基于水射流的典型淡水魚類去鱗技術(shù)研究

李仁杰 - 孟祥毅 - 鐘森淼 - 蘆金石,2 -,2 張 旭,2 ,2 陶學恒,2 e-,2

(1.大連工業(yè)大學遼寧省海洋食品加工技術(shù)與裝備重點實驗室，遼寧 大連 116034；2.大連工業(yè)大學國家海洋食品工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116034)

對大宗淡水魚的前處理是淡水魚類加工過程中的首要環(huán)節(jié)，前處理的效率和得率直接影響到后續(xù)的加工能力和資源利用率[1]。其中，淡水魚除鱗工序是有鱗淡水魚前處理中的一道重要工序，也是整個淡水魚加工技術(shù)中的一個技術(shù)難點[2]。

現(xiàn)有的去鱗設(shè)備主要為機械除鱗法，利用搓擦原理進行分批式去鱗[3-4]，此法不易實現(xiàn)流水線加工，且產(chǎn)品質(zhì)量標準很難控制[5]；瑞典Arenco公司研制的VMK26去鱗機，需要與其研制的VMK31喂料機配合使用，通過魚體之間以及魚體與清洗池內(nèi)壁上的凸點相互摩擦進行去鱗，適用于鯖魚和秋刀魚這種體形細長且鱗片較小的魚類去鱗作業(yè)[6]；德國Baader公司生產(chǎn)的IS-069型去鱗機，在魚體上方和下方分別設(shè)置了兩個形狀不同的去鱗輥，采用搓擦的方式進行去鱗，適用于黑線鱈、海鱸魚等相似體型的魚類[7]。

近年來，高壓水射流清洗技術(shù)高速發(fā)展，已成為一項國際上廣泛應用的物理清洗技術(shù)，利用水射流的沖擊、水楔等效應，將一種或多種材料從另一種物體基體表面脫離下來，具有快速高效、效果穩(wěn)定、參數(shù)可控、無污染等優(yōu)點，已廣泛應用于石油化工、交通、冶金等領(lǐng)域[8]。試驗擬提出一種將高壓水射流清洗技術(shù)與淡水魚去鱗相結(jié)合的方式，采用高壓水射流對典型淡水魚類進行去鱗，并進行模擬試驗，為水射流去鱗設(shè)備的研制與調(diào)試提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮鯽魚：(0.4±0.1)kg，市售。

1.2 儀器與設(shè)備

水射流去鱗試驗臺(圖1)：自制，主要由機械主體、射流調(diào)整裝置、物料輸送裝置和防護裝置4部分組成[9]。射流調(diào)整裝置由3組噴嘴特定夾持裝置和龍門架組成，可同時安裝多個噴嘴，用來調(diào)整噴嘴的固定噴射角度和高度，實現(xiàn)對魚體的空間多角度噴射；物料輸送裝置采用絲杠傳動，物料板上設(shè)有通孔，通過螺栓連接固定在絲杠副上方，通過PLC編程控制步進電機轉(zhuǎn)動速度與方向，以此調(diào)整物料的進給速度。

1.物料輸送裝置 2.射流調(diào)整裝置 3.防護裝置 4.機械主體

水射流噴射系統(tǒng)：由Y2-132M-4型的三相異步電動機通過皮帶與LS-750三缸單作用柱塞泵相連，泵頭處裝有調(diào)壓閥，用于為試驗臺噴嘴提供具有不同壓力的射流；試驗采用的噴嘴為40°扇形噴嘴。

1.3 試驗指標

1.3.1 去鱗率 參照王玖玖等[10]的方法，將魚的一個側(cè)面定義為一個試驗樣本，采用硫酸紙和坐標紙對鯽魚去鱗前后鱗片的覆蓋區(qū)域進行描繪，按式(1)計算去鱗率。

P=(S2-S1)/S2，

(1)

