鄭曉偉，張軍文，周春生

（農(nóng)業(yè)部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，國(guó)家水產(chǎn)品加工裝備研發(fā)分中心（上海），上海 200092）

0 引 言

南極磷蝦不但生物資源量巨大[1-3]，還具有較高的利用價(jià)值[4-8]。除了用于生產(chǎn)蝦粉和提取蝦油以外，制取脫殼蝦肉產(chǎn)品是南極磷蝦資源利用的另一有效手段[9-13]。日本、挪威等國(guó)家開展磷蝦肉加工研究比較早，相關(guān)技術(shù)及裝備水平也相對(duì)成熟[14-16]。中國(guó)雖然進(jìn)入磷蝦產(chǎn)業(yè)的時(shí)間比較晚，但經(jīng)過近幾年的研究，已取得了多項(xiàng)研究成果[17-20]。

滾軸擠壓是南極磷蝦脫殼的有效方法之一[21-23]，實(shí)際生產(chǎn)中脫殼效果不僅取決于擠壓工藝參數(shù)，還受到船舶航行中風(fēng)浪的影響。在大風(fēng)浪作用下船舶會(huì)產(chǎn)生橫搖和縱搖，對(duì)航行安全造成影響，包括對(duì)船上人員和設(shè)備的影響[24-25]。研究表明，船舶橫搖角度在0～4°范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)人的運(yùn)動(dòng)能力影響較小，橫搖角度在4～10°范圍內(nèi)時(shí)，運(yùn)動(dòng)能力明顯下降[26]。對(duì)設(shè)備而言，搖擺的影響體現(xiàn)在穩(wěn)定性和生產(chǎn)效果等方面。本文采用前期研究形成的工藝參數(shù)，研制復(fù)合疊層式的脫殼生產(chǎn)設(shè)備，通過海上生產(chǎn)試驗(yàn)分析研究該設(shè)備在不同搖擺條件下的使用效果，為設(shè)備的完善和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

本試驗(yàn)所用新鮮磷蝦由中國(guó)水產(chǎn)有限公司“龍騰”號(hào)于2017年4月在南極CCAMLR轄區(qū)48.1區(qū)拖網(wǎng)捕撈所得。上述試驗(yàn)原料蝦為優(yōu)勢(shì)體長(zhǎng)在30～38 mm的南極大磷蝦，稱量裝盤以備用。每盤磷蝦原料質(zhì)量11 kg，以6盤原料即66 kg為1組進(jìn)行鮮蝦脫殼試驗(yàn)。每個(gè)因素組合做3組數(shù)據(jù)，取其平均值。

試驗(yàn)儀器：SJ9-2Ⅱ型電子秒表，精度0.01 s；臺(tái)秤，分度值50 g，上海浦東計(jì)量?jī)x器廠；HT-QJY01型水平儀，購自陜西航天長(zhǎng)城測(cè)控有限公司；SONY NEX-5RL 數(shù)碼相機(jī)；（0~150）mm帶表游標(biāo)卡尺，精度0.01 mm。

1.2 脫殼設(shè)備

試驗(yàn)用南極磷蝦脫殼設(shè)備如圖 1所示，由中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所研制。擠壓脫殼原理如圖 2所示，磷蝦在滾軸的擠壓所用下，蝦頭尾連同蝦殼被擠至滾軸下方，而蝦肉留在滾軸上方，實(shí)現(xiàn)殼肉的分離。其中滾軸工藝參數(shù)采用了前期試驗(yàn)的優(yōu)化結(jié)果，滾軸轉(zhuǎn)速1.6 r/s、滾軸間隙0.5 mm、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)1.7 r，其他主要設(shè)備參數(shù)見表1。

1.3 脫殼生產(chǎn)工藝

將試驗(yàn)原料磷蝦分批次倒入均質(zhì)筒；磷蝦在均質(zhì)筒內(nèi)與水混合后由泵送至脫殼機(jī)上方的輸送機(jī)，均勻分布并送至脫殼機(jī)；脫殼后得到的蝦肉使用特制濾框收集并進(jìn)行人工清洗、分揀去雜和稱量；蝦殼單獨(dú)回收處理。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 數(shù)據(jù)測(cè)量

