鄒福星 樓建忠 朱盤安 李建平 季明東 何相逸

(1.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院， 杭州 310058； 2.中原工學院紡織學院， 鄭州 451191；3.浙江機電職業(yè)技術(shù)學院機械工程學院， 杭州 310053； 4.溫州科技職業(yè)學院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學院， 溫州 325006)

0 引言

裹粉魷魚足是一種重要的魷魚加工產(chǎn)品。在魷魚足表面裹上一層調(diào)味粉，能夠增加魷魚足的風味[1]，改善加工后的外觀和口感。目前魷魚足裹粉作業(yè)主要由人工進行。人工裹粉生產(chǎn)效率低，容易造成食品污染、影響食品安全[2-5]；在裹粉過程中，部分粉料受魷魚足表面水分侵入而受潮，導致無法繼續(xù)使用、浪費嚴重，且魷魚足表面粉層厚度不均勻。由于魷魚足相鄰足間隙小，人工裹粉時靠手指將其分開才能裹上粉，傳統(tǒng)的裹粉設(shè)備也難以保證足間縫隙裹上調(diào)味粉[6]。

利用高壓靜電技術(shù)[7]使粉料帶上電荷，在噴粉槍和魷魚足之間建立高壓靜電場，通過氣流輸送粉料，在氣流和電場力的共同作用下使粉料運動至魷魚足表面對其進行裹粉；利用同性電荷相斥的特性，使粉料在魷魚足表面散開形成均勻的粉層；未能附著在魷魚足上的粉料仍保持干燥，可回收再利用，減少了粉料的浪費，可有效解決人工裹粉存在的不足。由于靜電吸附作用，用機械裹粉方法不易裹上粉料的部位也能裹上粉料。

目前，國內(nèi)關(guān)于食品靜電技術(shù)的研究主要集中在食物冷藏保鮮[8-9]、農(nóng)產(chǎn)品解凍[10-13]等方面，在食品靜電裹粉方面相關(guān)研究仍處于空白狀態(tài)。國外學者通過研究發(fā)現(xiàn)，對粉料施加靜電可不同程度地增強粉料的附著效果，食物表面的油分、粉料電阻率和顆粒大小對附著效果有影響[14-16]。專門針對魷魚足靜電裹粉技術(shù)研究尚未見報道。

本文設(shè)計靜電裹粉裝置和離心式附著效果測試裝置,通過試驗研究不同相對濕度和靜電壓下的魷魚足裹粉速度和裹粉量，對不同相對濕度和靜電壓下裹粉時粉料的附著效果進行對比分析。

1 試驗材料

魷魚足所用調(diào)味粉由浙江富丹旅游食品有限公司提供，其外觀如圖1a所示。調(diào)味粉主要成分為小麥淀粉95%、氯化鈉3%、香辛料2%；粒度在200 μm以上的粉粒質(zhì)量分數(shù)為30%～40%。試驗用魷魚足由浙江興業(yè)集團有限公司提供，按照企業(yè)生產(chǎn)實際，修剪成3根足相連的形態(tài)，平均質(zhì)量為18 g左右，也有少數(shù)魷魚足因尺寸較小剪成4足相連。修剪后的魷魚足形態(tài)如圖1b所示。文中提到的魷魚足均為圖1b所示形態(tài)。試驗時選取3足相連的魷魚足作為樣本。

圖1 調(diào)味粉和魷魚足Fig.1 Seasoning powder and squid tentacles

2 靜電裹粉原理與裹粉裝置設(shè)計

2.1 靜電裹粉原理

魷魚足靜電裹粉原理如圖2所示。魷魚足接地，高壓靜電發(fā)生器為噴粉槍提供高壓靜電，在噴槍和魷魚足之間建立起靜電場，利用電暈放電原理[17-19]使粉粒帶上負電荷。帶電粉料顆粒在電場力和氣流的共同作用下運動至魷魚足表面，通過吸附形成裹粉層。

圖2 魷魚足靜電裹粉裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of electrostatic powder coating of squid tentacles1.魷魚足 2.高壓靜電發(fā)生器 3.噴粉槍

