一種連續式對蝦剝殼裝置的設計與試驗研究

張澤明 王澤河 張秀花 王 偉 楊淑華

（河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071001）

中國對蝦（fleshy prawn），又稱東方對蝦，拉丁學名為Penaeus chinensis或Penaeus orientalis Kishinouye，隸 屬 節肢動物門，甲殼綱，十足目，對蝦科，對蝦屬。對蝦屬個體大，通稱大蝦。與墨西哥棕蝦、圭亞那白蝦并稱為“世界三大名蝦”。中國是世界上最大的對蝦產品生產國，也是世界上對蝦產品的主要貿易國。對蝦營養豐富，且肉質松軟、易消化、蛋白質含量高、脂肪含量低，并富含多種礦物質，深受人們的喜愛，隨著生活水平的提高，中國對對蝦的需求量也逐年上升。對蝦副產品如蝦頭、蝦殼等含有豐富的蛋白質、類胡蘿卜素、碳水化合物和纖維素等營養成分［1］。

對蝦剝殼是對蝦加工過程中最重要的環節之一，目前，中國仍以手工剝殼為主。研制自動化蝦剝殼裝備，為蝦類生產企業提供實用的、性能可靠的蝦類剝殼設備，對解決蝦剝殼的瓶頸問題，提升對蝦加工產業的技術水平，增強水產品的國際競爭力，促進漁業可持續發展具有重大戰略意義［2］。美國Jonsson公司設計的蝦剝殼機需人工把去頭蝦體整齊定向地排放到一系列的托盤中，之后蝦體自動進行校正、壓平、夾緊、開背和剝殼，自動化程度高，但剝殼過程不連續，剝殼效率比較低；美國Prawnto公司的蝦加工設備主要用于蝦的開背工作，需要人工對去頭蝦定向上料，不利于對蝦的批量化加工。對于蝦去頭方面的研究國外未見報道。王澤河等［3，4］曾對對蝦定向、排序去頭、開背以及剝殼工藝進行了深入的研究，確定了對蝦加工的工藝流程，并進行了對蝦定向和開背方面的試驗研究，初步確定了對蝦定向、開背的方案。本研究采用輥組往復正反轉的形式實現對蝦剝殼，旨在解決對蝦剝殼不連續，剝殼效率低的問題，為最終對蝦加工自動化設備的研制提供依據。

1 整體結構與輥組布置方案

1.1 整體結構設計

對蝦剝殼裝置如圖1所示，主要由蝦仁收集箱、剝殼輥組、噴淋裝置、噴淋裝置支架、上料箱、步進電機、輥組傳動箱和機架組成。對蝦經去頭、開背處理后送入上料箱，之后由步進電機驅動剝殼輥組往復正反旋轉，對蝦沿輥組往下滑動的同時將蝦殼剝離，蝦仁落入蝦仁收集箱中；噴淋裝置一方面有利于對蝦往下滑動，另一方面有利于輥組的清潔；同時輥子與輥子之間的傳動由輥組傳動裝置實現。

圖1 對蝦剝殼裝置整體結構示意圖Figure 1 The schematic diagram of whole structure for the shrimp peeling device

1.2 輥組布置方案

前期試驗［5，6］得到當對輥直徑較大（Φ100mm/Φ80mm）時，對輥嚙角較小，兩輥之間區域等同于V型槽，兩輥在對擠過程中蝦體始終處于進給擠壓狀態；轉動角度過大，蝦肉被擠爛；轉動角度太小，蝦體尾節處，蝦肉與蝦皮出現粘連，增大了后續蝦皮、蝦肉分離的難度。而且對于同一分級級別的蝦體，蝦的幾何形狀，外形尺寸又有所區別，旋轉角度確定后，會導致有的蝦體尾節處被擠爛，蝦肉損失嚴重；有的蝦體尾節處，蝦肉與蝦皮出現粘連。同時上料前需對蝦體定向排序，不利于對蝦剝殼過程的連續進行；當對輥直徑較小（Φ15 mm/Φ10mm）時，對輥嚙角較大，無法夾持蝦腿，導致剝殼失敗；同時當輥徑不變時，對輥摩擦系數越大，對輥嚙角越小，蝦仁損失越嚴重，對蝦剝殼越容易；當對蝦厚度越大，對輥嚙角越大，對蝦剝殼越難，蝦仁損失越小。

