張秀花，蘇月峰，弋景剛，王澤河，楊淑華

南美白對蝦揉搓預處理對剝殼影響的試驗研究

張秀花，蘇月峰，弋景剛，王澤河，楊淑華

（河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，保定 071001）

為獲得低損高品質(zhì)的蝦仁，該研究提出了機械式揉搓預處理方法，研究了揉搓處理對剝殼影響的因素。根據(jù)對蝦體型特征和試驗需求設(shè)計了帶式揉搓試驗臺。以體長約12 cm、質(zhì)量約10.6 g的鮮活南美白對蝦作為試驗對象。為了適應(yīng)現(xiàn)代化剝殼工藝，首先對對蝦進行1 ℃、15 min的低溫處理，再進行揉搓試驗。試驗以揉搓法向壓力、揉搓總距離和揉搓方向為影響因素，以促剝指數(shù)、汁水流失率和破損率為評測指標，在單因素試驗基礎(chǔ)上，進行響應(yīng)面優(yōu)化試驗。獲得優(yōu)化參數(shù)組合為：揉搓法向壓力11.8 N、揉搓總距離70 cm、揉搓方向反向占比30%，該條件下促剝指數(shù)為1.41，汁水流失率為3.44%，破損率為4.9%，經(jīng)過試驗驗證，誤差小于5%。根據(jù)對蝦的殼肉結(jié)構(gòu)特點、受力分析和揉搓前后殼肉連接的顯微結(jié)構(gòu)變化，分析了“擠壓力-剪切力-滾動”聯(lián)合作用下“蝦體形變-殼肉撕扯-分離擴展”的過程，闡明了對蝦揉搓的殼肉松脫促剝機理。研究結(jié)果可為對蝦綠色、低損去殼方法提供參考。

剝殼；優(yōu)化；對蝦；預處理；揉搓；殼肉分離

0 引 言

中國蝦產(chǎn)量位居世界前列[1-3]，僅2019年中國蝦產(chǎn)量超過180萬t[4]，出口蝦產(chǎn)品中蝦仁超過50%[5]。但是新鮮對蝦剝殼困難，一般需要預處理削弱殼肉之間的連接，否則易導致蝦肉撕裂，蝦殼碎裂，蝦仁感觀質(zhì)量下降，后續(xù)清雜分選工作量大等問題。因此對蝦剝殼預處理工藝成為制約低損機械化剝殼的瓶頸[6]。

預處理技術(shù)不僅能提高對蝦剝殼效率，也能降低蝦仁損失，提高蝦仁品質(zhì)，近些年來國內(nèi)外在該領(lǐng)域做了大量研究。易俊潔等[7]已證明在高壓200 MPa、3 min處理后脫殼，蝦仁完整性和外觀色澤較佳，而300 MPa、1 min處理后脫殼效率較高且口感較好，但高壓能耗高[8]且對蝦肉的pH值、質(zhì)構(gòu)和持水性有影響[9]。有研究發(fā)現(xiàn)蛋白水解酶與碳水化合物酶的組合對蝦殼松脫有良好效果，然而酶的加入會降低保水率和蝦肉的質(zhì)構(gòu)[1]。Dang等[10]用超聲波和酶共同作用處理蝦殼脫松，通過酶將蝦殼穿透，再將超聲波的能量傳遞到殼肉層使其分離。此外微波也有對蝦促剝的潛質(zhì)[11-12]，但未有文獻深入研究。

這些新興技術(shù)都對剝殼有作用，都需要專用的設(shè)備，價格昂貴，而且處理后蝦肉的物理、生物特性尚未得到全面評估，也未獲得規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。目前常用的冷凍處理[13]和鹽鹵處理[14]，其技術(shù)成熟，但有文獻[15]證明處理后存在著降低貨架期、處理周期長、影響顏色和咀嚼性等問題。

機械式揉搓預處理是一種通過外力削弱殼肉之間的連接，具有綠色、高效、無污染的特點，符合現(xiàn)代化食品加工的理念，近年來獲得了業(yè)內(nèi)關(guān)注。張進疆等[16]設(shè)計了一種輥軸式蝦剝殼機，蘇月峰等[17]設(shè)計的一種揉搓裝置，包靈義等[18]設(shè)計的滾軸式自動剝蝦機，Lapeyre等[19]設(shè)計的對蝦壓緊剝殼裝置等，這些裝置均是通過在剝殼通道內(nèi)增設(shè)具有揉搓作用的機構(gòu)來實現(xiàn)促進剝殼的作用。此外還有丁義虎[20]設(shè)計的全自動蝦剝殼機，采用具有多個剝殼單元的上踩件上下往復踩壓揉搓，上往復輥的不斷往復翻轉(zhuǎn)，形成的撞擊和揉搓運動來促使對蝦的殼肉分離，該機構(gòu)也是安裝在輥軸式剝殼機上的輔助機構(gòu)。蘇月峰等[21]設(shè)計的揉搓脫殼裝置采用上下兩弧形磨盤搓碾的揉搓方式來實現(xiàn)對蝦的殼肉松脫，該機構(gòu)為獨立式揉搓裝置。這些裝置均可以不同程度地弱化殼肉連接，促使殼肉分離，但是未見文獻研究其機理和量化剝殼效果。

