水射流剝離扇貝閉殼肌的試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化

王家忠，楊淑華，謝秋陽(yáng)，弋景剛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，保定 071001）

水射流剝離扇貝閉殼肌的試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化

王家忠，楊淑華，謝秋陽(yáng)，弋景剛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，保定 071001）

為了滿足扇貝閉殼肌剝離的安全性、經(jīng)濟(jì)性和高效性要求，該文將水射流技術(shù)應(yīng)用于海灣扇貝閉殼肌剝離中并進(jìn)行試驗(yàn)研究。為了保證閉殼肌的剝離質(zhì)量和效率，優(yōu)化水射流噴射路徑，對(duì)水射流噴射路徑進(jìn)行擬合，得到閉殼肌剝離時(shí)水射流的初始入射角。以閉殼肌剝離效果的感官評(píng)分為考核目標(biāo)進(jìn)行了剝離試驗(yàn)，通過(guò)單因素分析，確定了射流壓力、入射角度和噴射距離的取值范圍。應(yīng)用Box-Behnken design進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立了剝離效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)響應(yīng)面圖的分析，得出了適用于水射流剝離閉殼肌的優(yōu)化工作參數(shù)組合。結(jié)果表明：射流壓力應(yīng)控制在2～4 MPa、射流入射角度控制在23°～33°、射流噴射距離控制在30～40 mm。當(dāng)射流壓力為3 MPa、射流入射角為23°、噴射距離控制在30 mm時(shí)，扇貝閉殼肌剝離效果最好。該文可為扇貝剝離設(shè)備的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供借鑒和參考。

優(yōu)化；加工；水射流；曲線擬合；閉殼肌剝離

王家忠，楊淑華，謝秋陽(yáng)，弋景剛. 水射流剝離扇貝閉殼肌的試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(7)：289－294.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.038 http://www.tcsae.org

Wang Jiazhong, Yang Shuhua, Xie Qiuyang, Yi Jinggang. Experiment and operating parameter optimization using water jet technology for scallops shucking processing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 289－294. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.038 http://www.tcsae.org

0 引 言

扇貝中可食用的部分是閉殼肌，又稱貝柱或瑤柱，它具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及藥用價(jià)值，被稱為“海產(chǎn)八珍”之一，深受人們的喜愛(ài)[1-3]。隨著居民生活水平的不斷提高，人們對(duì)閉殼肌的消費(fèi)需求日益增加。但扇貝的養(yǎng)殖和收獲季節(jié)性很強(qiáng)，要求處理鮮活扇貝的時(shí)間盡量地短，這對(duì)閉殼肌剝離的質(zhì)量和效率提出挑戰(zhàn)。

扇貝加工流程一般包括清洗、分級(jí)、開(kāi)殼、去內(nèi)臟、剝離閉殼肌和包裝等工藝過(guò)程，本文探討的是閉殼肌剝離工序。閉殼肌的剝離方法可概括為機(jī)械強(qiáng)制剝離和非機(jī)械式剝離兩類[4-9]。機(jī)械剝離法一般將開(kāi)殼后的扇貝，采用特制的刀具或其他機(jī)械裝置將閉殼肌從殼體上強(qiáng)制剝離[4-6]。非機(jī)械法包括熱震法[10-11]、蒸汽法[12-13]、激光法[14]、微波法[15-16]和超高壓法[17]等，以上方法在閉殼肌的品質(zhì)、效率和成本等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)[4]。近年來(lái)，盡管出現(xiàn)了一些新的方法和工藝，但鑒于扇貝復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)以及對(duì)扇貝剝離設(shè)備的安全性、經(jīng)濟(jì)性和高效性要求，研制滿足質(zhì)量要求的、性價(jià)比高的自動(dòng)化剝離設(shè)備仍然在探索中。