圖3 靜電裹粉試驗裝置Fig.3 Experimental setup for electrostatic powder coating of squid tentacles1.粉桶及氣力供粉系統(tǒng) 2.高壓靜電裝置 3.濕度計 4.噴粉箱 5.魷魚足 6.魷魚足插持裝置 7.魷魚足接地裝置 8.加濕器 9.通風裝置 10.噴粉槍

2.2 裹粉裝置設(shè)計

靜電裹粉試驗裝置實物如圖3所示。噴粉箱由厚度為5 mm的透明有機玻璃板制成；兩支靜電噴粉槍分別安裝在噴粉箱的兩側(cè)；高壓靜電裝置電壓在0～100 kV范圍可調(diào)；魷魚足插持裝置安裝在噴粉箱頂部，其下端伸入噴粉箱，底部裝有3根插針，作用是從足根沿縱向插入，對魷魚足進行插持和固定、保持相鄰足間分開以便裹粉，針長110 mm、間距12 mm；通風裝置由排氣風扇和管道組成，作用是降低噴粉箱內(nèi)粉塵濃度，防范粉塵爆炸事故[20-21]、保證試驗安全；加濕器配合除濕機調(diào)節(jié)噴粉箱內(nèi)的相對濕度，使之處于某一范圍。試驗使用的空氣壓縮機購自浙江臺州奧突斯工貿(mào)有限公司，型號為OTS- 750X3，功率2.25 kW，氣罐容積60 L。

3 靜電裹粉影響因素分析

魷魚足靜電裹粉的影響因素包括粉料的含水率和帶電能力、魷魚足表面水分、相對濕度和靜電電壓。粉料含水率大會導致粉料電阻率降低、帶電菏能力下降[22]，通過試驗測定粉料含水率為3.07%，由于生產(chǎn)廠家提供的粉料，不同批次含水率差異不大，因此在試驗中可視為恒定因素；使用寧波瑞柯儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的FT- 303B型體積電阻率測試儀測得粉料的體積電阻率為362.1 GΩ·mm，該數(shù)值表明該粉料具備中等帶電能力，適合靜電裹粉。經(jīng)試驗測定，魷魚足表面水膜平均厚度約為0.12 mm，在魷魚足表面粉層形成初期，魷魚足表面水分將附著在魷魚足表面的粉料潤濕，形成濕粉層，但對之后形成的干粉層沒有影響。由于靜電對空氣濕度比較敏感[23]，故將相對濕度作為主要試驗因素之一。

4 靜電裹粉裝置參數(shù)優(yōu)化試驗方法

根據(jù)靜電裹粉影響因素分析，將相對濕度[24]和靜電電壓[25-26]作為靜電裹粉裝置的兩個主要工作參數(shù)。

試驗包括靜電裹粉試驗和附著效果測試兩部分。兩個試驗密切配合，按時間順序先后進行。每完成一次某一相對濕度和靜電電壓下的裹粉試驗，即對完成裹粉的魷魚足進行附著效果測試試驗。通過試驗，進行不同相對濕度和靜電電壓下裹粉速度、裹粉量和粉料在魷魚足表面附著效果的對比分析，實現(xiàn)對靜電裹粉裝置相對濕度和靜電電壓兩個主要工作參數(shù)的優(yōu)化。

4.1 靜電裹粉試驗方法

靜電裹粉試驗時，噴粉箱內(nèi)相對濕度取值40%、60%、80%，偏差±5%；靜電電壓取值0、30、60、90 kV。

試驗時噴粉槍槍口與魷魚足距離200 mm；噴粉氣壓7×104Pa，氣流速度2.5 m/s。為防止氣流干擾，影響測試結(jié)果，試驗時由定時器控制兩側(cè)噴粉槍交替工作，各自噴粉0.5 s，然后取出魷魚足及插持裝置，用電子天平稱量，記錄魷魚足表面粉層質(zhì)量的變化，裹粉時長記為0.5 s。根據(jù)人工裹粉統(tǒng)計結(jié)果，每只魷魚足平均裹上的粉量為2.23 g。綜合考慮，將魷魚足裹粉總時長設(shè)定為4.5 s，即每完成一次裹粉試驗，兩側(cè)噴粉槍交替噴粉9次。

