張澤明 王澤河 張秀花 王 偉 楊淑華

（河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，河北 保定 071001）

中國對蝦（fleshy prawn），又稱東方對蝦，拉丁學名為Penaeus chinensis或Penaeus orientalis Kishinouye，隸 屬 節(jié)肢動物門，甲殼綱，十足目，對蝦科，對蝦屬。對蝦屬個體大，通稱大蝦。與墨西哥棕蝦、圭亞那白蝦并稱為“世界三大名蝦”。中國是世界上最大的對蝦產(chǎn)品生產(chǎn)國，也是世界上對蝦產(chǎn)品的主要貿(mào)易國。對蝦營養(yǎng)豐富，且肉質(zhì)松軟、易消化、蛋白質(zhì)含量高、脂肪含量低，并富含多種礦物質(zhì)，深受人們的喜愛，隨著生活水平的提高，中國對對蝦的需求量也逐年上升。對蝦副產(chǎn)品如蝦頭、蝦殼等含有豐富的蛋白質(zhì)、類胡蘿卜素、碳水化合物和纖維素等營養(yǎng)成分［1］。

對蝦剝殼是對蝦加工過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，目前，中國仍以手工剝殼為主。研制自動化蝦剝殼裝備，為蝦類生產(chǎn)企業(yè)提供實用的、性能可靠的蝦類剝殼設備，對解決蝦剝殼的瓶頸問題，提升對蝦加工產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，增強水產(chǎn)品的國際競爭力，促進漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義［2］。美國Jonsson公司設計的蝦剝殼機需人工把去頭蝦體整齊定向地排放到一系列的托盤中，之后蝦體自動進行校正、壓平、夾緊、開背和剝殼，自動化程度高，但剝殼過程不連續(xù)，剝殼效率比較低；美國Prawnto公司的蝦加工設備主要用于蝦的開背工作，需要人工對去頭蝦定向上料，不利于對蝦的批量化加工。對于蝦去頭方面的研究國外未見報道。王澤河等［3，4］曾對對蝦定向、排序去頭、開背以及剝殼工藝進行了深入的研究，確定了對蝦加工的工藝流程，并進行了對蝦定向和開背方面的試驗研究，初步確定了對蝦定向、開背的方案。本研究采用輥組往復正反轉(zhuǎn)的形式實現(xiàn)對蝦剝殼，旨在解決對蝦剝殼不連續(xù)，剝殼效率低的問題，為最終對蝦加工自動化設備的研制提供依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)與輥組布置方案

1.1 整體結(jié)構(gòu)設計

對蝦剝殼裝置如圖1所示，主要由蝦仁收集箱、剝殼輥組、噴淋裝置、噴淋裝置支架、上料箱、步進電機、輥組傳動箱和機架組成。對蝦經(jīng)去頭、開背處理后送入上料箱，之后由步進電機驅(qū)動剝殼輥組往復正反旋轉(zhuǎn)，對蝦沿輥組往下滑動的同時將蝦殼剝離，蝦仁落入蝦仁收集箱中；噴淋裝置一方面有利于對蝦往下滑動，另一方面有利于輥組的清潔；同時輥子與輥子之間的傳動由輥組傳動裝置實現(xiàn)。

圖1 對蝦剝殼裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 The schematic diagram of whole structure for the shrimp peeling device

1.2 輥組布置方案

前期試驗［5，6］得到當對輥直徑較大（Φ100mm/Φ80mm）時，對輥嚙角較小，兩輥之間區(qū)域等同于V型槽，兩輥在對擠過程中蝦體始終處于進給擠壓狀態(tài)；轉(zhuǎn)動角度過大，蝦肉被擠爛；轉(zhuǎn)動角度太小，蝦體尾節(jié)處，蝦肉與蝦皮出現(xiàn)粘連，增大了后續(xù)蝦皮、蝦肉分離的難度。而且對于同一分級級別的蝦體，蝦的幾何形狀，外形尺寸又有所區(qū)別，旋轉(zhuǎn)角度確定后，會導致有的蝦體尾節(jié)處被擠爛，蝦肉損失嚴重；有的蝦體尾節(jié)處，蝦肉與蝦皮出現(xiàn)粘連。同時上料前需對蝦體定向排序，不利于對蝦剝殼過程的連續(xù)進行；當對輥直徑較小（Φ15 mm/Φ10mm）時，對輥嚙角較大，無法夾持蝦腿，導致剝殼失敗；同時當輥徑不變時，對輥摩擦系數(shù)越大，對輥嚙角越小，蝦仁損失越嚴重，對蝦剝殼越容易；當對蝦厚度越大，對輥嚙角越大，對蝦剝殼越難，蝦仁損失越小。

