海灣扇貝熱處理開殼裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

孔德剛，江達(dá)，王家忠，弋景剛

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

0 引言

我國貝類養(yǎng)殖面積正逐年增加，海灣扇貝在我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)占比越來越大，并逐漸成為餐桌上人見人愛的美食，其營養(yǎng)豐富，具有保健功效，老少皆宜[1-4]。我國扇貝加工工藝并不完善，存在加工效率低、加工機(jī)具不完備的缺點(diǎn)，多數(shù)扇貝開殼工作由人工完成[5-7]。因此探究扇貝開殼工藝方案，實(shí)現(xiàn)開殼工作機(jī)械化、自動(dòng)化勢在必行。

大部分海灣扇貝被加工制成冷凍食品或干制食品銷售，在食品加工前，海灣扇貝加工都必須經(jīng)歷清洗分級、開殼、去臟、取肉等工序[8-10]。開殼工序是海灣扇貝打撈上岸經(jīng)清洗分級后尤為重要的一步，是扇貝加工行業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)也是整個(gè)加工流程中較為困難的一個(gè)工序[11-12]。對于扇貝開殼方案，日本設(shè)計(jì)的扇貝加工設(shè)備采用吸盤吸住貝殼，拉動(dòng)吸盤強(qiáng)制扇貝兩殼打開[13-15]；我國山東李府謙設(shè)計(jì)的扇貝蒸煮機(jī)通過連續(xù)蒸煮方式將扇貝兩殼打開[16-18]。本文針對熱處理開殼方案展開研究，試驗(yàn)探索適合海灣扇貝的熱處理開殼方案，并設(shè)計(jì)適合海灣扇貝的熱處理開殼裝置，利用蒸汽噴射完成開殼工作，利用成形刀將上殼去除，通過調(diào)整蒸汽噴射參數(shù)保證扇貝鮮活程度，為扇貝加工后續(xù)工作節(jié)約時(shí)間，提高我國扇貝加工機(jī)械化程度，填補(bǔ)扇貝加工機(jī)械空缺，為實(shí)現(xiàn)扇貝加工產(chǎn)業(yè)化、自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)。

1 海灣扇貝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及開殼機(jī)理

海灣扇貝貝殼呈扇形，扇貝兩殼形狀基本無差別，右殼稍高于左殼，左右兩殼幾乎對稱，左右殼連接部分平直。貝殼表面有17～18條放射形肋。海灣扇貝成熟高度為60 mm左右，貝殼殼寬約為24 mm，扇貝體重為16～38 g。貝殼內(nèi)部主要有貝柱、裙邊、內(nèi)臟等結(jié)構(gòu)，貝柱及其周圍結(jié)構(gòu)通常附著在右殼上。海灣扇貝內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 海灣扇貝內(nèi)部結(jié)構(gòu)

海灣扇貝內(nèi)部結(jié)構(gòu)中保持貝殼緊閉的是橫紋肌和平滑肌，二者共同組成閉殼肌。橫紋肌反應(yīng)靈敏，具有較強(qiáng)的收縮能力，能快速關(guān)閉貝殼。平滑肌動(dòng)作遲緩，能保持貝殼長時(shí)間處于閉合狀態(tài)。貝殼打開主要靠韌帶實(shí)現(xiàn)，韌帶的功能是當(dāng)橫紋肌松弛時(shí)，韌帶展開使兩殼張開。貝柱即為閉殼肌的主要部分，扇貝開殼的主要工作任務(wù)是設(shè)法刺激橫紋肌，使其失活，進(jìn)而使左右兩貝殼張開。

2 熱處理開殼方案試驗(yàn)與分析

2.1 熱處理開殼方案試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)了火烤、水浴沖擊、蒸汽噴射3種熱處理開殼方案，火烤開殼試驗(yàn)用到的試驗(yàn)設(shè)備主要有熱源(酒精燈)、扇貝托架，將扇貝置于仿形扇貝托架上，酒精燈對下殼貝柱對應(yīng)位置灼烤，觀察在規(guī)定時(shí)間10 s內(nèi)的海灣扇貝開殼情況；水浴沖擊開殼試驗(yàn)用到的試驗(yàn)設(shè)備主要有電加熱開水器、測溫儀，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定90 ℃、100 ℃兩種水溫，通過熱水沖擊扇貝對殼體加熱，達(dá)到對橫紋肌刺激的目的，統(tǒng)計(jì)海灣扇貝開殼所需時(shí)間；蒸汽噴射開殼試驗(yàn)用到的試驗(yàn)設(shè)備主要有蒸汽發(fā)生器、測溫儀，對海灣扇貝進(jìn)行不同時(shí)間蒸汽噴射處理，觀測開殼效果。

