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摘要[目的]研究薄皮核桃破壳取仁工艺，提高高路仁得率。[方法]以温185薄皮核桃为研究对象，研究核桃含水率、破壳加载速度以及加载位置对破壳后整仁、一路仁和二路仁的影响规律，在前期单因素试验结果的基础上，采用二次旋转组合试验方法设计试验，用SAS、matlab软件处理数据，建立相关数学模型。[结果]试验表明，在试验参数范围内，核桃含水率、加载速度和加载位置对高路仁的得率影响显著；当加载变形量12 mm、核桃含水率8%，加载速度为300.15 mm/min和C向加载条件下，整仁得率最高可达60.28%。[结论]该试验所建数学模型对温185核桃破壳取仁工艺具有重要的参考作用，可为实际生产中提高高路仁得率提供参考依据。
关键词温185核桃；挤压破壳；高路仁；农产品
中图分类号S664.1文献标识码A文章编号0517-6611（2014）21-07187-04
Study on Test of Cracking Walnut and Fetching Kernel of “Xinjiang Wen 185”
ZHANG Hong， MA Yan et al （Forestry and Wood Mechanical Engineering Technology Center， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040； College of Mechanic and Electrical Engineering， Tarim University， Alar， Xinjiang 843300； Xinjiang Uygur Autonomous Region General Institutes of Higher Education Key Lab of Modern Agriculture Engineering， Alar， Xinjiang 843300）
Abstract [Objective] To study cracking walnut technique and improve whole kernel yield. [Method] With Xinjiang Wen 185 walnut as study object， the influences of moisture content of walnut， loadingrate and loadingposition on the rate of whole kernel were investigated by quadratic regression rotary combination experiments. Excel and SAS software were used to analyze the experimental data. [Result] The results showed that， moisture content of walnut， loadingrate and loadingposition had significant effects on the rate of whole kernel； The maximum rate of whole kernel with new technology is as high as 60.28% when deformation amount was 12 mm， the moisture content of the walnut was 8%， loadingrate was 300.15 mm/min and loadingposition at “C”. [Conclusion] The study and results can provide a theoretical basis for cracking walnut and fetching kernel of “Xinjiang Wen 185” walnut.
Key words “Xinjiang Wen 185” walnut； Cracking walnut； Whole kernel； Agricultural products
温185品种核桃，因其皮薄、仁满、味美而受到消费者的欢迎，在新疆南部地区亦有广泛种植。核桃外壳坚硬且内部结构复杂，核桃仁与壳体通过一定厚度的隔膜相固定，尤其是薄皮核桃，采后加工过程中，破壳获得高路仁会造成很大的困难[1-2]。因此研究薄皮核桃破壳取仁工艺，提高高路仁得率是当前研究的重点。
目前，在国内外对核桃破壳方面的研究已经做了大量的工作，研究主要集中在破壳过程中核桃壳仁的力学、物理特性、破壳方式等方面[3-11]，而忽略了在实际生产中，破壳方式和破壳工艺的定量分析对核桃破壳取仁的影响很大，关于核桃破壳取仁工艺定量分析，特别是对核桃整仁得率方面的研究国内外未见报道。笔者以温185薄皮核桃为原料，采用二次旋转组合试验方法设计试验，研究核桃含水率、加载速度以及加载位置对核仁的整仁率与碎仁率的影响规律，以期优化温185薄皮核桃破壳工艺，为实际生产中提高高路仁得率提供参考依据。
1材料与方法
1.1材料
