船舶搖擺和工藝參數(shù)對南極磷蝦擠壓脫殼效果的影響

鄭曉偉，張軍文，周春生

（農(nóng)業(yè)部遠洋漁船與裝備重點實驗室，中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，國家水產(chǎn)品加工裝備研發(fā)分中心（上海），上海 200092）

0 引 言

南極磷蝦不但生物資源量巨大[1-3]，還具有較高的利用價值[4-8]。除了用于生產(chǎn)蝦粉和提取蝦油以外，制取脫殼蝦肉產(chǎn)品是南極磷蝦資源利用的另一有效手段[9-13]。日本、挪威等國家開展磷蝦肉加工研究比較早，相關(guān)技術(shù)及裝備水平也相對成熟[14-16]。中國雖然進入磷蝦產(chǎn)業(yè)的時間比較晚，但經(jīng)過近幾年的研究，已取得了多項研究成果[17-20]。

滾軸擠壓是南極磷蝦脫殼的有效方法之一[21-23]，實際生產(chǎn)中脫殼效果不僅取決于擠壓工藝參數(shù)，還受到船舶航行中風浪的影響。在大風浪作用下船舶會產(chǎn)生橫搖和縱搖，對航行安全造成影響，包括對船上人員和設(shè)備的影響[24-25]。研究表明，船舶橫搖角度在0～4°范圍內(nèi)時，對人的運動能力影響較小，橫搖角度在4～10°范圍內(nèi)時，運動能力明顯下降[26]。對設(shè)備而言，搖擺的影響體現(xiàn)在穩(wěn)定性和生產(chǎn)效果等方面。本文采用前期研究形成的工藝參數(shù)，研制復合疊層式的脫殼生產(chǎn)設(shè)備，通過海上生產(chǎn)試驗分析研究該設(shè)備在不同搖擺條件下的使用效果，為設(shè)備的完善和產(chǎn)業(yè)化應用提供指導。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

本試驗所用新鮮磷蝦由中國水產(chǎn)有限公司“龍騰”號于2017年4月在南極CCAMLR轄區(qū)48.1區(qū)拖網(wǎng)捕撈所得。上述試驗原料蝦為優(yōu)勢體長在30～38 mm的南極大磷蝦，稱量裝盤以備用。每盤磷蝦原料質(zhì)量11 kg，以6盤原料即66 kg為1組進行鮮蝦脫殼試驗。每個因素組合做3組數(shù)據(jù)，取其平均值。

試驗儀器：SJ9-2Ⅱ型電子秒表，精度0.01 s；臺秤，分度值50 g，上海浦東計量儀器廠；HT-QJY01型水平儀，購自陜西航天長城測控有限公司；SONY NEX-5RL 數(shù)碼相機；（0~150）mm帶表游標卡尺，精度0.01 mm。

1.2 脫殼設(shè)備

試驗用南極磷蝦脫殼設(shè)備如圖 1所示，由中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所研制。擠壓脫殼原理如圖 2所示，磷蝦在滾軸的擠壓所用下，蝦頭尾連同蝦殼被擠至滾軸下方，而蝦肉留在滾軸上方，實現(xiàn)殼肉的分離。其中滾軸工藝參數(shù)采用了前期試驗的優(yōu)化結(jié)果，滾軸轉(zhuǎn)速1.6 r/s、滾軸間隙0.5 mm、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)1.7 r，其他主要設(shè)備參數(shù)見表1。

1.3 脫殼生產(chǎn)工藝

將試驗原料磷蝦分批次倒入均質(zhì)筒；磷蝦在均質(zhì)筒內(nèi)與水混合后由泵送至脫殼機上方的輸送機，均勻分布并送至脫殼機；脫殼后得到的蝦肉使用特制濾框收集并進行人工清洗、分揀去雜和稱量；蝦殼單獨回收處理。

1.4 試驗方法

1.4.1 數(shù)據(jù)測量

物料質(zhì)量：使用臺秤分別對試驗原料蝦、脫殼后的蝦肉以及人工分檢后得到的蝦仁進行稱量，數(shù)值精確到0.05 kg；

圖1 南極磷蝦脫殼設(shè)備Fig.1 Antarctic krill peeling equipment

表1 南極磷蝦脫殼設(shè)備基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of krill peeling equipment

圖2 擠壓脫殼原理Fig.2 The principle of extrusion peeling

處理時間：根據(jù)前期調(diào)試情況，使用秒表控制每次投料的間隔時間，按220 kg/h的速度投料。記錄磷蝦捕撈裝盤后在加工間的放置時間，數(shù)值精確到s。