水射流技術(shù)是利用水作為工作介質(zhì)，經(jīng)增壓設(shè)備增壓后，使其成為高能級(jí)的流束，經(jīng)特定的噴嘴高速噴出，實(shí)現(xiàn)加工。水射流加工有以下優(yōu)點(diǎn)：1）水射流采用的工作介質(zhì)是水，故采用該方法經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保；2）可通過(guò)調(diào)整噴嘴形狀、尺寸以及射流壓力、距離等參數(shù)，應(yīng)用于不同領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加工；3）屬于冷加工，熱影響區(qū)小，能保證食品的新鮮。近年來(lái)，該技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械加工、食品和醫(yī)療等領(lǐng)域日益得到廣泛地應(yīng)用[18-25]。為了探索一種安全、經(jīng)濟(jì)和高效的閉殼肌剝離方法，課題組應(yīng)用水射流技術(shù)進(jìn)行了閉殼肌剝離的試驗(yàn)探索，取得了階段性成果[22-25]。通過(guò)對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)仿真分析和試驗(yàn)研究，對(duì)影響噴射性能的噴嘴參數(shù)（噴嘴錐角、出口長(zhǎng)度及出口直徑等）進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了噴嘴參數(shù)的合理配置[24]。

在此基礎(chǔ)上，本文以新鮮海灣扇貝為研究對(duì)象，優(yōu)化水射流的噴射路徑；對(duì)影響水射流剝離效果的壓力、入射角度和噴射距離3個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究；應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)上述 3種影響因素進(jìn)行優(yōu)化和試驗(yàn)研究，以獲得閉殼肌剝離工作參數(shù)的優(yōu)化組合。

1 水射流剝離閉殼肌的路徑優(yōu)化

1.1 海灣扇貝的生理結(jié)構(gòu)

海灣扇貝（Argopecten irradians）屬于軟體動(dòng)物門，瓣鰓綱，珍珠貝目，扇貝科，主要分布在中國(guó)的山東沿海，其次為河北和遼寧部分沿海。其貝殼呈扇形，兩殼幾乎相等，右殼稍高，后耳大于前耳。前耳下方生有足絲孔，成體無(wú)足絲，絞合部相連且平直，肋較寬而高起，肋上無(wú)棘。生長(zhǎng)紋較明顯。殼面有放射肋17或18條，殼面呈黑褐色、褐色、黃色或灰白色。成貝殼高60 mm左右[26]。海灣扇貝的生理結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)如圖1所示。

圖1 海灣扇貝的生理結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)Fig.1 Structure and geometric parameters of argopecten irradians

1.2 水射流剝離閉殼肌路徑優(yōu)化

水射流剝離閉殼肌的工作過(guò)程為：將扇貝固定在試驗(yàn)臺(tái)的夾具上，將射流壓力、噴嘴靶距、噴射角度、噴射時(shí)間等參數(shù)調(diào)整至適當(dāng)值，保持噴嘴噴射方向不變，進(jìn)行閉殼肌剝離工作，如圖2 a所示。該方法操作簡(jiǎn)單，絕大多數(shù)閉殼肌能被剝離，但閉殼肌和水射流接觸面不甚光滑，在殼體上會(huì)有些許肉質(zhì)殘留，剝離效率較低。為了解決上述難題，受數(shù)控銑削加工工藝的啟發(fā)，得到閉殼肌理想剝離工藝，即根據(jù)貝殼內(nèi)表面曲線由數(shù)控系統(tǒng)隨時(shí)改變噴嘴的噴射方向，確保水射流沿著貝殼內(nèi)表面放射肋切線方向剝離閉殼肌，如圖2 b所示。

圖2 水射流噴射方向變化貝柱剝離效果對(duì)比Fig.2 Comparison of two methods for fixed jet direction and angle variation along shell tangential

為了實(shí)現(xiàn)水射流理想的噴射路徑并確定水射流的初始入射角，需要對(duì)通過(guò)O1、O2且和貝殼垂直截面與貝殼內(nèi)表面相交的曲線進(jìn)行擬合，此處該曲線定義為曲線O1O2。

