南極磷蝦脫殼機(jī)工藝參數(shù)的試驗(yàn)研究

張軍文， 鄭曉偉， 歐陽杰， 沈 建

(農(nóng)業(yè)部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

南極磷蝦體內(nèi)蛋白質(zhì)含量較高，約占整蝦干重的50%，肌肉中蛋白質(zhì)的含量占干重的70%以上[1-5]。南極磷蝦有獨(dú)特的消化系統(tǒng)，其死后易自溶而腐爛變質(zhì)[6-10]，因此，捕獲后的南極磷蝦必須快速被加工。其在船上的加工方式包括生鮮冷凍、剝?nèi)?、水煮加工或制成魚粉[11]，其中生鮮冷凍后當(dāng)作飼料的約占總漁獲量的90%[11]，資源利用率不高，另外，其殼含氟量較高[12-13]。加速蝦殼分離技術(shù)的研究及相關(guān)設(shè)備的研制對南極磷蝦高附加值產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)具有重要意義[14]。國外對于南極磷蝦的研究始于二十世紀(jì)六七十年代[15]，挪威、日本等國[16-18]先后研制出南極磷蝦脫殼設(shè)備，大大提高了南極磷蝦的產(chǎn)品品質(zhì)。中國對南極磷蝦的開發(fā)相對較晚，南極磷蝦加工裝備的研究也較少，雖然研制出一些蝦類脫殼的生產(chǎn)設(shè)備[19-21]，也有采用超高壓剝殼技術(shù)的研究[22-23]，但幾乎都是針對南美白對蝦等體型相對較大的蝦體，不適用于個體較小的南極磷蝦。國內(nèi)僅見鄭曉偉等[14,24-25]開展了南極磷蝦離心、擠壓脫殼工藝參數(shù)的研究及優(yōu)化的研究報道。

本研究依托安裝在“龍騰”號專業(yè)捕撈南極磷蝦船上的復(fù)合疊層式的磷蝦脫殼機(jī)[26]，對其關(guān)鍵部件和滾軸長度、滾軸間隙、蝦液進(jìn)料量等工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對脫殼之后的蝦仁進(jìn)行了感官評價和出成率的測定，從而確定南極磷蝦脫殼機(jī)關(guān)鍵部件和工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，為磷蝦脫殼機(jī)在南極海域船載實(shí)際生產(chǎn)和后期產(chǎn)業(yè)化配套提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的南極磷蝦是2017年4月份在南極海洋生物資源養(yǎng)護(hù)公約(CCAMLR)轄區(qū)48.1區(qū)，由中國水產(chǎn)集團(tuán)旗下“龍騰”號拖網(wǎng)捕撈所得的新鮮南極磷蝦。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

南極磷蝦脫殼機(jī)主要結(jié)構(gòu)由均質(zhì)筒、輸送機(jī)、脫殼機(jī)、蝦肉出口、蝦殼出口等組成(圖1)，其脫殼部分見圖2所示。其核心設(shè)備是脫殼裝置，當(dāng)設(shè)備工作時，新鮮的南極磷蝦在往復(fù)回轉(zhuǎn)的滾軸下進(jìn)行脫殼；蝦肉在水系統(tǒng)的作用下，由蝦肉成品輸送系統(tǒng)送至除雜分揀系統(tǒng)；蝦殼由下腳料系統(tǒng)處理。相關(guān)因素如擠壓滾軸的有效長度、滾軸的間隙、船體的傾斜度等都會對最終的產(chǎn)品有重要的影響。脫殼裝置大小為2 600 mm×2 200 mm×2 300 mm，滾軸直徑50 mm，滾軸間隙(0.5～2 mm)，滾軸轉(zhuǎn)速1.5 r/s，電機(jī)功率4.5 kW，生產(chǎn)率約450 kg/h。

