王朝海，李君江，劉玉良

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山　316022；2.浙江省近海與海岸工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山　316022；3.舟山市技工學(xué)校，浙江舟山　316000）

魚皮膠原蛋白加工的高效節(jié)能技術(shù)及設(shè)計(jì)研究

王朝海1，2，李君江3，劉玉良1，2

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022；2.浙江省近海與海岸工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山316022；3.舟山市技工學(xué)校，浙江舟山316000）

摘要：針對(duì)魚皮膠原蛋白生產(chǎn)工藝落后、占地面積大、浪費(fèi)水資源等問題，提出了魚皮清洗與蒸煮相合并的技術(shù)，研究了新型洗煮罐的設(shè)計(jì)方案。新型洗煮罐設(shè)計(jì)根據(jù)舟山市某企業(yè)的節(jié)能技改要求，應(yīng)用UG三維軟件畫圖，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括洗煮罐外觀，以及攪拌器、加熱管、過濾網(wǎng)等內(nèi)置配件的尺寸、布放等。仿真結(jié)果表明，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)魚皮清洗與蒸煮要求。

關(guān)鍵詞：膠原蛋白；洗煮一體化；節(jié)能技術(shù)

膠原蛋白的主要原料是深海魚皮，又稱為魚皮膠原蛋白，是一種高分子蛋白質(zhì)，因能參與細(xì)胞的遷移、分化和增殖，能夠增強(qiáng)骨骼、肌腱、軟骨和皮膚的機(jī)械強(qiáng)度，具有很強(qiáng)的生物活性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，已作為肉制品添加劑、膠原小食品、保健食品的重要原料。膠原蛋白具有較弱的抗原性和良好的生物相容性，在燒傷、創(chuàng)傷、眼角膜疾病、美容、矯形、硬組織修復(fù)、創(chuàng)面止血等醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。膠原蛋白的開發(fā)與利

用近年來已引起食品加工、醫(yī)藥行業(yè)的高度關(guān)注，消費(fèi)市場(chǎng)不斷擴(kuò)大。

我國(guó)魚皮膠原蛋白生產(chǎn)規(guī)模龐大，但是制備工藝長(zhǎng)期以來更新緩慢，存在工藝落后、效率低、占地大、耗水多、工作環(huán)境惡劣等問題。本文針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了一種新型魚皮膠原蛋白高效節(jié)能加工設(shè)備，通過三維畫圖和仿真驗(yàn)證了預(yù)期效果。

1魚皮膠原蛋白加工流程簡(jiǎn)介

圖1　　加工流程Fig.1　Manufacturing process

魚皮膠原蛋白加工的工藝流程，主要包括原料清洗去脂預(yù)處理、蒸煮以及酶解三個(gè)階段，詳細(xì)流程如圖1所示。

原料清洗去脂預(yù)處理階段，一般在圖2所示的洗料池中進(jìn)行，可細(xì)分為5個(gè)步驟。第一步：用淡水解凍初洗，漂浮雜質(zhì)人工撈除，洗后排水，需人工疏通排水孔網(wǎng)。第二步：加堿去脂洗，去脂程度目測(cè)，完成后排水。第三步：去堿洗。清洗過程一邊注入淡水，一邊排水。第四步，加酸洗至中性。第五步：清水洗去鹽。預(yù)處理一般需要6～7 h，按照典型的洗料池計(jì)算，預(yù)處理耗水量大約150 t，而且洗料池占地面積巨大。

蒸煮階段，一般在圖3所示的蒸煮鍋中進(jìn)行，需由人工把原料撈取后轉(zhuǎn)入蒸煮鍋。蒸煮鍋底為螺旋狀蒸汽管加熱，蒸煮溫度約90°C，蒸煮過程耗時(shí)8～9 h。蒸煮之后，是酶解、過濾、濃縮、固化等精加工處理。

