劉艷麗 郭 楠 蔣俊強 周海軍 王圣琪 潘 滿 王子戡

中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院 北京 100083

中國是肉類生產(chǎn)和消費第一大國，在全球疫情持續(xù)反復，世界經(jīng)濟復蘇勢頭放緩的情況下，2021年全國畜禽肉產(chǎn)量仍創(chuàng)下歷史最高記錄[1]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人均收入水平的提高，肉類消費結(jié)構(gòu)和習慣開始改變，消費需求也呈現(xiàn)出多樣化、多層次的特點，城鄉(xiāng)居民的追求開始由“吃飽”轉(zhuǎn)向“吃好”，更加關注肉類的品牌以及高品質(zhì)[2]。同時，“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要中提到：要堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，全面塑造發(fā)展新優(yōu)勢；要推動綠色發(fā)展，促進人與自然和諧共生。隨之而來的機遇與挑戰(zhàn)，迫使國內(nèi)肉類生產(chǎn)加工業(yè)轉(zhuǎn)型升級。目前，肉類產(chǎn)業(yè)存在“大而不強”的問題，需要通過現(xiàn)代化建設，提升肉類供應鏈的韌性和對國內(nèi)需求的適配性，朝著品質(zhì)提升、營養(yǎng)保持、標準加工、安全控制及綠色制造的方向穩(wěn)步前進[3]。

目前國內(nèi)肉類分割操作機械化程度較低，人工手動分割操作成本高、效率低，而且胴體與操作人員長時間接觸容易污染；同時由于重復運動及長時間處于低溫環(huán)境下，易對操作人員身體造成損害等缺點[4,5]。高壓水射流以水作為主要工作介質(zhì)，具有可再生、無污染、可循環(huán)的特點，貼合綠色發(fā)展理念；同時具備清潔高效、操作方便、高加工質(zhì)量的優(yōu)點，是一種具有高技術含量的非傳統(tǒng)分割方式?；诟邏核淞骷夹g的肉類分割在國外發(fā)達國家已有許多成功案例，在國內(nèi)卻鮮有應用。因此，推動高壓水射流技術在國內(nèi)肉類分割中的應用，加快肉類加工產(chǎn)品朝著高品質(zhì)、綠色環(huán)保的方向發(fā)展勢在必行。

1 高壓水射流技術簡介

1.1 高壓水射流工作原理

高壓水射流以水作為主要工作介質(zhì)，運用液體增壓原理，通過高壓生成系統(tǒng)將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)樗膲毫δ?，通過特定形狀的噴嘴，噴射出具有極大動能的水流束，作用于目標材料表面[6]。也可通過加入磨料，增加切削和沖擊的強度。

高壓水射流設備的主要部件包含高壓水泵系統(tǒng)、高壓生成系統(tǒng)、數(shù)控單元、切割頭和捕集器。高壓水泵系統(tǒng)用于向超高壓泵連續(xù)提供壓力；高壓生成系統(tǒng)配有增壓器和儲能器，用于產(chǎn)生高壓并儲存高壓水；高壓水的壓力約為400MPa，高壓水能存儲在蓄能器中，以減少下一階段的壓力損失；切割頭為末端執(zhí)行部件。其運動由數(shù)控單元控制，從而實現(xiàn)高精度加工；捕集器用于收集切割后的加壓水，目的為吸收目標材料被高壓水切割后殘余水中含有的大量能量，以保證不損壞其他零部件[7]。

1.2 高壓水射流分類

高壓水射流按照不同的特征可以分為不同的種類，主要的分類方式為以下幾種[8]：按照技術特征可分為連續(xù)射流、空化射流和脈沖射流，其中，連續(xù)射流是最普遍的一種射流形式；根據(jù)射流壓力可分為高壓力射流和超高壓力射流；根據(jù)射流周圍介質(zhì)可分為淹沒射流和非淹沒射流；根據(jù)射流內(nèi)容可分為純水射流和磨料射流。

接下來將對純水射流和磨料射流做進一步介紹。

純水射流以水作為工作介質(zhì)，切割面潔凈效果好，但切割效能較差；磨料射流在純水射流的基礎上，加入一定量的磨料，利用磨料的銳角、硬度以及較大的密度，產(chǎn)生更大的射流動能，增加切削和沖擊的作用，有利提升切割效率。將高壓水射流技術應用于肉類分割中時，由于硬骨的存在明顯阻礙了切割過程，因此磨料射流更為契合。通常將鹽、糖、淀粉晶體以及冰顆粒等可接受的添加劑作為磨料添加到水射流中。