綜上所述，傳統(tǒng)的冷凍、鹽鹵、酶熟化等預處理都能夠不同程度地破壞對蝦殼肉連接的蛋白物質(zhì)，但也不同程度地改變了蝦肉品質(zhì)。機械揉搓的微幅多次作用可以弱化殼肉連接，且高效綠色，是對蝦剝殼預處理的發(fā)展趨勢，但是揉搓也是蝦肉損傷和蝦殼破碎的主要外部條件。本文擬設(shè)計揉搓試驗臺，通過試驗研究揉搓機理、觀察揉搓效果、確定揉搓作用對殼肉分離的參數(shù)，量化揉搓因素與觀測指標的關(guān)系，獲取對蝦低損高效揉搓的優(yōu)化參數(shù)，為設(shè)計制造有效揉搓設(shè)備提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為分級后的鮮活南美白對蝦，采購于河北景縣水產(chǎn)市場。試驗前將蝦放在新鮮海水中并有氧氣機進行供氧，以保證其鮮活特性。由于同級別范圍內(nèi)蝦體存在大小差異，這對揉搓壓力和揉搓距離的效果影響較大，為保證試驗的準確性，試驗前對所購買對蝦進行抽樣測量，在100只對蝦的樣本中選取20只進行測量，為避免誤差連續(xù)測量兩次記錄結(jié)果，所得各參數(shù)均值為：體長（12.1±0.5）cm、第1節(jié)厚度（10.9±0.9）mm、質(zhì)量（10.6±1.5）g、側(cè)位楔角4.8°±1.0°、腹背楔角5.9°±0.6°，各楔角位置如圖1所示。由參考文獻[22-24]知，蝦在剝殼前要在冰水中進行清洗和分級（冰水可使對蝦產(chǎn)生昏厥），因此綜合考慮，本次試驗所用鮮活對蝦要在1℃環(huán)境中15 min的低溫處理，模擬實際生產(chǎn)的冰水混合水浸泡條件，之后再進行揉搓試驗。通過預試驗知，蝦死亡時間對剝殼的難易程度影響極大，所以為了保證對蝦的鮮活和初始條件一致性，以組為單位，低溫預處理一組，揉搓一組。根據(jù)水產(chǎn)品抽樣方法（SCT 3016—2004）選取對蝦，每組蝦10只。對蝦頭部有重金屬堆積，剝殼時易影響蝦的品質(zhì)[24]，故本試驗揉搓前全部對蝦進行去頭處理。

1.2 儀器與裝置

主要儀器設(shè)備：游標卡尺（精度為0.02 mm），剪刀，電子秤（精度為0.001 g），砝碼，蝦盛放容器，供氧機，計時器，試驗用冰箱，吸水紙巾，揉搓試驗臺，掃描電鏡（型號為TESCANVEGA3LMH，泰思肯有限公司），手術(shù)刀，冷凍干燥儀（型號為SCIENTZ-18ND，上海重逢科學儀器有限公司）。

根據(jù)試驗需要控制的因素條件及參數(shù)范圍，設(shè)計揉搓試驗臺如圖2a所示。工作原理如圖2b，由上下兩揉搓帶組成，兩揉搓帶的相近側(cè)各自以相同速率向反方向轉(zhuǎn)動，使兩帶之間的對蝦發(fā)生原地滾動，即產(chǎn)生揉搓作用。通過調(diào)節(jié)兩帶對蝦體的壓力來實現(xiàn)對蝦揉搓的壓量控制，通過調(diào)節(jié)兩帶相互轉(zhuǎn)動距離來調(diào)節(jié)揉搓距離，通過調(diào)節(jié)揉搓帶的運動方向來調(diào)節(jié)正反運動量。為了使揉搓帶更好貼合蝦體，根據(jù)所測取的腹背楔角和側(cè)位楔角，取兩楔角的均值5.4°為兩帶的傾角，如圖2c。揉搓試驗臺由上揉搓機構(gòu)、下揉搓機構(gòu)、定滑輪機構(gòu)、平衡砝碼和壓力砝碼組成。下揉搓機構(gòu)與光軸緊固，上揉搓機構(gòu)可以沿光軸滑動，定滑輪機構(gòu)與光軸上端緊固，平衡砝碼通過無彈力繩拉著上揉搓機構(gòu)，上揉搓機構(gòu)的上面有砝碼盤用于盛放壓力砝碼。為更好控制對蝦的壓力，設(shè)置平衡砝碼和上揉搓機構(gòu)質(zhì)量相同，這樣可使砝碼盤上的壓力砝碼質(zhì)量等于對蝦所承受的質(zhì)量。為防止皮帶發(fā)生撓曲變形影響壓力的傳達，在揉搓位置設(shè)置揉搓帶支撐板。為了增加揉搓帶對蝦體的摩擦力，在揉搓帶表面覆蓋有4 mm厚的食品級硅膠層，并在橡膠層上加工出直線溝槽，且溝槽方向垂直于揉搓的方向，由蝦體尺寸設(shè)計溝槽寬3 mm、深1.5 mm，溝槽之間的間隔為5 mm（圖 2b）。此外，經(jīng)測定硅膠層和蝦體摩擦角為51.08°，蝦體相對于硅膠帶不會發(fā)生徑向和軸向滑動，因此在揉搓過程中蝦體與帶溝槽紋理的硅膠帶滾動揉搓，可以保持蝦的頭尾軸線方向垂直于揉搓方向。為避免加載速度對揉搓效果的影響，試驗時將上揉搓機構(gòu)沿光軸抬起，將蝦放于揉搓帶支撐板位置（如圖2a所示），再將上揉搓機構(gòu)輕輕放下，啟動步進電機使兩帶發(fā)生轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)對蝦的揉搓。

