我國羊屠宰加工關(guān)鍵技術(shù)裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

郭 楠 潘 滿 王子戡 蔣俊強(qiáng)

中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院 北京 100083

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《社會(huì)資本投資農(nóng)業(yè)農(nóng)村指引》中強(qiáng)調(diào)穩(wěn)步推進(jìn)羊肉產(chǎn)業(yè)發(fā)展，增加肉類市場總體供應(yīng)。我國羊肉生產(chǎn)消費(fèi)量居世界首位，羊屠宰加工業(yè)近年來得到較大發(fā)展，滿足了人民美好生活需求的迫切需要。

本文闡述了我國肉羊產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、羊屠宰加工工藝及關(guān)鍵技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀、存在問題及科技趨勢，旨在為羊屠宰加工業(yè)發(fā)展提出建議。

1 我國肉羊產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

我國是羊肉生產(chǎn)第一大國，主要集中在內(nèi)蒙、新疆、山東、河南等地，中西部地區(qū)的肉羊占全國50%以上[1]。隨著國民生活水平和生活質(zhì)量逐步提高，肉類消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，羊肉因含有較高的蛋白質(zhì)，而脂肪和膽固醇含量卻較低，成為城鄉(xiāng)居民主要的“菜籃子”產(chǎn)品，更是牧區(qū)和穆斯林人民的生活必需品?！笆濉币詠恚袊庋虍a(chǎn)量持續(xù)穩(wěn)步增長，羊肉進(jìn)口量保持高位，羊肉價(jià)格整體呈上漲態(tài)勢，羊肉生產(chǎn)消費(fèi)量穩(wěn)步提升，并呈供不應(yīng)求的趨勢。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)匯總我國肉羊及羊肉情況如表1。

表1 中國肉羊存欄與出欄情況

由表1可知：2014～2019年我國肉羊存欄量較為穩(wěn)定，出欄量逐年上漲且出欄量漲幅大于存欄量上漲幅度。截止至2019年我國肉羊存欄量、出欄量分別為30 072.14萬只、31 699萬只。

分析表2可知：2015～2019年我國羊肉需求旺盛，羊肉生產(chǎn)消費(fèi)量穩(wěn)步提升，2019年我國羊肉總產(chǎn)量487.52萬t，同比增長2.6%，羊肉消費(fèi)量527.04萬t[2]；羊肉進(jìn)口量逐年遞增，出口量卻呈下滑趨勢且羊肉進(jìn)口量遠(yuǎn)高于出口量，羊肉供給和消費(fèi)國際依存度較高。一方面，羊肉產(chǎn)量的提升不能完全滿足市場需求的上漲，需依靠進(jìn)口填補(bǔ)羊肉需缺；另一方面，我國分割標(biāo)準(zhǔn)的修訂起步較晚，羊肉優(yōu)質(zhì)增值技術(shù)較落后，導(dǎo)致羊肉出口較少。

表2 中國羊肉生產(chǎn)消費(fèi)及進(jìn)出口情況 (萬t)

韓長賦[3](2020)在中國農(nóng)業(yè)展望大會(huì)指出，未來10年，人口增加和消費(fèi)升級(jí)將帶動(dòng)羊肉消費(fèi)需求較快增長，預(yù)計(jì)2029年羊肉生產(chǎn)量將達(dá)579萬t、消費(fèi)量將達(dá)630萬t。在肉羊產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展的背景下，班產(chǎn)量2 000～6 000只的大型肉羊屠宰加工需求凸顯，羊屠宰加工業(yè)市場前景廣闊。

