺力
2.3.1 茶壳内侧 将试验所得数据整理后获得茶壳内侧各部位穿刺力图（图4），相同含水率下，内头部和内腹部穿刺力较大，内尾部穿刺力最小；
茶壳内侧各位置穿刺力与油茶果含水率总体呈负相关；
第9日前，即油茶果含水率大于47.13%时，茶壳各部位平均穿刺力相近，差距不大；
试验第9 日后，即油茶果含水率小于47.13%时，随着油茶果含水率的降低，油茶壳内侧各位置平均穿刺力差值距逐渐增加，其中茶壳内腹部穿刺力增加最快，内尾部穿刺力增加最慢。
图4 茶壳内侧各部位穿刺力Fig.4 Puncture of each part of the inside of the tea shell
该试验结果与茶壳厚度及茶壳干燥程度有关。首先，试验中所测茶壳厚度中头部厚度最大（平均厚度5.52 mm），腹部次之（平均厚度2.78 mm），尾部厚度最小（平均厚度2.56 mm），腹部和尾部有部分厚度小于2 mm。结合2.1 可知，茶壳穿刺过程中，穿刺力与穿刺深度呈正相关，在茶壳外侧穿刺力均值的拟合曲线中表现出：头部穿刺力大于腹部穿刺力，腹部穿刺力大于尾部穿刺力。其次，茶壳腹部比头部薄，晾晒过程中干燥更快，结合上述茶壳内侧各位置穿刺力与油茶果含水率总体呈负相关，所以在第14 日时，穿刺力均值表现出茶壳腹部最大、尾部最小。由此可知，茶壳的穿刺力不仅受油茶果含水率影响，同时，茶壳的厚度也对茶壳穿刺力有影响。
2.3.2 茶壳外侧 将试验所得数据整理后获得茶壳外侧各部位穿刺力图（图5）。由图5可知，茶壳外侧平均穿刺力的变化随着油茶果含水率的降低而升高，整体呈指数趋势。试验第11日前，即油茶果含水率高于35.36%时，茶壳外侧各位置穿刺力均值低于10 N，且茶壳内侧各位置平均穿刺力相差较小；
与茶壳内侧平均穿刺力规律类似，茶壳外腹部和外头部穿刺力较大，从拟合曲线来看，随着含水率的降低，外腹部穿刺力增长速度最快，外尾部穿刺力增长速度最小。
图5 茶壳外侧各部位穿刺力Fig.5 Puncture force of each part of the outer part of the Camellia oleifera shell
2.3.3 内外侧穿刺力的比较 整理后茶壳内外侧穿刺力数据作密度图，见图6a。茶壳厚度主要集中于2.5 mm 左右，试验中茶壳内外侧同位置穿刺力所对应的茶壳厚度是相同的，上侧边图所示线条重合；
茶壳内侧和外侧穿刺力计主要集中于4～11 N。计算油茶果不同含水率下茶壳内、外侧各位置平均穿刺力，整理后得到散点拟合图，如图6b。茶壳内外侧穿刺力随油茶果含水率减少而增大；
在含水率大于35%时，茶壳外侧穿刺力与内侧穿刺力数值相近，且均小于11 N；
当油茶果含水率小于35%后，茶壳内侧穿刺力明显小于茶壳外侧穿刺力。
图6 茶壳穿刺力数据Fig.6 Camellia oleifera hull puncture force data plot
分析其原因，应与油茶果晾晒过程中茶壳形态的变化有关。在晾晒中，茶壳顺着油茶果纹理逐渐分裂打开，每片茶壳形态由内侧凹陷、外侧凸出转变为内外侧均近似平整，该现象的出现是因为在晾晒过程中，茶壳外侧干燥速度大于茶壳内侧，致使茶壳外侧收缩速度快于茶壳内侧，即茶壳外侧组织比茶壳内侧组织更致密，从而导致茶壳外侧穿刺力在第11日，即油茶果含水率降低到35.36%以后，茶壳外侧穿刺力明显大于内侧穿刺力。
2.4 油茶果含水率对茶籽、茶壳穿刺力学特性差异的影响
根据上述试验数据，按照试验天数即油茶果含水率分组，计算茶籽平均穿刺力和茶壳平均穿刺力，再计算茶籽和茶壳穿刺力的差值，数据情况见图7a。茶籽、茶壳穿刺力差值与油茶果含水率呈正相关。结果表明：茶籽的平均穿刺力数值变化幅度较小，趋势为先减小后增大；
茶壳的平均穿刺力随着油茶果含水率降低先略微减小，后呈指数趋势增加；
当油茶果含水率在28%左右时，茶籽与茶壳穿刺力差值接近于0。综上可得：当油茶果含水率大于35%时，茶籽与茶壳平均穿刺力差值大于9 N。因此，当油茶果含水率大于35%时，茶籽与茶壳综合穿刺力差值较为明显。据此试验结果，在油茶籽壳的机械化清选中，当油茶果含水率大于35%时，可以采用弹簧针插壳法对油茶籽壳混合物进行清选；
在油茶果堆沤后，油茶果含水率越高，该法清选效果越好。
图7 茶籽、茶壳穿刺力对比Fig.7 Comparison of puncture forces of tea seeds and tea husks
