食品超高壓設(shè)備對(duì)貝類脫殼機(jī)理的研究

楊綺云，鮑振東，孟 爽

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028)

食品超高壓設(shè)備對(duì)貝類脫殼機(jī)理的研究

楊綺云，鮑振東，孟 爽

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028)

從力學(xué)的角度來(lái)研究在超高壓下貝類受力狀況及脫殼機(jī)理.以蜆貝為例對(duì)貝類在超高壓下脫殼機(jī)理進(jìn)行分析.通過(guò)有限元模擬仿真，得出蜆貝在超高壓處理脫殼的過(guò)程中，閉殼肌與殼接觸區(qū)域應(yīng)力隨壓力增大而變化的趨勢(shì)；通過(guò)對(duì)蜆貝在超高壓下的脫殼實(shí)驗(yàn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.

超高壓設(shè)備；蜆貝；閉殼??；有限元

貝類加工并不屬于新興行業(yè)，但人工剝離貝類仍然是我國(guó)貝類加工的主要方式，加工生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工人勞動(dòng)繁重.即使是產(chǎn)量和出口量均較大的主要經(jīng)濟(jì)貝類，絕大多數(shù)也止步于前處理的加工領(lǐng)域，僅對(duì)貝類做簡(jiǎn)單剝離[1-2]，很難完好獲取閉殼肌.國(guó)內(nèi)對(duì)于雙貝殼類軟體動(dòng)物的閉殼肌剝離的研究上尚屬于起步階段，貝類取肉機(jī)械研制僅限于小批量生產(chǎn).

當(dāng)人們通過(guò)超高壓處理貝類來(lái)消滅貝類上的致病菌的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)高壓處理可將閉殼肌從貝殼上完整地脫離下來(lái)，且在常溫或低溫下進(jìn)行，力作用迅速均勻，較完整保留食物的營(yíng)養(yǎng)成分及風(fēng)味[3-4]；工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，無(wú)“三廢”污染.而且超高壓主要對(duì)酶以及微生物有破壞作用，對(duì)一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)例如維生素等幾乎沒(méi)有破壞.因此將超高壓技術(shù)應(yīng)用于貝類脫殼具有較好的應(yīng)用價(jià)值與前景.

然而目前對(duì)超高壓脫殼的機(jī)理分析卻寥寥無(wú)幾.本文將應(yīng)用有限元法對(duì)蜆貝殼與閉殼肌受壓過(guò)程進(jìn)行仿真，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)而分析蜆貝脫殼機(jī)理.

1 食品超高壓處理技術(shù)

1.1 食品超高壓技術(shù)

食品超高壓技術(shù)是當(dāng)前備受各國(guó)重視、廣泛研究的一項(xiàng)食品高新技術(shù)，是將食品密封于容器中，以水或其他流體作為傳遞壓力的媒介物，利用超高壓裝置對(duì)流體的加壓，其壓力可以瞬時(shí)以同樣大小傳到系統(tǒng)的各個(gè)部分，其壓力一般在100MPa以上,通常為400～600MPa，并在常溫或較低溫度下(一般指在100 ℃以下)作用一段時(shí)間，這種處理方法是對(duì)食品風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值影響很小的一種物理加工方法.

1.2 超高壓設(shè)備

超高壓設(shè)備按壓力產(chǎn)生的方式分為2種:間接加壓(外部加壓)和直接加壓(內(nèi)部加壓).間接加壓是最常用的加壓方式，它采用高壓泵(增壓器)加壓，即將原料置于高壓容器中，壓力介質(zhì)由外部管路泵入，隨著壓力介質(zhì)的泵入，容器內(nèi)壓力增大.直接加壓是一種較新型的高壓產(chǎn)生方式，其高壓裝置是由容器筒體和活塞構(gòu)成，活塞用于直接產(chǎn)生所需的壓力，即將待加工處理的原料置于高壓容器內(nèi)的媒介物中，推動(dòng)活塞使媒介物產(chǎn)生高壓，再傳遞到原料上.這種加壓方式省去了高壓容器和增壓器之間管線系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較為緊湊.本文實(shí)驗(yàn)采用的HPP.L3-800/2超高壓處理設(shè)備是間接加壓方式.