1.3 水射流噴射路徑曲線擬合

為了得到水射流噴射路徑的擬合曲線，首先確定閉殼肌中心O2的坐標(biāo)。

閉殼肌的中心O2的坐標(biāo)可通過(guò)下式求得

抽取50只殼高H=55～60 mm級(jí)別的新鮮扇貝作為樣本，對(duì)圖1中的L、H、d、L1、H1等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，將所得結(jié)果應(yīng)用式（1）和（2）計(jì)算并取均值，得到該級(jí)別海灣扇貝閉殼肌中心點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)為（0.318 2，0.394 6）。閉殼肌的平均直徑為12 mm。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，同一級(jí)別的扇貝閉殼肌在殼體內(nèi)的相對(duì)位置基本一致，表明擬合曲線有很好的代表性。通過(guò) GetDate Graph Digitizer對(duì)殼體截面曲線上的一系列點(diǎn)進(jìn)行反求，將所得數(shù)據(jù)利用Matlab做曲線擬合，所得擬合曲線O1O2如圖3所示。

圖3 水射流噴射軌跡擬合曲線Fig.3 Scallop shell fitting curve

擬合曲線的回歸方程為

根據(jù)公式（3），可計(jì)算得到閉殼肌中心點(diǎn)橫坐標(biāo)為17.204，閉殼肌左側(cè)邊緣同殼體粘結(jié)處的位置坐標(biāo)為（11.204,4.737）。過(guò)該點(diǎn)和坐標(biāo)原點(diǎn)的直線同橫軸之間構(gòu)成的α角便是水射流的初始入射角。該直線方程為

由此可推倒出初始入射角α= a rctan(0 .4228 ) =23°

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

圖4為水射流試驗(yàn)裝置，包括水射流組件和柱塞泵。其中，水射流組件包括高壓膠管、窄角扇形噴嘴（出口直徑1 mm，39°扇面）、壓力表（量程：0～25 MPa）、調(diào)壓閥、支撐臺(tái)、儲(chǔ)水裝置；柱塞泵（最大泵壓11 MPa，流量6 L/min）。

圖4 水射流試驗(yàn)裝置Fig.4 Water jet test device

2.2 試驗(yàn)材料

產(chǎn)地：河北昌黎海灣扇貝；扇貝級(jí)別：高度為 55～60 mm的1 a生鮮活海灣扇貝；樣本要求：去除上殼、裙邊、內(nèi)臟等，只保留下殼和閉殼肌，如圖1所示。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3.1 閉殼肌剝離效果感觀評(píng)分設(shè)計(jì)

對(duì)試驗(yàn)樣本通過(guò)調(diào)整工作參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，以閉殼肌剝離的難易程度、貝肉完整程度、殼體表面肉質(zhì)殘留程度為主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用感官評(píng)分值進(jìn)行閉殼肌剝離效果評(píng)定，以確定剝離試驗(yàn)中不同參數(shù)對(duì)剝離效果的影響[27-30]。試驗(yàn)由 5名具有感官評(píng)定經(jīng)驗(yàn)的教師和研究生組成，取3項(xiàng)評(píng)分的平均值作為綜合感官評(píng)分，表1為感官評(píng)分依據(jù)。其中，80分以上為1級(jí)，表示剝離效果極佳，65～80分為2級(jí)，表示剝離效果比較滿意，65分以下為3級(jí)，表示剝離效果不理想。

表1 閉殼肌剝離效果感觀評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table1 Criteria of sensory evaluation for stripping effect

2.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)在噴嘴參數(shù)已經(jīng)確定的情況下進(jìn)行，選用窄角扇形噴嘴，噴嘴參數(shù)為：錐角為 60°，出口長(zhǎng)度為4 mm，出口直徑為1 mm。以水射流的壓力、入射角和噴射距離 3個(gè)參數(shù)分別對(duì)新鮮海灣扇貝進(jìn)行單因素試驗(yàn)，以確定各參數(shù)的合理取值范圍。

2.3.3 閉殼肌剝離組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)的所得結(jié)果，確定了各參數(shù)的合理取值范圍。應(yīng)用Box-Behnken design中心組合試驗(yàn)理論，選取水射流的壓力、射流入射角和噴射距離 3個(gè)因素作為調(diào)節(jié)變量，按照3因素3水平進(jìn)行水平編碼，表2為因素水平編碼表。