1.1.1试验原料。温185薄皮核桃采于温宿县核桃实验林场，采收后剔除病虫害、畸形核桃，并进行分级处理。
1.1.2仪器与设备。微机控制电子万能材料试验机，WDD3型，上海卓技仪器设备有限公司；电热鼓风干燥箱，GZX9140MBE型，上海博讯实业有限公司；电子天平，FA1104型，上海市安亭电子仪器厂；恒温恒湿箱，CTHI150（A）B型，施都凯仪器设备有限公司。
1.2试验设计与方法 1.2.1含水率的控制。每组试验选取核桃样品，于鼓风干燥箱内60 ℃条件下干燥，达到试验要求含水率后进行破壳试验。
1.2.2试验因素和考核指标。经过前期因素排查和预试验，选取核桃含水率（湿基）、挤压的加载速度和核桃的加载位置为试验因素，整仁、一路仁、二路仁和碎仁[3]的得率为考核指标。对试验中因素指标进行简单说明如下：整仁为破壳后无损伤的核桃仁；一路仁为破壳后两部分在一起的仁，即整仁被破碎成2部分；二路仁为破壳后分成4部分的仁，即整仁被破碎成4部分；碎仁为破壳后破碎大于4部分的仁。
加载位置：由于压核桃的部位不同得到的应力不同，因此该研究采用5种方式进行试验，受力点的选取如图1所示，A、B、C、D、E点分别对应试验编码值-1.682、-1、0、1和1.682。
1.2.3数据处理。每组试验样品200颗，破壳后分别计算整仁、一路仁、二路仁和碎仁的平均值，并采用Excel软件和SAS软件进行数据处理。
图1加载位置1.2.4破壳取仁试验。应用微机控制电子万能材料试验机，固定每次破壳的变形量为12 mm。选取3因素5水平，采用二次旋转组合设计试验。
按表1对试验因素进行编码记录，依据试验设计方法要求，对样品库中的试验材料随机抽取23组，每组样品200颗，采用二次回归正交旋转组合设计来获得数据。根据试验数据，分析在不同含水率、加载速度、加载位置条件下，所能获得的核桃仁完整程度数学模型，以得到温185核桃破壳取仁最佳的核桃含水率、加载速度及加载位置理论数据。
2.3试验因素对得率的影响与分析应用SAS软件对试验数据进行降维分析得到图2。由图2可知，整仁率均随着含水率、加载速度的变化呈现先增大后减小的趋势，碎仁得率均随着含水率、加载速度的变化呈现先减小后增大的趋势。
2.3.1含水率因素对破壳质量的作用。核桃在挤压破壳过程中，不可避免地会使破碎的壳与仁直接接触，当核桃含水率较低时，壳和仁的物理属性主要表现为脆性，当壳仁接触后很容易造成仁的破碎，随着含水率的逐渐增加，脆性逐渐向韧性转化，整仁得率也随之提高，碎仁得率逐渐降低[12-14]；当含水率继续增加时，壳的韧性过大，破壳需要的变形量过大，造成对仁的过量挤压，因而整仁得率下降，碎仁得率升高。
42卷21期张 宏等温185核桃破壳取仁工艺试验研究2.3.2加载速度对破壳强度及破壳质量的影响。当加载速度较低时，壳的断裂过程时间较长，裂纹扩展过程较慢，对仁的接触时间较长，所受载荷会充分加载到壳和仁上，使仁的破碎加剧，所以整仁得率较低，随着加载速度的增加，壳体局部受载显著[15]。由于壳的脆性特征，使壳发生“脆断”现象，而在壳发生“脆断”时，壳未接触或少接触仁（多数在仁发弹性范围内），从而整仁得率随之增加。但当加载速度过大时，壳裂纹扩展时间随之变短，壳仅为局部碎裂，需多次加载破壳才可以取仁，导致破壳效果变劣，整仁得率降低，碎仁增多[16-17]。
2.3.3加载位置对破壳质量的影响。当加载位置发生变化时，对核桃取仁效果影响明显。由图1可知，核桃仁与壳之间的间隙不同位置间隙大小不同，由大到小依次为CBDAE或CBDEA。在挤压破壳过程中，间隙越大，留给壳断裂的时间越长，整仁得率越高。由图2可知，整仁得率由大到小符合CBDAE（EA）规律。
2.3.4响应面分析。对得到的回归方程进行优化分析，得到相应相应曲面如图3所示。图2降维分析图3响应面分析图3描述的是加载速度和加载位置、含水率和加载位置及加载速度和含水率对整仁得率的交互影响规律。通过分析可以得出如下结果：加载速度和加载位置对整仁得率存在交互影响， 整仁得率随加载速度的增加先增后降，随加载位置的变化亦先增后降；含水率和加载位置对整仁得率存在交互影响， 整仁得率随含水率的增加先增后降，随加载位置的变化亦先增后降；加载速度和含水率对整仁得率存在交互影响， 整仁得率随加载速度的增加先增后降，随含水率的增加亦先增后降。
在破壳过程中，核桃仁因受力的差异会导致核桃仁形成整仁、一路仁、二路仁和碎仁。单独考虑核桃仁在破壳时发生路仁差异的原因和过程，认为分为两类破碎形态，当核桃仁受集中载荷在局部位置对称载荷时，仁的破碎经历由整仁至一路仁至二路仁至碎仁的完整历程；当核桃仁所受载荷分布较散，而且不对称时，仁的破碎顺序将出现断续现象。二者共同导致在破壳过程中整仁与碎仁得率之和小于100%，其差值即为一路仁和和二路仁的得率之和。
3结论
在该试验参数范围内，破壳取仁过程中核桃的含水率、加载速度和加载位置对整仁得率有显著影响；当C点加载、含水率8%、加载速度为300.15 mm/min时，温185核桃破壳整仁最高，得率为60.28%。所得的数学模型可根据破壳取仁的实际条件计算出高路仁得率，模型与实际工况拟合良好，最大误差为0.85%。该研究结果可为温185核桃破壳取仁工艺提供参考依据。
参考文献
[1] 李忠新，杨军，杨莉玲，等.核桃破壳取仁工艺及关键设备[J].农机化研究，2008，12（12）：27-29，89.