物料質(zhì)量：使用臺(tái)秤分別對(duì)試驗(yàn)原料蝦、脫殼后的蝦肉以及人工分檢后得到的蝦仁進(jìn)行稱量，數(shù)值精確到0.05 kg；

圖1 南極磷蝦脫殼設(shè)備Fig.1 Antarctic krill peeling equipment

表1 南極磷蝦脫殼設(shè)備基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of krill peeling equipment

圖2 擠壓脫殼原理Fig.2 The principle of extrusion peeling

處理時(shí)間：根據(jù)前期調(diào)試情況，使用秒表控制每次投料的間隔時(shí)間，按220 kg/h的速度投料。記錄磷蝦捕撈裝盤后在加工間的放置時(shí)間，數(shù)值精確到s。

船舶搖擺：用水平儀測(cè)量船體的搖擺程度，分別記錄船舶最大搖擺角度，數(shù)值精確到 1°，其中以滾軸軸向?yàn)檩S線的搖擺為橫搖，以滾軸徑向?yàn)檩S線的搖擺為縱搖。設(shè)備為縱向布置，即滾軸與船頭尾連線方向一致。

脫殼數(shù)量：試驗(yàn)過程中，在投料完成后用相機(jī)拍攝滾軸工作的瞬時(shí)圖像，在圖像上將滾軸從進(jìn)料端到出料端按實(shí)際長(zhǎng)度均分為 4個(gè)區(qū)域，分別計(jì)算各區(qū)域內(nèi)滾軸上方已脫殼蝦和未脫殼蝦的數(shù)量，數(shù)值精確到個(gè)。

由于試驗(yàn)在南極海域船上開展，搖擺角度無法人為精確控制，試驗(yàn)過程中通過持續(xù)開展生產(chǎn)試驗(yàn)，記錄多組數(shù)據(jù)，再從多數(shù)據(jù)中選出符合試驗(yàn)設(shè)定條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.4.2 因素水平

在設(shè)備參數(shù)、進(jìn)料速度固定的條件下，研究船舶搖擺、原料新鮮度對(duì)脫殼得肉率和蝦殼殘留率產(chǎn)生的影響。分別記錄取值期間內(nèi)船舶的橫搖和縱搖，以船舶搖擺狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間段內(nèi)搖擺角度最大值作為水平值，即縱搖3°表示船舶縱搖幅度最大值為3°，且多次達(dá)到。影響船舶搖擺因素較多，為了便于分析，縱橫搖上限分別取7°和5°，此為試驗(yàn)條件下7級(jí)風(fēng)浪時(shí)的經(jīng)驗(yàn)值。由于船的運(yùn)動(dòng)不可控，需多次試驗(yàn)并挑選出符合試驗(yàn)條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

原料新鮮度由裝盤后放置時(shí)間表示，最大值取2 h。

為了便于分析滾軸長(zhǎng)度對(duì)脫殼效果的影響，將滾軸按長(zhǎng)度均分為4等分，從起始端至末端分別記作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域，分別計(jì)算各區(qū)域內(nèi)已脫殼及未脫殼蝦的數(shù)量。

主要因素水平如表2所示。

表2 因素水平Table 2 Levels of factor

1.4.3 指標(biāo)測(cè)定方法

得肉率：分揀后蝦仁的質(zhì)量與原料質(zhì)量的比值即為得肉率；

蝦殼殘留率（基于原料）：人工分揀出殘留蝦殼的質(zhì)量與原料質(zhì)量的比值即為蝦殼殘留率。

脫殼完成率：某滾軸區(qū)域內(nèi)已脫殼蝦數(shù)量與磷蝦總數(shù)量的比值即為脫殼完成率。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

用Microsoft Excel 2010軟件對(duì)磷蝦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并繪圖。應(yīng)用SPSS19.0.0統(tǒng)計(jì)軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，P<0.05表示差異顯著，P>0.05表示差異不顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 船舶搖擺對(duì)得肉率和蝦殼殘留率的影響