式中：

P——一個側(cè)面的去鱗率，%；

S1——去鱗后魚身上剩余魚鱗面積之和，mm2；

S2——去鱗前魚身上魚鱗面積總和，mm2。

1.3.2 魚體損傷 采用感官評定法。感官評定小組由多名經(jīng)驗豐富的感官評價專家組成，對去鱗后的鯽魚按表1進行感官評分，取平均值。

表1 感官評定標準

1.4 試驗方法

將鯽魚放置于物料板上方，通過PLC控制調(diào)節(jié)步進電機轉(zhuǎn)速從而使物料板以一定的速度做直線運動，魚頭向后，魚尾向前，當魚體經(jīng)過射流區(qū)域時，魚體受到?jīng)_擊力和剪切力，對其表面產(chǎn)生沖擊、動壓力、磨削作用，將魚鱗從魚體上剝離下來，完成去鱗過程，其原理圖如圖2所示[11]。去鱗完成后，計算出去鱗率，并進行感官評定。

圖2 水射流去鱗原理圖

1.5 試驗設(shè)計

1.5.1 射流壓力對鯽魚去鱗效果的影響 射流壓力是影響水射流去除魚鱗試驗射流打擊力的重要因素，射流壓力與噴嘴出口處的水射流理論打擊力關(guān)系為[12]：

(2)

式中：

F——理論水射流打擊力，N；

q——水射流體積流量，L/min；

P——水射流壓力，MPa;

β——水射流入射角，(°)；

由式(2)可知，增大射流壓力會增大水射流打擊力。由預試驗可知，滿足去除魚鱗條件的射流壓力為6～14 MPa；當噴嘴相對于物料板間的靶距為11 cm，入射角為60°時，只改變射流壓力可取得較好的去鱗效果。以加工能力900條/h設(shè)計輸送速度為5 cm/s，固定上述因素，考察射流壓力(6，8，10，12，14 MPa)與試驗指標之間的關(guān)系。

1.5.2 射流入射角對鯽魚去鱗效果的影響 固定輸送速度5 cm/s，噴嘴相對于物料板之間的靶距11 cm，射流壓力10 MPa，考察入射角(40°，50°，60°，70°，80°)與試驗指標之間的關(guān)系。

1.5.3 射流靶距對鯽魚去鱗效果的影響 固定輸送速度5 cm/s，射流壓力10 MPa，入射角60°，考察噴嘴相對于物料板之間的靶距(9，10，11，12，13 cm)與試驗指標之間的關(guān)系。

1.5.4 進給速度對鯽魚去鱗效果的影響 固定噴嘴相對于物料板之間的靶距11 cm，射流壓力10 MPa，入射角60°，考察輸送速度(5，7，9 cm/s)與試驗指標之間的關(guān)系。

1.5.5 正交試驗 以鯽魚為試驗對象，選擇射流壓力、射流入射角、射流靶距、進給速度為試驗因素，設(shè)計L9(34)正交試驗[13]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

每組試驗取3個試驗樣本，分別計算去鱗率及感官評價得分，取平均值作為該組試驗的最后結(jié)果。利用Origin軟件和SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行描述與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 射流壓力對鯽魚去鱗效果的影響 由圖3可知，魚體去鱗率隨射流壓力的增大先快速增大后趨于平穩(wěn)，當射流壓力為10 MPa時，去鱗率達89.1%；魚體的感官評價得分隨射流壓力的增大先緩慢下降后極顯著降低(P<0.01)。因此，最佳射流壓力為10 MPa。

圖3 射流壓力對鯽魚去鱗效果的影響

2.1.2 射流入射角對鯽魚去鱗效果的影響 由圖4可知，魚體去鱗率隨入射角的增加先增加后減小，當入射角為60°時，去鱗率達到峰值；魚體的感官評價得分影響不顯著(P>0.05)。水射流打擊到魚體產(chǎn)生的打擊力可分為水平和垂直分量，水平分量對魚鱗起切削作用，即剪切力；垂直分量則為沖擊力，在一般的清洗操作中起滲透、破碎作用。入射角過大或過小，射流無法入射到魚鱗與魚體之間，難以實現(xiàn)水楔作用，從而影響去鱗效果。

