楊嘉鵬G Jia-peng 王慶惠 - 閆圣坤 - 楊忠強G -

(1. 新疆工程學院電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830022；2. 新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

馬鈴薯為茄科茄屬植物，是全球第四大重要的糧食作物[1]。截至2014年，中國馬鈴薯種植面積約為5.614 6×106hm2，產(chǎn)量約為9 551.5萬t[2]，均占到世界的1/4左右。中國已成為馬鈴薯生產(chǎn)和消費的第一大國[3]。然而，中國馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)卻十分落后，加工量僅為5%[4]。2016年，農(nóng)業(yè)部發(fā)布《關于推進馬鈴薯產(chǎn)業(yè)開發(fā)的指導意見》，提出將馬鈴薯作為主糧產(chǎn)品進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，到2020年，馬鈴薯種植面積擴大到667萬hm2以上，適宜主食加工的品種種植比例將達到30%，主食消費占馬鈴薯總消費量的30%[5]。

脫皮技術一直是制約馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵性問題，要促進馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須解決該問題。目前，學者們對馬鈴薯脫皮裝置的研究已取得了一定的成果[6-8]，如劉守江等[9]研發(fā)了馬鈴薯切削去皮裝置，利用可調(diào)節(jié)切削刀片進行脫皮，解決了切削厚度不可調(diào)節(jié)的問題，提高了馬鈴薯的利用率，但該裝置加工量小，無法實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)；Wang[10]發(fā)明了一種既可以去皮又可以去核切片的馬鈴薯與蘋果去皮裝置，該裝置利用搖臂控制削皮、取芯和切薄片等操作，去皮切片效果良好，對物料的尺寸沒有嚴格要求，但是存在效率低、切削寬度大等缺點； Chand 等[11]研究了一種腳踏式馬鈴薯去皮切片機，利用表面凸起的去皮輥摩擦物料實現(xiàn)去皮，同時還可以實現(xiàn)切片功能，但該裝置存在耗費人力，生產(chǎn)成本高的問題。

針對上述問題，本研究擬設計一種揉搓式馬鈴薯脫皮裝置，并進行試驗研究，同時提出馬鈴薯脫皮裝置的自動化提升方式，為自動化馬鈴薯脫皮裝置的研制提供理論依據(jù)。

1 總體結構和工作原理

1.1 總體結構

揉搓式馬鈴薯脫皮裝置主要由出料口、上機體、進料口、電機、噴水裝置、出料控制裝置、鎖緊裝置 、脫皮輥、接料板、水泵、過濾裝置、水箱、泄水閥、下機架和螺旋毛刷輥組成(見圖1)。

1. 出料口 2. 上機體 3. 進料口 4. 電機 5. 噴水裝置 6. 出料控制裝置 7. 鎖緊裝置 8. 脫皮輥 9. 接料板 10. 水泵 11. 過濾裝置 12. 水箱 13. 泄水閥 14. 下機架 15. 螺旋毛刷輥

圖1 揉搓式馬鈴薯脫皮裝置

Figure 1 Rub peeling machine for potato

馬鈴薯經(jīng)進料口進入到脫皮輥和毛刷輥組成的U型槽內(nèi)，在脫皮輥和螺旋毛刷輥的帶動下不斷滾動，馬鈴薯之間相互擠壓摩擦，在脫皮輥的摩擦作用下脫皮，在螺旋毛刷輥及噴水裝置所產(chǎn)生一定壓力的水的作用下清洗，馬鈴薯的表皮及其他雜質(zhì)不斷被清洗干凈，通過PLC控制主電機的工作時間來實現(xiàn)出料裝置的打開，控制螺旋毛刷輥，將脫皮后的馬鈴薯推送至出料口，表皮及雜質(zhì)通過脫皮輥和螺旋毛刷輥之間的間隙隨水流下，經(jīng)接料板排至水箱中。

1.2 自動化控制部分

馬鈴薯脫皮裝置中的自動化裝置采用三菱的FX2N系列PLC和變頻器對主電動機、水泵、進料口擋板、出料口擋板進行控制，以達到最優(yōu)工藝組合[12-14]。采用PLC作為控制核心，使用變頻器對電機進行調(diào)速，簡化了系統(tǒng)硬件結構，使得主電機調(diào)速更加平滑，節(jié)約了能量，并可根據(jù)后期系統(tǒng)優(yōu)化的需要，進行程序的編寫及加入外圍電路，使得脫皮裝置效率更高。