[2] 陈海云，宁德鲁.核桃综合加工利用现状及展望[J].安徽农业科学，2012，40（5）：2890-2892，2896.
[3] 吴子岳.绵核桃剥壳取仁机械的研究[J].农业工程学报，1995，11（12）：64-69.
[4] 吴子岳. 核桃剥壳机的理论分析与试验研究[J].南京农业大学学报，1996，19（2）：96-100.
[5] 杨锐，陈红.激光与核桃相互作用的力学推导及有限元分析[J].农机化研究，2008，4（4）：52-54.
[6] 史建新，赵海军，辛动军.基于有限元分析的核桃脱壳技术研究[J].农业工程学报，2005，21（4）：185-188. [7] ALTUNTAS E，OZKAN Y.Physical and mechanical properties of some walnut （Juglans regia L.） cultivars[J].Int J Food Eng，2008，4：1-16.
[8] KOYUNCU M A，EKINCI K，SAVRAN E.Cracking characteristics of walnut[J].Biosyst Eng，2008：87：305-351.
[9] OLOSO A O，CLARKE B.Some aspects of strength properties of cashew nuts[J].J Agric Eng Res，1993，55：27-43.
[10] GNER M， DURSUN E，DURSUN I G.Mechanical behavior of hazelnut under compression loading[J].Biosyst Eng，2003，85：485-491.
[11] 张荣荣，李小昱，王为，等.基于有限元方法的板栗破壳力学特性分析[J].农业工程学报，2008，24（9）：84-88.
[12] TANG G P，LIANG T，MUNCHEYER F.A variable dofomation macadamia nutgracker[J].Transactions of the ASAE，1982，25（6）：1505-1511.
[13] 高学梅，胡志超，王海鸥，等.花生脱壳加工物理机械特性试验[J].中国农机化，2012，224（6）：55-57，61.
[14] 程品三.脆性断裂的非局部力学理论[J].力学学报，1992，24（5）：329-338.
[15] OAJIDE J Q，IGBEKAB J C.Some physical properties of groundnut kermels[J].Jourmal of Food Engineering，2003，58（2）：201-204.
[16] AYDIN C.Some engineering properties of peanut and kernel[J].Journal of Food Engineering，2007，79（2）：810-816.
[17] 宜婷.多级多孔材料的冲击和断裂特性研究[D].北京：清华大学，2012.
关键词温185核桃；挤压破壳；高路仁；农产品
中图分类号S664.1文献标识码A文章编号0517-6611（2014）21-07187-04
Study on Test of Cracking Walnut and Fetching Kernel of “Xinjiang Wen 185”
ZHANG Hong， MA Yan et al （Forestry and Wood Mechanical Engineering Technology Center， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040； College of Mechanic and Electrical Engineering， Tarim University， Alar， Xinjiang 843300； Xinjiang Uygur Autonomous Region General Institutes of Higher Education Key Lab of Modern Agriculture Engineering， Alar， Xinjiang 843300）
Abstract [Objective] To study cracking walnut technique and improve whole kernel yield. [Method] With Xinjiang Wen 185 walnut as study object， the influences of moisture content of walnut， loadingrate and loadingposition on the rate of whole kernel were investigated by quadratic regression rotary combination experiments. Excel and SAS software were used to analyze the experimental data. [Result] The results showed that， moisture content of walnut， loadingrate and loadingposition had significant effects on the rate of whole kernel； The maximum rate of whole kernel with new technology is as high as 60.28% when deformation amount was 12 mm， the moisture content of the walnut was 8%， loadingrate was 300.15 mm/min and loadingposition at “C”. [Conclusion] The study and results can provide a theoretical basis for cracking walnut and fetching kernel of “Xinjiang Wen 185” walnut.