船舶搖擺：用水平儀測量船體的搖擺程度，分別記錄船舶最大搖擺角度，數(shù)值精確到 1°，其中以滾軸軸向為軸線的搖擺為橫搖，以滾軸徑向為軸線的搖擺為縱搖。設(shè)備為縱向布置，即滾軸與船頭尾連線方向一致。

脫殼數(shù)量：試驗過程中，在投料完成后用相機拍攝滾軸工作的瞬時圖像，在圖像上將滾軸從進料端到出料端按實際長度均分為 4個區(qū)域，分別計算各區(qū)域內(nèi)滾軸上方已脫殼蝦和未脫殼蝦的數(shù)量，數(shù)值精確到個。

由于試驗在南極海域船上開展，搖擺角度無法人為精確控制，試驗過程中通過持續(xù)開展生產(chǎn)試驗，記錄多組數(shù)據(jù)，再從多數(shù)據(jù)中選出符合試驗設(shè)定條件的數(shù)據(jù)進行分析。

1.4.2 因素水平

在設(shè)備參數(shù)、進料速度固定的條件下，研究船舶搖擺、原料新鮮度對脫殼得肉率和蝦殼殘留率產(chǎn)生的影響。分別記錄取值期間內(nèi)船舶的橫搖和縱搖，以船舶搖擺狀態(tài)相對穩(wěn)定的時間段內(nèi)搖擺角度最大值作為水平值，即縱搖3°表示船舶縱搖幅度最大值為3°，且多次達到。影響船舶搖擺因素較多，為了便于分析，縱橫搖上限分別取7°和5°，此為試驗條件下7級風浪時的經(jīng)驗值。由于船的運動不可控，需多次試驗并挑選出符合試驗條件的數(shù)據(jù)進行分析。

原料新鮮度由裝盤后放置時間表示，最大值取2 h。

為了便于分析滾軸長度對脫殼效果的影響，將滾軸按長度均分為4等分，從起始端至末端分別記作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域，分別計算各區(qū)域內(nèi)已脫殼及未脫殼蝦的數(shù)量。

主要因素水平如表2所示。

表2 因素水平Table 2 Levels of factor

1.4.3 指標測定方法

得肉率：分揀后蝦仁的質(zhì)量與原料質(zhì)量的比值即為得肉率；

蝦殼殘留率（基于原料）：人工分揀出殘留蝦殼的質(zhì)量與原料質(zhì)量的比值即為蝦殼殘留率。

脫殼完成率：某滾軸區(qū)域內(nèi)已脫殼蝦數(shù)量與磷蝦總數(shù)量的比值即為脫殼完成率。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

用Microsoft Excel 2010軟件對磷蝦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并繪圖。應用SPSS19.0.0統(tǒng)計軟件，對數(shù)據(jù)進行方差分析，P<0.05表示差異顯著，P>0.05表示差異不顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 船舶搖擺對得肉率和蝦殼殘留率的影響

以得肉率和蝦殼殘留率為指標，橫搖 1°、放置時間0 h，分別在縱搖水平 1°、3°、5°、7°的搖擺幅度下比較磷蝦的脫殼效果，試驗數(shù)據(jù)如圖 3所示。不同船舶縱搖幅度下得肉率與蝦殼殘留率差異均不顯著（P>0.05）。在試驗條件下，得肉率浮動范圍為18.31%～18.73%，變化范圍不大。蝦殼殘留率的變化范圍為0.41%～1.07%，隨著船舶縱搖角度的增加，蝦殼殘留率呈上升趨勢。當縱搖角度在 3°以內(nèi)時，殘留率基本保持一致，當縱搖角度大于 3°時，蝦殼殘留率緩慢上升。縱搖即以滾軸徑向為軸線的搖擺，實際生產(chǎn)中縱搖會影響滾軸的瞬時傾斜角度，從而影響物料在脫殼過程中的移動速度，進而影響脫殼效果。當縱搖為7°時，得肉率反而略微提升，說明在低縱搖狀態(tài)下滾軸長度已經(jīng)過長，脫完殼的蝦肉被反復擠壓而造成損失，而當縱搖幅度進一步增大時，蝦肉在水流的帶動下快速從出料口排出，從而避免了擠壓損耗。總體而言，在根據(jù)船上生產(chǎn)條件所選定的縱搖幅度范圍內(nèi)，設(shè)備脫殼效果穩(wěn)定，得肉率無明顯變化，蝦殼殘留率雖小幅上升，但不影響人工分揀，滿足實際生產(chǎn)的需要。與以往開展的南極磷蝦脫殼研究[27]相比，本試驗得到的脫殼得肉率約為 18%，有所降低。一方面是由于原料蝦存在差異，試驗所用磷蝦的規(guī)格為M級，比以往所用磷蝦都小，蝦肉飽滿度低；另一方面設(shè)備大小存在差異，試驗設(shè)備在處理能力和自動化程度上都較以往有了提升，因此在脫殼加工過程中更容易產(chǎn)生損耗，從而影響得肉率。