以得肉率和蝦殼殘留率為指標(biāo)，橫搖 1°、放置時(shí)間0 h，分別在縱搖水平 1°、3°、5°、7°的搖擺幅度下比較磷蝦的脫殼效果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 3所示。不同船舶縱搖幅度下得肉率與蝦殼殘留率差異均不顯著（P>0.05）。在試驗(yàn)條件下，得肉率浮動(dòng)范圍為18.31%～18.73%，變化范圍不大。蝦殼殘留率的變化范圍為0.41%～1.07%，隨著船舶縱搖角度的增加，蝦殼殘留率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)縱搖角度在 3°以內(nèi)時(shí)，殘留率基本保持一致，當(dāng)縱搖角度大于 3°時(shí)，蝦殼殘留率緩慢上升。縱搖即以滾軸徑向?yàn)檩S線的搖擺，實(shí)際生產(chǎn)中縱搖會(huì)影響滾軸的瞬時(shí)傾斜角度，從而影響物料在脫殼過程中的移動(dòng)速度，進(jìn)而影響脫殼效果。當(dāng)縱搖為7°時(shí)，得肉率反而略微提升，說明在低縱搖狀態(tài)下滾軸長(zhǎng)度已經(jīng)過長(zhǎng)，脫完殼的蝦肉被反復(fù)擠壓而造成損失，而當(dāng)縱搖幅度進(jìn)一步增大時(shí)，蝦肉在水流的帶動(dòng)下快速從出料口排出，從而避免了擠壓損耗?？傮w而言，在根據(jù)船上生產(chǎn)條件所選定的縱搖幅度范圍內(nèi)，設(shè)備脫殼效果穩(wěn)定，得肉率無明顯變化，蝦殼殘留率雖小幅上升，但不影響人工分揀，滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。與以往開展的南極磷蝦脫殼研究[27]相比，本試驗(yàn)得到的脫殼得肉率約為 18%，有所降低。一方面是由于原料蝦存在差異，試驗(yàn)所用磷蝦的規(guī)格為M級(jí)，比以往所用磷蝦都小，蝦肉飽滿度低；另一方面設(shè)備大小存在差異，試驗(yàn)設(shè)備在處理能力和自動(dòng)化程度上都較以往有了提升，因此在脫殼加工過程中更容易產(chǎn)生損耗，從而影響得肉率。

圖3 船舶縱搖角度對(duì)得肉率和蝦殼殘留率的影響Fig.3 Effcet of ship longitudinal swing angle on meat yield and residual rate of shrimp shells

以得肉率和蝦殼殘留率為指標(biāo)，縱搖 5°、放置時(shí)間0 h，分別在橫搖水平 1°、3°、5°的搖擺幅度下比較磷蝦的脫殼效果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 4所示。不同船舶橫搖幅度下得肉率與蝦殼殘留率差異均不顯著（P>0.05）。在試驗(yàn)條件下，得肉率浮動(dòng)范圍為17.7%～18.3%，變化范圍不大。蝦殼殘留率的變化范圍為0.87%～1.64%，隨著船舶橫搖角度的增加，蝦殼殘留率呈上升趨勢(shì)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，由于蝦殼殘留的增加，將增加人工分揀殘殼的工作量，同時(shí)在分揀過程中進(jìn)一步造成蝦肉的損失，符合得肉率下降的趨勢(shì)。橫搖即以滾軸軸向?yàn)檩S線的搖擺，實(shí)際生產(chǎn)中橫搖會(huì)影響磷蝦在滾軸夾角中的受力和橫向分布，進(jìn)而影響脫殼效果?？傮w而言，在試驗(yàn)條件選定的橫搖幅度下，設(shè)備脫殼效果穩(wěn)定，得肉率變化不大，蝦殼殘留率隨橫搖幅度的增加而小幅上升。