2 羊屠宰加工工藝及關(guān)鍵技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀

我國是羊肉生產(chǎn)消費(fèi)大國，卻不是羊屠宰加工強(qiáng)國。發(fā)達(dá)國家羊屠宰加工基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)器代替人工，加工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品質(zhì)量高，智能屠宰、分割，工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)廣泛應(yīng)用。與發(fā)達(dá)國家相比，我國規(guī)?；庸て髽I(yè)少，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，產(chǎn)品多以鮮肉為主，種類單一；羊屠宰加工半機(jī)械化普遍存在，仍是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)；減損降耗、提質(zhì)增效關(guān)鍵技術(shù)裝備落后；高效扯皮、智能精準(zhǔn)分割等先進(jìn)裝備缺乏。當(dāng)前，我國勞動(dòng)力成本上升、資源負(fù)荷與環(huán)境保護(hù)的巨大壓力，羊屠宰關(guān)鍵技術(shù)裝備的規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化已成為產(chǎn)業(yè)科技需求，更是羊屠宰加工企業(yè)升級(jí)的必然出路。

我國羊屠宰裝備發(fā)展歷程經(jīng)歷了從臥宰、手工屠宰到半機(jī)械化吊剝屠宰加工，再到水平預(yù)剝屠宰加工工藝的應(yīng)用。目前，手工屠宰、半機(jī)械化吊剝屠宰加工仍然普遍存在，而內(nèi)蒙古美洋洋、內(nèi)蒙古小肥羊、環(huán)縣中盛等大型屠宰加工企業(yè)，依據(jù)水平預(yù)剝屠宰加工工藝要求，引入國內(nèi)領(lǐng)先的裝備實(shí)現(xiàn)肉羊屠宰流水線作業(yè)過程。實(shí)現(xiàn)水平預(yù)剝屠宰加工工藝，是隨著多線同步控制技術(shù)、機(jī)械化扯皮等技術(shù)及裝備的應(yīng)用而完成的。提升屠宰過程中扯皮、分割等關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)水平，開發(fā)機(jī)械化、自動(dòng)化裝備并推廣應(yīng)用，是從手工屠宰演化到流水線屠宰的關(guān)鍵，也是企業(yè)實(shí)現(xiàn)減損降耗，提質(zhì)增效的重要手段。這種新的屠宰加工工藝，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了肉羊屠宰加工的流水線作業(yè)，正逐漸取代傳統(tǒng)的手工屠宰或吊剝屠宰加工工藝。

另外，學(xué)者賈雪暉[4](2013)在對(duì)屠宰各工序中胴體微生物的數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析中得知最初污染環(huán)節(jié)為扯皮工序，提出扯皮應(yīng)作為生產(chǎn)加工HACCP的關(guān)鍵控制點(diǎn)，還發(fā)現(xiàn)分割車間工具及人手的菌落總數(shù)顯著高于其他環(huán)節(jié)。由此可見，扯皮、分割工序既關(guān)系著羊肉質(zhì)量安全，也關(guān)系著加工人員的身體健康，是我國羊屠宰行業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。國內(nèi)已有學(xué)者重點(diǎn)研究了肉羊胴體分割標(biāo)準(zhǔn)，并得到多家大型肉羊屠宰加工企業(yè)應(yīng)用。

2.1 羊屠宰加工工藝流程

目前，肉羊屠宰工藝要求相似，工藝方案較完善，電擊暈、吊掛、水平預(yù)剝等加工工藝可減小肉羊應(yīng)激反應(yīng)，提高屠宰企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，符合動(dòng)物福利屠宰要求[5，6]，常見的羊屠宰加工工藝如圖1所示。

