張澤明 王澤河 張秀花 王 偉 楊淑華

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001）

中國(guó)對(duì)蝦（fleshy prawn），又稱東方對(duì)蝦，拉丁學(xué)名為Penaeus chinensis或Penaeus orientalis Kishinouye，隸 屬 節(jié)肢動(dòng)物門，甲殼綱，十足目，對(duì)蝦科，對(duì)蝦屬。對(duì)蝦屬個(gè)體大，通稱大蝦。與墨西哥棕蝦、圭亞那白蝦并稱為“世界三大名蝦”。中國(guó)是世界上最大的對(duì)蝦產(chǎn)品生產(chǎn)國(guó)，也是世界上對(duì)蝦產(chǎn)品的主要貿(mào)易國(guó)。對(duì)蝦營(yíng)養(yǎng)豐富，且肉質(zhì)松軟、易消化、蛋白質(zhì)含量高、脂肪含量低，并富含多種礦物質(zhì)，深受人們的喜愛，隨著生活水平的提高，中國(guó)對(duì)對(duì)蝦的需求量也逐年上升。對(duì)蝦副產(chǎn)品如蝦頭、蝦殼等含有豐富的蛋白質(zhì)、類胡蘿卜素、碳水化合物和纖維素等營(yíng)養(yǎng)成分［1］。

對(duì)蝦剝殼是對(duì)蝦加工過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，目前，中國(guó)仍以手工剝殼為主。研制自動(dòng)化蝦剝殼裝備，為蝦類生產(chǎn)企業(yè)提供實(shí)用的、性能可靠的蝦類剝殼設(shè)備，對(duì)解決蝦剝殼的瓶頸問題，提升對(duì)蝦加工產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，增強(qiáng)水產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義［2］。美國(guó)Jonsson公司設(shè)計(jì)的蝦剝殼機(jī)需人工把去頭蝦體整齊定向地排放到一系列的托盤中，之后蝦體自動(dòng)進(jìn)行校正、壓平、夾緊、開背和剝殼，自動(dòng)化程度高，但剝殼過程不連續(xù)，剝殼效率比較低；美國(guó)Prawnto公司的蝦加工設(shè)備主要用于蝦的開背工作，需要人工對(duì)去頭蝦定向上料，不利于對(duì)蝦的批量化加工。對(duì)于蝦去頭方面的研究國(guó)外未見報(bào)道。王澤河等［3，4］曾對(duì)對(duì)蝦定向、排序去頭、開背以及剝殼工藝進(jìn)行了深入的研究，確定了對(duì)蝦加工的工藝流程，并進(jìn)行了對(duì)蝦定向和開背方面的試驗(yàn)研究，初步確定了對(duì)蝦定向、開背的方案。本研究采用輥組往復(fù)正反轉(zhuǎn)的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦剝殼，旨在解決對(duì)蝦剝殼不連續(xù)，剝殼效率低的問題，為最終對(duì)蝦加工自動(dòng)化設(shè)備的研制提供依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)與輥組布置方案

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)蝦剝殼裝置如圖1所示，主要由蝦仁收集箱、剝殼輥組、噴淋裝置、噴淋裝置支架、上料箱、步進(jìn)電機(jī)、輥組傳動(dòng)箱和機(jī)架組成。對(duì)蝦經(jīng)去頭、開背處理后送入上料箱，之后由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)剝殼輥組往復(fù)正反旋轉(zhuǎn)，對(duì)蝦沿輥組往下滑動(dòng)的同時(shí)將蝦殼剝離，蝦仁落入蝦仁收集箱中；噴淋裝置一方面有利于對(duì)蝦往下滑動(dòng)，另一方面有利于輥組的清潔；同時(shí)輥?zhàn)优c輥?zhàn)又g的傳動(dòng)由輥組傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)。

圖1 對(duì)蝦剝殼裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 The schematic diagram of whole structure for the shrimp peeling device

1.2 輥組布置方案

前期試驗(yàn)［5，6］得到當(dāng)對(duì)輥直徑較大（Φ100mm/Φ80mm）時(shí)，對(duì)輥嚙角較小，兩輥之間區(qū)域等同于V型槽，兩輥在對(duì)擠過程中蝦體始終處于進(jìn)給擠壓狀態(tài)；轉(zhuǎn)動(dòng)角度過大，蝦肉被擠爛；轉(zhuǎn)動(dòng)角度太小，蝦體尾節(jié)處，蝦肉與蝦皮出現(xiàn)粘連，增大了后續(xù)蝦皮、蝦肉分離的難度。而且對(duì)于同一分級(jí)級(jí)別的蝦體，蝦的幾何形狀，外形尺寸又有所區(qū)別，旋轉(zhuǎn)角度確定后，會(huì)導(dǎo)致有的蝦體尾節(jié)處被擠爛，蝦肉損失嚴(yán)重；有的蝦體尾節(jié)處，蝦肉與蝦皮出現(xiàn)粘連。同時(shí)上料前需對(duì)蝦體定向排序，不利于對(duì)蝦剝殼過程的連續(xù)進(jìn)行；當(dāng)對(duì)輥直徑較?。é?5 mm/Φ10mm）時(shí)，對(duì)輥嚙角較大，無(wú)法夾持蝦腿，導(dǎo)致剝殼失?。煌瑫r(shí)當(dāng)輥徑不變時(shí)，對(duì)輥摩擦系數(shù)越大，對(duì)輥嚙角越小，蝦仁損失越嚴(yán)重，對(duì)蝦剝殼越容易；當(dāng)對(duì)蝦厚度越大，對(duì)輥嚙角越大，對(duì)蝦剝殼越難，蝦仁損失越小。

