何曉東,朱德泉,*,朱健軍,廖 娟,張 順,李鏡發(fā)
(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,安徽 合肥 230036; 2.江西綠萌科技控股有限公司,江西 信豐341600)
水果產(chǎn)后處理是一種提高水果外在品質(zhì)與增加農(nóng)產(chǎn)品附加值的有效方法[1-2]。我國是水果生產(chǎn)大國,但我國水果產(chǎn)后處理意識淡薄,處理技術(shù)落后,每年水果損傷量達(dá)20%~30%,經(jīng)濟(jì)損失達(dá)750億元[3-4]。水果產(chǎn)后處理主要分為清洗、殺菌、保鮮、打蠟、烘干、分級與包裝等步驟[5-8]。近年來,水果產(chǎn)后處理成為我國水果加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。
清洗是水果產(chǎn)后處理加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其清洗效果對水果表面品質(zhì)、農(nóng)產(chǎn)品附加值與農(nóng)民收入等有著緊密相連的關(guān)系。為了提高清洗設(shè)備的清洗效果,國內(nèi)外學(xué)者對清洗設(shè)備進(jìn)行了一定的研究。Butz等[9-10]研制的高壓水射流清洗機(jī),運(yùn)用高壓水射流機(jī)理清洗水果與蔬菜,清洗效果良好。Kaye等[11]研究在氣泡清洗方式下的氣蝕作用,研究表明,超聲波清洗效率較高,但清洗過程中產(chǎn)生的氣蝕作用容易對物料表面造成損傷,需要對一些清洗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到清洗效果和清洗效率的最佳值。王海鷗等[12]設(shè)計了超聲波臭氧組合式果蔬清洗機(jī),但以超聲波為動力清洗果蔬,果蔬整體受力較小,洗凈率較低,影響清洗效果。
針對目前水果清洗設(shè)備洗凈率低、損傷率高的問題,尤其是對類球形脆皮水果的清洗,現(xiàn)有清洗設(shè)備不能達(dá)到其清洗要求。為滿足我國水果加工產(chǎn)業(yè)的實際需求,本文提出一種雙速毛刷輥清洗方法并且改進(jìn)工藝與結(jié)構(gòu),設(shè)計集浸泡、刷洗、噴洗、集果等功能于一體的清洗設(shè)備,解決現(xiàn)有水果清洗機(jī)洗凈率低、損傷率高與浪費(fèi)水資源的問題,為我國水果產(chǎn)后處理提供參考。
雙速毛刷輥式水果清洗機(jī)主要由浸泡裝置、噴淋裝置、刷洗裝置、集果裝置、電機(jī)、儲水箱和機(jī)架等部分組成。浸泡裝置主要包括浸泡水箱和輸送帶;噴淋裝置主要包括水泵、過濾器和噴嘴等部件;刷洗裝置主要由6根奇數(shù)排毛刷輥和6根偶數(shù)排毛刷輥組成,奇、偶排毛刷輥相間排列。整機(jī)示意圖如圖1所示。
工作時,待清洗的水果在浸泡裝置浸泡一定時間后,由輸送帶運(yùn)送至刷洗裝置,水果由刷洗裝置中奇、偶排毛刷輥帶動轉(zhuǎn)動并向前運(yùn)動,同時毛刷輥上方的高壓噴淋裝置將高壓水流射向水果表面,最后由集果裝置收集。由于奇、偶排毛刷輥轉(zhuǎn)速不同,相鄰毛刷輥形成轉(zhuǎn)速差,增大水果與毛刷輥的摩擦力,同時在高壓水作用下,使水果達(dá)到更好的清洗效果;在集果裝置內(nèi)壁安裝橡膠墊,避免碰撞造成水果損傷。
浸泡裝置主要包括浸泡水箱和輸送帶,輸送帶設(shè)置在浸泡水箱內(nèi),如圖2所示。浸泡水箱用于存放并浸泡未清洗的水果,輸送帶用于輸送水果。浸泡可有效溶解水果與塵土、雜質(zhì)、泥沙、農(nóng)藥殘留的黏度。為了提高水果浸泡效果,工作時,注水液面要求比輸送帶高約50 mm。
1,浸泡裝置;2,輸送帶;3,奇數(shù)排毛刷輥;4,偶數(shù)排毛刷輥;5,噴淋裝置;6,刷洗裝置;7,集果裝置;8,橡膠墊;9,重型鐵芯聚氨酯輪;10,水泵;11,電機(jī);12,儲水箱;13,機(jī)架;14,不銹鋼調(diào)節(jié)腳座。1, Soaking device; 2, Conveyor belt; 3, Odd-numbered rows of brush rollers; 4, Even-numbered rows of brush rollers; 5, Spray device; 6, Brushing device; 7, Fruit collecting device; 8, Rubber pad; 9,Heavy-duty iron-core polyurethane wheel; 10, Water pump; 11, Motor; 12, Water storage tank; 13, Frame; 14, Stainless steel adjustable feet.圖1 整機(jī)示意圖Fig.1 Schematic of whole machine