圖1 南極磷蝦脫殼機(jī)圖

圖2 南極磷蝦脫殼裝置簡化圖

TGT-50稱(上海衡器廠)主要用來稱量試驗(yàn)用的南極磷蝦，最小刻度值20 g；DBC-1300-2型平板凍結(jié)機(jī)(中國大連中海漁業(yè)機(jī)械有限公司)，凍結(jié)量1300 kg/次；500-502-10型游標(biāo)卡尺(日本三豐精密)，精度0.01mm；QD-40船用傾斜儀(山東煙臺達(dá)信精密儀器有限公司)，量程0°～40°，最小分度值是1°；Altivar 610變頻器(施耐德公司)。

南極磷蝦脫殼試驗(yàn)的工藝流程：拖網(wǎng)上船的新鮮南極磷蝦先稱重(M2)，之后由輸送帶輸送至混合勻料系統(tǒng)；在攪拌軸的攪拌下，磷蝦與水混合均勻后由泵吸系統(tǒng)輸送至脫殼機(jī)進(jìn)行脫殼；脫殼之后的蝦仁由蝦仁成品輸送系統(tǒng)收集、分揀除雜、濾水后稱重，得到脫殼之后蝦仁的重量(M1)。試驗(yàn)每批次50 kg南極磷蝦，試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)

1.3.1 蝦仁感官標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)脫殼機(jī)脫殼之后的蝦仁擺放在試驗(yàn)臺上，由船上10名操作脫殼設(shè)備的船員組成評定小組，根據(jù)脫殼之后的蝦肉色澤、完整度和表面潔凈度進(jìn)行評定，以10分標(biāo)準(zhǔn)分計[27]。感官評定標(biāo)準(zhǔn)見表1。其權(quán)重分別為：色澤0.3，蝦仁完整度0.4，蝦仁表面潔凈度0.3；評分越高，脫殼質(zhì)量越好。以10位船員的平均分為各指標(biāo)評分，其評分的計算公式為：評定得分D=ΣXiYi(i=1、2、3)(其中：X表示為評定指標(biāo)，Y為其權(quán)重)。

表1 蝦仁感官評定標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 蝦仁的出成率

以南極磷蝦蝦仁出成率來反映脫殼機(jī)的工作效果。出成率為最終的蝦仁產(chǎn)品質(zhì)量與原料南極磷蝦質(zhì)量的比值[28]，其出成率可以按照下式計算：

S=100%×M1/M2

(1)

式中：S—南極磷蝦蝦仁的出成率；M1—南極磷蝦經(jīng)由脫殼機(jī)脫殼，再經(jīng)過濾水之后蝦仁的質(zhì)量，g；M2—南極磷蝦原料的質(zhì)量，g。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)因?yàn)槭窃囼?yàn)樣機(jī)，滾軸的材質(zhì)和花紋等都已經(jīng)制作完成，不作考慮因素；原料放置時間對于蝦仁的出成率和感官評分影響極大，南極磷蝦進(jìn)料速度、滾軸長度和滾軸間隙對南極磷蝦的出成率和感官評定得分影響較大。鑒于此，試驗(yàn)只考慮滾軸長度、滾軸間隙、蝦與水的混合液進(jìn)入脫殼機(jī)的速度(即進(jìn)料速度)和原料蝦放置的時間等。

滾軸長度試驗(yàn)：滾軸轉(zhuǎn)速1.5 r/s，滾軸間隙1 mm，進(jìn)料速度60 kg/h，原料蝦放置時間小于2 h；選擇滾軸有效工作長度分別為0.6 、0.8 、1.0 和1.2 m，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，測定蝦仁的出成率并進(jìn)行感官評分。

滾軸間隙試驗(yàn)：滾軸長度為1.2 m，滾軸轉(zhuǎn)速為1.5 r/s，進(jìn)料速度為60 kg/h；原料蝦放置時間小于2 h；滾軸間隙分為0.5、1.0、1.5和2 mm，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，測定蝦仁的出成率并進(jìn)行感官評分。

進(jìn)料速度試驗(yàn)：滾軸長度為1.2 m，滾軸轉(zhuǎn)速為1.5 r/s，原料蝦放置時間小于2 h ，進(jìn)料速度分別為100、125、150和175 kg/h，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，測定蝦仁的出成率并進(jìn)行感官評分。

