海灣扇貝外套膜及臟器剝離機(jī)理試驗(yàn)

朱其霄　弋景剛　姜海勇等

摘要： 采用試驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方法對(duì)扇貝外套膜及臟器的剝離機(jī)理進(jìn)行研究，從能量角度揭示剝離機(jī)理，利用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并擬合建立剝離力的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，剝離力與扇貝殼長(zhǎng)呈正相關(guān)，而與剝離速率無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞： 海灣扇貝；外套膜；臟器；剝離機(jī)理；剝離力；加工機(jī)械

中圖分類號(hào)：S985 3+6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）08-0293-03

海灣扇貝分布于北美洲大西洋西海岸，1982年由中國(guó)科學(xué)院海洋研究所引進(jìn)到我國(guó)，發(fā)展成為我國(guó)北方淺海養(yǎng)殖的支柱產(chǎn)業(yè)之一。扇貝制品的加工工藝為：洗凈鮮活扇貝→開(kāi)殼→去外套膜及臟器→取貝柱→水洗→挑選稱質(zhì)量→裝盤冷凍→包裝。其中，去外套膜及臟器是扇貝加工的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，須要耗費(fèi)大量的工時(shí)。國(guó)內(nèi)主要采取手工加工方式，機(jī)械化程度低，依賴手工加工很難實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量的有效控制。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家扇貝加工業(yè)發(fā)展早，機(jī)械化程度高，但其扇貝加工設(shè)備不適合我國(guó)國(guó)情。因此，研制扇貝加工關(guān)鍵裝備、提高扇貝制品的質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)扇貝加工的大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)對(duì)我國(guó)扇貝產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展具有重大和深遠(yuǎn)的意義 [1-2]。目前，我國(guó)在機(jī)械去除海灣扇貝外套膜及臟器方面進(jìn)行的理論研究較少，對(duì)外套膜的剝離原理沒(méi)有形成完善的理論。本試驗(yàn)主要針對(duì)海灣扇貝外套膜及臟器的剝離機(jī)理進(jìn)行研究，以期設(shè)計(jì)出更經(jīng)濟(jì)合理的扇貝加工機(jī)械。

1 扇貝外套膜及臟器剝離研究現(xiàn)狀

1 1 扇貝內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性

海灣扇貝內(nèi)部主要為貝柱、外套膜和內(nèi)臟等生物組織，圖1為外套膜具有雙殼貝類外套膜的典型結(jié)構(gòu)，緊貼于兩貝殼的內(nèi)面，為包被內(nèi)臟團(tuán)的二葉薄膜，除了在背面少數(shù)部位連接外其余部分均游離，由中央膜和邊緣膜組成。外套膜各部位組織學(xué)結(jié)構(gòu)相似，其組織結(jié)構(gòu)主要為內(nèi)外上皮層、結(jié)締組織與肌纖維。透過(guò)透明的外套膜的中央?yún)^(qū)，可以看到為外套膜所包被的白色貝柱，其組織結(jié)構(gòu)主要為肌纖維 [3] 不同的生物組織在組織構(gòu)成方面有一定的差異，因此表現(xiàn)出不同的黏彈特性，其力學(xué)性能如彈性、黏性、密度、熱脹系數(shù)以及內(nèi)應(yīng)力均不相同。由于不同生物組織有不同的力學(xué)特性，所以通過(guò)高應(yīng)力、高應(yīng)變速率可使不同組織按其自然尺度實(shí)現(xiàn)分割、剝離 [4]。

1 2 外套膜及臟器剝離技術(shù)的現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)扇貝加工企業(yè)多采用手工剝離，即采用弧形刮刀手工剝離去除外套膜及臟器。手工剝離去凈率高，但效率低，整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行受到剝離工序的制約，直接影響經(jīng)濟(jì)效益。為了提高生產(chǎn)效率，在生產(chǎn)中必須以機(jī)械方式代替手工方式去除外套膜及臟器。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家扇貝加工設(shè)備發(fā)展較早，自動(dòng)化技術(shù)更多地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中。美國(guó)早在20世紀(jì)90年代就有去除扇貝外套膜及臟器的專利產(chǎn)生，主要是采取并排的細(xì)輥，將扇貝的外套膜及臟器輥碾絞碎，僅留取貝柱 [5-6]。冰島Traust公司的扇貝加工生產(chǎn)線采取了類似技術(shù)，自動(dòng)化程度很高，加工過(guò)程中極少須要人工干預(yù)。日本日興株式會(huì)社生產(chǎn)的NHS-5000 型扇貝自動(dòng)脫殼機(jī)則采用負(fù)壓吸附技術(shù)，利用負(fù)壓吸附設(shè)備將貝柱周邊的外套膜及臟器吸除，僅留取貝柱，同時(shí)吸除的臟器也能進(jìn)行再回收利用。需要指出的是，國(guó)外的扇貝加工設(shè)備是根據(jù)國(guó)外的生產(chǎn)實(shí)際和生產(chǎn)理念設(shè)計(jì)，比如加工對(duì)象為蝦夷扇貝，對(duì)于小體積的海灣扇貝適用性較差 [7]。