圖4 船舶橫搖角度對(duì)得肉率和蝦殼殘留率的影響Fig.4 Effect of ship transverse swing angle on meat yield and residual rate of shrimp shells

試驗(yàn)結(jié)果差異不顯著,說明7級(jí)以下風(fēng)浪條件對(duì)試驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)效果的影響不大，更大的風(fēng)浪情況下可能會(huì)有所不同，還需進(jìn)一步開展深入研究。

2.2 船舶搖擺對(duì)脫殼完成率的影響

在橫搖1°、放置時(shí)間0 h的情況下，分別比較縱搖角度為1°、3°、5°、7°時(shí)脫殼機(jī)滾軸不同長(zhǎng)度區(qū)域的脫殼完成率，試驗(yàn)結(jié)果如圖 5所示。在Ⅰ、Ⅱ區(qū)域內(nèi)不同縱搖條件下脫殼完成率的差異均不顯著（P>0.05），整體變化范圍為97%～81%。隨著縱搖幅度的增加，脫殼完成率呈下降的趨勢(shì)。在不同的縱搖狀態(tài)下，Ⅰ、Ⅱ區(qū)域均處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)。試驗(yàn)條件下，區(qū)域Ⅲ內(nèi)的脫殼完成率均>91%。當(dāng)縱搖角度在5°以內(nèi)時(shí)，進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅲ的磷蝦已經(jīng)完成脫殼。當(dāng)縱搖角度為 7°時(shí)，區(qū)域Ⅳ內(nèi)磷蝦的脫殼完成率降低至 98%。由此可見，船舶的縱搖對(duì)脫殼效果有一定影響，隨著縱搖幅度的增加，同一區(qū)域內(nèi)脫殼完成率呈下降趨勢(shì)，這與得肉率和蝦殼殘留率的變化情況基本吻合。對(duì)脫殼設(shè)備而言，不同區(qū)域?qū)?yīng)脫殼滾軸的長(zhǎng)度，增加滾軸的長(zhǎng)度能有效防止由于縱搖幅度增加而造成脫殼完成率降低的問題。而當(dāng)風(fēng)浪較小時(shí)，完成脫殼所需的滾軸長(zhǎng)度明顯減小，此時(shí)滾軸過長(zhǎng)會(huì)造成蝦肉的持續(xù)擠壓，造成得肉率的進(jìn)一步損失。因此脫殼滾軸的最佳長(zhǎng)度，還需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況綜合考慮。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)船載加工裝備波浪補(bǔ)償?shù)刃录夹g(shù)，能最大程度上避免船舶搖擺對(duì)設(shè)備生產(chǎn)效果的影響。

圖5 船舶縱搖角度對(duì)脫殼完成率的影響Fig.5 Effect of ship longitudinal swing angle on completion rate of peeling

在縱搖5°、放置時(shí)間0 h的情況下，分別比較橫搖為1°、3°、5°時(shí)脫殼機(jī)滾軸不同長(zhǎng)度區(qū)域的脫殼完成率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 6所示。在Ⅰ、Ⅱ區(qū)域內(nèi)不同橫搖條件下脫殼完成率的差異均不顯著（P>0.05），整體變化范圍為92%～78.3%。隨著橫搖幅度的增加，脫殼完成率呈下降的趨勢(shì)。在不同的橫搖狀態(tài)下，Ⅰ、Ⅱ區(qū)域均處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)。試驗(yàn)條件下，區(qū)域Ⅲ內(nèi)的脫殼完成率均>93%。當(dāng)橫搖角度在1°以內(nèi)時(shí)，進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅲ的磷蝦已經(jīng)完成脫殼。當(dāng)橫搖角度增至 3°時(shí)，進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅲ的蝦仍有少量未完成脫殼。當(dāng)橫搖角度增至 5°時(shí)，區(qū)域Ⅳ內(nèi)磷蝦的脫殼完成率降低至 95%。綜上所述，船舶的橫搖對(duì)脫殼效果也有一定影響，隨著橫搖幅度的增加，同一區(qū)域內(nèi)脫殼完成率呈下降趨勢(shì)。在脫殼滾軸長(zhǎng)度的選擇上，應(yīng)綜合考慮船舶橫縱搖擺的影響，選取最優(yōu)值。