控制系統(tǒng)工作原理見圖2，通過控制面板對PLC發(fā)送指令，進料裝置面板打開，待脫皮馬鈴薯進入到U型槽后，PLC控制主電動機旋轉，從而帶動脫皮輥和毛刷輥旋轉，同時，PLC對水泵發(fā)送命令，使其啟動，對馬鈴薯進行清洗、脫皮，清洗完畢后，出料裝置面板打開，馬鈴薯在旋轉毛刷輥的帶動下，進入出料口。在整個控制系統(tǒng)中，PLC可通過變頻器改變主電動機的旋轉速度，從而使脫皮輥和毛刷輥達到最優(yōu)轉速，還能通過PLC設置主電機的工作時間，實現(xiàn)馬鈴薯脫皮的最優(yōu)加工時間。為了控制噴水裝置的出水量和水速，在水泵前一級加入了變頻器，可通過PLC實現(xiàn)對水泵的轉速控制。另外，可通過控制面板設置主電機和水泵旋轉速度、脫皮時間、輥軸旋轉方向，控制面板上的液晶屏可顯示當前主電機轉速、水泵轉速、電機頻率等參數(shù)。

2 主要部件設計

2.1 脫皮輥

脫皮輥是由光滑輥和金剛砂表層組成，金剛砂紙可根據(jù)脫皮物料的不同進行更換，金剛砂材料選用具有耐磨、耐水特性的物料。脫皮輥與螺旋毛刷輥呈交替排列。

2.2 螺旋毛刷輥

毛刷輥選用具有螺旋推送功能的毛刷，毛刷輥上的刷洗毛材料主要為尼龍610刷絲，該材料抗磨損性能較好，具有耐高溫耐酸堿等特性，彈性較好，抗刷洗強度大，且不易倒毛，符合食品衛(wèi)生要求。脫皮棍與螺旋毛刷輥選材示意見圖3。

2.3 U型槽體設計

U型槽體是由脫皮輥和毛刷輥組成。設計成U型原因主要有以下三方面：① 有利于馬鈴薯進入U型空間內(nèi)，防止其在轉動過程中掉落出機體，可實現(xiàn)馬鈴薯的自由進入和脫皮后排出；② 可以近距離觀察馬鈴薯在U型空間內(nèi)的運動狀態(tài)，隨著脫皮輥和毛刷輥的相互轉動，帶動馬鈴薯在脫皮輥和毛刷輥之間旋轉，實現(xiàn)單個物料自轉摩擦，同時槽內(nèi)物料實現(xiàn)整體運轉摩擦；③ 可以實現(xiàn)物料集中噴水清洗，不用改變噴水的角度，減少清洗水用水量。

3 試驗材料與方法

3.1 試驗材料

馬鈴薯：單粒重237～824 g，初始濕基含水率為82.14%±0.50%(烘干法，105 ℃，24 h)，購于烏魯木齊北園春市場。

3.2 試驗指標的確定

由于馬鈴薯的形態(tài)各異，表面也并非完全平滑，具有隨機性，因此馬鈴薯去皮效果的評價采用模糊評價原則，即除馬鈴薯凹陷區(qū)域沒被去皮之外，其他部分均被磨損掉則視為達到預期去皮效果。因此不再另設指標對馬鈴薯去皮效果做出評價。每組試驗平行3次，結果選取平均值。

3.3 計算方法

試驗中質(zhì)量損失率是判定馬鈴薯去皮效果的重要指標。脫去的馬鈴薯表皮部分越多，馬鈴薯表面脫皮效果越好，但同時也會帶來馬鈴薯果肉質(zhì)量損失率的提高。試驗中質(zhì)量損失率按式(1)計算：

(1)

式中：

s——馬鈴薯去皮質(zhì)量損失率，%；

M——試驗前馬鈴薯的總質(zhì)量，g；

m——試驗后馬鈴薯的總質(zhì)量，g。

3.4 單因素及正交試驗

根據(jù)前期預試驗，結合設備自身特點，選用的脫皮輥轉速、脫皮時間和喂入量為影響馬鈴薯脫皮效果的影響因素，其中以脫皮輥轉速150～250 r/min，脫皮時間2～4 min，喂入量80～110 kg，分別進行單因素試驗，并在單因素試驗的基礎上，采用正交試驗獲取揉搓式馬鈴薯脫皮裝置最優(yōu)的參數(shù)組合。

4 結果與分析

4.1 單因素試驗

4.1.1 輥轉速對馬鈴薯脫皮效果的影響 由圖4可知，隨著脫皮輥轉速的增大，質(zhì)量損失率急劇增加，因為隨著脫皮輥轉速增大，脫皮輥、螺旋毛刷輥與馬鈴薯表面接觸的次數(shù)增加，馬鈴薯表面被刷下的部分增加，脫皮效果越好，進而質(zhì)量損失率增加，但是相應的馬鈴薯果肉損失率也增加，綜合考慮，脫皮輥轉速在200～225 r/min時較為理想。

4.1.2 脫皮時間對馬鈴薯脫皮效果的影響 由圖5可知，隨著脫皮時間的延長，馬鈴薯表面的皮脫得越干凈，作業(yè)效果越好，與輥轉速對馬鈴薯質(zhì)量損失率的影響趨勢相同，隨著馬鈴薯在脫皮裝置內(nèi)時間的延長，馬鈴薯果肉的質(zhì)量損失率也隨之增加，此外，較長的脫皮時間也會使得整機的生產(chǎn)率降低。故選取去皮3 min左右較為適宜。