表2 因素水平編碼表Table2 Factors and level coding table

響應(yīng)面分析主要采用非線性擬合的方法，得到多項(xiàng)式擬合方程。采用繪制的響應(yīng)面圖和綜合考慮實(shí)際影響因素獲得最優(yōu)匹配參數(shù)。本文按照表 2設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，以剝離效果為考察目標(biāo)，進(jìn)行組合試驗(yàn)[29-30]，分析各因素交互作用對(duì)閉殼肌剝離效果的影響，根據(jù)Box-Behnken design設(shè)計(jì)理論，以感官評(píng)分值為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面分析，得到最佳的工作參數(shù)匹配。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 不同射流壓力對(duì)閉殼肌剝離效果的影響

取射流入射角度為 30°，射流噴射距離設(shè)定在40 mm，將射流壓力順序調(diào)整為1、2、3、4、5 MPa實(shí)施閉殼肌剝離試驗(yàn)。

圖5a表明，閉殼肌剝離效果感官評(píng)分和射流壓力P呈現(xiàn)為非線性。當(dāng)P在1～3 MPa范圍內(nèi)逐步增大時(shí)，感官評(píng)分也逐步上升。當(dāng)射流壓力達(dá)到3 MPa，感官評(píng)分值也逐漸趨近于83分，閉殼肌的剝離率基本達(dá)到100%。但隨著射流壓力繼續(xù)增大，感官評(píng)分隨之下降，表明被剝離的閉殼肌表面質(zhì)量越來(lái)越差。綜合閉殼肌剝離感官評(píng)分、剝離質(zhì)量以及剝離速率等因素，射流壓力范圍宜選2～4 MPa。此時(shí)，感官評(píng)分值較高，滿足閉殼肌剝離要求。

圖5 不同因素對(duì)閉殼肌剝離效果Fig.5 Effects of different factors on stripping effect

3.1.2 不同入射角度對(duì)閉殼肌剝離效果的影響

將射流壓力設(shè)定在 3 MPa，射流噴射距離設(shè)定為40 mm，將射流入射角度在23°、28°、33°、38°和43°條件下進(jìn)行閉殼肌剝離試驗(yàn)。

圖5b表明，閉殼肌剝離效果感官評(píng)分與射流入射角度呈現(xiàn)非線性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，射流入射角≤33°時(shí)，感官評(píng)分值＞81分，閉殼肌比較容易被完全剝離，閉殼肌剝離率和剝離質(zhì)量高，閉殼肌表面光滑。當(dāng)射流入射角＞33°時(shí)，感官評(píng)分下降，閉殼肌被完全剝離的難度加大，閉殼肌出現(xiàn)被縱向撕裂的情況，殼體內(nèi)表面開(kāi)始出現(xiàn)肉質(zhì)殘留，剝離率也逐漸降低。其原因?yàn)椋寒?dāng)射流入射角逐漸增大時(shí)，射流作用到閉殼肌上的切向力逐漸減小，縱向力逐漸增大，使得該切向力不能完全克服閉殼肌同殼體的粘附力。綜合考慮閉殼肌剝離質(zhì)量以及剝離效率等因素，入射角度控制在23°～33°比較合適。

3.1.3 不同噴射距離對(duì)閉殼肌剝離效果的影響

將射流壓力設(shè)定在3 MPa，射流入射角度控制在30°，將射流噴射距離分別取20、30、40、50和60 mm，實(shí)施閉殼肌剝離試驗(yàn)。

圖5c表明，當(dāng)射流噴射距離≤30 mm時(shí)，隨著噴射距離的逐漸增大，感官評(píng)分值逐漸趨近于85分，閉殼肌的剝離質(zhì)量越來(lái)越高。當(dāng)噴射距離增加至40 mm時(shí)，閉殼肌剝離質(zhì)量略有下降。但當(dāng)噴射距離再繼續(xù)增大時(shí)，閉殼肌被完全剝離的難度加大，剝離質(zhì)量也越來(lái)越差，閉殼肌表面存在明顯的射流沖擊痕跡。綜合考慮感官評(píng)分以及閉殼肌的剝離質(zhì)量和剝離效率等因素，射流噴射距離宜選30～40 mm。