Key words “Xinjiang Wen 185” walnut； Cracking walnut； Whole kernel； Agricultural products
温185品种核桃，因其皮薄、仁满、味美而受到消费者的欢迎，在新疆南部地区亦有广泛种植。核桃外壳坚硬且内部结构复杂，核桃仁与壳体通过一定厚度的隔膜相固定，尤其是薄皮核桃，采后加工过程中，破壳获得高路仁会造成很大的困难[1-2]。因此研究薄皮核桃破壳取仁工艺，提高高路仁得率是当前研究的重点。
目前，在国内外对核桃破壳方面的研究已经做了大量的工作，研究主要集中在破壳过程中核桃壳仁的力学、物理特性、破壳方式等方面[3-11]，而忽略了在实际生产中，破壳方式和破壳工艺的定量分析对核桃破壳取仁的影响很大，关于核桃破壳取仁工艺定量分析，特别是对核桃整仁得率方面的研究国内外未见报道。笔者以温185薄皮核桃为原料，采用二次旋转组合试验方法设计试验，研究核桃含水率、加载速度以及加载位置对核仁的整仁率与碎仁率的影响规律，以期优化温185薄皮核桃破壳工艺，为实际生产中提高高路仁得率提供参考依据。
1材料与方法
1.1材料
1.1.1试验原料。温185薄皮核桃采于温宿县核桃实验林场，采收后剔除病虫害、畸形核桃，并进行分级处理。
1.1.2仪器与设备。微机控制电子万能材料试验机，WDD3型，上海卓技仪器设备有限公司；电热鼓风干燥箱，GZX9140MBE型，上海博讯实业有限公司；电子天平，FA1104型，上海市安亭电子仪器厂；恒温恒湿箱，CTHI150（A）B型，施都凯仪器设备有限公司。
1.2试验设计与方法 1.2.1含水率的控制。每组试验选取核桃样品，于鼓风干燥箱内60 ℃条件下干燥，达到试验要求含水率后进行破壳试验。
1.2.2试验因素和考核指标。经过前期因素排查和预试验，选取核桃含水率（湿基）、挤压的加载速度和核桃的加载位置为试验因素，整仁、一路仁、二路仁和碎仁[3]的得率为考核指标。对试验中因素指标进行简单说明如下：整仁为破壳后无损伤的核桃仁；一路仁为破壳后两部分在一起的仁，即整仁被破碎成2部分；二路仁为破壳后分成4部分的仁，即整仁被破碎成4部分；碎仁为破壳后破碎大于4部分的仁。
加载位置：由于压核桃的部位不同得到的应力不同，因此该研究采用5种方式进行试验，受力点的选取如图1所示，A、B、C、D、E点分别对应试验编码值-1.682、-1、0、1和1.682。
1.2.3数据处理。每组试验样品200颗，破壳后分别计算整仁、一路仁、二路仁和碎仁的平均值，并采用Excel软件和SAS软件进行数据处理。
图1加载位置1.2.4破壳取仁试验。应用微机控制电子万能材料试验机，固定每次破壳的变形量为12 mm。选取3因素5水平，采用二次旋转组合设计试验。
按表1对试验因素进行编码记录，依据试验设计方法要求，对样品库中的试验材料随机抽取23组，每组样品200颗，采用二次回归正交旋转组合设计来获得数据。根据试验数据，分析在不同含水率、加载速度、加载位置条件下，所能获得的核桃仁完整程度数学模型，以得到温185核桃破壳取仁最佳的核桃含水率、加载速度及加载位置理论数据。
2.3试验因素对得率的影响与分析应用SAS软件对试验数据进行降维分析得到图2。由图2可知，整仁率均随着含水率、加载速度的变化呈现先增大后减小的趋势，碎仁得率均随着含水率、加载速度的变化呈现先减小后增大的趋势。
2.3.1含水率因素对破壳质量的作用。核桃在挤压破壳过程中，不可避免地会使破碎的壳与仁直接接触，当核桃含水率较低时，壳和仁的物理属性主要表现为脆性，当壳仁接触后很容易造成仁的破碎，随着含水率的逐渐增加，脆性逐渐向韧性转化，整仁得率也随之提高，碎仁得率逐渐降低[12-14]；当含水率继续增加时，壳的韧性过大，破壳需要的变形量过大，造成对仁的过量挤压，因而整仁得率下降，碎仁得率升高。
42卷21期张 宏等温185核桃破壳取仁工艺试验研究2.3.2加载速度对破壳强度及破壳质量的影响。当加载速度较低时，壳的断裂过程时间较长，裂纹扩展过程较慢，对仁的接触时间较长，所受载荷会充分加载到壳和仁上，使仁的破碎加剧，所以整仁得率较低，随着加载速度的增加，壳体局部受载显著[15]。由于壳的脆性特征，使壳发生“脆断”现象，而在壳发生“脆断”时，壳未接触或少接触仁（多数在仁发弹性范围内），从而整仁得率随之增加。但当加载速度过大时，壳裂纹扩展时间随之变短，壳仅为局部碎裂，需多次加载破壳才可以取仁，导致破壳效果变劣，整仁得率降低，碎仁增多[16-17]。