2 模型建立與有限元分析

2.1 蜆貝物理性狀

蜆貝外殼呈近部分球狀，蜆貝肉與殼的鏈接主要是依靠閉殼肌緊密連接的，閉殼肌呈圓柱形，閉殼肌的收縮使殼關(guān)閉，舒張使殼張開(kāi)，張開(kāi)的角度非常小，因此為分析蜆貝肉在高壓下脫殼機(jī)理，只需分析其閉殼肌與殼連接部分即可.經(jīng)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)用蜆貝閉殼肌的直徑一般在11 mm左右.見(jiàn)圖1.

圖1 蜆貝內(nèi)部外觀及閉殼肌

2.2 模型建立

根據(jù)蜆貝的實(shí)際物理性狀，將蜆貝殼簡(jiǎn)化為部分球狀，閉殼肌簡(jiǎn)化為圓柱體，模型建立如圖2所示.

圖2 模型建立

在高壓下，由于殼的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于肉，所以其變形很小，假設(shè)殼不變形，在超高壓下蜆貝閉殼肌在除接觸面外的其余表面上受均勻壓力.根據(jù)workbench接觸原則，選擇非對(duì)稱接觸，設(shè)殼為接觸面，蜆貝閉殼肌為目標(biāo)面.按照實(shí)際情況將此問(wèn)題簡(jiǎn)化為線性問(wèn)題處理，將蜆貝閉殼肌設(shè)定為線彈性圓柱體，網(wǎng)格采用自適應(yīng)劃分，閉殼肌根據(jù)生物力學(xué)相關(guān)知識(shí)，其彈性模量為2.4×107Pa[5]，通常肉類變形較大，其泊松比在0.4～0.5之間，取閉殼肌的泊松比為0.45[6].模型的建立與網(wǎng)格化分如圖3所示.

圖3 模型網(wǎng)格劃分

2.3 仿真與結(jié)果分析

設(shè)定蜆貝殼部分為全部約束，即為剛體不變形，分別對(duì)閉殼肌外表面施加200、210…300 MPa壓力，得出閉殼肌與殼的接觸應(yīng)力分布云圖，見(jiàn)圖4、6、8.結(jié)果顯示，在閉殼肌與殼接觸的中間位置附近其接觸應(yīng)力最大，隨著壓力的增大，接觸應(yīng)力以從中間位置逐漸向邊緣擴(kuò)張的形式增加.基于實(shí)際實(shí)驗(yàn)貝類一般在300 MPa壓力下即將完全脫殼[7]，因此由模型可知在300 MPa壓力情況下閉殼肌與殼接觸的邊緣處的接觸應(yīng)力為2.049×109Pa，而且此處的壓力值為閉殼肌與殼接觸部分的最小接觸應(yīng)力，通過(guò)施加不同壓力分析得到接觸應(yīng)力分布云圖，如圖5、7、9所示，其縱坐標(biāo)為接觸應(yīng)力值，橫坐標(biāo)表示接觸部分直徑，起點(diǎn)和終點(diǎn)即為接觸邊緣處圖中深色區(qū)域?yàn)榻佑|壓力大于2.049×109Pa部分的直徑.圖10為不同壓力下對(duì)應(yīng)蜆貝閉殼肌與殼接觸應(yīng)力大于2.049×109Pa的最大直徑曲線圖.

圖4 200 MPa下蜆貝閉殼肌與殼接觸處應(yīng)力云圖

圖5 200 MPa下接觸應(yīng)力大于2.049×109 Pa的直徑

圖6 280 MPa下蜆貝閉殼肌與殼接觸處應(yīng)力云圖

圖7 280 MPa下接觸應(yīng)力大于2.049×109 Pa的直徑

圖8 300 MPa下蜆貝閉殼肌與殼接觸處應(yīng)力云圖

圖9 300 MPa下接觸應(yīng)力大于2.049×109Pa的直徑

圖10 不同壓力下蜆貝閉殼肌與殼接觸應(yīng)力大于2.049×109 Pa部分的最大直徑

3 超高壓蜆貝脫殼實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)采用HPP.L3-800/2型超高壓處理設(shè)備、熱封機(jī)、新鮮蜆貝，塑料袋、純凈水、游標(biāo)卡尺.