2.2 熱處理開殼試驗(yàn)分析

用酒精燈對扇貝加熱10 s時(shí)，扇貝開殼率較低，難以達(dá)到開殼工作標(biāo)準(zhǔn)，海灣扇貝直徑大小與開殼沒有直接關(guān)系，且火烤溫度難以控制，易灼傷貝殼；水浴沖擊開殼在沖擊水溫為90 ℃時(shí)，海灣扇貝開殼需9～13 s，水溫為100 ℃時(shí)，海灣扇貝開殼所需的時(shí)間是4～7 s，在水浴沖擊5 s時(shí)，殼內(nèi)溫度可達(dá)到60 ℃～80 ℃，水浴開殼對貝柱的新鮮程度有很大影響，易使貝柱熟化，且會(huì)造成大量水資源浪費(fèi)；蒸汽噴射5～10 s 時(shí)開殼效果較好，保證了工作效率，且直徑越小，開殼時(shí)間越短，蒸汽開殼貝柱新鮮程度與完整性好，裙邊沒有出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，提高海灣扇貝利用率。因此蒸汽噴射開殼方案更適宜應(yīng)用于海灣扇貝開殼加工工作?；鹂鹃_殼、水浴沖擊開殼、蒸汽噴射開殼扇貝情況如圖2所示。

(a) 火烤開殼

(b) 水浴沖擊開殼

(c) 蒸汽噴射開殼

3 蒸汽噴射熱處理開殼裝置設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

蒸汽噴射熱處理開殼裝置由機(jī)架、輸送帶、絲杠滑臺(tái)、蒸汽噴射系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)組成，輸送帶排列兩排扇貝仿形孔，增加扇貝熱處理開殼工作效率?？傮w結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 蒸汽噴射熱處理開殼裝置總體結(jié)構(gòu)

3.2 工作原理

將扇貝放置在扇貝仿形孔上，扇貝隨輸送帶向前運(yùn)輸，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，機(jī)架上的定位傳感器響應(yīng)，控制系統(tǒng)控制蒸汽噴射系統(tǒng)隨輸送帶運(yùn)動(dòng)噴射蒸汽，噴射時(shí)扇貝壓條起強(qiáng)制閉合的作用，避免蒸汽直噴使貝柱熟化。通過扇貝壓條后，扇貝雙殼打開，隨輸送帶向前經(jīng)過成形刀撐開并去掉上殼。

3.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

對蒸汽噴射熱處理開殼時(shí)的扇貝進(jìn)行模型簡化并進(jìn)行受力分析，扇貝上殼受向上的韌帶粘彈性力、向下的蒸汽壓力、閉殼肌粘彈性力、上殼重力。

扇貝韌帶粘彈性力可表示為

F韌帶=K1x1+C1x1

(1)

式中：F韌帶——扇貝韌帶粘彈性力；

K1——韌帶彈性系數(shù)；

C1——韌帶粘性系數(shù)；

x1——韌帶伸長速率。

蒸汽壓力計(jì)算公式可表示為

F蒸汽=P×S

(2)

S=0.776 6×H2

(3)

式中：F蒸汽——蒸汽壓力；

P——蒸汽壓強(qiáng)；

S——閉殼肌截面積；

H——扇貝殼長。

閉殼肌粘彈性力可表示為

F閉殼肌=K2x2+C2x2

(4)

式中：F閉殼肌——閉殼肌粘彈性力；

K2——閉殼肌彈性系數(shù)；

C2——閉殼肌粘性系數(shù)；

x2——閉殼肌伸長速率。

扇貝上殼的重力可表示為

G=mg

(5)