圖1 羊屠宰加工工藝流程圖

2.2 水平預(yù)剝工藝

潘滿[7](2016)在冷鮮羊肉屠宰加工工藝及關(guān)鍵因素分析中提出，水平預(yù)剝工藝實(shí)現(xiàn)了羊屠宰加工流水線作業(yè)，是屠宰加工的主要發(fā)展方向，近年來應(yīng)用廣泛。水平預(yù)剝是指胴體的四條腿處于同一水平高度，胴體處于水平吊掛狀態(tài)下完成后腿、前腿、胸部、肩部等部位的羊皮預(yù)剝。根據(jù)工藝要求主要配置設(shè)備包括：機(jī)械扯皮機(jī)、刺殺瀝血輸送線、后腿預(yù)剝輸送線、前腿預(yù)剝輸送線、取內(nèi)臟輸送線、落地衛(wèi)檢輸送線、頭蹄輸送線及沖淋及排酸手推線等。其中刺殺瀝血、后腿預(yù)剝、前腿預(yù)剝、取內(nèi)臟、落地衛(wèi)檢和頭蹄六條輸送線，在加工過程中須保持同步，以順利完成肉羊屠宰加工水平預(yù)剝工藝作業(yè)要求?，F(xiàn)水平預(yù)剝工藝已成為冷鮮羊肉屠宰加工過程中不可取代的加工工藝，還可極大提升冷凍羊肉屠宰加工過程中的產(chǎn)量，從而實(shí)現(xiàn)肉羊屠宰加工的流水線作業(yè)。

2.3 羊扯皮技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀

扯皮作為羊屠宰加工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它決定了肉羊屠宰加工最大產(chǎn)量及規(guī)模。傳統(tǒng)羊屠宰多為人工扯皮，其效率極低且勞動(dòng)強(qiáng)度較大。目前新建較大規(guī)模肉羊屠宰加工生產(chǎn)線普遍采用機(jī)械扯皮，因此該設(shè)備品質(zhì)將直接影響產(chǎn)量、皮張帶肉率和皮張破損率。為提供生產(chǎn)效率，需提升扯皮機(jī)的產(chǎn)量；屠宰過程中應(yīng)盡量減少皮張傷殘以提高羊皮附加值；降低皮張帶肉率以減少經(jīng)濟(jì)損失。目前國內(nèi)常見扯皮機(jī)有傾斜隨動(dòng)式和固定式(滾筒式、擺臂式)，見圖2。

圖2 扯皮機(jī)

王洪燕[8](2015)在羊扯皮機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀中指出，固定式扯皮機(jī)存在扯皮元件與胴體加工線運(yùn)行速度不一致，羊胴體受力傾斜致使皮張帶肉率高等問題。潘滿[9](2016)在基于ADAMS傾斜式羊扯皮機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真中，分析了傾斜隨動(dòng)式羊扯皮機(jī)的工作原理，采用四軸卷皮方式進(jìn)行扯皮，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)卷軸正反轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)卷/卸皮動(dòng)作，移動(dòng)小車隨傾斜支架上下運(yùn)動(dòng)，扯皮時(shí)移動(dòng)小車下行，與此同時(shí)隨傾斜支架向前移動(dòng)，水平方向運(yùn)動(dòng)與胴體運(yùn)動(dòng)曲線接近程度更高，且能保證與羊胴體加工線同步，可通過加快輸送線速度提高生產(chǎn)規(guī)模，更適合用于連續(xù)化、規(guī)?；涝咨a(chǎn)線，性能及扯皮效果為國內(nèi)領(lǐng)先水平。

澳大利亞羊屠宰生產(chǎn)線中，常采用旋轉(zhuǎn)式多工位高效扯皮機(jī)，扯皮機(jī)由機(jī)架、旋轉(zhuǎn)扯皮單元、液壓控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成(見圖3)。

圖3 多工位高效羊扯皮機(jī)

扯皮工位由圍繞設(shè)備主軸作360°圓周運(yùn)動(dòng)，依次自動(dòng)順序完成對(duì)羊皮的夾緊、旋轉(zhuǎn)扯皮、卸皮以及復(fù)位的作業(yè)流程。多工位設(shè)計(jì)，連續(xù)作業(yè)工作效率高；卷皮部件在實(shí)現(xiàn)卷皮的同時(shí)，能夠自動(dòng)夾緊和自動(dòng)卸皮，節(jié)省勞動(dòng)力；扯皮作業(yè)柔性好，皮張完整且皮張帶肉率低。與發(fā)達(dá)國家相比，我國扯皮設(shè)備存在扯皮效率低、皮張帶肉率、破損率高等問題。借鑒國外先進(jìn)扯皮技術(shù)，研制成本低效率高的扯皮設(shè)備并推廣應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊，不僅可以替代進(jìn)口，還可出口東南亞、非洲等國家，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 羊胴體分割標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)研究現(xiàn)狀