3.2 組合試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Behnken design設(shè)計(jì)理論，組合試驗(yàn)分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案以及對(duì)應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案以及試驗(yàn)結(jié)果Table3 Design of Box-Behnken and corresponding results

3.2.1 感官評(píng)分值的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及方差分析

將射流壓力A、入射角度B以及噴射距離C三因素作為自變量，將剝離效果感官評(píng)分Y作為響應(yīng)值。應(yīng)用Design-Expert8.05b分析表3所得結(jié)果，得到閉殼肌剝離效果感官評(píng)分Y的回歸方程

方差分析見(jiàn)表4。表4表明,該模型的F檢驗(yàn)表現(xiàn)為極顯著，AdjR2=0.999 8。失擬項(xiàng)檢驗(yàn)F=0.019，P=0.898 0＞0.05呈不顯著，復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.999 9，說(shuō)明該模型用來(lái)剖析試驗(yàn)結(jié)果是可行的。同時(shí)，分析該回歸模型還能夠看出：射流壓力、射流入射角度和射流噴射距離與閉殼肌剝離效果感官評(píng)分表現(xiàn)為二次非線性關(guān)系。應(yīng)用貢獻(xiàn)率法計(jì)算得出A、B、C的貢獻(xiàn)率分別是：ΔA=4.491 5，ΔB=2.497 0，ΔC=3.992 5。故上述 3個(gè)參量對(duì)Y值的作用大小分別為：射流壓力A＞射流噴射距離C＞射流入射角度B。

表4 方差分析Table4 Variance analysis

3.2.2 響應(yīng)面分析

圖6a為射流壓力A、射流入射角度B對(duì)感官評(píng)分Y影響對(duì)應(yīng)的響應(yīng)面圖；圖6b為射流入射角度B、噴射距離C對(duì)感官評(píng)分Y影響對(duì)應(yīng)的響應(yīng)面圖；圖6c為射流壓力A、噴射距離C對(duì)感官評(píng)分Y影響對(duì)應(yīng)的響應(yīng)面圖。

圖6 射流壓力、入射角度、噴射距離對(duì)感官評(píng)分的響應(yīng)面Fig.6 Response surfaces of shucking effects with different jet pressure, jet incidence angle and distance on sensory score

圖6a表明，在射流入射角度B各個(gè)水平下，在射流壓力A逐漸增大的過(guò)程中，閉殼肌剝離效果的感官評(píng)分Y均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。要使Y取得最大值，A應(yīng)該取0水平附近。當(dāng)A在?1～0之間變化時(shí)，感官評(píng)分隨著射流入射角度的增大而逐漸減小。當(dāng)A在0～1水平之間變化，當(dāng)B逐步變大時(shí)，感官評(píng)分Y開(kāi)始下降而后上升。要使Y取得最大值，B應(yīng)該取?1水平附近取值。

圖6b表明，在射流噴射距離C的各個(gè)水平下，在B逐步變大的過(guò)程中，感官評(píng)分Y均呈遞減趨勢(shì)。在B的各個(gè)水平下，在C逐步變大的過(guò)程中，Y也呈遞減趨勢(shì)。要使Y取得最大值，B應(yīng)在?1水平附近，相對(duì)應(yīng)的C也應(yīng)在?1水平附近。

圖6c表明，在射流壓力A各個(gè)水平下，隨著射流噴射距離C的增加，感官評(píng)分Y均呈減小趨勢(shì)，要使Y最大，C應(yīng)該在?1水平附近取值。

3.3 參數(shù)優(yōu)化

選用Design-Expert軟件對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，所得的優(yōu)化參數(shù)組合為：射流壓力水平A=?0.037（射流壓力3 MPa）、入射角水平B=?1.0（射流入射角23°）、噴射距離水平C=?1.0（射流噴射距離30 mm），此時(shí)閉殼肌剝離效果感觀評(píng)分S=91.02分。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述參數(shù)組合的正確性與有效性，選取閉殼肌剝離的最優(yōu)參數(shù)值，即射流壓力為3 MPa、初始入射角度為23°、噴射距離為30 mm進(jìn)行試驗(yàn)，隨著剝離過(guò)程的進(jìn)行，入射角度沿扇貝內(nèi)表面曲面切線方向?qū)崟r(shí)調(diào)整。驗(yàn)證結(jié)果如表5。