1.3 試驗方法

通過對現(xiàn)有揉搓方式的研究[16-21]發(fā)現(xiàn)揉搓對殼肉分離影響因素主要包括：揉搓法向壓力、揉搓總距離、揉搓方向和揉搓速度，但通過預試驗知揉搓法向壓力、揉搓總距離、揉搓方向?qū)θ啻晷Ч杏绊懀啻晁俣却笥?.55 m/s時，由于蝦體側(cè)位楔角和腹背楔角的差異會導致揉搓過程中發(fā)生滑搓或脫揉現(xiàn)象，當速度小于0.55 m/s時，對結(jié)果影響很小，結(jié)合對蝦分級和剝殼處理的速度在0.10～0.30 m/s之間[13,23]，揉搓速度定為0.15 m/s，該因素不作為揉搓控制變量。因此試驗主要因素定為揉搓法向壓力、揉搓總距離、揉搓方向。

在本次試驗中關(guān)鍵揉搓因素的具體量化方法為：控制砝碼盤上放置砝碼的質(zhì)量作為控制揉搓壓力的調(diào)節(jié)方式，因此該因素命名為砝碼質(zhì)量；揉搓總距離為兩揉搓帶相對移動的距離，如圖2b所示，通過設(shè)置步進電機的轉(zhuǎn)動步數(shù)來控制揉搓距離，并命名該因素為總距離；揉搓方向為垂直蝦體方向，控制量為正反方向的占比，具體為令某一方向為正向，正反占比即為反向揉搓距離占正反揉搓距離之和（揉搓總距離）的百分比，并命名該因素為方向反占比。

試驗過程為：將鮮活對蝦在冰箱內(nèi)進行1 ℃、15 min的預處理、對完整對蝦擦干稱量并記錄、去頭、由試驗臺進行揉搓試驗、記錄殼肉破損情況、每只蝦依次進行剝殼程度的評定、將蝦仁用吸水紙巾擦干并稱量記錄、蝦頭蝦殼等廢料稱量并記錄。

1.4 試驗指標

蝦仁脫殼過程中直接反映蝦仁脫殼效率與蝦仁品質(zhì)的參數(shù)是首要考慮對象，其主要指標有：揉搓后剝殼能力的評定、汁水流失率、破損率、得仁率及蝦仁的表觀品質(zhì)[4]。由于本次試驗剝殼為手工剝殼，幾乎不會因為剝殼困難而導致的蝦肉損失和蝦仁破損，因此舍去得仁率、蝦仁的表觀品質(zhì)兩個指標。綜上采用剝殼能力的等級評定、汁水流失率和揉搓后蝦殼的破損率3個指標來評定試驗效果。具體如下：

1）剝殼能力的評定：試驗處理后的蝦按照殼肉分離的程度分為5個等級，如表1。通過評價每只蝦的等級作為揉搓試驗處理后促剝能力的定量評測，命名該指標為促剝指數(shù)，促剝指數(shù)的具體數(shù)值由公式（1）計算。具體判定等級的方法為：每一只揉搓完成的對蝦，根據(jù)表1的標準先進行殼肉分離程度的觀察，再進行手工剝殼親身感受殼肉的分離程度，最后確定等級，等級得分越低說明促進剝殼的能力越強。試驗中評測和剝殼為同一人，且經(jīng)過了培訓。