總之，隨著對輥嚙角變小，剝殼越容易，但蝦仁損失也越嚴重。為了能順利將對蝦剝殼同時又不造成蝦仁損失，必須對輥徑組合以及輥子的布置形式加以優(yōu)化，以實現(xiàn)連續(xù)對蝦剝殼。

根據(jù)式（1）可得，為了得到盡可能大的嚙角，輥徑組合應有兩種方案，方案一如圖2所示，大輥與小輥直徑相差較大且之間無間隙，對輥嚙角如圖3所示，為了便于小輥的布置，輥組布置采用此種布置形式；方案二如圖4所示，大輥小輥直徑都較小，但兩輥之間有間隙，以保證合適的嚙角，對輥嚙角如圖5所示。輥組旋轉(zhuǎn)時保持連續(xù)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，輥組的旋轉(zhuǎn)方向見圖2、4，為了保證蝦皮能從兩輥之間落下要求正轉(zhuǎn)角度大于反轉(zhuǎn)角度。

式中：

α——對輥嚙角，°；

D——大輥直徑，mm；

d——小輥直徑，mm；

K——對輥的摩擦系數(shù)；

l——對蝦厚度參數(shù)；

ξ——對輥間隙（方案一中ξ＝0），mm。

2 材料與方法

2.1 材料

本試驗所用的原料為盛產(chǎn)于滄州黃驊地區(qū)秋季捕撈的形態(tài)完整、發(fā)育正常、不同級別的南美白對蝦，用冰水混合物處理24h。對蝦的分級級別為42～50，52～60，62～70，72～80，82～100只/kg［7，8］。

圖2 方案一輥組布置形式Figure 2 The roller group’s layout of the first scheme

圖3 方案一對輥嚙角Figure 3 The roller’s nip angle of the first scheme

圖4 方案二輥組布置形式Figure 4 The roller group’s layout of the second scheme

圖5 方案二對輥嚙角Figure 5 The roller’s nip angle of the second scheme

2.2 儀器與設備

對蝦剝殼試驗設備由河北農(nóng)業(yè)大學“海洋公益性行業(yè)科研專項”課題組研制，輥徑組合25mm/20mm，間隙0.5mm，輥組表面經(jīng)輥花處理，游標卡尺，鋼直尺，電子天平秤，西門子S7－200CPU為224XP的PLC，時代超群公司生產(chǎn)的型號為ZD－6560－V3的步進電機驅(qū)動器和型號為57BYGH652－03的步進電機。

圖6 對蝦剝殼裝置示意圖Figure 6 The schematic diagram of the peeling device for shrimp

2.3 試驗設計

剝殼前將對蝦去頭開背，開背長度6節(jié)，并稱得其質(zhì)量，連續(xù)旋轉(zhuǎn)5個循環(huán)，記錄剝殼成功時所旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)并再次稱得蝦皮與蝦肉的質(zhì)量和，蝦仁損失率通過式（2）算得。剝殼效果通過表1的感官評分評定。剝殼效果感官評分為蝦皮與蝦肉粘連程度感官評分與剝殼成功時的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)感官評分的平均值。蝦皮與蝦肉粘連程度感官評分代表著剝殼成功率，剝殼成功時的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)感官評分代表著剝殼的難易程度。

表1 對蝦剝殼效果評定Table 1 The standard of sensory evaluation for shrimp’s peeling

式中：

P——蝦仁損失率，%；

Ms——剝殼完成后蝦皮與蝦仁的質(zhì)量和，g；

M0——剝殼前去頭開背對蝦的質(zhì)量，g。

為保證蝦皮能從兩輥之間的間隙掉下，設定正轉(zhuǎn)角度比反轉(zhuǎn)角度多36°。將選取的對蝦分別以對蝦厚度、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)角度3個參數(shù)為影響因子逐一進行單因素試驗，觀察各指標的變化趨勢。