總之，隨著對(duì)輥嚙角變小，剝殼越容易，但蝦仁損失也越嚴(yán)重。為了能順利將對(duì)蝦剝殼同時(shí)又不造成蝦仁損失，必須對(duì)輥徑組合以及輥?zhàn)拥牟贾眯问郊右詢?yōu)化，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)對(duì)蝦剝殼。

根據(jù)式（1）可得，為了得到盡可能大的嚙角，輥徑組合應(yīng)有兩種方案，方案一如圖2所示，大輥與小輥直徑相差較大且之間無(wú)間隙，對(duì)輥嚙角如圖3所示，為了便于小輥的布置，輥組布置采用此種布置形式；方案二如圖4所示，大輥小輥直徑都較小，但兩輥之間有間隙，以保證合適的嚙角，對(duì)輥嚙角如圖5所示。輥組旋轉(zhuǎn)時(shí)保持連續(xù)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，輥組的旋轉(zhuǎn)方向見圖2、4，為了保證蝦皮能從兩輥之間落下要求正轉(zhuǎn)角度大于反轉(zhuǎn)角度。

式中：

α——對(duì)輥嚙角，°；

D——大輥直徑，mm；

d——小輥直徑，mm；

K——對(duì)輥的摩擦系數(shù)；

l——對(duì)蝦厚度參數(shù)；

ξ——對(duì)輥間隙（方案一中ξ＝0），mm。

2 材料與方法

2.1 材料

本試驗(yàn)所用的原料為盛產(chǎn)于滄州黃驊地區(qū)秋季捕撈的形態(tài)完整、發(fā)育正常、不同級(jí)別的南美白對(duì)蝦，用冰水混合物處理24h。對(duì)蝦的分級(jí)級(jí)別為42～50，52～60，62～70，72～80，82～100只/kg［7，8］。

圖2 方案一輥組布置形式Figure 2 The roller group’s layout of the first scheme

圖3 方案一對(duì)輥嚙角Figure 3 The roller’s nip angle of the first scheme

圖4 方案二輥組布置形式Figure 4 The roller group’s layout of the second scheme

圖5 方案二對(duì)輥嚙角Figure 5 The roller’s nip angle of the second scheme

2.2 儀器與設(shè)備

對(duì)蝦剝殼試驗(yàn)設(shè)備由河北農(nóng)業(yè)大學(xué)“海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)”課題組研制，輥徑組合25mm/20mm，間隙0.5mm，輥組表面經(jīng)輥花處理，游標(biāo)卡尺，鋼直尺，電子天平秤，西門子S7－200CPU為224XP的PLC，時(shí)代超群公司生產(chǎn)的型號(hào)為ZD－6560－V3的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和型號(hào)為57BYGH652－03的步進(jìn)電機(jī)。

圖6 對(duì)蝦剝殼裝置示意圖Figure 6 The schematic diagram of the peeling device for shrimp

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

剝殼前將對(duì)蝦去頭開背，開背長(zhǎng)度6節(jié)，并稱得其質(zhì)量，連續(xù)旋轉(zhuǎn)5個(gè)循環(huán)，記錄剝殼成功時(shí)所旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)并再次稱得蝦皮與蝦肉的質(zhì)量和，蝦仁損失率通過式（2）算得。剝殼效果通過表1的感官評(píng)分評(píng)定。剝殼效果感官評(píng)分為蝦皮與蝦肉粘連程度感官評(píng)分與剝殼成功時(shí)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)感官評(píng)分的平均值。蝦皮與蝦肉粘連程度感官評(píng)分代表著剝殼成功率，剝殼成功時(shí)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)感官評(píng)分代表著剝殼的難易程度。

表1 對(duì)蝦剝殼效果評(píng)定Table 1 The standard of sensory evaluation for shrimp’s peeling

式中：

P——蝦仁損失率，%；

Ms——?jiǎng)儦ね瓿珊笪r皮與蝦仁的質(zhì)量和，g；

M0——?jiǎng)儦で叭ヮ^開背對(duì)蝦的質(zhì)量，g。

為保證蝦皮能從兩輥之間的間隙掉下，設(shè)定正轉(zhuǎn)角度比反轉(zhuǎn)角度多36°。將選取的對(duì)蝦分別以對(duì)蝦厚度、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)角度3個(gè)參數(shù)為影響因子逐一進(jìn)行單因素試驗(yàn)，觀察各指標(biāo)的變化趨勢(shì)。