鑒于烹飪方式、飲食習(xí)慣的不同，各國羊胴體分割標(biāo)準(zhǔn)存在差異。新西蘭、澳大利亞作為世界羊肉主要出口國，其羊肉加工產(chǎn)業(yè)處于國際領(lǐng)先水平，初次分割方式與美國相似，再次分割更加細(xì)分且要求較高，呈個(gè)體肌肉分類切割趨勢。而我國羊胴體分割標(biāo)準(zhǔn)的修訂起步較晚，羊肉加工技術(shù)落后于發(fā)達(dá)國家，羊肉產(chǎn)品缺乏國際競爭力。2007年，我國首次發(fā)布農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《羊肉分割技術(shù)規(guī)范》[10]，將分割羊肉分為帶骨和去骨兩類，其中帶骨分割羊肉25種，去骨分割羊肉13種。徐晨晨[11](2017)在胴體分割與羊肉品質(zhì)的關(guān)系研究中表明胴體分割對(duì)提高食用、營養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值具有重要作用，在滿足消費(fèi)需求下保證羊肉的優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)，但不同的分割技術(shù)也會(huì)影響羊肉品質(zhì)。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食物與營養(yǎng)發(fā)展研究所周琳[12](2019)在肉類全產(chǎn)業(yè)鏈損耗研究數(shù)據(jù)中表明，分割環(huán)節(jié)損耗達(dá)1.36%，冷凍儲(chǔ)藏?fù)p耗0.92%，運(yùn)輸損耗0.83%，產(chǎn)業(yè)鏈減損降耗存在較大提升空間，肉類損耗的主要原因是企業(yè)加工分割技術(shù)水平較低。分割作為羊屠宰加工減損降耗、提質(zhì)增效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)備直接影響肉品損耗率和加工效率。發(fā)達(dá)國家羊胴體分割技術(shù)向著自動(dòng)化、信息化和智能化方向發(fā)展，而我國羊胴體分割仍以人工輔助流水線作業(yè)為主，存在分割效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、肉品損耗多、衛(wèi)生安全等問題，嚴(yán)重制約分割加工水平的提升。國內(nèi)學(xué)者在羊胴體分割技術(shù)開展初步探索，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所張德權(quán)[13](2018)提出一種羊胴體計(jì)算機(jī)視覺輔助分割系統(tǒng)，通過胴體信息數(shù)據(jù)庫和模塊間的數(shù)據(jù)交互完成羊胴可視化體分割，覆蓋我國46個(gè)主要肉羊品種，分割出25類帶骨和13類去骨225種精細(xì)分割產(chǎn)品，分割準(zhǔn)確率95%，分割效率3 000只/d，實(shí)現(xiàn)由經(jīng)驗(yàn)分割向標(biāo)準(zhǔn)化分割跨越。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在羊分割方面有較為系統(tǒng)的研究：(1)洪祖維[14](2019)設(shè)計(jì)了羊劈半胴體自動(dòng)分割裝置，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括胴體推動(dòng)裝置、多點(diǎn)式胴體夾具及分割機(jī)械手；基于KEIL開發(fā)了分割機(jī)械手和多點(diǎn)式家畜胴體夾具的控制程序。(2)李振強(qiáng)[15](2020)提出基于機(jī)器視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)的羊骨架自動(dòng)分割方法，以羊骨架軀體、腰椎、頸部、胸腔為特征點(diǎn)，利用圖像處理技術(shù)提取坐標(biāo)參數(shù)，采用Lasso、SVR和GBDT作為個(gè)體學(xué)習(xí)器，模型預(yù)測精度較高、泛化能力較強(qiáng)；在多關(guān)節(jié)機(jī)器人分割試驗(yàn)中，軌跡預(yù)測精度3.4mm，理論效率413只/h，效率約提升37.9%。(3)采用6軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人及銑削式末端執(zhí)行機(jī)械手構(gòu)建羊胴體/骨架機(jī)器人智能分割系統(tǒng)，采用3D掃描、深度學(xué)習(xí)手段快速提取部位肉特征信息以合理規(guī)劃分割路徑[16]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)周艷青[17](2018)、內(nèi)蒙古大學(xué)李魏魏[18](2017)等將機(jī)器視覺、圖像分析技術(shù)應(yīng)用于羊體征識(shí)別、去腿分割。此外，超高壓水切分作為一種非接觸、低肉損、加工范圍廣的冷態(tài)肉類加工技術(shù)，可解決傳統(tǒng)刀鋸的熱損傷及肉損耗率高的問題。依據(jù)被切分物的表面特性(肉/帶骨肉/骨)調(diào)整壓力、速度等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)提高切割效率，確保切縫小、切割面平整的目標(biāo)。上述成果處于實(shí)驗(yàn)室理論研究階段，距離工業(yè)化生產(chǎn)仍有一段距離。學(xué)習(xí)借鑒國外智能化精細(xì)化分割技術(shù)，細(xì)化并完善羊肉分割標(biāo)準(zhǔn)，加快推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用落地，對(duì)于推進(jìn)我國分割加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)，提高肉品品質(zhì)具有重要意義。