1,浸泡水箱;2,Z字型傳輸運(yùn)送帶;3,Z字型傳輸運(yùn)送帶第一部分;4,Z字型傳輸運(yùn)送帶第二部分;5,Z字型傳輸運(yùn)送帶第三部分;6,變頻器;7,電機(jī);8,漏水孔;9,承托板。1, Soaking water tank; 2, Z-shaped conveyor belt; 3, First part of Z-shaped conveyor belt; 4, Second part of Z-shaped conveyor belt; 5, Third part of Z-shaped conveyor belt; 6, Inverter; 7, Motor; 8, Leak hole; 9, Support plate.圖2 浸泡裝置Fig.2 Soaking machine
水箱采用厚度1.5 mm的不銹鋼板加工而成,其尺寸為2 700 mm×1 200 mm×500 mm,可容納1.62 t水。水箱外表面設(shè)置兩個環(huán)形方管進(jìn)行加固。水箱底部設(shè)置3°的傾角,在低端設(shè)置排水口,排水更加迅速。輸送帶設(shè)計為Z字形,分3個部分:第1部分在水面以下,用于浸泡水果;第2部分用于向上輸送水果;第3部分與刷洗裝置完成對接。輸送帶設(shè)置厚度為1 mm的矩形承托板,在承托板表面鋪設(shè)橡膠墊,防止水果碰撞損傷,降低水果損傷率;輸送帶表面均勻分布圓形漏水孔,可增大與水果的摩擦力,帶動水果向前運(yùn)動,利于水的流出。輸送帶由電機(jī)驅(qū)動鏈輪傳動,通過變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)水果清洗時間。
1,流水板;2,排水閥;3,儲水箱;4,不銹鋼過濾網(wǎng)盤;5,過濾器;6,水泵;7,噴嘴;8,水管;9,流量調(diào)節(jié)閥。1, Flow plate; 2, Drain valve; 3, Water storage tank; 4, Stainless steel filter screen; 5, Filter; 6, Water pump; 7, Nozzle; 8, Water pipe; 9, Flow control valve.圖3 噴淋循環(huán)裝置Fig.3 Spray circulation machine
噴淋裝置包括水泵、過濾器、流量調(diào)節(jié)閥、水管、噴頭、流水板、儲水箱、排水閥和不銹鋼過濾網(wǎng)盤等部件,如圖3所示。工作時,儲水箱注入一定水,水泵將儲水箱中的水增壓后經(jīng)過濾器過濾注入上方水管,通過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)噴嘴的流量,最后水流經(jīng)噴嘴射向水果表面,清洗水果的水流通過毛刷輥下方的流水板進(jìn)入儲水箱,流水板設(shè)置成斜梯型,有利于水流流動,流水板與儲水箱之間設(shè)有不銹鋼過濾網(wǎng)盤,用于水流過濾。此水循環(huán)設(shè)置兩個水流過濾裝置,使水流達(dá)到良好的凈化效果并且實現(xiàn)水流的循環(huán),節(jié)約水資源。
2.3.1 毛刷輥材料
相對于PA610、PBT、PP等刷絲材料,PA1010材料在常溫與低溫下具有較好的沖擊性能,表面硬度較大,耐疲勞強(qiáng)度高,比重輕,容易安裝與搬運(yùn),并且無毒、耐菌與蟲蛀、價格低,經(jīng)濟(jì)效果好,是理想的刷絲材料[13]。因此,刷洗裝置毛刷輥材料選用PA1010。毛刷棍結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2.3.2 毛刷輥尺寸
清洗機(jī)作業(yè)時,主要依靠毛刷輥與水果之間的摩擦進(jìn)行刷洗,毛刷輥的尺寸極其重要。毛刷輥尺寸過小,則水果與毛刷輥接觸面積小,致使水果自身難以翻轉(zhuǎn),從而影響清洗效果;毛刷輥尺寸過大,則水果易卡在兩個毛刷輥中間難以向前運(yùn)動,影響清洗效果。試驗選用蘋果平均直徑在60~100 mm,綜合考慮蘋果尺寸及清洗效果,
圖4 毛刷輥Fig.4 Brush roller
2.3.3 毛刷輥組數(shù)
水果的刷洗工作主要是利用毛刷輥與水果之間相對運(yùn)動的摩擦進(jìn)行,若清洗毛刷輥組數(shù)太少,達(dá)不到清洗的效果,若清洗毛刷輥組數(shù)太多,則會增加水果在毛刷輥上的運(yùn)動行程,易增加水果表面的損傷率[14-15]。
根據(jù)前期預(yù)研結(jié)果,選用奇數(shù)排毛刷棍轉(zhuǎn)速為70 r·min-1、偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速90 r·min-1,對10、11、12、13、14組清洗毛刷輥作業(yè)時的洗凈率與損傷率進(jìn)行了分析。由圖5可知,毛刷輥組數(shù)越多,水果洗凈率越高,但損傷率也越高;當(dāng)毛刷輥組數(shù)為12時,洗凈率較好,損傷率較低,故確定清洗輥組數(shù)為12。
圖5 毛刷輥組數(shù)的影響Fig.5 Determination of the number of brush roller groups
2.3.4 毛刷輥傳動方式
