李 銀 賈 偉 張春暉 李 俠 孫紅梅 董憲兵

（1.中國農業(yè)科學院農產品加工研究所，北京 100193；2.農業(yè)部農產品加工綜合性重點實驗室，北京 100193）

中國是世界畜禽產量最多的國家之一，全國每年產生的各類畜禽骨產量約2 000萬t，骨資源極為豐富［1］。畜禽骨中含有豐富的蛋白質、脂類、礦物質等營養(yǎng)成分，具有很高的開發(fā)價值［2，3］。但是長期以來大量的畜禽骨沒有得到合理的利用，被加工成了附加值很低的產品，如骨膠、骨油、飼料、肥料等，沒有完全體現(xiàn)出骨的營養(yǎng)價值，近年來利用畜禽骨生產骨素提高了可食性骨利用的附加值［4］。骨素又名鮮骨抽提物，是以鮮骨為原料，采用物理加工工藝，充分提取鮮骨中的水溶性營養(yǎng)物質，肉香味濃郁且營養(yǎng)極其豐富，是一種高蛋白、低脂肪、純天然的營養(yǎng)型食品調味料基料［5］。骨素作為調味料、湯料、肉制品加工乃至整個食品加工工業(yè)領域廣泛應用的產品，其市場占有量不斷上升，經濟效益可觀，在食品加工行業(yè)獲得了較快的發(fā)展機遇［6］。

目前，中國骨素生產廠家使用的熱抽提設備是由之前的植物提取罐改造而來的，其提取壓力偏低、出品率不高、通用性差［7］；而進口設備又不能滿足國內多品種原料生產的現(xiàn)狀，導致提取設備不能很好的通用；常規(guī)熱抽提設備對于畜禽骨提取出品率偏低、存在物料中心部位不能煮透而導致提取不完全、在提取過程中出現(xiàn)油不易分離的情況。本研究是在現(xiàn)有骨素抽提裝置的基礎上，研制出一套既可提高產品質量又可降低能耗的可食性動物骨素熱壓抽提裝置。

1 骨素熱壓抽提裝置的設計

1.1 結構組成

骨素熱壓抽提裝置主要由罐體（包括SUS304不銹鋼管壁、上封頭、排空口、排渣口、出液口）、蒸汽加熱系統(tǒng)（包括立管蒸汽進口、蒸汽出口、循環(huán)口、輔助管、盤管、盤管蒸汽進口、立管保溫層等）和控制系統(tǒng)（包括傳感器、計算機、執(zhí)行調節(jié)機構等）組成，見圖1。

圖1 骨素熱壓抽提裝置的結構示意圖Figure 1 Structural diagram of hot pressing extraction equipment

1.2 工作原理

熱壓提取罐的工作原理是在較高溫度與壓力下的煎煮抽提過程中，破碎的鮮骨浸泡在水中，采用蒸汽加熱，經過一定時間，將蛋白質、脂肪、礦物質、風味物質等提取出來。依據(jù)原料進出口方式可將骨素熱壓抽提設備分為上進上出式、上進下出式、上進下排渣式、中間出料式和臥式殺菌鍋提取式。本研究設備集合上部大開蓋和下排渣提取罐的優(yōu)勢［8，9］，開發(fā)了一種可食性動物骨素熱壓抽提裝置。該裝置采用固定料斗的方式將粉碎后的骨頭投入到提取罐中，投料量大，投料速度快。罐體耐壓程度提高，直接投料的方式增加了罐體的容積率，有助于解決常規(guī)提取罐提取不徹底、油脂不易分離、通用性差、不能夠在廣泛壓力范圍內進行操作的問題［10］。