其中PS為促進剝指數(shù)；SP為各只蝦的剝殼等級之和；SN為蝦的總數(shù)量。

表1 促剝等級評價標準

2）汁水流失率：蝦仁的汁水流失率是反映蝦仁保水能力的一個參數(shù)。一般來說，汁水流失率越低，肉的品質(zhì)越好[25]。測定蝦仁的汁水流失率具體步驟為，稱取處理前鮮蝦的質(zhì)量，在稱量之前統(tǒng)一用吸水紙巾吸去表面水分，然后稱取揉搓處理并脫殼后蝦仁質(zhì)量，蝦仁在稱取前統(tǒng)一用吸水紙巾將水吸干，再稱取蝦殼與蝦頭等廢料的質(zhì)量，最后計算得到蝦仁的汁水流失率[5]，計算公式如下

其中DL為汁水流失率，%；0為鮮蝦的質(zhì)量，g；SS為蝦仁的質(zhì)量，g；SH為蝦殼與蝦頭等廢料的質(zhì)量，g。

3）揉搓后蝦殼的破損率：由于本文所做研究為擠壓式揉搓試驗，如果該過程中蝦殼破損，蝦仁將會暴露出來，擠壓揉搓作用易對蝦仁造成損傷，所以在有效促進剝殼效果的情況下保證蝦殼的完整性，這樣才可以保證蝦仁不受損傷，使蝦仁表觀質(zhì)量不減，且完整的蝦殼有助于下一工序的剝殼。命名該指標為破損率。通過預試驗知，揉搓最易破壞的位置為腹節(jié)第二三節(jié)易開裂，其次是尾節(jié)的殼，最嚴重破損狀態(tài)為殼肉全部脫離或潰爛。因此該指標設(shè)計評測標準為：觀察并記錄因揉搓導致的蝦殼斷裂、潰爛破損的對蝦只數(shù)，具體為，腹節(jié)第二三節(jié)或尾節(jié)的殼開裂計為0.5只，腹節(jié)第二三節(jié)和尾節(jié)的殼開裂計為1只，潰爛或完全脫離計為1只。破損率公式如下

其中BR為破損率，%，TN為每組對蝦總只數(shù)，BN為每組對蝦中揉搓后破損只數(shù)。

1.5 試驗設(shè)計

1.5.1 單因素試驗設(shè)計

將選取的對蝦分別以砝碼質(zhì)量、揉搓總距離和方向反占比3個變量作為影響因子，以促剝指數(shù)、汁水流失率、破損率作為響應(yīng)指標，逐一進行單因素試驗，每組試驗重復3次取平均值，觀測各指標的變化趨勢并確定較優(yōu)參數(shù)范圍。具體如下：

砝碼質(zhì)量的試驗條件：揉搓總距離為60 cm，方向反占比為0，試驗中砝碼質(zhì)量設(shè)置為0.75、1.00、1.25、1.50、1.75 kg 5個梯度。揉搓總距離的試驗條件：砝碼質(zhì)量為1.25 kg，方向反占比為0，揉搓總距離設(shè)置為20、40、60、80、100 cm 5個梯度。方向反占比的試驗條件：砝碼質(zhì)量1.25 kg，揉搓總距離為60 cm，方向反占比為0、10%、20%、30%、40%、50% 6個梯度。

1.5.2 響應(yīng)面試驗設(shè)計

分析單因素試驗的結(jié)果，確定單因素較優(yōu)數(shù)值區(qū)間，進而確定響應(yīng)面因素砝碼質(zhì)量、揉搓總距離和方向反占比的因素水平值，如表2。以促剝指數(shù)1、汁水流失率2、破損率3為評價響應(yīng)值，采用Design- Expert8.06軟件，以Box-Behnken design響應(yīng)優(yōu)化方法[26-27]設(shè)計三因素三響應(yīng)的試驗方案。

表2 因素編碼表

1.5.3 揉搓機理的分析與驗證試驗

為了更好理解揉搓對殼肉分離的作用，通過試驗觀察和分析闡述殼肉分離的機理和過程。通過掃描電子顯微鏡對揉搓試驗效果及殼肉分離機理進行驗證。選取大小為10～11 g鮮活對蝦進行試驗，一組在優(yōu)化后的參數(shù)條件下進行揉搓處理，另一組未經(jīng)揉搓，其他條件相同作為對照組，將兩組試驗蝦進行冷凍固定4 h，之后用厚度為0.5 mm的手術(shù)刀在蝦的截面方向進行切片，切片統(tǒng)一選取對蝦腹節(jié)第二節(jié)進行觀察，切片厚度約為5 mm，再進行真空冷凍干燥[28]，真空冷凍干燥后用離子濺射儀進行噴金處理，之后用掃描電子顯微鏡觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 砝碼質(zhì)量對剝殼影響的試驗結(jié)果與分析