油茶果含水率大于35%时，茶籽、茶壳穿刺力及其尺寸密度图见图7b，其中茶壳尺寸为茶壳厚度，茶籽尺寸为茶籽的胸径。茶籽与茶壳穿刺力数值密度有明显差异，其中交点大约在10 N 处，在交点附近，茶籽和茶壳的穿刺力仍然存在小部分重叠。因此，若处理不当，会出现压缩力为10 N的弹簧针刺破茶籽的情况，导致清选率降低，清选效果不理想。但是在试验中发现，茶籽明显比茶壳难固定，并且容易和针头产生相对滑动。这是因为茶籽表面较光滑，且相对较硬，在与弹簧针接触时，易被弹簧针滑开，从而减小弹簧针穿刺茶籽的概率。所以在实际生产中，控制好油茶籽壳混合物的平铺效果对提高清选率有较大的作用。
2.5 Pearson相关性矩阵
通过相关性矩阵进一步探究茶籽、茶壳各位置穿刺力与含水率之间的相关性，将所得穿刺力值和含水率作为Pearson 相关性分析的变量，通过逐组组合分析，发现油茶果含水率＞45%时，部分变量相关度较高，具体见表2 相关性矩阵。由表2 可知，含水率与茶壳各位置穿刺力高度相关（P＜0.01），是影响茶壳各位置穿刺力的主要指标；
茶籽内外侧穿刺力与各指标之间相关度较低，并且P＞0.05。结合2.1的内容，茶籽外侧的穿刺力范围分布较广，随着油茶果含水率减小，茶籽外侧穿刺力变化规律与茶籽其他部位的穿刺力变化趋势并不一样，导致茶籽外侧穿刺力与其他变量相关度均较小；
茶籽内侧穿刺力与茶籽外侧穿刺力类似，与其他变量间相关度也较小；
茶壳各位置穿刺力高度正相关（P＜0.01）。综合2.1、2.2、2.3，油茶果含水率＞45%时，茶壳各位置穿刺力均值都＜10 N，而当油茶果含水率＜45%时，茶壳各位置穿刺力逐渐增大，会大于10 N，因此，在实际生产时，若无法采用仪器来准确测量出油茶果含水率，则可以采用压缩力为10 N 的弹簧针穿刺茶壳，结合2.4，油茶果含水率＞45%时，使用弹簧针插壳式清选方法。
表2 各指标Pearson相关性矩阵Tab.2 Pearson correlation matrix for each indicator
本文主要应用质构仪对不同含水率下油茶果的茶籽和茶壳各部位进行穿刺力测定，试验结果表明：茶壳厚度和茶籽横向尺寸呈正态分布；
茶壳各部位穿刺力集中于5～10 N，茶籽内侧穿刺力分布集中于12～20 N，茶籽外侧穿刺力分布于15～40 N；
油茶果含水率相同条件下，茶籽外侧穿刺力均大于茶籽内侧穿刺力，茶壳不同部位的平均穿刺力与油茶果含水率呈负相关，其中茶壳外侧平均穿刺力大于茶壳内侧平均穿刺力；
茶籽和茶壳穿刺力差值与油茶果含水率呈正相关。
对油茶籽壳混合物进行机械化清选时，若采用弹簧针插壳式清选方法，其关键工艺参数为：油茶果含水率大于35%，弹簧针的压缩力为10 N。综合分析后，当油茶果含水率＞45%时，茶壳穿刺力均值＜10 N，且茶壳各部位穿刺力相关性较高。因此，在生产过程中不具备油茶果含水率检测条件时，可以利用压缩力为10 N 的弹簧针穿刺茶壳的方式快速判断油茶果含水率是否＞45%，结合前面的结论，油茶果含水率＞45%时可以使用弹簧针插壳式清选方法进行清选；
含水率＜45%时，则需要进一步检测油茶果含水率。
油茶籽壳清选一直是油茶果加工的瓶颈，同时也是油茶产品价格居高的主要原因之一，弹簧针插壳式清选方法可以提高清选率、降低损籽率，同时能实现机器小型化，能够有效降低生产成本。
同时，试验研究也存在一些问题：茶籽外侧穿刺力值不集中，分布较广，通过查阅近几年的油茶果发育过程的文献，发现茶壳和茶籽壳的主要成分是木质素。在细胞壁木质化过程中，木质素逐步渗入到细胞壁，填充于纤维素构架内，加大了细胞壁的硬度，增强了细胞的机械支持力或抗压强度[20]。随着油茶果发育过程木质素的积累，对茶籽、茶壳的硬度（穿刺力）有着重要影响。且随着油茶果的发育，茶籽、茶壳木质素的积累并不同步，其中茶壳木质素积累时间在茶壳发育中期，茶籽壳木质素积累时间为茶籽发育末期[21]。所以油茶果的采摘时间，即茶籽成熟度对茶籽、茶壳穿刺力有较大影响，若采摘时间在茶籽壳完全木质素积累后，茶籽、茶壳穿刺力差异性会更大，弹簧针插壳式清选效果更佳。未来研究弹簧针插壳式清选技术，可以结合油茶果成熟度和油茶果木质素的积累对油茶果穿刺力学特性进行研究，同时各个地区油茶果采摘时间对油茶果营养指标的影响和控制油茶籽质量有待进一步研究。
致谢：江西省科学技术厅项目（20192BBF60049)同时对本研究给予了资助，谨致谢意！
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