原料放置時間試驗(yàn)：滾軸長度1.2 m，滾軸轉(zhuǎn)速1.5 r/s，滾軸間隙1 mm,進(jìn)料速度60 kg/h；原料蝦放置時間分為15、30、45和60 min，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，測定蝦仁的出成率并進(jìn)行感官評分。由于在南極海域船艙內(nèi)做的試驗(yàn)，南極磷蝦放置時間如大于60 min，磷蝦體表發(fā)軟，顏色變黑，脫殼機(jī)脫殼效果欠佳，故不考慮放置時間超過60 min的試驗(yàn)組。

正交試驗(yàn)：選擇滾軸的長度、滾軸的間隙、原料的進(jìn)料速度和磷蝦放置時間作為試驗(yàn)因素，采用L9(34)正交設(shè)計，測量各個試驗(yàn)的指標(biāo)值，進(jìn)行極差分析，以確定最優(yōu)組合。根據(jù)船載對南極磷蝦脫殼機(jī)的單因素試驗(yàn)研究結(jié)果，以對去殼效果影響較大的滾軸長度(因素A)、滾軸間隙(因素B)、進(jìn)料速度(因素C)和磷蝦放置時間(因素D)為試驗(yàn)因素，以脫殼后的蝦仁出成率和感官評定得分作為評價脫殼機(jī)效果優(yōu)劣指標(biāo)，采用L9(34)正交試驗(yàn)，并且不考慮各個因素之間的交互作用，得出南極磷蝦脫殼機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合。試驗(yàn)因素水平見表2。

表2 因素水平編碼表

2 結(jié)果與分析

2.1 滾軸長度對試驗(yàn)指標(biāo)的影響

滾軸長度與試驗(yàn)指標(biāo)(出成率、感官評分)的關(guān)系如圖2所示。滾軸長度1.2 m時，南極磷蝦蝦肉出成率和感官評定得分達(dá)到最大值，分別是22.4%和8.8分。長度大于0.8 m，增速較緩；小于0.8 m，減小趨勢明顯。究其原因：南極磷蝦在滾軸擠壓脫殼過程中，滾軸長度越短，南極磷蝦在滾軸上停留的時間越短，且很容易被噴出的水流沖下來，導(dǎo)致脫殼效果和感官評定得分都較低；且當(dāng)滾軸長度為0.8 m時，脫殼后的蝦仁感官評分、出成率與滾軸全長(1.2 m)幾乎相差無幾，分別是8.7分和22.3%。

2.2 滾軸間隙對試驗(yàn)指標(biāo)的影響

試驗(yàn)得到滾軸間隙與試驗(yàn)指標(biāo)平均值的關(guān)系如圖3所示。結(jié)果顯示，當(dāng)滾軸間隙為1.0 mm時，南極磷蝦蝦肉出成率和感官評定得分達(dá)到最大值，分別是23.1%和8.9分。究其原因，滾軸間隙不同，其表面產(chǎn)生的摩擦力大小不同，因此脫殼效果也就不一樣。滾軸間隙為0.5 mm時，摩擦力形成的切向力較大，易造成脫殼的蝦肉破碎[29-30]，影響出成率和感官評定得分；當(dāng)滾軸間隙大于1 mm時，由于間隙過大，很多個體較小的南極磷蝦由于摩擦力太小導(dǎo)致脫殼效果不佳，很多整蝦被噴水裝置噴出的水流沖走，因此，最后的蝦仁中有很多沒有脫殼的蝦體，造成出成率下降和感官評定分?jǐn)?shù)降低。

圖3 試驗(yàn)指標(biāo)和滾軸間隙

2.3 進(jìn)料速度對試驗(yàn)指標(biāo)的影響

試驗(yàn)得到進(jìn)料速度與指標(biāo)平均值的關(guān)系如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)進(jìn)料速度為125 kg/h時，南極磷蝦蝦肉出成率和感官評定得分達(dá)到最大值，分別是24.2%和9.1分。隨著進(jìn)料速度增加，試驗(yàn)指標(biāo)先升后降。在預(yù)試驗(yàn)中，其進(jìn)料速度為175 kg/h時，由于超出設(shè)備的設(shè)計能力，造成南極磷蝦堆疊而無法與剝蝦滾軸有效接觸，導(dǎo)致出成率急劇下降，也嚴(yán)重影響感官評定得分。