圖2　　洗料池Fig.2　Washing pool

圖3　　蒸煮鍋Fig.3　Cooking boiler

2魚皮膠原蛋白的研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于魚皮膠原蛋白加工技術(shù)的研究，主要集中在去雜去脂效率及加工工藝方面，比較有代表性的有加酶、加熱、微波處理等方法。如，鐘朝輝等研究了魚鱗膠原蛋白提取工藝的優(yōu)化策略［1］，他們采用胃蛋白酶從魚鱗中提取膠原蛋白，重點(diǎn)研究了提取介質(zhì)、前處理、攪拌、提取次數(shù)及提取時(shí)間等對(duì)膠原蛋白提取的影響，確定了微波處理輔助去雜最佳提取工藝。林家福等［2］研究了熱水水解法提取羅非魚魚皮膠原蛋白的工藝，以及魚皮膠原蛋白的氨基酸組成的檢測(cè)方法，探討了不同溫度、pH、提取時(shí)間和液固化等因素對(duì)羅非魚魚皮膠原蛋白提取的影響，確定了羅非魚鱗膠原蛋白最佳熱水提取工藝，具體參數(shù)是溫度90℃，pH 6.0，固液比1：13，時(shí)間2 h，蛋白獲得率為21.2%，其中特征氨基酸羥脯氨酸為9.7%。上述成果已在生產(chǎn)中應(yīng)用，而且取得了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益，為我國(guó)魚皮膠原蛋白加工工藝的形成與完善發(fā)揮了重要作用。魚皮膠原蛋白加工過程采用洗、煮分離的方法，存在占地大、水耗多、效率低等問題，若洗、煮合并，不僅能節(jié)約大量廠房面積，還能免去從洗料池到蒸煮鍋之間出料、運(yùn)料、投料等中間環(huán)節(jié)的勞動(dòng)力。

3魚皮洗煮罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文基于第2節(jié)的研究現(xiàn)狀分析，進(jìn)行了魚皮膠原蛋白洗、煮一體化方案及洗煮罐新設(shè)備的研究與開發(fā)，新設(shè)備外觀如圖4所示。新設(shè)備內(nèi)置的機(jī)械攪拌器、排液疏通濾孔器和自動(dòng)投料控制裝置等都自行設(shè)計(jì)，通過一次性改造，能夠節(jié)省廠房面積和人力成本，還能提高設(shè)備生產(chǎn)效率和改善工作條件。本設(shè)計(jì)方案中，從灌注洗液、傳送帶投料以及后續(xù)的一系列預(yù)處理過程和水解過程直至液態(tài)蛋白料液排出等，根據(jù)工作順序其時(shí)間需求，采用時(shí)序控制技術(shù)自動(dòng)完成，魚皮蛋白預(yù)處理水解罐運(yùn)行時(shí)序圖如圖5所示。

圖4　洗蒸煮一體化設(shè)備外觀圖Fig.4　The integration structural modeling of washing and steaming

圖5　預(yù)處理水解運(yùn)行時(shí)序圖Fig.5　The timing diagram of pretreatment hydrolysis tank

圖6　魚皮蛋白預(yù)處理水解罐Fig.6　The pretreatment hydrolysis tank of fish skin collagen

4洗、煮一體化作業(yè)的原理

在預(yù)處理階段對(duì)水量需求較大，通常的料液比約1:8左右，而在水解工藝階段，為了盡可能使魚皮蛋白質(zhì)充分水解又能獲得高濃度的液態(tài)蛋白質(zhì)，料液比約1:4。由于兩個(gè)工藝階段需要不同的水量，本文將罐體設(shè)計(jì)成上下兩層直徑不同的結(jié)構(gòu)［9-11］，如圖6所示。預(yù)處理階段上下兩層罐體同時(shí)運(yùn)作，洗液高度最高距罐口約300 mm，此時(shí)罐的容量約16.6 m3，按1:8料液比能處理1.8 t原料。水解階段僅在下罐體運(yùn)作，其容量約8.5 m3，這樣就能使原料在同一個(gè)罐內(nèi)實(shí)施了兩個(gè)階段的工藝過程。