2 高壓水射流技術在肉類分割中應用的優(yōu)點與挑戰(zhàn)

作為一種高能束流加工技術，高壓水射流技術在肉類分割中因其獨特的切割模式相比于傳統(tǒng)的切割方式有許多優(yōu)點，但同時也存在一些挑戰(zhàn)。

2.1 高壓水射流技術在肉類分割中應用的優(yōu)點

高壓水射流技術其優(yōu)點主要包括以下幾個方面[9,10]。

(1)綠色無污染。

水作為其主要的工作介質(zhì)，具有可再生、無污染、可循環(huán)的特點。在切割過程中不會造成環(huán)境污染，具有綠色制造工藝特點。

(2)切割材料類型廣泛，適應性強。

可針對不同硬度值、不同狀態(tài)、不同類型的肉類產(chǎn)品進行切割。

(3)易于實現(xiàn)智能化控制。

可精確切割成特定尺寸及重量規(guī)格的產(chǎn)品，提高了輸出產(chǎn)品的可靠性和一致性。

(4)生產(chǎn)效率高。

切割速度快、材料損耗少，可大幅度提高生產(chǎn)效率。

(5)產(chǎn)品質(zhì)量高。

切割過程中產(chǎn)生的碎屑與熱量可以被水流帶走，無熱影響區(qū)，不會影響肉類產(chǎn)品品質(zhì)。

(6)清潔衛(wèi)生。

在切割過程中，肉類產(chǎn)品只與切削液接觸，避免連續(xù)使用同一刀具，大大減少了交叉污染的機會。

(7)生產(chǎn)成本低。

減少了熟練工人的人工成本、培訓成本，同時也減少了對工人在設施、照明、供暖、衣物、洗滌設施等方面間接費用。

2.2 高壓水射流技術在肉類分割中的應用面臨的挑戰(zhàn)

與此同時，高壓水射流技術在肉類分割中的應用也面臨著一些挑戰(zhàn)。

(1)參數(shù)復雜，優(yōu)化技術難度高。

雖然高壓水射流切割與傳統(tǒng)人工切割相比效率較高，但是與傳統(tǒng)刀具切割相比，高壓水射流的切割能力較低，需要優(yōu)化各項參數(shù)，以確保足夠高的切割效率。

(2)潛在健康危害。

考慮到磨料水射流在肉類加工過程中磨料填充器的附近將產(chǎn)生一個充滿小而尖銳的磨料顆粒環(huán)境，當操作員吸入這些顆粒時，可能會導致肺部微穿孔，對人類的長期健康會產(chǎn)生影響。

(3)設備成本較高。

進口設備成本較高，尤其是高壓水發(fā)生裝置。目前亟需通過國內(nèi)自主研發(fā)來降低設備成本。

3 高壓水射流技術在肉類分割中的應用現(xiàn)狀

3.1 國外應用現(xiàn)狀

早在二十世紀九十年代，國外發(fā)達國家已經(jīng)開始了高壓水射流技術在肉類分割中的應用研究。

O’Brien W H[11](1993)等在一項專利中就提出了一種基于高壓水射流技術的牛肉切片系統(tǒng)。此系統(tǒng)首先將冷凍的胴體水平安置在具有自動引導功能的車輛上；其次利用X射線、3D機器視覺和超聲波傳感器對胴體進行評估，基于評估結(jié)果生成切割路徑，將胴體分割成最優(yōu)的原始切片；再次利用高壓水射流對無骨胴體部分進行切割，當要對帶骨胴體部分進行切割時會自動觸發(fā)磨料射流；最后利用空氣射流使切下的胴體遠離切割區(qū)域。

Alitavoli M[12](1998)等開發(fā)了一種高壓水射流分割肉的工藝規(guī)劃專家系統(tǒng)，利用實驗獲得的數(shù)據(jù)研究了在高壓水射流分割特定肉制品(如豬肉、牛肉、羊肉和雞肉等)過程中相關變量的確定方法，為高壓水射流技術在肉類分割中的智能化應用提供了基礎。其系統(tǒng)的輸出變量主要包括：水射流壓力、橫移速度、噴嘴直徑及其切割頭與胴體的距離。同時，Alitavoli通過實驗發(fā)現(xiàn)，被切割材料決定了選用的磨料類型；切割深度隨水射流壓力的增加而增加，同時也會影響材料的去除速度；切割深度隨著切割往返次數(shù)的增加而增加；最佳噴嘴直徑為0.15～1mm；切割頭到胴體的距離、橫移速度都與切割深度成反比。