3 羊屠宰加工關(guān)鍵技術(shù)裝備科技趨勢

《中國制造2025》[19]提出，堅(jiān)持“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針，作為五大重點(diǎn)工程之一的智能制造工程，要推進(jìn)制造過程智能化。建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車間，加快人機(jī)智能交互、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。未來10年，綠色、營養(yǎng)、健康食品的可視化與體驗(yàn)將是消費(fèi)者對(duì)飲食的最大需求，也是我國肉品加工科技創(chuàng)新發(fā)展的必經(jīng)之路。緊密結(jié)合我國羊肉加工現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，高效屠宰、智能分割、綠色安全將是我國羊肉加工科技創(chuàng)新的方向。

3.1 高效屠宰加工裝備

開展數(shù)字化控制、信息感知、仿真優(yōu)化等新方法，研究高效自動(dòng)扯皮等核心技術(shù)裝備，推廣應(yīng)用智能化、信息化屠宰加工裝備。設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，依據(jù)工藝制定設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，使工藝與裝備配套，實(shí)現(xiàn)有序排列連續(xù)生產(chǎn)；設(shè)備多樣化，將先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用于多對(duì)象、多環(huán)境，實(shí)現(xiàn)便攜穩(wěn)定使用[20]。在此基礎(chǔ)上開發(fā)連續(xù)化、自動(dòng)化和工程化成套加工裝備，為羊屠宰加工裝備升級(jí)換代提供支撐。

3.2 智能分割機(jī)器人

建立適合中國膳食習(xí)慣的羊肉分割體系標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)屠宰分割的個(gè)體差異和復(fù)雜性，以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別與定位、自主規(guī)劃路徑、柔性控制為目標(biāo)，將機(jī)器人學(xué)習(xí)與認(rèn)知、人機(jī)交互等前沿技術(shù)與機(jī)器視覺、力覺反饋、圖像分析處理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[21]應(yīng)用于改造傳統(tǒng)屠宰產(chǎn)業(yè)，為羊屠宰分割提供新的技術(shù)途徑，推進(jìn)智能分割機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)分割環(huán)節(jié)機(jī)器代替人工。

4 結(jié)語

以提高羊扯皮、分割等關(guān)鍵屠宰加工環(huán)節(jié)技術(shù)水平為抓手，以學(xué)習(xí)借鑒國外先進(jìn)設(shè)備為手段，以減損降耗、提質(zhì)增效為目標(biāo)，擬實(shí)現(xiàn)羊屠宰加工自動(dòng)化、規(guī)?；?、智能化。加快實(shí)現(xiàn)我國羊屠宰加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)和安全水平提升，提升產(chǎn)業(yè)層次，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)調(diào)整，以滿足人民日益增長的生活需求，支撐創(chuàng)新型國家建設(shè)。