（1）對(duì)蝦厚度試驗(yàn)：輥徑組合25mm/20mm，間隙0.5mm，旋轉(zhuǎn)速度30r/min，旋轉(zhuǎn)角度為正轉(zhuǎn)360°反轉(zhuǎn)324°，采用不同分級(jí)級(jí)別的對(duì)蝦依次為42～50，52～60，62～70，72～80，82～100只/kg對(duì)應(yīng)不同的對(duì)蝦厚度。

（2）旋轉(zhuǎn)速度試驗(yàn)：對(duì)蝦分級(jí)級(jí)別82～100只/kg，輥徑組合25mm/20mm，對(duì)輥間隙0.5mm，旋轉(zhuǎn)角度為正轉(zhuǎn)360°反轉(zhuǎn)324°，旋轉(zhuǎn)速度依次選為15，30，45，60r/min，取對(duì)蝦10只/組，共4組。

（3）旋轉(zhuǎn)角度試驗(yàn)：對(duì)蝦分級(jí)級(jí)別82～100只/kg，輥徑組合25mm/20mm，對(duì)輥間隙0.5mm，旋轉(zhuǎn)速度30r/min，正反轉(zhuǎn)角度依次為90°/54°，180°/144°，270°/234°，360°/324°，450°/414°，取對(duì)蝦10只/組，共5組。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)蝦厚度單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)蝦厚度單因素試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)表明隨著對(duì)蝦厚度的減小，蝦仁損失率逐漸增加，而代表剝殼成功率和剝殼難易程度的感官評(píng)分逐漸增大。因此選擇對(duì)蝦分級(jí)級(jí)別為82～100只/kg，充分保證剝殼成功率。

3.2 旋轉(zhuǎn)速度單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

輥組旋轉(zhuǎn)速度單因素試驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)表明隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，蝦仁損失率和感官評(píng)分都是先逐漸降低后又有所增長(zhǎng)，因此確定最佳轉(zhuǎn)速為45r/min。

表2 對(duì)蝦厚度單因素試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The single factor test results of shrimp’s thickness

表3 旋轉(zhuǎn)速度單因素試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The single factor test results of rotating speed

3.3 旋轉(zhuǎn)角度單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

輥組旋轉(zhuǎn)角度單因素試驗(yàn)結(jié)果見表4。試驗(yàn)表明隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大，蝦仁損失率也隨之增大；旋轉(zhuǎn)角度太小，蝦肉與蝦皮粘連嚴(yán)重，剝殼失敗。因此確定旋轉(zhuǎn)角度270°/234°，使對(duì)蝦剝殼成功的前提下，蝦仁損失率最低。

表4 旋轉(zhuǎn)角度單因素試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The single factor test results of rotating angle

4 結(jié)論

（1）連續(xù)式對(duì)蝦剝殼方案，避免了對(duì)蝦剝殼前需定向、排序的難題，為今后對(duì)蝦剝殼裝置的研制提供了新的思路。

（2）通過前期大量試驗(yàn)得到了輥式對(duì)蝦剝殼的理論公式。試驗(yàn)表明對(duì)于同一分級(jí)級(jí)別的對(duì)蝦，對(duì)輥嚙角越小蝦肉損失越嚴(yán)重；對(duì)輥嚙角太大，對(duì)蝦剝殼難度加大；對(duì)于不同厚度的對(duì)蝦，當(dāng)輥徑組合和對(duì)輥間隙一定時(shí)，其對(duì)應(yīng)不同的嚙角，嚙角不同直接影響剝殼的效果。

（3）試驗(yàn)表明隨著對(duì)蝦厚度的減小，蝦仁損失率逐漸增加，而代表剝殼成功率和剝殼難易程度的感官評(píng)分逐漸增大，因此選擇對(duì)蝦分級(jí)級(jí)別為82～100只/kg，充分保證剝殼成功率；隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，蝦仁損失率和感官評(píng)分都是先逐漸降低后又有所增長(zhǎng)，因此確定最佳轉(zhuǎn)速為45r/min；隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大，蝦仁損失率也隨之增大，旋轉(zhuǎn)角度太小，蝦肉與蝦皮粘連嚴(yán)重，剝殼失敗，因此確定旋轉(zhuǎn)角度270°/234°，使對(duì)蝦剝殼成功的前提下，蝦仁損失率最低。將經(jīng)去頭開背分級(jí)級(jí)別82～100只/kg的對(duì)蝦送入輥徑組合25mm/20mm，對(duì)輥間隙0.5mm，旋轉(zhuǎn)角度270°/234°，旋轉(zhuǎn)速度45r/min的輥組，得到蝦仁損失率為2.6%，感官評(píng)分4.9分。

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