3.2 蜆貝脫殼實(shí)驗(yàn)

取一蜆貝，放入塑料袋內(nèi)并在袋內(nèi)注入適量的水，在保證袋內(nèi)沒(méi)有氣泡后用熱封機(jī)密封好，如圖11所示.再放入超高壓處理設(shè)備容器中，在常溫狀態(tài)下，分別施加200、210……300 MPa壓力，保壓2 min，卸載壓力，取出蜆貝，用游標(biāo)卡尺測(cè)量蜆貝閉殼肌與殼脫離部分的最大直徑.

圖11 蜆貝脫殼實(shí)驗(yàn)的前處理

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用游標(biāo)卡尺測(cè)量在不同壓力下處理后蜆貝閉殼肌與殼脫離部分的最大直徑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其閉殼肌與殼脫離部分是從中心處分離，且隨著壓力加大，中心處分離區(qū)域直徑逐漸增大，當(dāng)壓力大于300 MPa時(shí)，閉殼肌與殼全部脫離，如圖12所示.

圖12 超高壓300MPa處理后的蜆貝

圖13為不同實(shí)驗(yàn)壓力下蜆貝閉殼肌分離殼體部分的最大直徑的變化情況.

圖13 不同實(shí)驗(yàn)壓力下蜆貝閉殼肌脫離的直徑

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

從蜆貝脫殼仿真結(jié)果可知，施壓后閉殼肌中心處接觸應(yīng)力最大，接觸應(yīng)力隨施加的壓力增大以逐漸向邊緣擴(kuò)大的方式增大.由實(shí)驗(yàn)得知當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，閉殼肌中心處最先與殼體分離，隨著施加壓力的增高，中心處分離面積逐漸擴(kuò)大，當(dāng)施加壓力超過(guò)在300 MPa時(shí)，閉殼肌與殼完全脫離.結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，在用超高壓設(shè)備對(duì)蜆貝施加壓力過(guò)程中，閉殼肌與殼接觸處產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，導(dǎo)致閉殼肌蛋白質(zhì)變性失活，生物結(jié)合力降低，從而產(chǎn)生分離脫殼.由仿真結(jié)果可知，閉殼肌中心處接觸應(yīng)力最大，在外壓作用下中心處最先達(dá)到脫殼所需的壓力，當(dāng)該處接觸應(yīng)力達(dá)到脫殼所需的應(yīng)力后，該處開(kāi)始脫殼，因此導(dǎo)致閉殼肌從中心處開(kāi)始脫殼，隨著施加壓力的增大閉殼肌與殼接觸區(qū)域達(dá)到脫殼所需的接觸應(yīng)力部分面積的直徑逐漸增大，當(dāng)閉殼肌與殼接觸區(qū)域的應(yīng)力均達(dá)到脫殼所需接觸應(yīng)力時(shí)，導(dǎo)致閉殼肌全部脫殼.

超高壓脫殼同時(shí)能改善貝類肉的持水性，不影響其感官品質(zhì)，且能有效降低微生物數(shù)量，可謂一舉兩得. 因此，超高壓脫殼總體效果優(yōu)于熱燙脫殼和手工脫殼，是一種較為理想的脫殼技術(shù).

[1] 李秋實(shí), 王家忠, 弋景剛, 等. 海灣扇貝閉殼肌剝離設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 10: 198-201.

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Study on mechanism of shell of shellfish by food-UHP equipment

YANG Qi-yun, BAO Zhen-dong, MENG Shuang

(School of Light Industry, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

To study on mechanism of ultrahigh pressure status and shellfish under shelling from mechanical perspective. This paper performed the mechanical analysis of shellfish shell under ultra high pressure on a case of clam shell. By finite element simulation, the pressure changing trends between adductor muscle and shell contact area increased with increasing pressure. Through the clam shell shell experiment under high pressure, the simulation results were verified.

food-UHP; clam shell; shells adductor muscle; finite element analysis

2015-01-27.

哈爾濱商業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目(YJSCX2013-251HSD)；哈爾濱商業(yè)大學(xué)青年教師自然科學(xué)基金(HCUL2013001)

楊綺云(1959-)，女，教授，研究方向：新型食品機(jī)械研究與開(kāi)發(fā).

TS205

A

1672-0946(2015)03-0291-04