圖4 射流入射角對鯽魚去鱗效果的影響

2.1.3 射流靶距對鯽魚去鱗效果的影響 由圖5可知，魚體去鱗率隨靶距的增加持續(xù)降低(P>0.05)，而魚體的感官評價得分顯著上升(P<0.05)。由于入射角β的存在，靶距與噴嘴到魚體的直線距離之間存在cosβ的關(guān)系，當靶距增大時，噴射距離也會按相應比例增加，由于空化作用，射流速度降低，射流打擊力顯著減小，影響去鱗效果。

圖5 射流靶距對鯽魚去鱗效果的影響

2.1.4 進給速度對鯽魚去鱗效果的影響 由表2可知，魚體去鱗率隨進給速度的增大而顯著降低(P<0.05)；魚體的感官評價得分略有提升(P>0.05)。進給速度較大，清洗效率提高，但隨著進給速度的增加，一定程度上影響射流的水楔作用，去鱗不徹底的可能性提高。實際生產(chǎn)中，可根據(jù)不同去鱗要求，選取合適的進給速度。

表2 進給速度對鯽魚去鱗效果的影響

2.2 正交試驗

以鯽魚為研究對象，以射流壓力、射流入射角、射流靶距和進給速度為因素，魚體去鱗率和魚體損傷感官評分為指標，設(shè)計L9(34)正交試驗，因素水平表見表3，試驗結(jié)果見表4。

由表4可知，各因素對去鱗率的影響順序為射流壓力>進給速度>射流入射角>射流靶距，達到最優(yōu)去鱗率的參數(shù)組合為A3B2C1D1，即射流壓力12 MPa，射流入射角60°，射流靶距10 cm，進給速度5 cm/s；各因素對感官評分的影響順序為射流壓力>射流靶距>射流入射角>進給速度，達到最優(yōu)感官評分的參數(shù)組合為A1B3C2D1，即射流壓力8 MPa，射流入射角70°，射流靶距11 cm，進給速度5 cm/s。

表3 因素水平表

表4 正交試驗方案與結(jié)果

經(jīng)過現(xiàn)場實驗驗證，當采用A3B2C1D1參數(shù)組合進行去鱗時，去鱗率可以達到96.5%，魚體表面基本無鱗片殘留，但魚體的破損程度較為嚴重，感官評價得分僅0.59；當采用A1B3C2D1參數(shù)組合作為去鱗方案時，感官評價得分可以達到0.96，魚體基本沒有明顯破損，但去鱗率只有54.9%，去鱗效果并不理想。

水射流去鱗的工藝要求是在保證高去鱗率的前提下，應盡量減小魚體的損傷程度。因此，在選取水射流去鱗最優(yōu)參數(shù)組合時，應將去鱗率與魚體損傷感官評分兩項指標進行綜合考慮，通過對各參數(shù)組合下的鯽魚去鱗效果的對比中發(fā)現(xiàn)，當射流壓力10 MPa，射流入射角60°，射流靶距11 cm，進給速度5 cm/s時，去鱗率為89.1%，感官評分為0.88，既可以得到較高的去鱗率，魚體的損傷程度又相對較小，因此選擇該組參數(shù)作為水射流去鱗的最佳工藝組合較為合適。

3 結(jié)論

水射流法去除魚鱗的最佳工藝條件為射流壓力10 MPa，射流入射角60°，射流靶距11 cm，進給速度5 cm/s時，此時的去鱗率為89.1%，感官評分為0.88，去鱗效果較好。試驗研究的水射流去鱗技術(shù)采用的是扇形噴嘴單點噴射方式，后續(xù)可對空間多點式水射流去鱗技術(shù)以及水射流去鱗專用噴嘴的設(shè)計進行研究。