結(jié)果如表3所示，通過單因素方差分析砝碼質(zhì)量對各指標影響均極顯著。由表中數(shù)據(jù)知，隨著砝碼質(zhì)量的增加破損率逐漸增加，且砝碼質(zhì)量由1.00～1.75 kg增加過程中破損率從0上升到70 %，說明壓力的增加對蝦的破壞程度較強。在試驗中也觀察到，當砝碼質(zhì)量達到1.25 kg時，有的對蝦的第二三節(jié)腹節(jié)處開始出現(xiàn)開裂的情況，當達到1.75 kg時已經(jīng)出現(xiàn)蝦殼全部脫離甚至是潰爛的情況。隨砝碼質(zhì)量增加促剝指數(shù)降低，在砝碼1.75 kg時促剝指數(shù)最低，為1.2。隨砝碼質(zhì)量增加汁水流失率增加，在砝碼0.75 kg時汁水流失率最低，為3.03%。綜合考慮在砝碼1.25 kg處存在較優(yōu)點，因此選取1.00、1.25、1.50 kg為響應(yīng)面試驗的砝碼質(zhì)量因素水平。

●在內(nèi)蒙古自治區(qū)五原縣實施的5萬畝“改鹽增草（飼）興牧”試驗示范項目區(qū)，硅谷農(nóng)業(yè)科學研究院、硅谷肥業(yè)公司承擔了3000多畝中度、重度鹽堿土壤的修復改良，我們提出的口號是“綜合治理、一年治鹽堿、二年奔健康、三年變良田”的目標，實現(xiàn)科技助力，綠色興農(nóng)的戰(zhàn)略思想。

表3 砝碼質(zhì)量對剝殼影響的試驗結(jié)果

注：極顯著（<0.01），顯著（0.01≤<0.05），下同。

Note: highly significant (<0.01), significant (0.01≤<0.05),The same below.

2.1.2 揉搓總距離對剝殼影響的試驗結(jié)果與分析

結(jié)果如表4所示，通過單因素方差分析揉搓總距離對各指標影響均極顯著。隨總距離增加破損率增加，在40～100 cm時，破損率由0上升到20%，因此揉搓總距離的破壞能力相較砝碼質(zhì)量小很多。隨揉搓總距離增加促剝指數(shù)下降，從4.0下降至1.6，說明總距離對對蝦的剝殼性有良好的促進效果。揉搓總距離對汁水流失影響很小，在40～100 cm的變化中，汁水流失率變化量不大，因此可以斷定總距離對汁水流失的影響較小。在揉搓總距離20 cm的試驗組中失水率較高很可能是因為剝殼效果很差，在手工剝殼的過程中用力過大所導致。綜合考慮在總距離為60 cm處存在較優(yōu)點。因此選取總距離為50、60、70 cm為響應(yīng)面試驗的因素水平。

表4 揉搓總距離對剝殼影響的試驗結(jié)果

2.1.3 方向反占比對剝殼影響的試驗結(jié)果與分析

結(jié)果如表5所示，通過單因素方差分析方向反占比對各指標影響均極顯著。反占比為0時破損率為10%，方向反占比不為0時，破損率大部分為0，因此說明方向反占比具有良好的降低破損率的作用。但方向反占比為30%時，出現(xiàn)5%的破損率，說明此時正反向揉搓比例達到了殼或殼節(jié)連接物的力學疲勞極限，因此破損率出現(xiàn)浮動，總體說方向反占比不為0時，具有明顯降低破損率的效果。方向反占比對促剝指數(shù)的影響為先下降后上升的趨勢，拐點為方向反占比為20%時，促剝指數(shù)為1.8，最低。隨方向反占比增加汁水流失率降低，但在40%方向反占比處出現(xiàn)微小浮動。綜合考慮方向反占比在0和30%之間存在較優(yōu)數(shù)據(jù)，為均勻設(shè)置梯度，響應(yīng)面試驗反占比因素水平設(shè)置為0、15%、30%。方向反占比能在該試驗中起到效果，很可能是由于殼肉的彈性模量等力學參數(shù)不同而產(chǎn)生的分離效果，通過往復式揉搓得到了加強，促進了殼肉的分離，但是當方向反占比為50%或接近50%時，正反兩個方向上的距離相同，由揉搓所產(chǎn)生的切向的撕拉力相互抵消，所以這很可能是導致殼肉分離效果下降的原因。

表5 方向反占比對剝殼影響的試驗結(jié)果

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

2.2.1 試驗結(jié)果與方差分析

響應(yīng)面試驗方案和結(jié)果如表6所示，通過Design-Expert8.06軟件對砝碼質(zhì)量、揉搓總距離、方向反占比三影響因素進行回歸擬合，得出響應(yīng)值促剝指數(shù)1、汁水流失率2、破損率3的3個響應(yīng)因子的二次多項式回歸數(shù)學模型，剔除不顯著項，得到數(shù)學模型如式（4）-（6）