扇貝外套膜及臟器剝離技術(shù)在很大程度上依賴于剝離機(jī)理方面的理論研究，揭示剝離機(jī)理，建立外套膜及臟器的剝離力數(shù)學(xué)模型，對(duì)剝離技術(shù)以及扇貝加工機(jī)械的發(fā)展具有重大的意義。

2 材料與方法

2 1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

儀器設(shè)備：浙江溫州山度SP-200型圖顯推拉力計(jì)，該儀器峰值、實(shí)時(shí)值、測(cè)試過(guò)程曲線全程同步顯示，可連接至計(jì)算機(jī)監(jiān)控和追朔測(cè)試過(guò)程，并得出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)峰值，壓力顯示為正值，拉力顯示為負(fù)值；剝離刀鉤。

試驗(yàn)材料：扇貝采購(gòu)自河北省昌黎縣一年生海灣扇貝（GB/T 21443—2008《海灣扇貝》），成體殼長(zhǎng)50～65 mm。

2 2 試驗(yàn)方法

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，對(duì)海灣扇貝外套膜及臟器從貝柱上剝離所需的剝離力產(chǎn)生影響的因素主要有剝離速率和扇貝殼長(zhǎng)2個(gè)因素 [8-9]。將海灣扇貝按殼長(zhǎng)不同分為3組：50～55、55～60、60～65 mm，各組分別取60枚扇貝，在各組中再將這60枚扇貝分為3個(gè)小組，每組20枚，進(jìn)行不同剝離速率條件的試驗(yàn)（剝離速率分別為10、20、40 mm/s）。用剝離刀鉤鉤住外套膜及臟器，利用推拉力計(jì)測(cè)量其剝離力并記錄數(shù)值。

3 結(jié)果與分析

3 1 剝離力曲線

在本試驗(yàn)過(guò)程中，在不同速率下對(duì)不同直徑的扇貝外套膜及臟器剝離力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在所有的試驗(yàn)中，剝離力都具有相同的曲線趨勢(shì)，結(jié)果如圖2所示。為方便從能量角度揭示海灣扇貝外套膜及臟器的剝離機(jī)理，在圖2中對(duì)剝離過(guò)程中的一些特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，如圖2中的點(diǎn)a、b。相應(yīng)地定義Fa為剝離外套膜及臟器時(shí)剝離力的最大值，F(xiàn)av為剝離外套膜及臟器時(shí)剝離力的平均值。

整個(gè)剝離過(guò)程可以分為變形階段、破裂階段和剝離階段3個(gè)階段。變形階段刀鉤開(kāi)始拉伸組織到外套膜與貝柱結(jié)合處組織破裂發(fā)生剝離，即點(diǎn)a。從圖2可以看出，剝離力隨位移成非線性關(guān)系增大，直到剝離力達(dá)到最大值Fa。在這個(gè)階段，位移在增大，但并沒(méi)有剝離發(fā)生，刀鉤做功所提供的能量以彈性應(yīng)變能的方式存儲(chǔ)在外套膜及臟器內(nèi)。隨著刀鉤位移繼續(xù)增大，外套膜與貝柱結(jié)合處組織所承受的應(yīng)力也越來(lái)越大，當(dāng)這種應(yīng)力大于外套膜與貝柱之間的生物結(jié)合力時(shí)，剝離發(fā)生，即a點(diǎn)。在a點(diǎn)時(shí)，外套膜與貝柱結(jié)合處組織開(kāi)始破裂并迅速擴(kuò)展，這一過(guò)程稱為破裂階段，即從點(diǎn)a到點(diǎn)b。在破裂階段，外套膜及臟器中所存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能在迅速釋放，提供產(chǎn)生新表面所需的能量。同時(shí)，剝離力也迅速減小。b點(diǎn)后由于外套膜與貝柱間已經(jīng)存在缺口，隨后的剝離過(guò)程比較平穩(wěn)，剝離力較小，這一平穩(wěn)剝離過(guò)程稱為剝離階段。在剝離階段，外套膜及臟器的剝離過(guò)程較平穩(wěn)，剝離力在較小范圍內(nèi)呈現(xiàn)“增大—減小”的波動(dòng)形式，直到外套膜及臟器完全被剝離，這種剝離力“增大—減小”的波動(dòng)其實(shí)也是一個(gè)積聚能量和釋放能量的過(guò)程。