洗煮一體罐的攪拌器以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，經(jīng)減速箱、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸傳遞扭矩，利用攪拌器的槳葉作用使罐內(nèi)水形成流體，使原料在湍流的洗液中進(jìn)行更有效的處理。在攪拌器的選擇上［12］，我們選用框式攪拌器?？蚴綌嚢杵鹘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于裝拆、清洗，攪動(dòng)物料量大，其邊框外緣與罐壁間隙很小，在攪拌物料時(shí)不易產(chǎn)生死角，且有利于傳熱過程的進(jìn)行。在水解過程中，通過攪拌器的攪拌能使罐內(nèi)溫度快速趨于均衡，液料均勻性好，有助于魚皮蛋白質(zhì)加速水解。

本設(shè)計(jì)采用自動(dòng)投料裝置，原材料由傳送帶運(yùn)至水解罐上方，再由導(dǎo)料板和投料槽導(dǎo)入罐體內(nèi)。此方法取代了以往人工投料的方式，節(jié)約了大量人工。傳送帶系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制器［13］，具有應(yīng)用面廣，實(shí)用性強(qiáng)，可靠性高，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用效果顯著。

傳送帶由調(diào)速異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，且配有測(cè)速傳感器，傳送帶的下方裝有測(cè)重傳感器。在傳送帶工作時(shí)，單片機(jī)控制器接收傳感器傳回信號(hào)，計(jì)算傳送帶上物料的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，將結(jié)果顯示出來，并和設(shè)定的流量值進(jìn)行比較，通過PID調(diào)節(jié)，輸出電流控制信號(hào)，調(diào)節(jié)調(diào)速異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使物料流量穩(wěn)定在設(shè)定值。

5結(jié)束語

本文研究針對(duì)魚皮膠原蛋白制備工藝長(zhǎng)期陳舊、效率低、占地大、耗水多、工作環(huán)境差等突出問題，在節(jié)約占地面積、節(jié)約耗水量和改善工作環(huán)境等問題上進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)出了“魚皮蛋白預(yù)處理水解罐”。使得制備工藝有了極大提升。經(jīng)軟件仿真效果分析，與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比較，按照生產(chǎn)1噸蛋白粉計(jì)算，占地面積可由1 000 m3降為500 m3，用水可由400 t降為200 t，生產(chǎn)車間面積及用水減少50%。此工藝使自動(dòng)化程度及經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

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中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào):1008-830X（2016）01-0045-03

收稿日期：2015-10-20 基金項(xiàng)目：地市級(jí)基金項(xiàng)目（2013C04005）

作者簡(jiǎn)介：王朝海（1991-），男，安徽六安人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化.E-mail:17805804464@163.com 通訊作者：劉玉良（1971-），男，河南唐河人，教授，博士，研究方向：信號(hào)處理與通信網(wǎng)絡(luò)，智能機(jī)器人.E-mail:13957208678@163.com

The Research of Energy-Efficient Process Technology and Application with Fish Skin Collagen

WANG Chao-hai1，2，LI Jun-jiang3，LIU Yu-liang1，2
（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022；2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Offshore and Coastal Engineering，Zhoushan316022；3.Zhoushan Technical School，Zhoushan316000，China）

Abstract:Aiming at the problem of the drggle，wasting water and space of the fish skin collagen process，the technology of cleaning and cooking be combined of fish skin collagen and the new equipment be proposed. The new equipment's design according to the production requirements of a company in Zhoushan.Application of UG 3D software drawing，the design includes shape，structure and mixer，pipe heater，size of filter mesh，position.Simulation results show that the equipment can realize the task of cleaning and cooking.

Key words:collagen；integration；energy saving technology