式中1、2、3分別為砝碼質(zhì)量、揉搓總距離、方向反占比的編碼值，取值范圍均為?1～1。

通過表7的分析結(jié)果可知，促剝指數(shù)1、汁水流失率2、破損率3，3個觀察指標的回歸數(shù)學模型的值分別為<0.000 1、0.003 1、0.002 7，均小于0.01，表明3個模型的顯著性極強；其失擬項的值分別為0.541 3、0.059 0、0.117 1，均大于0.05，表明試驗誤差小。決定系數(shù)2分別為0.990 1、0.927 9、0.930 7，2Adj分別為0.977 5、0.835 2、0.841 6，表明回歸方程擬合良好。

對于促剝指數(shù)1，1、2、3、12的值均<0.000 1，22的值<0.05。說明砝碼質(zhì)量對促剝指數(shù)影響極顯著，相比之下揉搓總距離次之，反占比又次之，交互項12、13和23的值均>0.05不顯著，說明各個影響因素對促剝指數(shù)的交互作用較弱。

對于汁水流失率2，各項的值12<1<22<0.01，說明砝碼質(zhì)量是汁水流失率的主要影響因素，且砝碼質(zhì)量高度影響，在交互項中僅有23的值<0.05，說明在一定程度上揉搓總距離和方向反占比表現(xiàn)出交互作用，而其他因素間無交互作用。

對于破損率3，1的值<0.01說明砝碼質(zhì)量是破損率的高度影響因素，2的值<12的值<0.05，說明揉搓總距離也是影響破損率的關(guān)鍵因素但要次于砝碼質(zhì)量，其他項的值均大于0.05，故均不顯著。

表6 Box-Behnken試驗方案及結(jié)果

表7 回歸模型的方差分析

2.2.2 參數(shù)優(yōu)化與驗證

為獲得對蝦揉搓的最佳參數(shù)組合，運用Design-Expert8.0.6軟件的優(yōu)化分析功能，以評價促進剝殼效果的3個指標1、2和3為目標函數(shù)，對揉搓參數(shù)進行優(yōu)化。目標函數(shù)為：1[min]；2[min]；3[min]；約束條件為：1∈[?1,1]；2∈[?1,1]；3∈[?1,1]；通過軟件選出滿意度最高的編碼值組合：1=-0.181，2=1.000，3=1.000，換算為對應(yīng)的實際值為砝碼質(zhì)量為1.20 kg即每只蝦所能承受的最佳揉搓法向壓力為11.8 N，揉搓總距離為70 cm，方向反占比為30%。較佳參數(shù)組合下1=1.41，2=3.44%，3=4.9%。

為了檢驗數(shù)據(jù)優(yōu)化后所得數(shù)據(jù)，以優(yōu)化的參數(shù)組合進行揉搓試驗，取3組，每組10只對蝦進行試驗，對試驗結(jié)果取均值，得促剝指數(shù)1為1.40，汁水流失率2為3.52%，破損率3為5.0%。比對預測值與實際試驗值誤差小于5%，說明預測模型可靠。揉搓效果圖如圖3所示。

圖3 揉搓試驗

3 揉搓機理的分析與驗證

3.1 揉搓機理的分析

蝦從殼到肉分為三層，即殼、表皮和肌肉[29]，表皮通過交錯復雜的中間體連接著肌肉，又通過角質(zhì)層內(nèi)纖維與殼連接[11]，如圖4a。通過對蝦揉搓試驗的觀察和分析提出了引起蝦殼脫松的作用機理，其一，蝦體在受到擠壓力作用時由于各層結(jié)構(gòu)的彈性、韌性等力學參數(shù)不同[30]，導致在擠壓和恢復的過程中產(chǎn)生了不同的變形量，進而使殼肉產(chǎn)生分離。其二，由剪切力產(chǎn)生的反向牽引作用使殼肉之間的連接層產(chǎn)生撕扯現(xiàn)象[31]，進而使殼肉分離。其三，由剪切力在揉搓過程中產(chǎn)生的滾動作用，使殼肉的形變和撕扯導致的分離現(xiàn)象傳遞到蝦體整周，進而使殼肉徹底分離。這3種作用相輔相成促成了最后殼肉分離。