Bansal R K[13](1999)等通過重復試驗，確定了運用高壓水射流切割無骨雞胸肉時噴嘴的最佳孔口直徑、工作壓力、切割速度以及切割間隔距離。同時指出，孔口直徑為0.127mm的噴嘴最適合切割雞胸肉，并且在179～224MPa的水壓和100mm/s或更低的切割速度下切割性能最佳；當噴嘴孔口直徑為0.076mm和0.127mm時，雞肉厚度的變化對切割質(zhì)量以及切割深度有顯著的影響，直徑為0.178mm的較大孔口噴出的水射流經(jīng)常會對雞胸肉較薄的部分造成過多的損害；在使用高壓水射流切割的過程中，由于在室溫下非常柔軟的鮮肉沒有能夠保證切割成均勻?qū)挾惹衅璧挠捕龋鋮s至約0℃的雞肉通常能獲得較好的切割效果。

美國FMC FoodTech公司生產(chǎn)了型號為DSI Accura的切割系統(tǒng)[14]，該系統(tǒng)能夠通過高速圖像處理和高壓水射流技術將雞肉切成特定的大小和形狀。此系統(tǒng)具有四個基本算法任務：成像、刀具路徑規(guī)劃、切割和控制回路。該系統(tǒng)首先對傳送帶上移動的肉品進行拍攝；然后根據(jù)操作員繪制的切割形狀規(guī)劃每個肉品最佳切割路徑；最后利用高壓水射流完成對雞肉的分割。以上系統(tǒng)的所有動作都是在其控制回路中完成。此系統(tǒng)還具有兩個獨立的掃描系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)掃描系統(tǒng)以及特征掃描系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)掃描系統(tǒng)能夠確定雞肉的三維拓撲結(jié)構(gòu)，若掃描到比常規(guī)厚度稍厚的雞肉，切割頭會降低移動速度以確保完全切割。特征掃描系統(tǒng)能夠?qū)﹄u肉的脂肪等缺陷進行定位，方便對刀具的切割路徑進行規(guī)劃。

J Wang[15](2008)等將鹽粒作為磨料，并利用磨料水射流對帶骨和不帶骨牛肉、豬肉和羊肉進行了切割實驗，旨在調(diào)查使用磨料水射流技術切割純?nèi)?、帶骨肉和骨頭(脊椎和肋骨)的可行性。文章還研究了不同工藝參數(shù)對切割性能的影響，并推選出了最優(yōu)的工藝參數(shù)。研究表明，磨料水射流切割產(chǎn)生的切口非常窄，小于1mm，比傳統(tǒng)切割工藝產(chǎn)生的肉質(zhì)損失更少。以20mm/s的切割速度切割44mm厚的牛肉肋骨能夠獲得較好的切割質(zhì)量；當切割150mm厚的純?nèi)鈺r，66.67mm/s的切割速度可以獲得較好切割質(zhì)量。因此，磨料水射流切割是一種可行的肉類分割技術。

Mcgeough J A[16](2016)研究了以懸浮冰顆粒作為磨料在水射流切割中應用的可行性。純水射流不足以切割肉的較硬部分(如骨頭或更大的橫截面)，需要磨料水射流進行切割。然而，工業(yè)中廣泛使用的石榴石等典型磨料不適用于食品加工，其他可接受的磨料，例如鹽、糖和淀粉晶體等，已被發(fā)現(xiàn)不夠有效。針對上述情況，Mcgeough以懸浮冰顆粒形式存在的冷凍水作為射流介質(zhì)，并討論了冰顆粒的大小和形狀對切割效果的影響。得到了以下結(jié)論：與純水射流切割工藝相比，添加了冰顆粒的磨料水射流切割可提供高達40%的生物材料去除率，更適用于屠宰加工廠胴體(肉和骨)的初級切割。該工藝也可用于冷凍和軟性食品的切割，并能在更低的水壓下實現(xiàn)預期效果。