4.1.3 喂料量對馬鈴薯脫皮效果的影響 由圖6可知，隨著單位時間內(nèi)馬鈴薯喂料量的增加，馬鈴薯的質(zhì)量損失率隨之降低，主要是脫皮機內(nèi)馬鈴薯的數(shù)量越多，單位時間內(nèi)馬鈴薯與脫皮輥和毛刷接觸的次數(shù)越少，馬鈴薯表皮被刷掉的幾率降低，部分馬鈴薯表皮沒有來得及被刷掉就已被后續(xù)喂入的料推出脫皮腔，故而質(zhì)量損失率降低，影響脫皮效果。同時喂料量的增加，加劇了馬鈴薯間及其與輥之間的碰撞次數(shù)，造成馬鈴薯表面易出現(xiàn)不必要的創(chuàng)傷。綜合考慮，選擇馬鈴薯的喂料量為100 kg/h左右較為適宜。

4.2 正交試驗

在單因素試驗的基礎上，采用三因素三水平的正交試驗(見表1)，獲取揉搓式馬鈴薯脫皮裝置最優(yōu)的參數(shù)組合。

由表2可知，因素影響大小順序為A>B>C，最優(yōu)工藝組合為A1B3C3，即輥轉速205 r/min，去皮時間3.5 min，喂料量105 kg/h。

4.3 驗證實驗

通過3組平行驗證試驗結果表明，當輥轉速205 r/min，去皮時間3.5 min，喂料量105 kg/h時，馬鈴薯質(zhì)量損失率最低，為11.1%，與正交試驗數(shù)據(jù)表中列出的最優(yōu)組(試驗3)所得質(zhì)量損失率結果(10.9%)相吻合。馬鈴薯表皮脫去部分較多，除凹陷區(qū)域未被去皮之外，已達到預期去皮效果。

5 結語

本研究對揉搓式馬鈴薯脫皮裝置進行了脫皮試驗，詳細分析了影響馬鈴薯脫皮質(zhì)量損失率的3個因素，通過單因素及正交試驗獲得馬鈴薯脫皮裝置的最優(yōu)工藝參數(shù)，并實現(xiàn)了揉搓式馬鈴薯脫皮裝置的全程自動化。本裝置的特點：① 通過揉搓實現(xiàn)馬鈴薯脫皮效果的提升，避免了現(xiàn)有脫皮方式的弊端，同時自輸送可實現(xiàn)連續(xù)化作業(yè)，提高生產(chǎn)效率；② 裝置結構簡單，操作方便，經(jīng)濟安全。

下一步計劃實現(xiàn)馬鈴薯脫皮全程自動化，形成進料、脫皮、出料、清洗、切片、包裝一體化生產(chǎn)線。

[1] 李智菲, 李衛(wèi)濤, 押輝遠. 馬鈴薯全基因組LTR反轉錄轉座子分析[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學, 2013(17): 4 235-4 237.

[2] Food Agriculture Organization.Production[EB/OL]. [2017-04-07]. http:// www.fao.org/faostat/en/#data/Q-C.

[3] 李子涵, 楊曉晶. 世界及中國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析[J]. 中國食物與營養(yǎng), 2016(5): 5-9.

[4] 陳海峰, 劉晴. 馬鈴薯去皮技術的研究進展[J]. 食品工業(yè), 2016, 10(37): 229-232.

[5] 孟慶書, 黃鍵裕, 任偉平, 等. 馬鈴薯去皮技術研究進展[J]. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院學報, 2016(2): 67-71.

[6] 宗望遠, 朱松德, 王巧華, 等. 馬鈴薯蒸汽去皮試驗研究[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學, 2002(3): 18-20.

[7] GARROTE R L, SILVA E R, BERTONE R A. Effect of thermal treatment on steam peeled potatoes[J]. Journal of Food Engineering, 2000, 45(1): 67-76.

[8] 陳紹光. 馬鈴薯化學去皮技術研究[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學, 1998(4): 40-41.

[9] 劉守江, 張艷來, 茍明成. JL-Ⅱ型馬鈴薯切屑去皮機的研制[J]. 農(nóng)機化研究, 1995(2): 17-20.

[10] WANG P. Apple/potato peeler: US, 6854383[P]. 2005-02-15.

[11] CHAND K, PANDEY R K, SHAHI N C, et al. Pedal operated integrated potato peeler and slicer[J]. Agricultural Mechanization in Asia, Africa and Latin America, 2013, 44(1): 65-68.

[12] 李華延. 山藥全自動削皮機裝置與控制系統(tǒng)研究[D]. 青島: 青島理工大學, 2015: 34.

[13] 廖育武. 基于PT/PLC的瓜果去皮生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)設計[J]. 食品與機械, 2013, 29(3): 161-164.

[14] 潘光杰, 孫傳祝, 張志杉, 等. 揉搓式豌豆脫皮機研究與設計[J]. 食品與機械, 2012, 28(4): 146-148.