表5 優(yōu)化方案的驗(yàn)證結(jié)果Table5 Verification results of optimization program

閉殼肌剝離效果感官評(píng)分的相對(duì)誤差為3.68% ，和理論值基本相符，證明上述優(yōu)化方案對(duì)提高閉殼肌的剝離效果是有效的。

4 結(jié)論與討論

本文針對(duì)高度為55～60 mm級(jí)別的海灣扇貝閉殼肌進(jìn)行剝離試驗(yàn)研究與仿真分析，分析了水射流參數(shù)對(duì)閉殼肌剝離效果影響，得到以下結(jié)論：

1）優(yōu)化了水射流的噴射路徑，并對(duì)水射流噴射路徑進(jìn)行擬合，得出了閉殼肌剝離時(shí)水射流的初始入射角為23°。

2）利用單因素試驗(yàn)分析了射流壓力、射流入射角度、射流噴射距離對(duì)閉殼肌剝離效果的影響，得到各參數(shù)有效取值范圍，分別為：射流壓力2～4 MPa、射流入射角度23°～33°、射流噴射距離30～40 mm。

3）應(yīng)用貢獻(xiàn)率法得到3個(gè)參數(shù)對(duì)閉殼肌剝離效果感官評(píng)分Y值的作用大小，分別為：射流壓力＞射流噴射距離＞射流入射角度。

4）采用響應(yīng)面分析法得出了扇貝閉殼肌剝離的優(yōu)化參數(shù)組合，即射流壓力為3 MPa、射流入射角為23°和射流噴射距離為30 mm。

本文采用水射流技術(shù)針對(duì)閉殼肌剝離工序進(jìn)行試驗(yàn)研究與參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了靈活、環(huán)保和低成本剝離加工，但加工效率還有待提高。課題組將繼續(xù)在提高效率上進(jìn)行研究。另外，探討采用水射流技術(shù)完成扇貝從清洗、開(kāi)殼、去內(nèi)臟到分離閉殼肌大部分加工工藝，將工序進(jìn)行銜接，以形成高效自動(dòng)化生產(chǎn)線，需要對(duì)水射流的噴嘴及噴射參數(shù)進(jìn)行更深入的探討。

[1] 沈建，林蔚，郁蔚文，等. 我國(guó)貝類加工現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].中國(guó)水產(chǎn)，2008(3)：73－75. Shen Jian, Lin Wei, Yu Weiwen, et al. Present situation and development prospect of Chinese shellfish processing[J]. China Fisheries, 2008(3): 73－75. (in Chinese with English abstract)

[2] 黃翠麗，劉賽. 扇貝的生理活性物質(zhì)和藥用價(jià)值[J]. 中國(guó)海洋藥物，2001(2)：45－48. Huang Cuili, Liu Sai. Physiological active substance and medicinal value of scallop[J]. Chinese Journal of Marine Drugs, 2001(2): 45－48. (in Chinese with English abstract)

[3] 李偉青，王頡，孫劍鋒，等. 海灣扇貝營(yíng)養(yǎng)成分分析及評(píng)價(jià)[J]. 營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)，2011，33(6)：630－632. Li Weiqing, Wang Jie, Sun Jianfeng, et al. The nutrients analysis and evaluation of argopectens irradias[J]. Acta Nutrimenta Sinica, 2011, 33(6): 630－632. (in Chinese with English abstract)

[4] Daniel E Martin, Steven G Hall. Oyster shucking technologies: Past and present[J]. International Journal of Food Science and Technology, 2006, 41: 223－232.