總之，隨著對輥嚙角變小，剝殼越容易，但蝦仁損失也越嚴重。為了能順利將對蝦剝殼同時又不造成蝦仁損失，必須對輥徑組合以及輥子的布置形式加以優化，以實現連續對蝦剝殼。

根據式（1）可得，為了得到盡可能大的嚙角，輥徑組合應有兩種方案，方案一如圖2所示，大輥與小輥直徑相差較大且之間無間隙，對輥嚙角如圖3所示，為了便于小輥的布置，輥組布置采用此種布置形式；方案二如圖4所示，大輥小輥直徑都較小，但兩輥之間有間隙，以保證合適的嚙角，對輥嚙角如圖5所示。輥組旋轉時保持連續的正轉反轉，輥組的旋轉方向見圖2、4，為了保證蝦皮能從兩輥之間落下要求正轉角度大于反轉角度。

式中：

α——對輥嚙角，°；

D——大輥直徑，mm；

d——小輥直徑，mm；

K——對輥的摩擦系數；

l——對蝦厚度參數；

ξ——對輥間隙（方案一中ξ＝0），mm。

2 材料與方法

2.1 材料

本試驗所用的原料為盛產于滄州黃驊地區秋季捕撈的形態完整、發育正常、不同級別的南美白對蝦，用冰水混合物處理24h。對蝦的分級級別為42～50，52～60，62～70，72～80，82～100只/kg［7，8］。

圖2 方案一輥組布置形式Figure 2 The roller group’s layout of the first scheme

圖3 方案一對輥嚙角Figure 3 The roller’s nip angle of the first scheme

圖4 方案二輥組布置形式Figure 4 The roller group’s layout of the second scheme

圖5 方案二對輥嚙角Figure 5 The roller’s nip angle of the second scheme

2.2 儀器與設備

對蝦剝殼試驗設備由河北農業大學“海洋公益性行業科研專項”課題組研制，輥徑組合25mm/20mm，間隙0.5mm，輥組表面經輥花處理，游標卡尺，鋼直尺，電子天平秤，西門子S7－200CPU為224XP的PLC，時代超群公司生產的型號為ZD－6560－V3的步進電機驅動器和型號為57BYGH652－03的步進電機。

圖6 對蝦剝殼裝置示意圖Figure 6 The schematic diagram of the peeling device for shrimp

2.3 試驗設計

剝殼前將對蝦去頭開背，開背長度6節，并稱得其質量，連續旋轉5個循環，記錄剝殼成功時所旋轉的圈數并再次稱得蝦皮與蝦肉的質量和，蝦仁損失率通過式（2）算得。剝殼效果通過表1的感官評分評定。剝殼效果感官評分為蝦皮與蝦肉粘連程度感官評分與剝殼成功時的旋轉圈數感官評分的平均值。蝦皮與蝦肉粘連程度感官評分代表著剝殼成功率，剝殼成功時的旋轉圈數感官評分代表著剝殼的難易程度。

表1 對蝦剝殼效果評定Table 1 The standard of sensory evaluation for shrimp’s peeling

式中：

P——蝦仁損失率，%；

Ms——剝殼完成后蝦皮與蝦仁的質量和，g；

M0——剝殼前去頭開背對蝦的質量，g。

為保證蝦皮能從兩輥之間的間隙掉下，設定正轉角度比反轉角度多36°。將選取的對蝦分別以對蝦厚度、旋轉速度、旋轉角度3個參數為影響因子逐一進行單因素試驗，觀察各指標的變化趨勢。

（1）對蝦厚度試驗：輥徑組合25mm/20mm，間隙0.5mm，旋轉速度30r/min，旋轉角度為正轉360°反轉324°，采用不同分級級別的對蝦依次為42～50，52～60，62～70，72～80，82～100只/kg對應不同的對蝦厚度。

（2）旋轉速度試驗：對蝦分級級別82～100只/kg，輥徑組合25mm/20mm，對輥間隙0.5mm，旋轉角度為正轉360°反轉324°，旋轉速度依次選為15，30，45，60r/min，取對蝦10只/組，共4組。

（3）旋轉角度試驗：對蝦分級級別82～100只/kg，輥徑組合25mm/20mm，對輥間隙0.5mm，旋轉速度30r/min，正反轉角度依次為90°/54°，180°/144°，270°/234°，360°/324°，450°/414°，取對蝦10只/組，共5組。