2.3 原料新鮮度對(duì)脫殼完成率的影響

在橫搖和縱搖均為 1°的情況下，分別比較放置時(shí)間為0、1、2 h時(shí)脫殼機(jī)滾軸不同長(zhǎng)度區(qū)域的脫殼完成率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 7所示。在Ⅰ、Ⅱ區(qū)域內(nèi)不同放置時(shí)間下磷蝦脫殼完成率的差異顯著（P＜0.05，數(shù)值變化范圍為97%～75%。隨著放置時(shí)間的增加，脫殼完成率不斷降低。Ⅲ、Ⅳ區(qū)域內(nèi)磷蝦的脫殼完成率也呈下降趨勢(shì)，但差異不顯著。放置時(shí)間1 h和2 h后磷蝦在區(qū)域Ⅳ內(nèi)的脫殼完成率分別為97%和94%，區(qū)域Ⅳ仍為必要工作段。

圖6 船舶橫搖角度對(duì)脫殼完成率的影響Fig.6 Effect of ship transverse swing angle on completion rate of peeling

圖7 放置時(shí)間對(duì)脫殼完成率的影響Fig.7 Effect of storage time on completion rate of peeling

綜上所述，放置時(shí)間對(duì)脫殼效果的影響較大，隨著放置時(shí)間的增加，脫殼完成率顯著越低，所需要的脫殼滾軸長(zhǎng)度增加，蝦殼殘留率也相應(yīng)增多。生產(chǎn)時(shí)應(yīng)盡量減少磷蝦捕撈后在暫存?zhèn)}和輸送帶上的放置時(shí)間，確保脫殼加工的效果和質(zhì)量。

3 結(jié) 論

1）試驗(yàn)條件下，船舶搖擺會(huì)對(duì)脫殼加工得肉率與蝦殼殘留率造成影響，但差異均不顯著（P>0.05）。蝦殼殘留率隨著搖擺幅度的增加而提高，在縱搖7°和橫搖5°時(shí)分別達(dá)到1.07%和1.64%，處于可接受范圍內(nèi)。其中縱搖會(huì)改變滾軸的瞬時(shí)軸向傾斜角度，影響物料在脫殼過程中的移動(dòng)速度，從而影響脫殼效果。橫搖會(huì)影響磷蝦在滾軸夾角中的受力和橫向分布，進(jìn)而影響脫殼效果。與縱向搖擺相比，橫搖對(duì)脫殼效果的影響更為明顯；

2）試驗(yàn)條件下，區(qū)域Ⅳ的脫殼完成率大于95%，脫殼設(shè)備能有效實(shí)現(xiàn)磷蝦的殼肉分離，與此對(duì)應(yīng)的滾軸長(zhǎng)度為1 200 mm。船舶的搖擺對(duì)脫殼完成率有一定影響，隨著搖擺幅度的增加，同一區(qū)域內(nèi)脫殼完成率呈下降趨勢(shì)。與縱搖的影響相比，橫向的搖擺對(duì)脫殼完成率的影響更為明顯；

3）增加滾軸的長(zhǎng)度能有效防止由于搖擺幅度增加而造成脫殼完成率降低的問題。但滾軸過長(zhǎng)容易造成得肉率的損失。應(yīng)綜合考慮實(shí)際生產(chǎn)情況，確定脫殼滾軸的最佳長(zhǎng)度；

4）放置時(shí)間對(duì)脫殼效果的影響較大（P<0.05），隨著放置時(shí)間的增加，脫殼完成率顯著越低，蝦殼殘留率也相應(yīng)增多。放置2 h后的磷蝦在區(qū)域Ⅳ的脫殼完成率降低至 94%，生產(chǎn)時(shí)應(yīng)盡量減少磷蝦捕撈后在暫存?zhèn)}和輸送帶上的放置時(shí)間，確保脫殼加工的效果和質(zhì)量。

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