式中：G——扇貝上殼重力；

m——扇貝上殼質(zhì)量；

g——重力加速度，取9.8 N/kg。

對蒸汽噴射熱處理開殼過程建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

(6)

(7)

式中：L1——韌帶靠近閉殼肌的邊緣位置與殼體底邊的距離；

L2——閉殼肌邊緣與殼體底邊的距離；

L3——閉殼肌邊緣與殼體靠近閉殼肌一側(cè)的距離；

L——閉殼時(shí)扇貝上殼閉殼肌連接邊緣到殼體底邊的最小距離；

M——扇貝上殼質(zhì)心位置；

t——時(shí)間；

JZ——扇貝上殼對Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

?——扇貝開殼角度。

由化簡后的扇貝開殼過程運(yùn)動(dòng)模型可知，蒸汽壓力、扇貝上殼質(zhì)心位置變化都會(huì)對扇貝開殼過程產(chǎn)生影響，運(yùn)動(dòng)模型的建立為進(jìn)一步研究扇貝開殼機(jī)理和設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件提供理論支持。

3.3.1 扇貝仿形孔設(shè)計(jì)

扇貝仿形孔采用兩排并列布置，提高扇貝加工工作效率，仿形孔內(nèi)設(shè)有2個(gè)鋸齒狀的支撐，在去除上半殼的工作中對扇貝起到固定定位的作用，扇貝仿形孔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 扇貝仿形孔結(jié)構(gòu)圖

通過對扇貝外形尺寸進(jìn)行大量測量，確保扇貝可在仿形孔內(nèi)固定，且不會(huì)從孔內(nèi)掉落，本文設(shè)計(jì)的扇貝仿形孔垂直輸送帶運(yùn)動(dòng)方向尺寸寬度為40 mm，沿傳送帶運(yùn)動(dòng)方向尺寸為50 mm。

3.3.2 成形刀設(shè)計(jì)

成形刀經(jīng)肋條固定布置在機(jī)架上，因扇貝上殼向上有一定弧度，所以成形刀也設(shè)計(jì)成具有一定弧度，且低于扇貝壓條。蒸汽噴射后的扇貝有一定開口，成形刀伸入開口將兩殼撐開并去掉上殼。成形刀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 成形刀結(jié)構(gòu)圖

成形刀的安裝高度與扇貝的開殼角度相關(guān)，通過使用量角器對蒸汽噴射后的扇貝開殼角度測量，測量結(jié)果如表1所示，最終確定成形刀的安裝高度為15～20 mm，成形刀楔形刃口角度為30°。同時(shí)為確保扇貝壓條可緊壓扇貝下殼且殼內(nèi)貝柱及其他組織可順利從兩扇貝壓條縫隙通過，通過對扇貝內(nèi)外結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系測量，確定每排扇貝仿形孔上兩條配合工作的扇貝壓條間距為25 mm。

表1 蒸汽噴射扇貝開殼角度Tab. 1 Opening angle of steam jet scallop

3.4 蒸汽發(fā)生器自動(dòng)化設(shè)計(jì)

目前蒸汽發(fā)生器自動(dòng)化程度不高，且在加熱時(shí)存在功耗高、效率低的缺點(diǎn)[19]。本文通過PID智能控制儀對蒸汽發(fā)生器進(jìn)行改造，利用傳感器檢測蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的溫度和壓力，并對溫度和壓力控制[20-21]。自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

圖6 自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案圖

工作時(shí)，PT100溫度傳感器檢測蒸汽溫度，并將檢測到的信號傳遞到PID智能溫度控制儀進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，通過控制占空比調(diào)節(jié)電熱絲加熱，當(dāng)蒸汽溫度達(dá)到標(biāo)定溫度時(shí)，蒸汽控制閥打開噴射蒸汽。通過探針檢測蒸汽發(fā)生器爐內(nèi)水位，當(dāng)爐內(nèi)水位低于探針標(biāo)定水位，水泵工作開始加水，當(dāng)達(dá)到標(biāo)定水位時(shí)則停止。壓力傳感器安裝在蒸汽發(fā)生器爐內(nèi)，實(shí)時(shí)檢測壓力值的大小，當(dāng)檢測壓力超出設(shè)定值時(shí)，則通過泄壓閥泄壓保證系統(tǒng)安全。