3 結果與分析

3.1 對蝦厚度單因素試驗結果與分析

對蝦厚度單因素試驗結果見表2。試驗表明隨著對蝦厚度的減小，蝦仁損失率逐漸增加，而代表剝殼成功率和剝殼難易程度的感官評分逐漸增大。因此選擇對蝦分級級別為82～100只/kg，充分保證剝殼成功率。

3.2 旋轉速度單因素試驗結果與分析

輥組旋轉速度單因素試驗結果見表3。試驗表明隨著旋轉速度的增大，蝦仁損失率和感官評分都是先逐漸降低后又有所增長，因此確定最佳轉速為45r/min。

表2 對蝦厚度單因素試驗結果Table 2 The single factor test results of shrimp’s thickness

表3 旋轉速度單因素試驗結果Table 3 The single factor test results of rotating speed

3.3 旋轉角度單因素試驗結果與分析

輥組旋轉角度單因素試驗結果見表4。試驗表明隨著旋轉角度的增大，蝦仁損失率也隨之增大；旋轉角度太小，蝦肉與蝦皮粘連嚴重，剝殼失敗。因此確定旋轉角度270°/234°，使對蝦剝殼成功的前提下，蝦仁損失率最低。

表4 旋轉角度單因素試驗結果Table 4 The single factor test results of rotating angle

4 結論

（1）連續式對蝦剝殼方案，避免了對蝦剝殼前需定向、排序的難題，為今后對蝦剝殼裝置的研制提供了新的思路。

（2）通過前期大量試驗得到了輥式對蝦剝殼的理論公式。試驗表明對于同一分級級別的對蝦，對輥嚙角越小蝦肉損失越嚴重；對輥嚙角太大，對蝦剝殼難度加大；對于不同厚度的對蝦，當輥徑組合和對輥間隙一定時，其對應不同的嚙角，嚙角不同直接影響剝殼的效果。

（3）試驗表明隨著對蝦厚度的減小，蝦仁損失率逐漸增加，而代表剝殼成功率和剝殼難易程度的感官評分逐漸增大，因此選擇對蝦分級級別為82～100只/kg，充分保證剝殼成功率；隨著旋轉速度的增大，蝦仁損失率和感官評分都是先逐漸降低后又有所增長，因此確定最佳轉速為45r/min；隨著旋轉角度的增大，蝦仁損失率也隨之增大，旋轉角度太小，蝦肉與蝦皮粘連嚴重，剝殼失敗，因此確定旋轉角度270°/234°，使對蝦剝殼成功的前提下，蝦仁損失率最低。將經去頭開背分級級別82～100只/kg的對蝦送入輥徑組合25mm/20mm，對輥間隙0.5mm，旋轉角度270°/234°，旋轉速度45r/min的輥組，得到蝦仁損失率為2.6%，感官評分4.9分。

1 郭南麟，陳雪忠，陳思行，等.發展我國南極磷蝦漁業的探討［J］.海洋漁業，1996，18（2）：58～66.

2 張進疆，張林泉，趙錫和，等.蝦剝殼裝備研究與設計［J］.現代農業裝備，2011（7）：50～52.

3 王澤河，張麗麗，張秀花，等.雙輥式對蝦粗定向方法的試驗與研究［J］.食品與機械，2013，29（6）：99～101.

4 張麗麗，王澤河，張秀花，等.對蝦開背工藝方案的設計與研究［J］.食品與機械，2013，29（5）：138～140.

5 鄭曉偉，沈建，蔡淑君，等.南極磷蝦等徑滾軸擠壓剝殼工藝優化［J］.農業工程學報，2013，29（增刊1）：286～293.

6 張秀花，趙慶龍，趙玉達，等.對蝦對輥擠壓式剝殼工藝參數及預處理條件優化［J］.農業工程學報，2014，30（14）：308～314.

7 李學英，遲海，楊憲時，等.南極磷蝦冷藏過程中的品質變化［J］.食品科學，2010，31（20）：464～468.

8 常耀光，李兆杰，薛長湖，等.超高壓處理對南美白對蝦在冷藏過程中貯藏特性的影響［J］.農業工程學報，2008，24（12）：230～237.