清洗機(jī)采用毛刷輥差速原理清洗水果,其傳動由兩個驅(qū)動電機(jī)驅(qū)使奇、偶排鏈輪轉(zhuǎn)動,傳動系統(tǒng)如圖6所示。
類球形脆皮水果在產(chǎn)后處理過程中存在磕碰與損傷問題,為解決這一問題,分析類球形脆皮水果的力學(xué)特性至關(guān)重要,可為低損傷清洗裝置的設(shè)計提供理論依據(jù)。蘋果作為類球形脆皮水果之一,其種植與產(chǎn)出在水果產(chǎn)業(yè)中占有十分重要的地位,本節(jié)以蘋果為研究對象,對蘋果在清洗過程中的運(yùn)動進(jìn)行分析。
對毛刷輥上的蘋果進(jìn)行受力分析,如圖7所示。蘋果主要受到兩個毛刷輥的支持力N1、N2,與毛刷輥的摩擦力f1、f2與自身重力G(G=mg)的作用。其中:ω為毛刷輥的旋轉(zhuǎn)方向,V是蘋果運(yùn)動的方向,O是蘋果的質(zhì)心位置,O1、O2是蘋果與兩個毛刷輥的接觸點(diǎn),θ1為支持力N1與水平方向的夾角,θ2為支持力N2與水平方向的夾角,α為重力G與支持力N2的夾角,β為支持力N1與支持力N2的夾角,O到O1的距離與O到O2的距離均為蘋果半徑R,以支持力N2方向為Y軸,以O(shè)為原點(diǎn)做垂直于Y軸的X軸。
1,奇數(shù)排毛刷輥驅(qū)動電機(jī);2,偶數(shù)排毛刷輥驅(qū)動電機(jī);3,雙排鏈輪;4,機(jī)架;5,鏈條。1, Odd-numbered rows of brush roller drive motors; 2, Even-numbered rows of brush roller drive motors; 3, Double-row sprockets; 4, Racks; 5, Chains.圖6 傳動系統(tǒng)Fig.6 Transmission system
a,水果受力位置示意圖;b,水果受力示意圖。a, Schematic diagram of fruit stress; b, Fruit force.圖7 水果運(yùn)動受力分析圖Fig.7 Fruit sports force analysis chart
由圖7得:
f1=μN(yùn)1;
(1)
f2=μN(yùn)2。
(2)
式(1)、(2)中μ為蘋果與毛刷輥之間的摩擦系數(shù)。
蘋果在清洗的過程中,可以得到作用在蘋果上所有力對接觸點(diǎn)O2的合力矩為
∑MO2=N1Rsinβ-mgRsinα-f1(R-Rcosβ)。
(3)
將式(1)代入式(3)得
∑MO2=N1Rsinβ-mgRsinα-μN(yùn)1(R-Rcosβ)。
(4)
蘋果在此位置能夠滾過毛刷輥的條件是:同時滿足在O2處的合力矩大于零和在O2處切線方向的合力大于零,即:
∑MO2=N1R(sinβ+μcosβ)-mgRsinα-μN(yùn)1R>0。
(5)
μN(yùn)2+N1cos(90-β)-μN(yùn)1sin(90-β)-mgsinR>0。
(6)
由上述分析可知,只有同時滿足式(5)與式(6)時蘋果才能順利進(jìn)入下一個毛刷輥,在清洗過程中,如果沒有蘋果之間的碰撞,蘋果與兩個毛刷輥的作用力N1與N2的夾角β基本不變,但蘋果在運(yùn)動過程中不僅會受到輸送帶上初始速度的影響,而且蘋果之間的相互擠壓與碰撞也很明顯,所以蘋果在毛刷輥上的運(yùn)動情況極其復(fù)雜,輸送帶的初始速度、兩個毛刷輥的轉(zhuǎn)速是影響蘋果受力的關(guān)鍵因素,也是影響蘋果清洗的洗凈率與損傷率的主要因素。
為研究不同轉(zhuǎn)速的毛刷輥對類球形脆皮水果的清洗效果,確定奇、偶排毛刷輥組的最優(yōu)差速值,開展了清洗機(jī)單因素試驗與正交試驗研究。
為研究類球形脆皮水果的清洗效果,以紅富士蘋果為試驗材料。根據(jù)國家分級標(biāo)準(zhǔn)[16],大型果與中小型果按照果實橫徑大小分為3個等級:一等品、二等品和小于二等品的等外果。因清洗機(jī)面對不同果徑大小的水果應(yīng)具有適應(yīng)性,本試驗選用橫徑為60、70、80、90、100 mm的紅富士蘋果進(jìn)行試驗。
試驗選取洗凈率與損傷率為清洗效果的評價指標(biāo)。目前水果行業(yè)并沒有定量評價水果是否清洗干凈的判斷標(biāo)準(zhǔn),洗凈率只是一種定性的概念,故行業(yè)人士認(rèn)為清洗后觀察水果表面沒有泥沙、蟲卵、塵土等雜質(zhì)即為清洗干凈[17-19]。
洗凈率的檢測方法:對水果進(jìn)行清洗,篩選清洗干凈的水果與未清洗干凈的水果并用高精度電子秤進(jìn)行稱量。洗凈率計算公式為
(7)
式(7)中:X為洗凈率,%;M1為清洗機(jī)作業(yè)后蘋果的清洗后總質(zhì)量,g;M2為清洗機(jī)作業(yè)后未清洗干凈的蘋果質(zhì)量,g。
損傷率的檢測方法:篩選清洗后未損傷的水果與損傷的水果并用高精度電子秤進(jìn)行稱量。損傷率計算公式為
(8)
式(8)中:Y為損傷率,%;N1為清洗機(jī)作業(yè)后表皮損傷的蘋果質(zhì)量,g;N2為清洗機(jī)作業(yè)后蘋果的總質(zhì)量,g。
研究表明,分別以洗凈率與損傷率作為評價指標(biāo)時,所得各因素顯著性并不一致,需要綜合考慮試驗因素對兩個評價指標(biāo)的影響,采用綜合加權(quán)平均法對其進(jìn)行優(yōu)化,綜合加權(quán)平均值計算公式為
