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用激光技术去除仙人掌上的尖刺
作者:L. Ponce,M. A    来源:美国Industrial Laser Solutions杂志
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果蔬机械/调味品设备展厅
果蔬加工生产线, 蔬菜保鲜冷库, 选果机/分级机, 豆芽机, 打浆机, ...
激光可以去除仙人掌上的尖刺,也可用于处理其它食品的表面,且不产生损伤。

近年来,人们利用激光进行材料加工,开发了许多有趣的应用。在许多情况下,工业界利用了激光来进行切割、标记、焊接、清洗和其它应用。然而,在食品工业,激光被用来标记食品、切割马铃薯和奶酪,以及清洗花生;除此之外,激光在食品加工业并没有太大作为。最近,人们开发了一项新的激光应用,以解决一个紧要问题——为仙人掌除刺。

梨果仙人掌主要产于墨西哥,产品的历史久远,它的生产和销售遍及许多国家。该植物营养丰富,有益健康,且具有药用价值。在灰绿色、椭圆形的叶茎上(如图1)分布着许多侧壁孔,该孔处覆盖着长达3 cm的刺,刺的旁边还有一些倒刺毛。它们长出红色、味甘的果实——梨果,梨果上也有许多刺。

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图1、梨果仙人掌

该产品在食用之前就需要除刺,该过程通常由操作人员手动或者机械式的利用刀片来为叶茎表面除刺。这个过程导致了产品的损坏,损坏的体积达30%,保存期限变短,影响了除刺后的产品的存放和销售。

墨西哥CICATA-IPN公司与Havana大学合作开发了一项激光技术,该技术可以为梨果仙人掌除刺,它是通过激光烧蚀的过程来除刺。利用该技术来除刺不会破坏产品,减少了损失,提高了保存期限。

激光加工

图2是激光除刺机的示意图。仙人掌被线性地放置在传送带上,传输至激光扫描的区域。如图所示,利用两个Nd:YAG激光器进行加工,这样就可以同时对仙人掌的两面进行加工。光束通过平移的反射镜被传送到仙人掌表面,这样,激光就在与传送方向垂直的方向,对产品表面进行扫描。

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图2、激光除刺过程的示意图

实现自动化去刺的一个重要条件是具备能够实时探测刺的技术——既能探测到刺的存在,也能探测到刺已被去除的情况。为了实现这个目的,机器的运转模式预先设定了顺序;开始时,激光运行在能量较低的模式(约300 mJ)以探测刺的存在。该机器保持着探测模式直到激光探测到刺为止;当激光探测到刺的存在,由于强烈的光吸收就产生了一个典型的声信号。当该声信号产生后,声音探测器发出指令,指示系统提高能量以便将刺完全去除。

接着,大能量脉冲(约1 J)被用于加工,直到刺消失为止,随后声信号也下降。探测器告知系统恢复到探测模式。整个加工在传送带输送仙人掌的过程中完成。

图3显示,声音信号强度随着应用到刺上的脉冲个数增加而产生的变化。在前几个脉冲加工的过程中,声信号的强度快速上升,直到达到最大值;随后当刺被去除后,该数值下降到恒量。前两个脉冲使得刺的根部变黑。在这个阶段,声信号还非常弱,因为此时尚未有任何的材料烧蚀。随后,燃烧过程使得侧壁孔变黑,提高了吸收率,导致烧蚀率增加,声信号增强。接着,随着吸收材料减少,声信号也下降。声信号的下降持续至吸收结束,最后,声信号和等离子体吸收过程都消失。

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图3、声音信号强度与脉冲个数的关系

优势

图4给出了典型的去刺过程。辐照区域有一个或者几个刺(图4a中有3个),刺的周围是倒刺毛(即较大的刺周围的小毛刺)。从图4b可以看到,三个脉冲之后,该处仅剩下一个刺和一些小的毛刺。在一些区域内,小毛刺已经被除去了。最后,从图4c可以看到,经过六个脉冲辐照后,整个区域都没有大的刺,小毛刺也被去掉了,剩下的区域非常的干净,呈小坑状。

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图4、去刺过程:(a)辐照前,(b)经过3个脉冲的激光加工后,
(c)刺和倒刺毛在6个脉冲后被完全去除。

仙人掌的叶茎上约有40-80个刺,因此上述的过程需要在每个刺上重复进行。使用该技术,如果每个刺所需要的脉冲小于10个,那么每个叶茎的去刺过程平均需要600个脉冲。每台脉冲能量1J、重复频率100 HZ激光器系统,每六秒能完成一个叶茎的去刺过程。

总的来说,激光的去刺过程在食品加工方面有巨大的潜力。目前,根据仙人掌品种的不同,生产率约达每小时几十公斤,这样激光器100W的功率损耗就不足为道了。光声探测使得除刺的实时探测成为可能,这就保证了整个加工的自动化,也保证了加工质量。而且,作者已申获该项新技术的专利权,该技术将被用于食品表面的加工。利用该技术所取得的类似加工结果已在梨果上得到验证。

本文作者L. Ponce (lponce@ipn.mx)、M. Arronte,E. De Posada以及 T. Flores来自墨西哥CICATA-IPN公司;B. Lambert和 J. Cabrera来自古巴IMRE-Havana大学。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (12/29/2009)
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