2 抽提罐主要部件的工作原理

2.1 抽提罐的自動開蓋鎖蓋機構

2.1.1 自動開蓋機構 當內部物料吊裝好后，罐蓋需要穩(wěn)定緩慢的與罐體閉合。具體的工作過程為，罐蓋以安裝在軸座2上的軸8為圓心（圖2），通過電動缸1的螺桿伸縮帶動推桿臂2（圖3）來緩慢將罐蓋閉合。軸座2通過連接螺栓3安裝在罐體側板10上，保證軸8的穩(wěn)定牢固（圖2）。調節(jié)螺栓4是用來微調罐蓋與罐體法蘭之間的間隙，可以保證罐蓋與罐體法蘭配合緊密。而止推環(huán)6的作用是為了限定軸8在一定范圍內調節(jié)而不至于使軸8與軸套5活動范圍太大（圖2）。裝在電動缸底板4上的電動缸1（圖3），在開蓋和閉蓋動作中是能圓周運動的。電動缸1的螺桿與軸套5（圖2）的連接通過推桿臂2（圖3）來實現(xiàn)，而翻蓋臂架1（圖3）與軸套5（圖2）焊接在一起，通過電動缸的伸縮來使其沿軸8（圖2）做圓周運動。配重7（圖2）是為了減輕電動缸1運行時的沖量，使其運行更加穩(wěn)定。

圖2 開蓋機構正視圖Figure 2 Front view of the lid－opening structure

圖3 開蓋機構側視圖Figure 3 Lateral view of the lid－opening structure

圖4 鎖蓋機構正視圖Figure 4 Front view of the lid－locking structure

2.1.2 自動鎖蓋機構 當罐蓋閉合后，通過安裝在底座12上的鎖蓋電機1推動螺桿帶動滑塊6（圖4），再帶動撥塊1與罐體連接塊2（圖5）使罐體旋轉圈旋轉而鎖閉。安裝在鎖蓋電機底座2的鎖蓋電機1帶動絲桿通過聯(lián)軸器3在軸承A和軸承B中間通過正反轉使滑塊6（圖4）在撥塊1（圖5）的凹槽內運動。同時，絲桿頂端的扇形齒輪10與手柄齒輪11也會嚙合轉動，手動輪8亦會隨鎖蓋電機1來回轉動（圖5）。若遇到停電狀況時，手動裝置就會使用，通過轉動手動輪8，帶動扇形齒輪10與手柄齒輪11而使罐體旋轉圈旋轉而打開（圖5）。

2.1.3 兩機構之間的相互工作關系

（1）開蓋與鎖蓋需要按照設定進行操作，即若旋轉鎖蓋不到位則開蓋機構不會動作，若開蓋機構不到位旋轉鎖蓋不會啟動。從安全角度，防止誤操作時對開蓋和鎖蓋機構的損壞。開蓋機構和鎖蓋機構是否到位是通過兩端的行程開關來實現(xiàn)。

圖5 鎖蓋機構俯視圖Figure 5 Vertical view of the lid－locking structure

（2）壓力互鎖。罐內只要壓力不歸零，任何開蓋、鎖蓋機構均不會動作。即使誤操作也不會有誤開蓋情況。

2.2 抽提罐的加熱

2.2.1 直噴加熱立管設計 為了使蒸汽對物料加熱更加均勻，如果只從底部和夾套加熱，傳熱存在溫度梯度，中心部分的物料不能充分加熱，蒸汽也不能進入到物料中心，會造成提取效果差，提取不充分，能源與時間的浪費，能效比低。由此，對中心部位加熱采用兩根直噴立管，立管進汽量與出汽量匹配，并按均布四周的正三角形排列出汽孔，保證立管四周均勻加熱（圖6）。

圖6 加熱立管正視圖Figure 6 Front view of the heating riser

增加直噴加熱能夠有效的提高蒸汽使用效果，提升生產效率，使得吊籠內部物料不光可以從底部周圍的夾套和立管方向受到蒸汽加熱，而且能夠在立管噴出的蒸汽壓力下翻騰，充分加熱和攪拌進而使提取效果更佳。

2.2.2 抽提罐底部盤管加熱器 為了避免蒸汽發(fā)生“短路”，即盡量使蒸汽全部接觸物料而不會由于局部蒸汽量過大沖開物料形成通道造成無效的逃逸。進入罐的蒸汽應當盡可能均勻分布于整個罐底，可以通過設計的盤管加熱器（蒸汽分布器）（圖7）來實現(xiàn)。環(huán)形的圓管有兩個進蒸汽口，圓環(huán)形蒸汽管中心部分再由十字的打孔圓管接通，保證在底部盡可能的均勻分布蒸汽。圓管打孔的方向與管軸線成45度角，這樣可以防止管上脫落的渣不掉落在孔內而造成堵塞［11］。