圖4 試驗(yàn)指標(biāo)和進(jìn)料速度

2.4 放置時間對試驗(yàn)指標(biāo)的影響

由于受南極磷蝦從捕撈上船至開始試驗(yàn)的時間所限，0～15 min的新鮮磷蝦來不及試驗(yàn)，故試驗(yàn)從15 min之后開始。試驗(yàn)得到放置時間與指標(biāo)平均值的關(guān)系如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)放置時間為15 min時，南極磷蝦蝦肉出成率和感官評定得分達(dá)到最大值，分別是23.8%和9.0分。隨著磷蝦放置時間的增加，出成率和感官評定得分都隨之下降，當(dāng)磷蝦放置時間到達(dá)1 h時，2個指標(biāo)下降趨勢非常明顯。究其原因，當(dāng)南極磷蝦放置時間越久，其體內(nèi)的酶活性變大，蝦體不斷地變軟甚至變性發(fā)黑，造成出成率降低，感官評定分?jǐn)?shù)偏低，且放置越久越大，2個指標(biāo)都隨之會降低。當(dāng)南極磷蝦放置時間大于2 h時，很多南極磷蝦都因蛋白質(zhì)變性，蝦殼軟化擠壓效果顯著下降。

圖5 試驗(yàn)指標(biāo)和放置時間

2.5 正交試驗(yàn)

2.5.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果(表3)，無論是出成率還是感官評定得分，5號的結(jié)果最優(yōu)，1號的最次。

表3 L9(34)正交試驗(yàn)表和試驗(yàn)結(jié)果

注：K1～K3、k1～k3以及極差R數(shù)據(jù)是感官評定得分/出成率

由極差大小可知,試驗(yàn)中各因素對南極磷蝦出成率的影響順序?yàn)镈>C>A>B，最優(yōu)組合是A2B2C3D1，即滾軸長度1.0 m、滾軸間隙1.0 mm、進(jìn)料速度150 kg/h、磷蝦放置時間15 min。試驗(yàn)過程中各因素對脫殼蝦仁感官評定影響的主次順序?yàn)椋篈>C>B>D，最優(yōu)組合是A2B2C3D1，即滾軸長度1.0 m、滾軸間隙1.0 mm、進(jìn)料速度150 kg/h、磷蝦放置時間15 min。鑒于2個試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)，選擇A2B2C3D1為最優(yōu)組合。

2.5.2 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上正交試驗(yàn)結(jié)果，滾軸長度1.0 m、滾軸間隙1.0 mm、進(jìn)料速度150 kg/h、磷蝦放置時間15 min為最優(yōu)組合。在南極CCAMLR管轄區(qū)48.1區(qū)船載上進(jìn)行了試驗(yàn)，蝦仁的出成率22%～23%，蝦仁個體較完整，顏色光潔略帶粉紅色，脫殼后蝦仁的感官評定平均值為9.25，脫殼效果理想。在實(shí)際航行過程中，南極磷蝦脫殼機(jī)蝦仁的出成率最大數(shù)值可以達(dá)到23.8%。

3 結(jié)論

脫殼設(shè)備的滾軸長度、滾軸間隙、進(jìn)料速度和放置時間對試驗(yàn)指標(biāo)影響較顯著；滾軸長度1.0 m、滾軸間隙1.0 mm、速度125 kg/h、放置時間15 min，試驗(yàn)效果皆最佳。以南極磷蝦出成率和感官評定得分為指標(biāo)時，最優(yōu)組合皆是A2B2C3D1，在實(shí)際試驗(yàn)中，選擇A2B2C3D1為最佳組合時，南極磷蝦脫殼效率最佳(22.4%)。在實(shí)際工廠化生產(chǎn)過程中，越新鮮的磷蝦，脫殼之后得到的蝦仁感官品質(zhì)越好；而放置時間超過2 h的磷蝦，由于自溶和氟元素的遷移，不建議用于脫殼生產(chǎn)蝦仁。

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