4.2 粉料附著效果測試原理與方法

測試裝置的工作原理是：將完成裹粉的魷魚足固定在轉(zhuǎn)軸上，利用轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使粉料從魷魚足上脫落。離心轉(zhuǎn)速越高，則離心力越大、脫落的粉料越多。通過對魷魚足表面剩余粉料的質(zhì)量分數(shù)(質(zhì)量剩余率)進行分析，可評價該裹粉條件下魷魚足表面粉料的整體附著效果；對不同相對濕度和靜電電壓下完成裹粉的魷魚足進行離心測試，比較同一離心轉(zhuǎn)速下粉料質(zhì)量剩余率的差異，可分析出不同裹粉條件下附著效果的差別。

離心試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。裝置主要由插持裝置、法蘭盤、伺服電機總成、套筒、端蓋、固定板，以及控制電機運轉(zhuǎn)的伺服電機驅(qū)動器和開關(guān)等元件組成。伺服電機為無錫創(chuàng)正科技有限公司生產(chǎn)的AMS40- M00130Z型伺服電機。該電機額定功率0.1 kW，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。伺服電機殼體通過法蘭盤和固定板固定在試驗臺上；內(nèi)徑為85 mm的透明有機玻璃套筒，套裝在法蘭盤的外圓柱面上，與套筒另一側(cè)的端蓋一起組成密閉的圓柱形空間。

圖4 離心式附著力測試裝置Fig.4 Centrifugal device for adhesive force test1.端蓋 2.套筒 3.插針 4.插持裝置 5.法蘭盤 6.固定板 7.伺服電機

進行離心試驗時，首先將完成裹粉的魷魚足連同插持裝置一起固定在電機軸上，電機軸旋轉(zhuǎn)時，魷魚足上分離的粉末落入有機玻璃管中。通過對管中的粉料進行收集和稱量，可計算出魷魚足表面的粉料質(zhì)量剩余率。

圖6 不同相對濕度、靜電電壓下粉層質(zhì)量的變化Fig.6 Changes of coating mass under different voltages and relative humidities

在附著效果測試時，按照700、1 000、1 400 r/min的轉(zhuǎn)速依次進行3次離心試驗，分別計算每次離心試驗后魷魚足表面的裹粉質(zhì)量剩余率。

每次附著試驗結(jié)束后將魷魚足表面附著的粉末清洗干凈，重新將魷魚足和插持裝置裝回靜電裹粉裝置中。調(diào)節(jié)相對濕度和靜電電壓，進行下一次裹粉試驗和附著效果測試試驗。如此循環(huán)，直至完成所有相對濕度和靜電電壓下的試驗為止。

5 試驗結(jié)果與裝置參數(shù)的優(yōu)化分析

5.1 裹粉效果

魷魚足靜電裹粉效果如圖5所示。從外觀看，手工裹粉與非靜電裹粉、靜電裹粉存在明顯差別。手工裹粉時魷魚足表面存在漏裹并且粉層分布不均勻；非靜電裹粉均勻性有改善，但相鄰足間縫隙并沒有很好地裹上粉，存在漏裹情況；靜電裹粉形成的裹粉層比較均勻，吸盤和相鄰足間縫隙里也裹上了粉。