圖3 船舶縱搖角度對得肉率和蝦殼殘留率的影響Fig.3 Effcet of ship longitudinal swing angle on meat yield and residual rate of shrimp shells

以得肉率和蝦殼殘留率為指標，縱搖 5°、放置時間0 h，分別在橫搖水平 1°、3°、5°的搖擺幅度下比較磷蝦的脫殼效果，試驗數(shù)據(jù)如圖 4所示。不同船舶橫搖幅度下得肉率與蝦殼殘留率差異均不顯著（P>0.05）。在試驗條件下，得肉率浮動范圍為17.7%～18.3%，變化范圍不大。蝦殼殘留率的變化范圍為0.87%～1.64%，隨著船舶橫搖角度的增加，蝦殼殘留率呈上升趨勢。從試驗數(shù)據(jù)來看，由于蝦殼殘留的增加，將增加人工分揀殘殼的工作量，同時在分揀過程中進一步造成蝦肉的損失，符合得肉率下降的趨勢。橫搖即以滾軸軸向為軸線的搖擺，實際生產(chǎn)中橫搖會影響磷蝦在滾軸夾角中的受力和橫向分布，進而影響脫殼效果。總體而言，在試驗條件選定的橫搖幅度下，設(shè)備脫殼效果穩(wěn)定，得肉率變化不大，蝦殼殘留率隨橫搖幅度的增加而小幅上升。

圖4 船舶橫搖角度對得肉率和蝦殼殘留率的影響Fig.4 Effect of ship transverse swing angle on meat yield and residual rate of shrimp shells

試驗結(jié)果差異不顯著,說明7級以下風浪條件對試驗設(shè)備生產(chǎn)效果的影響不大，更大的風浪情況下可能會有所不同，還需進一步開展深入研究。

2.2 船舶搖擺對脫殼完成率的影響

在橫搖1°、放置時間0 h的情況下，分別比較縱搖角度為1°、3°、5°、7°時脫殼機滾軸不同長度區(qū)域的脫殼完成率，試驗結(jié)果如圖 5所示。在Ⅰ、Ⅱ區(qū)域內(nèi)不同縱搖條件下脫殼完成率的差異均不顯著（P>0.05），整體變化范圍為97%～81%。隨著縱搖幅度的增加，脫殼完成率呈下降的趨勢。在不同的縱搖狀態(tài)下，Ⅰ、Ⅱ區(qū)域均處于滿負荷工作狀態(tài)。試驗條件下，區(qū)域Ⅲ內(nèi)的脫殼完成率均>91%。當縱搖角度在5°以內(nèi)時，進入?yún)^(qū)域Ⅲ的磷蝦已經(jīng)完成脫殼。當縱搖角度為 7°時，區(qū)域Ⅳ內(nèi)磷蝦的脫殼完成率降低至 98%。由此可見，船舶的縱搖對脫殼效果有一定影響，隨著縱搖幅度的增加，同一區(qū)域內(nèi)脫殼完成率呈下降趨勢，這與得肉率和蝦殼殘留率的變化情況基本吻合。對脫殼設(shè)備而言，不同區(qū)域?qū)摎L軸的長度，增加滾軸的長度能有效防止由于縱搖幅度增加而造成脫殼完成率降低的問題。而當風浪較小時，完成脫殼所需的滾軸長度明顯減小，此時滾軸過長會造成蝦肉的持續(xù)擠壓，造成得肉率的進一步損失。因此脫殼滾軸的最佳長度，還需根據(jù)實際生產(chǎn)情況綜合考慮。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)船載加工裝備波浪補償?shù)刃录夹g(shù)，能最大程度上避免船舶搖擺對設(shè)備生產(chǎn)效果的影響。

圖5 船舶縱搖角度對脫殼完成率的影響Fig.5 Effect of ship longitudinal swing angle on completion rate of peeling