Z=[ε1X+ε2(1-Y)]×100。
(9)
式(9)中:Z為綜合加權(quán)平均值(%);ε1為洗凈率的綜合加權(quán)系數(shù),取0.5;ε2為損傷率的綜合加權(quán)系數(shù),取0.5。
蘋果清洗試驗如圖8所示。
圖8 蘋果清洗試驗Fig.8 Test of washing apples
4.3.1 試驗設(shè)計
以奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Va,偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Vb,浸泡時間T為影響因素,以洗凈率、損傷率為評價指標(biāo),進(jìn)行單因素試驗。
1) 以奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Va為試驗因素:偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Vb為60 r·min-1,順時針方向轉(zhuǎn)動;浸泡時間T為15 s,奇數(shù)排毛刷輥為順時針方向轉(zhuǎn)動,其轉(zhuǎn)速Va依次選取40、60、80、100、120 r·min-1。
2) 以偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Vb為試驗因素:奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Va為40 r·min-1,順時針方向轉(zhuǎn)動;浸泡時間T為15 s,偶數(shù)排毛刷輥為順時針方向轉(zhuǎn)動,其轉(zhuǎn)速Vb依次選取40、60、80、100、120 r·min-1。
3) 浸泡時間T為試驗因素:奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Va為40 r·min-1,偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Vb為60 r·min-1,均為順時針方向轉(zhuǎn)動,浸泡時間T依次選取5、10、15、20、25 s。
4.3.2 試驗結(jié)果與分析
如圖9-a所示,奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速對蘋果洗凈率呈非線性關(guān)系,試驗結(jié)果表明,當(dāng)奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為40~80 r·min-1時,洗凈率呈顯著上升趨勢,80~120 r·min-1時,洗凈率呈下降趨勢;奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速與損傷率呈非線性關(guān)系,隨著轉(zhuǎn)速的增加,損傷率呈先下降后上升趨勢;洗凈率在毛刷輥轉(zhuǎn)速80 r·min-1時達(dá)到最高;如圖9-b中所示,當(dāng)奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為80 r·min-1時,綜合加權(quán)平均分值最高。綜合洗凈率、損傷率與綜合權(quán)平均分值,正交試驗中選取奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速3個水平為60、80、100 r·min-1。
圖9 奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速對清洗效果的影響Fig.9 Effect of odd-numbered brush roller speed on cleaning performance
如圖10-a所示,偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速對蘋果洗凈率呈非線性關(guān)系,試驗結(jié)果表明,當(dāng)偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為40~100 r·min-1時,洗凈率整體呈上升趨勢,100~120 r·min-1時,洗凈率整體呈下降趨勢;偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速與損傷率呈非線性關(guān)系,隨著轉(zhuǎn)速的增加,損傷率呈先下降后上升趨勢,當(dāng)轉(zhuǎn)速在40~100 r·min-1,損傷率顯著下降,100~120 r·min-1時,損傷率緩慢增加;洗凈率在毛刷輥轉(zhuǎn)速100 r·min-1時達(dá)到最高;如圖10-b所示,當(dāng)偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為100 r·min-1時,綜合加權(quán)平均分值最高。綜合洗凈率、損傷率與綜合加權(quán)平均分值,正交試驗中選取偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速3個水平為80、100、120 r·min-1。