圖7 盤管加熱器俯視圖Figure 7 Vertical view of the spiral heater

2.2.3 抽提罐加熱方式相互關系 抽提罐的加熱方式分3種，是按照不同的溫度階段、針對不同的物料和產品來選擇的。（1）針對不同溫度階段。在吊籠進入到抽提罐內部后注水完成，開啟蒸汽閥門，蒸汽通過底部盤管進汽口1（圖7）進入到加熱盤管3（圖8）來加熱水。待溫度升到50℃左右后，再開啟加熱立管的蒸汽閥門，對吊籠內部進行加熱。等到溫度升到90～95℃時關閉加熱盤管和加熱立管的蒸汽閥門，同時開啟罐體夾套的蒸汽閥門，采用罐體夾套加熱。恒溫階段采用夾套加熱。

圖8 盤管加熱器正視圖Figure 8 Front view of the spiral heater

（2）若針對不同產品時，3種加熱方式需要結合使用。若目標產品為不需要乳化的清湯產品，從升溫到保溫直至出料加熱方式始終采用罐體夾套的加熱實現(xiàn)，目的就是為了盡量減少直噴蒸汽帶來的劇烈沸騰而使油脂乳化。若目標產品為高湯產品，加熱盤管和加熱立管則需要同時對物料從內部到外部的快速加熱，包括在保溫時，采用直噴加熱保持湯液微沸狀態(tài)可以使高湯的狀態(tài)更加穩(wěn)定持久。

加熱立管4的設置，對吊籠內部堆積物料更加均勻的加熱非常必要，對提高產品提取率和溫度均一也非常關鍵。

2.3 抽提自控系統(tǒng)

在提取生產中，目前普遍存在生產設備及檢測和控制技術落后現(xiàn)象，工藝環(huán)節(jié)需要手動操作，產品質量不穩(wěn)定，批次與批次之間產品質量存在較大差異。生產過程中的關鍵生產記錄也是由人工填寫，這樣人為因素較多，數(shù)據(jù)差異大，效率較低，且手工記錄也不便查詢難以形成追溯體系。

在設置自控體系和關鍵控制點時，不僅要有現(xiàn)場操作人員，還需要工藝和生產管理負責人，這樣控制點才能夠符合現(xiàn)實生產的需要，達到控制的目的。所以為了避免這種情況的發(fā)生，此設計中，提出工藝關鍵點的自動控制，采取分散控制，集中管理的方式［12，13］。如圖9所示。

圖9 自控流程示意圖Figure 9 Diagram of control system

（1）因為料水比是1∶2（m∶V），內容物料可以稱量，加水量由流量計來控制，能夠累積計算，到達需要水量時就可以控制進水蝶閥關閉。

（2）工藝中，對進蒸汽量的控制要求較高，所以對夾套和直噴蒸汽采用PID調節(jié)的隔膜式蒸汽閥進行控制，信號反饋來自罐體的溫度計和蒸汽流量計。

（3）包括罐體的溫度、壓力與開蓋、鎖蓋的行程限位開關都通過數(shù)據(jù)線在控制柜內顯示，保證操作人員可以實時監(jiān)控生產情況并進行控制。

（4）每個生產過程通過內置的長途記錄儀記錄，并設定密碼保護，每批次生產結束后存檔，以備查閱形成追溯。

以上的幾個關鍵控制點，采用自動控制，能夠精確的控制工藝參數(shù)。保證批次間質量穩(wěn)定和減少人為因素干擾，也可以形成操作規(guī)范，減少產品品質對人的依賴。

3 結論

本研究設計的骨素熱壓抽提裝置，采用自動開蓋鎖蓋機構，實現(xiàn)了壓力互鎖，罐內只要壓力不歸零，任何開蓋、鎖蓋機構均不會動作，即使誤操作也不會有誤開蓋情況，安全性高；加熱方式采取夾套加熱與直噴加熱立管和盤管加熱相結合設計，實現(xiàn)均勻加熱，提高蒸汽使用效果和熱壓抽提效率；同時熱壓抽提罐的設計提出了工藝關鍵點的自動控制，采取分散控制，集中管理的方式，構建了設置自控體系和關鍵控制點，降低了勞動強度，實現(xiàn)了自動化生產。

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