在縱搖5°、放置時間0 h的情況下，分別比較橫搖為1°、3°、5°時脫殼機滾軸不同長度區(qū)域的脫殼完成率，試驗數(shù)據(jù)如圖 6所示。在Ⅰ、Ⅱ區(qū)域內(nèi)不同橫搖條件下脫殼完成率的差異均不顯著（P>0.05），整體變化范圍為92%～78.3%。隨著橫搖幅度的增加，脫殼完成率呈下降的趨勢。在不同的橫搖狀態(tài)下，Ⅰ、Ⅱ區(qū)域均處于滿負荷工作狀態(tài)。試驗條件下，區(qū)域Ⅲ內(nèi)的脫殼完成率均>93%。當橫搖角度在1°以內(nèi)時，進入?yún)^(qū)域Ⅲ的磷蝦已經(jīng)完成脫殼。當橫搖角度增至 3°時，進入?yún)^(qū)域Ⅲ的蝦仍有少量未完成脫殼。當橫搖角度增至 5°時，區(qū)域Ⅳ內(nèi)磷蝦的脫殼完成率降低至 95%。綜上所述，船舶的橫搖對脫殼效果也有一定影響，隨著橫搖幅度的增加，同一區(qū)域內(nèi)脫殼完成率呈下降趨勢。在脫殼滾軸長度的選擇上，應綜合考慮船舶橫縱搖擺的影響，選取最優(yōu)值。

2.3 原料新鮮度對脫殼完成率的影響

在橫搖和縱搖均為 1°的情況下，分別比較放置時間為0、1、2 h時脫殼機滾軸不同長度區(qū)域的脫殼完成率，試驗數(shù)據(jù)如圖 7所示。在Ⅰ、Ⅱ區(qū)域內(nèi)不同放置時間下磷蝦脫殼完成率的差異顯著（P＜0.05，數(shù)值變化范圍為97%～75%。隨著放置時間的增加，脫殼完成率不斷降低。Ⅲ、Ⅳ區(qū)域內(nèi)磷蝦的脫殼完成率也呈下降趨勢，但差異不顯著。放置時間1 h和2 h后磷蝦在區(qū)域Ⅳ內(nèi)的脫殼完成率分別為97%和94%，區(qū)域Ⅳ仍為必要工作段。

圖6 船舶橫搖角度對脫殼完成率的影響Fig.6 Effect of ship transverse swing angle on completion rate of peeling

圖7 放置時間對脫殼完成率的影響Fig.7 Effect of storage time on completion rate of peeling

綜上所述，放置時間對脫殼效果的影響較大，隨著放置時間的增加，脫殼完成率顯著越低，所需要的脫殼滾軸長度增加，蝦殼殘留率也相應增多。生產(chǎn)時應盡量減少磷蝦捕撈后在暫存?zhèn)}和輸送帶上的放置時間，確保脫殼加工的效果和質(zhì)量。

3 結(jié) 論

1）試驗條件下，船舶搖擺會對脫殼加工得肉率與蝦殼殘留率造成影響，但差異均不顯著（P>0.05）。蝦殼殘留率隨著搖擺幅度的增加而提高，在縱搖7°和橫搖5°時分別達到1.07%和1.64%，處于可接受范圍內(nèi)。其中縱搖會改變滾軸的瞬時軸向傾斜角度，影響物料在脫殼過程中的移動速度，從而影響脫殼效果。橫搖會影響磷蝦在滾軸夾角中的受力和橫向分布，進而影響脫殼效果。與縱向搖擺相比，橫搖對脫殼效果的影響更為明顯；

2）試驗條件下，區(qū)域Ⅳ的脫殼完成率大于95%，脫殼設(shè)備能有效實現(xiàn)磷蝦的殼肉分離，與此對應的滾軸長度為1 200 mm。船舶的搖擺對脫殼完成率有一定影響，隨著搖擺幅度的增加，同一區(qū)域內(nèi)脫殼完成率呈下降趨勢。與縱搖的影響相比，橫向的搖擺對脫殼完成率的影響更為明顯；

3）增加滾軸的長度能有效防止由于搖擺幅度增加而造成脫殼完成率降低的問題。但滾軸過長容易造成得肉率的損失。應綜合考慮實際生產(chǎn)情況，確定脫殼滾軸的最佳長度；

4）放置時間對脫殼效果的影響較大（P<0.05），隨著放置時間的增加，脫殼完成率顯著越低，蝦殼殘留率也相應增多。放置2 h后的磷蝦在區(qū)域Ⅳ的脫殼完成率降低至 94%，生產(chǎn)時應盡量減少磷蝦捕撈后在暫存?zhèn)}和輸送帶上的放置時間，確保脫殼加工的效果和質(zhì)量。

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