國外針對高壓水射流在肉類分割中的應用研究主要集中在工藝參數(shù)規(guī)劃、磨料類型探索、加工設備研制方面，已經(jīng)順利應用且有多個成功案例。

3.2 國外應用成功案例

總部位于美國伊利諾伊州芝加哥市的約翰賓科技公司(John Bean Technologies Corporation)食品科技部門(JBT FoodTech)專為食品加工行業(yè)提供技術服務，旗下的DSI品牌一直是無骨蛋白質(zhì)水射流分割領域的領導者和創(chuàng)新的代名詞，已有30多年的歷史。其最新的DSITM800 Portioning System，如圖1所示，能夠?qū)崿F(xiàn)家禽、肉類和海鮮的高效準確切割，從而生產(chǎn)分割的魚片、雞塊以及對產(chǎn)品脂肪進行修剪等[17]。該設備具有高效、緊湊、智能、適應性強以及可定制等優(yōu)勢，在芬蘭HKScan公司中的應用生產(chǎn)現(xiàn)場以及分割后的雞里脊產(chǎn)品如圖2所示[18]。

圖1 DSITM 800 Portioning System

美國科美騰水射流系統(tǒng)(KMT Waterjet Systems)公司專注于水射流切割泵和水射流切割頭的設計和制造，并能夠提供水射流切割解決方案，所研制的水射流切割系統(tǒng)具備無菌衛(wèi)生的切割工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)對冷凍魚、肉類的切割。圖3展示了利用KMT生產(chǎn)的水射流切割系統(tǒng)對瓦爾卡魚進行分割的應用現(xiàn)場[19]。KMT的水射流切割系統(tǒng)還與Loos Machine & Automation公司的Turn-Key系統(tǒng)進行了集成，實現(xiàn)了對牛肉的分割，如圖4所示。此系統(tǒng)在增加產(chǎn)量的同時能夠保持產(chǎn)品分量的一致性，同時產(chǎn)品的質(zhì)量也得到了有效提升[20]。

圖3 KMT水射流切割系統(tǒng)對瓦爾卡魚進行分割

圖4 KMT與Loos合作集成的水射流切割系統(tǒng)

3.3 國內(nèi)應用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)高壓水射流設備生產(chǎn)廠家，如山東沃邁特(WAMIT)以及南京大地(DARAI)等，專業(yè)從事數(shù)控超高壓水射流技術應用產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及技術服務。然而他們在國內(nèi)水切割的應用推廣僅在金屬、石材、玻璃、橡塑等行業(yè)。針對食品，特別是肉類分割方面的應用設備僅面向國外出口，目前國內(nèi)水射流技術在肉類分割方面鮮有應用。國內(nèi)肉類屠宰加工企業(yè)，仍主要采用人工手動分割操作的方式，究其原因主要是：缺乏高壓水射流分割肉類的相關領域?qū)＜抑R，其應用受到阻礙；高壓水射流分割設備的核心關鍵技術被國外壟斷，企業(yè)引入相關設備及技術困難且成本較高；高壓水射流分割設備通用性不高，而國內(nèi)各地畜禽胴體大小差距明顯、分割標準多種多樣，無法滿足實際需求。因此我們需要研究高壓水射流在國內(nèi)肉類分割中應用的關鍵問題，并對其進行的本地化適配。

4 高壓水射流技術在國內(nèi)肉類分割中應用亟需解決的關鍵問題

基于高壓水射流的肉類分割方式相比于傳統(tǒng)的分割方式有許多優(yōu)點，但受制于多方面因素，國內(nèi)在將高壓水射流技術應用于肉類分割仍處在探索階段。為進一步實現(xiàn)其在肉類分割中的應用，許多關鍵問題需要被解決。

4.1 高壓水射流分割系統(tǒng)性研究

國內(nèi)缺乏對高壓水射流技術應用于肉類分割的相關理論及實驗研究，缺少研究該領域的專家。將高壓水射流技術成功應用于肉類分割，需要在研究高壓水射流理論知識的同時，通過不斷地實驗調(diào)整影響其性能的工藝參數(shù)，研發(fā)出適合國內(nèi)國情的高壓水射流分割肉系統(tǒng)。

4.2 高壓水發(fā)生裝置創(chuàng)新研究

高壓水射流系統(tǒng)需要較高的切割工作壓力，因此系統(tǒng)中的高壓水發(fā)生裝置尤為重要，目前應用較多的有高壓水泵和增壓器兩類。高壓水泵產(chǎn)生的壓力脈動小，但它的價格較高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜、體積重量大；增壓器結(jié)構(gòu)原理簡單、易于控制，但易造成系統(tǒng)較大的壓力脈動。為推動高壓水射流技術發(fā)展，應對高壓水發(fā)生裝置進行科技創(chuàng)新開發(fā)，開發(fā)出成本較低、結(jié)構(gòu)原理簡單、更簡易輕便的高壓水發(fā)生裝置。