基于揉搓作用下蝦體受“擠壓力-剪切力-滾動”聯(lián)合作用松脫的機理，通過試驗觀察并結(jié)合蝦體特征，發(fā)現(xiàn)了揉搓使殼分離的作用過程，如圖4。揉搓前的殼、表皮和肌肉自然貼合連接，如圖4a所示。當沿圓周方向的剪切力和徑向的正壓力作用于殼上使對蝦發(fā)生滾動時，蝦體最先出現(xiàn)開裂的位置為背側(cè)殼和腿側(cè)殼的連接處，即殼沿處，如圖4b所示。這是因為開始揉搓階段各處的殼和蝦仁的連接較好，使殼和表皮的分離的趨勢在任何位置都不易得到釋放，而恰好腿側(cè)殼和背側(cè)殼的連接處厚度和韌性差異性較大，加之其特殊的殼沿形狀，在擠壓力和滾動的作用下易使該處發(fā)生較大隆起形變，進而使這種分離的趨勢在該處得以釋放，即產(chǎn)生殼肉分離。緊接著隨著揉搓的進行，在蝦體的滾動作用下，將這樣隆起形變向其他區(qū)域傳遞，產(chǎn)生殼肉開裂，如圖4c和4d。

隨著多次微幅的滾動使殼肉之間產(chǎn)生位錯滑移，并通過滾動的方式傳遞下去，如圖4e。這樣的位錯滑移使殼肉間產(chǎn)生撕扯作用，進一步使殼肉分離，但卻不易傳遞到蝦體整周，這是因為腿的存在不易使腿側(cè)殼發(fā)生位錯滑移，因此還需要逆向揉搓。逆向揉搓使另一側(cè)也開始發(fā)生位錯滑移，這樣使正向揉搓殼肉滑移到極限時，未分離的連接在反向揉搓過程中產(chǎn)生反向滑移，進而達到殼肉分離效果。如圖4f所示，最后隨著揉搓的進行蝦體整周殼肉全部松脫，完成揉搓過程。

3.2 揉搓機理的驗證

為了更好地驗證揉搓試驗的效果和提出的揉搓機理，通過掃描電子顯微鏡進行微觀驗證。在掃描電子顯微鏡下觀察并在放大100倍時拍攝照片如圖5所示。

由圖5a可以看出，揉搓后的蝦體截面由殼到肉層次結(jié)構(gòu)清晰，界限明顯，在殼和上皮之間出現(xiàn)較大層次性開裂縫隙，且在開裂縫隙中有可見的斷裂現(xiàn)象，在上皮和肉的連接側(cè)無明顯開裂，但出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。未揉搓處理的對照組，如圖5b，殼肉也存在分離現(xiàn)象但分離程度低，且分離不徹底，由殼到肉層次結(jié)構(gòu)不清晰，界限不明顯，無任何撕裂和褶皺現(xiàn)象。

由分離縫隙的大小可以說明揉搓確實對殼肉分離有良好的促進作用。上皮和殼的連接側(cè)有開裂，和肉的連接側(cè)無開裂，這說明揉搓使殼分離時將上皮留在蝦肉表面，可以起到保護蝦肉的作用。在上皮上出現(xiàn)的斷裂說明在揉搓過程中出現(xiàn)了撕扯現(xiàn)象，這也驗證了剪切力對殼肉分離有撕扯作用。在上皮和肉的連接側(cè)有褶皺說明在揉搓中出現(xiàn)過蝦肉和蝦殼不同的變形，這說明在滾動過程中蝦肉和殼出現(xiàn)了不同程度的變形?？梢杂^察到在未經(jīng)處理組也出現(xiàn)有殼肉較低程度的開裂，且無任何撕扯現(xiàn)象，這樣的分離很可能由于在冷凍干燥產(chǎn)生的，因為冷凍也有促進殼松脫的效果[32]。

總的來說，通過電子顯微鏡試驗得知：揉搓處理后的對蝦展示出了明顯的殼肉分離效果，且伴有殼肉位移留下的斷裂痕跡，及滾動產(chǎn)生的褶皺，因此在某種程度上驗證了所提出的揉搓機理。此外也觀察到揉搓未使上皮從蝦肉分離，可以很好保護蝦肉和減少汁水流失。

4 結(jié) 論

1）設(shè)計了帶式對蝦揉搓試驗臺，該裝置通過上下兩揉搓帶發(fā)生相對運動的方式來實現(xiàn)對兩帶中間的蝦揉搓。

2）根據(jù)加工工藝將蝦在1 ℃、15 min的低溫處理，由單因素確定了各因素的較優(yōu)取值范圍，砝碼質(zhì)量1.0～1.5 kg、揉搓總距離50～70 cm、方向反占比0～30%。在單因素基礎(chǔ)上進行優(yōu)化試驗確定了較佳數(shù)據(jù)組合：揉搓法向壓力11.8 N，總距離為70 cm，方向反占比為30%，該條件下促剝指數(shù)為1.41、汁水流失率為3.44%、破損率為4.9%。經(jīng)過試驗驗證，誤差小于5%。