[5] 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. Li Qiushi, Wang Jiazhong, Yi Jinggang, et al. Development state and prospect of bay scallops adductor splitting device[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2013(10): 198－201. (in Chinese with English abstract)

[6] Hiroaki Sugiyama．Shell Processing Method and Shell Processing Device used in the Method[P]. USA: 5736716. 2004.

[7] Namba K, Kobayashi M, Aida S, et al. Persistent relaxation of the adductor muscle of oyster crassostrea gigas induced by magnesium-ion[J]. Fisheries Science, 1995, 61: 241－244.

[8] He H, Adams R M, Farkas D F, et al. Use of high-pressure processing for oyster shucking and shelf -life extension[J]. Journal of Food Science, 2002, 67(2): 640－645.

[9] Li J, Wheaton F W. Image processing and pattern recognition for oyster hinge line detection[J]. Aqua Cultural Engineering, 1992, 11: 231－250.

[10] Martin D. Optimization and automation of a thermal oyster shucking process[J]. LSUPLD Dissertation, published by UMI Company, Ann Arbor, 2004, L11: (104－120).

[11] Nguyen K L, LaRock P A, La Peyre J F. Vibrio Vulnificus Infection of Oyster Cells: A Possible Survival Mechanism[M]. Aquaculture, 2001 Book of Abstracts, 2001:475.

[12] Cruz-Romero M, Smiddy M, Hill C, et al. Effects of high pressure treatment on physiochemical characteristics of fresh oysters (Crassostrea gigas)[J]. Innovative Food Science and Emerge Technologies, 2004, 5: 161－169.

[13] 弋景剛，吳紅雷，姜海勇，等. 蒸汽式扇貝開(kāi)殼裝置工作參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(18)：70－77. Yi Jinggang, Wu Honglei, Jiang Haiyong, et al. Optimization of operating parameters on steam-shelling device for scallop[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(18): 70－77. (in Chinese with English abstract)

[14] Singh G. Laser modernizes oyster shucking[J]. Food Technology, 1972, 26: 60－61.

[15] Spracklin B.W. Microwave process for shucking bivalve mollusks[P]. USA: 3585676, 1970.

[16] Taylor L S. Method for shucking bivalve mollusks using microwave energy [P]. USA: 4420492, 1983.

[17] Harris H, Smith D.A. Method for thermally peeling produce continuous at high temperatures and low pressures[P]. United States, 4671965, 1987.

[18] Hreha P, Hloch S, Magurova D, et al. Water jet technology used in medicine[J]. Tec Gazette, 2010, 17(2): 237－240.

[19] Takasawa Yoshiaki.Water jet technology for medicine and biology[J]. Journal of the Japan Society for Abrasive Technology, 2006, 5(50): 257－260.

[20] Dimitrios N. Papachristou, Barters R. Resection of the liver with a water jet[J]. British Journal of Surgery, 2005, 69(2): 93－94.

[21] Koichi Tatsumi, Noriya Uedo, Ryu Ishihara, et al. A water-jet videoendo scope may reduce operation time of endoscopic sub mucosal dissection for early gastric cancer[J]. Digestive Diseases and Sciences, 2012, 57(8): 2122－2129.

[22] 李秋實(shí).水射流剝離扇貝閉殼肌機(jī)理及試驗(yàn)研究[D]. 保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014. Li Qiushi. The Mechanism and Experimental Study of Adductor Muscle Shucking based on Water Jet[D]. Baoding: Hebei Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[23] 王家忠，李秋實(shí)，弋景剛，等.扇貝剝離設(shè)備噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的仿真分析與參數(shù)優(yōu)化[J]. 現(xiàn)代食品科技，2014(30)：143－146. Wang Jiazhong, Li Qiushi, Yi Jinggang, et al. Numerical analysis of water jet processing nozzles’ internal flow field[J]. Modern Food Science and Technology, 2014(30): 143－146. (in Chinese with English abstract)

[24] 解秋陽(yáng)，王家忠，弋景剛，等. 利用水射流剝離海灣扇貝貝柱的方法及裝置[J]. 食品與機(jī)械，2014，30(3)：90－93. Xie Qiuyang, Wang Jiazhong, Yi Jinggang, et al. Using water jet to remove the bay scallop column method and the equipment[J]. Food and Machinery, 2014, 30(3): 90－93. (in Chinese with English abstract)

[25] 解秋陽(yáng). 水射流剝離海灣扇貝閉殼肌的試驗(yàn)研究與樣機(jī)設(shè)計(jì)[D]. 保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.6 Xie Qiuyang. Experimental Research and Prototype Design of Water Jet Stripping Bay Scallop Adductor Muscle[D]. Baoding: Hebei Agricultural University, 2015.6. (in Chinese with English abstract)

[26] GB/T 21443, 海灣扇貝[S]. 2008.