4 裝置試驗(yàn)與結(jié)果分析

對海灣扇貝蒸汽噴射開殼效果采用感官評分評定，感官評分鑒定標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。選用分級后殼長為55～60 mm的海灣扇貝進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 感官評分鑒定表Tab. 2 Sensory evaluation table

4.1 不同蒸汽噴射時(shí)間對扇貝開殼效果的影響

將蒸汽發(fā)生器壓力調(diào)節(jié)為0.3～0.4 MPa，蒸汽溫度設(shè)定在142 ℃～151 ℃范圍內(nèi)，噴射距離為40 mm，蒸汽排量閥門開度為45°，設(shè)定蒸汽噴射時(shí)間間隔為1 s，試驗(yàn)并觀察開殼效果，結(jié)果如圖7所示。噴射時(shí)間在1～3 s范圍內(nèi)時(shí)，開殼效果隨蒸汽噴射時(shí)間的增加越來越好，時(shí)間超過3 s后，扇貝開殼程度增大，但繼續(xù)加熱會(huì)導(dǎo)致貝柱受熱熟化，不能保證新鮮程度。因此蒸汽噴射時(shí)間應(yīng)選為2～4 s。

圖7 不同蒸汽噴射時(shí)間海灣扇貝開殼效果曲線圖

4.2 不同蒸汽噴射距離對扇貝開殼效果的影響

保持蒸汽發(fā)生器壓力為0.3～0.4 MPa，蒸汽溫度在142 ℃～151 ℃范圍內(nèi)，蒸汽噴射時(shí)間為3 s，蒸汽排量閥門開度為45°。設(shè)定不同噴射距離，選取同一尺寸級別扇貝進(jìn)行試驗(yàn)，不同噴射距離條件下，扇貝開殼效果如圖8所示。當(dāng)噴射距離小于30 mm時(shí)，開殼程度大，但由于過多熱量傳導(dǎo)至貝柱，使貝柱熟化程度增加，當(dāng)噴射距離大于30 mm時(shí)，貝柱的新鮮程度可得到保證，但扇貝開殼程度隨噴射距離增大而變差，最終確定蒸汽噴射距離為30～50 mm。

圖8 不同蒸汽噴射距離海灣扇貝開殼效果曲線圖

4.3 不同蒸汽噴射排量對扇貝開殼效果的影響

保持蒸汽發(fā)生器壓力為0.3～0.4 MPa，蒸汽溫度在142 ℃～151 ℃范圍內(nèi)，蒸汽噴射時(shí)間為3 s，蒸汽噴射距離為40 mm，不同蒸汽排量下扇貝開殼效果如圖9所示。當(dāng)閥門開度小于75°，開殼率隨閥門開度增加而增加，當(dāng)閥門開度超過75°，貝柱的鮮嫩程度有所下降，品質(zhì)不能得到保證，因此綜合考慮確定閥門開度為60°～90°。

圖9 不同蒸汽噴射排量海灣扇貝開殼效果曲線圖

4.4 響應(yīng)面試驗(yàn)確定最佳裝置參數(shù)

運(yùn)用Box-Behnken design試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，隨機(jī)組合試驗(yàn)次序，以噴射時(shí)間、噴射距離、噴射排量為自變量，開殼效果評分為響應(yīng)值，試驗(yàn)因素與水平如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素水平表Tab. 3 Table of test factor levels

按Box-Behnken design隨機(jī)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 Box-Behnken design試驗(yàn)組合與結(jié)果Tab. 4 Box-Behnken design test combination and results

采用Design-Expert對表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行三元二次的回歸擬合，得到扇貝開殼效果評分的簡化回歸方程為

Y=81.54+5.33X1-3.33X2+4.43X3+

0.55X1X2+1.56X1X3-2.82X2X3-

2.62X12+4.04X22-0.56X32

(8)

對擬合的簡化回歸方程進(jìn)行方差分析見表5。

表5 試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab. 5 Analysis of variance of test results

由表5可知，3個(gè)因素對感官評分影響顯著，失擬項(xiàng)不顯著，所建立模型具有較高的可靠性。X1、X2、X3、X22與開殼效果感官評分Y呈極顯著關(guān)系，最終得到各因素對感官評分的影響順序?yàn)檎羝麌娚鋾r(shí)間>蒸汽排量>蒸汽噴射距離。各因素交互作用對開殼感官評分的影響的響應(yīng)面曲線如圖10所示。