3）提出了揉搓作用下蝦體受“擠壓力-剪切力-滾動”聯(lián)合作用松脫的機理，即擠壓力作用導致蝦體的形變、剪切力對殼肉產(chǎn)生撕扯作用、滾動使殼肉的形變和撕扯向蝦體整周傳遞，并闡明了在該機理作用下“蝦體形變-殼肉撕扯-分離擴展”的過程。對揉搓處理后的對蝦進行微觀觀察，結(jié)果顯示：揉搓處理后的對蝦有明顯的殼肉分離現(xiàn)象，且伴有殼肉位錯滑移留下的斷裂痕跡，及滾動產(chǎn)生的褶皺，因此驗證了所提出的揉搓機理，此外也觀察到揉搓未使上皮從蝦肉分離，可以很好保護蝦肉和減少汁水流失。結(jié)果為綠色低損的現(xiàn)代化食品加工產(chǎn)業(yè)提供理論和數(shù)據(jù)支持。

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Experimental study on the kneading pretreatment for shelling effect of

Zhang Xiuhua, Su Yuefeng, Yi Jinggang, Wang Zehe, Yang Shuhua

(,,071001,)

A kneading pretreatment was proposed to reduce the connection force between the shell and meat in a typical fresh shrimp (). The influencing factors were optimized using measured parameters to improve the efficiency of shrimp shelling and the quality of meat. Freshwere taken as the research object in the experiment with the body length of (12.1±0.5) cm, the first segment thickness of (10.9±0.9) mm, the total weight of (10.6±1.5) g, the lateral wedge angle of 4.8°±1°, as well as the ventral and dorsal wedge angle of 5.9°±0.6°. Prior to the experiment, the key factors were determined to influence the shrimps kneading, including the normal pressure, the total kneading distance, and kneading direction (inverse proportion of direction). A belt-type kneading device was designed according to the needs of experiments and the body characteristics of shrimps. The upper and lower kneading belt in the device were in relative motion to achieve the kneading of the middle shrimp. The dip angle of two kneading belts was set at 5.4°, in order to make the kneading belt better fit the shrimp body. Specifically, the distance between two kneading belts was utilized to control the amount of normal pressure of shrimps kneading, whereas, the relative rotation distance was to adjust the total kneading distance. The relative direction of kneading belt movement was used to tailor the inverse proportion of direction. Before the rolling test, fresh shrimps were treated at 1℃ for 15min, further to simulate the environment of shrimp in the modern processing section (washing and grading in a mixture of ice and water). Just then, fresh shrimps had already passed out in such an environment, which was also helpful for the later rubbing work. The influencing factors were set as the normal kneading pressure, the total kneading distance, and direction, whereas, the evaluation indexes were the stripping index, juice loss rate, and breakage rate. Box Behnken design (BBD) in the Design-Expert8.06 software was selected to first conduct a single-factor experiment, and then a multi-factor one. A regression equation was also established using a Response Surface Method (RSM). A combination of optimal parameters was obtained: 11.8 N of kneading normal pressure, 70 cm of total kneading distance, inverse proportion of direction 30%, while the stripping index of 1.41, juice loss rate of 3.44%, and breakage rate of 4.9%. The experiment was carried out again under the optimal parameter condition, where the error between predicted and true value was less than 5%, indicating a reliable performance. The stripping index was the average of shucking grades for each shrimp in the group, whereas, the inverse proportion of direction was the percentage of the total distance kneaded in the opposite direction. The force of shrimp was calculated according to the three-layer shell, epithelium and muscle of shrimp during kneading. A specific mechanism was proposed for the shell loosening of shrimps, combined with the force and experimental observation of kneading. The first was the deformation of the shrimp body caused by extrusion pressure; the second was the tearing effect of shearing force on the shell; the third was the rolling to transmit both deformation and tearing of shell into the whole circumference of the shrimp body. The structures of kneaded and unrubbed shrimp were compared under a scanning electron microscope (SEM). It was found that the separation between the shell and muscle of kneading shrimps was significantly higher than that of unrubbed ones, indicating that the kneading significantly promoted the separation. There was an obvious shell/meat separation, such as fold fractures in rolling, but no separation of epithelium from shrimp for less loss of juice. Consequently, the kneading can keep the fresh characteristics of shrimps with a nice taste for a longer shelf life. There were also no additives and high-energy consumption for both environmental protection and energy-saving during fresh shrimps processing.

peeling; optimization;; pretreatment; kneading; shell and meat separation

張秀花，蘇月峰，弋景剛，等. 南美白對蝦揉搓預處理對剝殼影響的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(8)：307-315.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.035 http://www.tcsae.org

Zhang Xiuhua, Su Yuefeng, Yi Jinggang, et al.Experimental study on the kneading pretreatment for shelling effect of[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 307-315. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.035 http://www.tcsae.org

2020-11-29

2021-04-11

國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFD0700901）

張秀花，博士，副教授，研究方向為機械設(shè)計與理論、農(nóng)業(yè)機械技術(shù)裝備設(shè)計。Email：zhang72xh@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.035

S985.2+1；TS254.4

A

1002-6819(2021)-08-0307-09