（1）對蝦厚度試驗：輥徑組合25mm/20mm，間隙0.5mm，旋轉(zhuǎn)速度30r/min，旋轉(zhuǎn)角度為正轉(zhuǎn)360°反轉(zhuǎn)324°，采用不同分級級別的對蝦依次為42～50，52～60，62～70，72～80，82～100只/kg對應不同的對蝦厚度。

（2）旋轉(zhuǎn)速度試驗：對蝦分級級別82～100只/kg，輥徑組合25mm/20mm，對輥間隙0.5mm，旋轉(zhuǎn)角度為正轉(zhuǎn)360°反轉(zhuǎn)324°，旋轉(zhuǎn)速度依次選為15，30，45，60r/min，取對蝦10只/組，共4組。

（3）旋轉(zhuǎn)角度試驗：對蝦分級級別82～100只/kg，輥徑組合25mm/20mm，對輥間隙0.5mm，旋轉(zhuǎn)速度30r/min，正反轉(zhuǎn)角度依次為90°/54°，180°/144°，270°/234°，360°/324°，450°/414°，取對蝦10只/組，共5組。

3 結(jié)果與分析

3.1 對蝦厚度單因素試驗結(jié)果與分析

對蝦厚度單因素試驗結(jié)果見表2。試驗表明隨著對蝦厚度的減小，蝦仁損失率逐漸增加，而代表剝殼成功率和剝殼難易程度的感官評分逐漸增大。因此選擇對蝦分級級別為82～100只/kg，充分保證剝殼成功率。

3.2 旋轉(zhuǎn)速度單因素試驗結(jié)果與分析

輥組旋轉(zhuǎn)速度單因素試驗結(jié)果見表3。試驗表明隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，蝦仁損失率和感官評分都是先逐漸降低后又有所增長，因此確定最佳轉(zhuǎn)速為45r/min。

表2 對蝦厚度單因素試驗結(jié)果Table 2 The single factor test results of shrimp’s thickness

表3 旋轉(zhuǎn)速度單因素試驗結(jié)果Table 3 The single factor test results of rotating speed

3.3 旋轉(zhuǎn)角度單因素試驗結(jié)果與分析

輥組旋轉(zhuǎn)角度單因素試驗結(jié)果見表4。試驗表明隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大，蝦仁損失率也隨之增大；旋轉(zhuǎn)角度太小，蝦肉與蝦皮粘連嚴重，剝殼失敗。因此確定旋轉(zhuǎn)角度270°/234°，使對蝦剝殼成功的前提下，蝦仁損失率最低。

表4 旋轉(zhuǎn)角度單因素試驗結(jié)果Table 4 The single factor test results of rotating angle

4 結(jié)論

（1）連續(xù)式對蝦剝殼方案，避免了對蝦剝殼前需定向、排序的難題，為今后對蝦剝殼裝置的研制提供了新的思路。

（2）通過前期大量試驗得到了輥式對蝦剝殼的理論公式。試驗表明對于同一分級級別的對蝦，對輥嚙角越小蝦肉損失越嚴重；對輥嚙角太大，對蝦剝殼難度加大；對于不同厚度的對蝦，當輥徑組合和對輥間隙一定時，其對應不同的嚙角，嚙角不同直接影響剝殼的效果。

（3）試驗表明隨著對蝦厚度的減小，蝦仁損失率逐漸增加，而代表剝殼成功率和剝殼難易程度的感官評分逐漸增大，因此選擇對蝦分級級別為82～100只/kg，充分保證剝殼成功率；隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，蝦仁損失率和感官評分都是先逐漸降低后又有所增長，因此確定最佳轉(zhuǎn)速為45r/min；隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大，蝦仁損失率也隨之增大，旋轉(zhuǎn)角度太小，蝦肉與蝦皮粘連嚴重，剝殼失敗，因此確定旋轉(zhuǎn)角度270°/234°，使對蝦剝殼成功的前提下，蝦仁損失率最低。將經(jīng)去頭開背分級級別82～100只/kg的對蝦送入輥徑組合25mm/20mm，對輥間隙0.5mm，旋轉(zhuǎn)角度270°/234°，旋轉(zhuǎn)速度45r/min的輥組，得到蝦仁損失率為2.6%，感官評分4.9分。

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