[27] 辛濤. 回歸分析及其試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2010.

[28] 劉文卿. 試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[29] 李莉，張賽，何強(qiáng)，等. 響應(yīng)面法在試驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34(8)：41－45. Li Li, Zhang Sai, He Qiang, et al. Application of response surface methodology in experiment design and optimization[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2015, 34(8): 41－45. (in Chinese with English abstract)

[30] 揭晶，趙越，王皓. Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化蘆筍總皂苷超聲提取工藝[J]. 武漢生物工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，11(4)：293－296. Jie Jing, Zhao Yue, Wang Hao. Optimization of ultrasound extraction technology for total saponins from asparagus officinalis by box-behnken response surface methodology[J]. Journal of Wuhan Bioengineering Institute, 2015, 11(4): 293－296. (in Chinese with English abstract)

Experiment and operating parameter optimization using water jet technology for scallops shucking processing

Wang Jiazhong, Yang Shuhua, Xie Qiuyang, Yi Jinggang
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, China)

Shucking processing in scallop adductor muscle is a hotspot and also a difficulty point in the research field of seafood processing. Scallop shucking method is generally divided into mechanical and non-mechanical method. However, due to its special physiological structure, the ideal shell shucking method has not been found yet. It is a critical job for us to find advance technologies that are effective, inexpensive and safer than previously available technologies. At present, the main method of implementing the shelling processing is by hand in China. Water jet cutter technology is based on the naturally erosive effects of water. Water jet cutters work with the same principle as high pressure washers, which essentially “cut” the dirt off of the surfaces on which they are used. Water jet technology is a safe and green technology. In recent years, water jet is applied to many fields of industries and has been widely used in food and medical fields. One of the main advantages of this technology is that the technology has not thermal effect on machined material. In order to meet the safety, economy and efficiency requirements, the water jet technology is introduced into the study on shell adductor muscle shucking of argopecten irradians. In this paper, the simulation analysis and experimental study of the effect of water jet parameters on the adductor muscle shucking were conducted with the bay scallop sample with the height of 55-60 mm. The idea of shucking the adductor muscle along the tangential direction of the shell was proposed, and in the scallop shell body curve fitting, the initial incidence angle was 23°. Through the single factor experimental study, the scopes of the parameters which affect the stripping effect, including the jet pressure, the angle of incidence and the injection distance, were determined. The results showed that the scopes were as follows: The jet pressure of 2-4 MPa, the incidence angle of 23°-33° and the injection distance of 30-40 mm. The contributions of parameters to the sensory score were different using the contribution rate method. They were jet pressure ＞ injection distance ＞ incident angle. Box-Behnken design was used for experiment design and response surface method was applied to analyze the test data; the mathematical models, which involved the shucking effect evaluation standard about the above 3 parameters, were established. Through the analysis of the contour map and the response surface figure, the optimal combination of the 3 parameters above was obtained, which was jet pressure of 3 MPa, incident angle of 23° and injection distance of 30 mm. The research on the water jet technology has very important application value for the design and optimization of scallops shelling equipment.

optimization; processing; water jet technology; curve fitting; scallops shucking processing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.038

S985.3+6; TS254.3

A

1002-6819(2017)-07-0289-06

2016-08-04

2017-04-01

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201205031）；河北省科技支撐計(jì)劃（12227169）

王家忠，男，河北阜城人，教授，博士，主要從事數(shù)控技術(shù)與特種加工的研究。保定 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，071001。

Email：wjz9001@163.com