4.3 具備本地適應性的工藝規(guī)劃系統(tǒng)

由于國內(nèi)畜禽品種繁多、育肥方式多樣，導致胴體大小參差不齊。同時各食品加工企業(yè)實行的分割標準也不同。為實現(xiàn)畜禽胴體切割的最大價值，需要根據(jù)不同的情況，規(guī)劃出高壓水射流分割的最優(yōu)工藝過程及參數(shù)；但是，國內(nèi)現(xiàn)階段缺乏具備相關經(jīng)驗的工藝規(guī)劃師。因此，需要研制具備本地適應性的工藝規(guī)劃系統(tǒng)，該系統(tǒng)可依據(jù)胴體大小、形態(tài)來規(guī)劃工藝過程，設計切削路徑，設置水射流壓力、切割速度、切割間隔距離等切削參數(shù)，使高壓水射流分割設備具有大眾性、自適應性。

4.4 新型磨料射流切割研究

純水射流的切割力較小，當被切割材料帶有骨頭等較硬成分時，通常需要加入磨料進行切割。公認的磨料(例如石榴石)會影響肉品的質(zhì)量，并不適用于肉類分割。目前可知能夠用于肉類分割的磨料有：鹽、糖、淀粉晶體以及冰顆粒等，但是以上磨料存在易融化缺點，切割力會隨之減小。因此需要繼續(xù)研究和探討其他能夠用來分割肉類的磨料，在不影響肉品質(zhì)量的前提下，保證足夠的切割力，提升高壓水射流分割的加工效率。

4.5 肉類分割標準化建設

推進肉類分割標準化建設，提升國內(nèi)肉類分割標準化水平。鼓勵國內(nèi)屠宰加工企業(yè)參照國家相關政策、標準、規(guī)范等要求，結(jié)合本地區(qū)具體生產(chǎn)情況，制定統(tǒng)一的肉類分割標準。

5 高壓水射流技術在國內(nèi)肉類分割中應用的可行性與前景分析

高壓水射流技術在國內(nèi)肉類分割中的應用尚未推廣，接下來將從政策保障、經(jīng)濟效益、技術基礎、市場需求四個方面，對高壓水射流技術在國內(nèi)肉類分割中應用的可行性進行分析。

第一，高壓水射流技術具有綠色、低碳以及污染低的特點，是一種符合當今可持續(xù)發(fā)展潮流的綠色環(huán)保加工技術。綠色加工概念正在深入人心，越來越被人們所重視，高壓水射流技術在肉類分割中的應用契合國內(nèi)對于企業(yè)綠色發(fā)展的要求。

第二，高壓水射流設備雖然本體費用昂貴，但是與傳統(tǒng)切割方式相比，所需要的備件(刀片等)更少，備件的成本更低。高壓水射流設備的清潔特性使得其在食品安全方面的維護費用更低；同時高壓水射流設備所需勞動力更少，產(chǎn)量更高。因此，從長遠來看高壓水射流設備所帶來的經(jīng)濟效益更為可觀。

第三，國內(nèi)已有高壓水射流設備在其他行業(yè)應用的成功經(jīng)驗，擁有了一定的技術基礎。高壓水射流切割系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家與高校之間正在開展深入研發(fā)與推廣，把高壓水射流的應用推廣到食品等未滲透的行業(yè)中去。同時，國內(nèi)在人工智能、機器視覺領域目前處在世界領先水平，將這些技術與高壓水射流系統(tǒng)進行集成應用具有得天獨厚的優(yōu)勢。

第四，隨著人們生活水平的提高，對于食品的品質(zhì)要求也越來越高，傳統(tǒng)切割方式已不能滿足人們對于食材精致、無菌的要求。高壓水射流技術能夠?qū)崿F(xiàn)在無菌環(huán)境下對食品的完美份量控制，而此類高端食材大部分通過進口獲得，因此，經(jīng)過高壓水射流技術分割的肉類產(chǎn)品具有很大的消費市場。

相信通過對關鍵問題的深入研究，在不久的將來，高壓水射流技術在國內(nèi)會成功應用于肉類分割領域，且具有廣泛的應用前景，最終實現(xiàn)國內(nèi)畜禽屠宰加工產(chǎn)業(yè)的升級，打破國外壟斷，提升國內(nèi)肉類分割核心裝備的自給率。