由圖10可知，三個(gè)因素交互作用對開殼感官評分影響顯著。當(dāng)噴射距離不變時(shí)，增加噴射時(shí)間和蒸汽排量有助于提高扇貝開殼效果；當(dāng)噴射時(shí)間不變時(shí)，提高開殼感官評分的措施有減小噴射距離和增大蒸汽排量，蒸汽排量的改變對扇貝開殼效果的影響顯著，加大蒸汽排量可提高開殼效果評分。采用Design-Expert優(yōu)化分析，可得出當(dāng)蒸汽噴射時(shí)間為3 s、蒸汽噴射距離為30 mm、蒸汽閥門開度設(shè)為90°時(shí)，可得到最佳的開殼效果，感官評分理論值為98.23分。

為了驗(yàn)證試驗(yàn)的可行性，將最佳的扇貝開殼條件設(shè)定為蒸汽噴射時(shí)間為3 s、噴射距離為30 mm、蒸汽排量閥門開度設(shè)為90°。再次進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)3次試驗(yàn)，整理數(shù)據(jù)如表6所示，開殼效果感官評分的平均值為93.67分，開殼效果感官評分相對誤差為4.56%，與理論值基本保持一致，表明以上參數(shù)優(yōu)化方法可行。

本蒸汽噴射熱處理開殼裝置對扇貝進(jìn)行開殼處理后，開殼效果如圖11所示。經(jīng)本裝置開殼的海灣扇貝肉質(zhì)鮮美，未出現(xiàn)熟化現(xiàn)象，經(jīng)成形刀可將扇貝上殼去除，簡化扇貝加工步驟，且加工效率高，大大提高扇貝加工機(jī)械化程度。

(a) 蒸汽噴射時(shí)間與排量的影響

(b) 蒸汽噴射距離與排量的影響

(c) 蒸汽噴射時(shí)間與距離的影響

表6 海灣扇貝開殼條件試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab. 6 Test data table of bay scallop shell opening conditions

圖11 蒸汽噴射熱處理開殼裝置開殼效果圖

5 結(jié)論

1) 通過研究海灣扇貝的生理結(jié)構(gòu)、開殼特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外已有扇貝開殼技術(shù)，分別對火烤開殼、水浴沖擊開殼、蒸汽噴射開殼方案進(jìn)行試驗(yàn)，總結(jié)三種開殼方案試驗(yàn)效果，選出最適合海灣扇貝開殼的熱處理方式是蒸汽噴射方式。并針對蒸汽噴射熱處理開殼方式設(shè)計(jì)出海灣扇貝蒸汽噴射熱處理開殼裝置，通過試驗(yàn)確定裝置開殼工作時(shí)的最佳工作參數(shù)，節(jié)約海灣扇貝加工時(shí)間，簡化扇貝加工步驟，保證海灣扇貝新鮮程度與完整度，提高扇貝加工工作效率，改變我國扇貝加工機(jī)械化程度低的局面。

2) 本文設(shè)計(jì)的蒸汽噴射熱處理開殼裝置中關(guān)鍵部件扇貝仿形孔垂直輸送帶運(yùn)動(dòng)方向尺寸寬度為40 mm，沿傳送帶運(yùn)動(dòng)方向尺寸為50 mm，成形刀安裝高度15～20 mm，楔形刃口角度為30°，每排扇貝仿形孔上兩條配合工作的扇貝壓條間距為25 mm。

3) 通過單因素試驗(yàn)及多因素組合響應(yīng)面分析，以開殼效果感官評分為響應(yīng)指標(biāo)，確定裝置最佳工作參數(shù)為蒸汽噴射3 s、蒸汽噴射距離30 mm、蒸汽閥門開度90°時(shí)，開殼效果最佳，通過最佳工作參數(shù)下開殼試驗(yàn)，驗(yàn)證了響應(yīng)模型有效性，得到海灣扇貝感官評分的平均值為93.67分，可達(dá)到海灣扇貝開殼工作標(biāo)準(zhǔn)。