2.3.3加载位置对破壳质量的影响。当加载位置发生变化时，对核桃取仁效果影响明显。由图1可知，核桃仁与壳之间的间隙不同位置间隙大小不同，由大到小依次为CBDAE或CBDEA。在挤压破壳过程中，间隙越大，留给壳断裂的时间越长，整仁得率越高。由图2可知，整仁得率由大到小符合CBDAE（EA）规律。
2.3.4响应面分析。对得到的回归方程进行优化分析，得到相应相应曲面如图3所示。图2降维分析图3响应面分析图3描述的是加载速度和加载位置、含水率和加载位置及加载速度和含水率对整仁得率的交互影响规律。通过分析可以得出如下结果：加载速度和加载位置对整仁得率存在交互影响， 整仁得率随加载速度的增加先增后降，随加载位置的变化亦先增后降；含水率和加载位置对整仁得率存在交互影响， 整仁得率随含水率的增加先增后降，随加载位置的变化亦先增后降；加载速度和含水率对整仁得率存在交互影响， 整仁得率随加载速度的增加先增后降，随含水率的增加亦先增后降。
在破壳过程中，核桃仁因受力的差异会导致核桃仁形成整仁、一路仁、二路仁和碎仁。单独考虑核桃仁在破壳时发生路仁差异的原因和过程，认为分为两类破碎形态，当核桃仁受集中载荷在局部位置对称载荷时，仁的破碎经历由整仁至一路仁至二路仁至碎仁的完整历程；当核桃仁所受载荷分布较散，而且不对称时，仁的破碎顺序将出现断续现象。二者共同导致在破壳过程中整仁与碎仁得率之和小于100%，其差值即为一路仁和和二路仁的得率之和。
3结论
在该试验参数范围内，破壳取仁过程中核桃的含水率、加载速度和加载位置对整仁得率有显著影响；当C点加载、含水率8%、加载速度为300.15 mm/min时，温185核桃破壳整仁最高，得率为60.28%。所得的数学模型可根据破壳取仁的实际条件计算出高路仁得率，模型与实际工况拟合良好，最大误差为0.85%。该研究结果可为温185核桃破壳取仁工艺提供参考依据。
参考文献
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[6] 史建新，赵海军，辛动军.基于有限元分析的核桃脱壳技术研究[J].农业工程学报，2005，21（4）：185-188. [7] ALTUNTAS E，OZKAN Y.Physical and mechanical properties of some walnut （Juglans regia L.） cultivars[J].Int J Food Eng，2008，4：1-16.
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[9] OLOSO A O，CLARKE B.Some aspects of strength properties of cashew nuts[J].J Agric Eng Res，1993，55：27-43.
[10] GNER M， DURSUN E，DURSUN I G.Mechanical behavior of hazelnut under compression loading[J].Biosyst Eng，2003，85：485-491.
[11] 张荣荣，李小昱，王为，等.基于有限元方法的板栗破壳力学特性分析[J].农业工程学报，2008，24（9）：84-88.
[12] TANG G P，LIANG T，MUNCHEYER F.A variable dofomation macadamia nutgracker[J].Transactions of the ASAE，1982，25（6）：1505-1511.
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[15] OAJIDE J Q，IGBEKAB J C.Some physical properties of groundnut kermels[J].Jourmal of Food Engineering，2003，58（2）：201-204.
[16] AYDIN C.Some engineering properties of peanut and kernel[J].Journal of Food Engineering，2007，79（2）：810-816.
[17] 宜婷.多级多孔材料的冲击和断裂特性研究[D].北京：清华大学，2012.