圖5 魷魚足不同裹粉方式的裹粉效果對比Fig.5 Comparison of effects with different coating methods

5.2 表面粉層質(zhì)量

以魷魚足表面粉層質(zhì)量為縱坐標、時間為橫坐標，將同一相對濕度、不同靜電電壓下粉層質(zhì)量變化折線畫在同一個坐標圖上，結(jié)果如圖6所示。

為方便分析試驗結(jié)果，以某一時間點魷魚足表面已經(jīng)裹上的粉料質(zhì)量來衡量相同裹粉時間內(nèi)、不同裹粉條件下魷魚足表面粉層質(zhì)量增加的速度，稱為裹粉速度。圖6a表明，在濕度較低時(相對濕度40%左右)，與非靜電裹粉(0 kV)相比，采取高壓靜電裹粉可有效提高裹粉速度和裹粉量；在中等濕度(相對濕度60%左右)、中高電壓(60 kV以上)條件下裹粉，裹粉速度快、魷魚足裹上的粉量大，裹粉效率高，大約2～2.5 s即可完成一只魷魚足的裹粉，即使之達到人工作業(yè)時的裹粉量；圖6b表明，在90 kV、相對濕度60%時1.5 s即可完成魷魚足裹粉2.50 g，超過了人工裹粉時魷魚足的平均裹粉量；圖6c表明，大濕度(相對濕度80%)時，不同靜電電壓下的裹粉速度和裹粉量比較接近，說明濕度對裹粉效率影響大，在很大程度上抵消了高壓靜電的作用[29]。

5.3 表面粉層質(zhì)量增量

圖7 不同相對濕度、靜電電壓下粉層質(zhì)量增量的變化Fig.7 Increase of coating mass under different relative humidities and voltages

根據(jù)靜電裹粉試驗獲得的數(shù)據(jù)，計算出每個0.5 s時段內(nèi)粉層質(zhì)量的增量。以魷魚足表面粉層質(zhì)量增量為縱坐標、時間為橫坐標，將同一相對濕度、不同靜電電壓下粉層質(zhì)量增量變化折線畫在同一個坐標圖上，結(jié)果如圖7所示。

圖7表明：0～1 s的時間段內(nèi)魷魚足表面粉層質(zhì)量增量最大，隨后粉層質(zhì)量增量呈下降趨勢；在濕度較低(相對濕度40%)時，靜電裹粉時粉層質(zhì)量增量在0.5 s內(nèi)達到峰值；隨著濕度的增加，粉層質(zhì)量增量的峰值向后推移；圖7a、7b表明，在中低濕度(相對濕度60%以下)時進行高電壓裹粉時，粉層的質(zhì)量增量始終處于較高的數(shù)值。這說明，中低濕度條件下，高電壓進行靜電裹粉效率較高。

5.4 表面粉層質(zhì)量剩余率

以粉層質(zhì)量剩余率為縱坐標、離心轉(zhuǎn)速為橫坐標，將3條同一相對濕度、不同靜電電壓下剩余率折線畫在同一個坐標圖上，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，在離心轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，除圖8a中的60 kV和90 kV質(zhì)量剩余率折線外，其余折線粉料剩余率均在50%～75%，即粉料分離百分比為25%～50%。這與離心轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時去除200 μm的大顆粒基本吻合，說明離心轉(zhuǎn)速的確定比較合理。

圖8 離心試驗粉層質(zhì)量剩余率Fig.8 Percentage of coating mass residual in centrifugal test

圖8表明，在不同濕度下，30 kV質(zhì)量剩余率折線始終處于高位，說明采用較低靜電壓裹粉，粉料附著效果較好；在相對濕度為60%時，不同裹粉電壓下測定的粉料剩余率非常接近，說明在中等濕度下附著效果接近；90 kV的折線始終處于低位，說明高電壓下附著效果并未提高，剩余率低也與上粉量大、離心測試時分離的粉料較多有關(guān)。

6 結(jié)論

(1)采用靜電技術(shù)裹粉，得到的魷魚足裹粉層分布均勻，有效避免了吸盤和相鄰足間縫隙的漏裹。靜電裹粉方法可行，能夠解決人工裹粉的不足和現(xiàn)有裹粉設(shè)備無法滿足魷魚足裹粉的問題。

(2)采用中低濕度、中高電壓進行裹粉，可在2～2.5 s內(nèi)完成一只魷魚足的裹粉作業(yè)。采取多套靜電裹粉裝置并行作業(yè)，可大大提高魷魚足裹粉作業(yè)的效率，降低生產(chǎn)成本。

(3)根據(jù)噴粉箱內(nèi)濕度選擇合理的電壓，可在0～1 s獲得最大的粉層質(zhì)量增量，提高魷魚足裹粉作業(yè)的效率。

(4)采取中低電壓、中等濕度進行裹粉，粉料的附著效果較好。

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