圖10 偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速對清洗效果的影響Fig.10 Effect of even-numbered brush roller speed on cleaning performance
如圖11-a所示,浸泡時間與蘋果洗凈率呈非線性關(guān)系,浸泡時間在5~20 s時,洗凈率呈上升趨勢,20~25 s,洗凈率呈下降趨勢;浸泡時間與損傷率近似呈線性關(guān)系,損傷率上下變動幅度不大;從圖11-b看出,當(dāng)浸泡時間為20 s時,綜合加權(quán)平均分值最高。綜合洗凈率、損傷率與綜合加權(quán)平均分值,正交試驗中選取浸泡時間的3個水平分別為15、20、25 s。
圖11 浸泡時間對清洗效果的影響Fig.11 Effect of soaking time on cleaning effect
4.4.1 試驗設(shè)計
根據(jù)單因素試驗分析結(jié)果,選取奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Va,偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Vb,浸泡時間T為試驗因素,每個因素設(shè)置3個水平,同時設(shè)置空白列,進(jìn)行3因素3水平正交試驗,使用L9(34)設(shè)計試驗[20-21]。試驗因素和水平如表1所示。
表1 試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of test
4.4.2 試驗結(jié)果與分析
正交試驗結(jié)果如表2所示。對綜合加權(quán)平均值Z的極差分析結(jié)果如表3所示,對綜合加權(quán)平均值Z的方差分析結(jié)果如表4所示。由表3可知,各因素影響順序由大到小為Va>Vb>T,最優(yōu)組合為Va2Vb2T3。由表4可知,因素Va、Vb、T對綜合指標(biāo)Z的影響均顯著,其顯著順序由大到小為Va、Vb、T。由對綜合指標(biāo)Z的極差分析與方差分析結(jié)果可得,因素Va應(yīng)選取第二水平,Vb應(yīng)選取第二水平,因素T應(yīng)選取第三水平。因此,清洗機(jī)的最優(yōu)組合參數(shù)為Va2Vb2T3,即奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為80 r·min-1,偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為100 r·min-1,浸泡時間為25 s。
表2 正交試驗結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiment
表3 正交試驗極差分析結(jié)果Table 3 Range analysis results of orthogonal experiment
表4 正交試驗方差分析結(jié)果Table 4 Variance analysis results of orthogonal experiment
如圖12-a、b所示,清洗前水果表面布滿灰塵、污物,通過清洗之后水果表面沒有任何雜質(zhì),顏色鮮艷亮麗,為后續(xù)的加工處理提供了保障,滿足了清洗的需求。
圖12 蘋果清洗前(a)、后(b)的圖片F(xiàn)ig.12 Pictures before (a) and after (b) apple cleaning
1)針對我國水果產(chǎn)后處理技術(shù)落后,尤其類球形脆皮水果采后加工質(zhì)量低等問題,設(shè)計了一種集浸泡、噴洗、刷洗與集果等功能的雙速毛刷輥式水果清洗機(jī),有效解決了類球形脆皮水果清洗機(jī)洗凈率低、損傷率高且清洗效率低的問題。
2)清洗試驗結(jié)果表明:奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速、偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速與浸泡時間對洗凈率與損傷率的影響大小順序:奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速>偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速>浸泡時間,蘋果清洗的最佳組合參數(shù)為奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為80 r·min-1,偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為100 r·min-1,浸泡時間為25 s。