為進(jìn)一步定量分析海灣扇貝外套膜及臟器的剝離機(jī)理，從推拉力計(jì)所記錄的剝離力數(shù)據(jù)文件中選取剝離力最大值Fa以及整個(gè)剝離過(guò)程的剝離力平均值Fav為特征量，進(jìn)一步研究剝離速率與扇貝殼長(zhǎng)對(duì)這2個(gè)特征量的影響規(guī)律。

3 2 剝離速率對(duì)剝離力的影響規(guī)律

以60～65 mm分組為例，分別對(duì)剝離速率10、20、40 mm/s等3個(gè)分組中測(cè)試的剝離力的最大值Fa進(jìn)行算術(shù)平均值統(tǒng)計(jì)分析、平均值Fav進(jìn)行算術(shù)平均值統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著剝離速率的增加，剝離力的最大值Fa與平均值Fav表現(xiàn)相對(duì)平穩(wěn)，并沒(méi)有明顯的變大或變小的趨勢(shì)。

利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件單因素方差分析功能，進(jìn)一步檢驗(yàn)剝離速率對(duì)剝離力的影響是否顯著。對(duì)扇貝殼長(zhǎng)在60～65 mm間的全部60枚試驗(yàn)扇貝進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用單因素方差分析檢驗(yàn)3種剝離速率10、20、40 mm/s對(duì)剝離力的最大值Fa的影響是否有顯著差異（顯著水平取0 05），結(jié)果如表2、表3所示。

從方差分析結(jié)果（表3）可以看出，組間的顯著性0 971以及組間可以被線性解釋部分的顯著性0 820均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0 05，由此可見(jiàn)各組間不存在顯著性差異，即剝離速率對(duì)剝離力最大值的影響不顯著。

用單因素方差分析檢驗(yàn)3種剝離速率10、20、40 mm/s對(duì)剝離力的平均值Fav的影響是否有顯著差異，結(jié)果與上述結(jié)論相似，即剝離速率對(duì)剝離力平均值的影響不顯著。可見(jiàn)，剝離速率對(duì)扇貝外套膜及臟器的剝離力沒(méi)有顯著影響，剝離外套膜及臟器所需的剝離力與剝離速率的關(guān)系不大，兩者間不存在明顯相關(guān)關(guān)系。

3 3 扇貝殼長(zhǎng)對(duì)剝離力的影響規(guī)律

以剝離速率10 mm/s為例，分別對(duì)50～55、55～60、60～65 mm等3個(gè)分組測(cè)試的剝離力的最大值Fa進(jìn)行算術(shù)平均值統(tǒng)計(jì)分析、平均值Fav進(jìn)行算術(shù)平均值統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，隨著扇貝殼長(zhǎng)的增加，剝離力的最大值Fa與平均值Fav有明顯的變大趨勢(shì)。

利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件曲線回歸分析功能，進(jìn)一步定量研究扇貝殼長(zhǎng)對(duì)剝離力的影響規(guī)律。以全部180枚試驗(yàn)扇貝的殼長(zhǎng)作為解釋變量，以剝離力的最大值Fa和平均值Fav作為被解釋變量，分別用SPSS軟件提供的各類回歸模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，比較r2值，發(fā)現(xiàn)二次多項(xiàng)式的擬合優(yōu)度最高，因此確定回歸方程類型為二次多項(xiàng)式 [10]。

扇貝殼長(zhǎng)與剝離力最大峰值間的曲線回歸方程為：

Y1=-0 004x2+0 651x-20 73，r2= 0 927。

式中：x表示扇貝殼長(zhǎng)，mm；Y1表示剝離力最大峰值，N。

扇貝殼長(zhǎng)與剝離力平均值間的曲線回歸方程為：

Y2=-0 000 6x2+0 106x-2 557，r2= 0 818。

式中：x表示扇貝殼長(zhǎng)，mm；Y2表示剝離力平均值，N。

通過(guò)上述回歸方程，可以計(jì)算出不同大小的扇貝相對(duì)應(yīng)的剝離外套膜及臟器所需剝離力的最大值與平均值，為設(shè)計(jì)扇貝加工機(jī)械時(shí)相關(guān)參數(shù)的確定提供理論參考。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)采用試驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方法對(duì)海灣扇貝外套膜及臟器的剝離機(jī)理進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：（1）剝離速率對(duì)剝離力的影響不顯著，剝離外套膜及臟器所需的剝離力與剝離速率的關(guān)系不大；（2）扇貝殼長(zhǎng)對(duì)剝離力有顯著影響，且剝離外套膜及臟器所需剝離力隨扇貝殼長(zhǎng)的增大而增大，剝離力與扇貝殼長(zhǎng)呈正相關(guān)。在設(shè)計(jì)海灣扇貝加工機(jī)械時(shí)，應(yīng)根據(jù)扇貝殼長(zhǎng)合理確定外套膜及臟器剝離裝置所提供的剝離力，本試驗(yàn)結(jié)果為設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理的扇貝加工機(jī)械提供理論依據(jù)。

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