海灣扇貝外套膜及臟器剝離機理試驗

朱其霄　弋景剛　姜海勇等

摘要： 采用試驗研究與理論分析相結合的方法對扇貝外套膜及臟器的剝離機理進行研究，從能量角度揭示剝離機理，利用SPSS軟件對試驗數據進行分析，并擬合建立剝離力的數學模型。結果表明，剝離力與扇貝殼長呈正相關，而與剝離速率無明顯相關關系。

關鍵詞： 海灣扇貝；外套膜；臟器；剝離機理；剝離力；加工機械

中圖分類號：S985 3+6 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0293-03

海灣扇貝分布于北美洲大西洋西海岸，1982年由中國科學院海洋研究所引進到我國，發展成為我國北方淺海養殖的支柱產業之一。扇貝制品的加工工藝為：洗凈鮮活扇貝→開殼→去外套膜及臟器→取貝柱→水洗→挑選稱質量→裝盤冷凍→包裝。其中，去外套膜及臟器是扇貝加工的重點也是難點，須要耗費大量的工時。國內主要采取手工加工方式，機械化程度低，依賴手工加工很難實現加工質量的有效控制。歐美等發達國家扇貝加工業發展早，機械化程度高，但其扇貝加工設備不適合我國國情。因此，研制扇貝加工關鍵裝備、提高扇貝制品的質量、實現扇貝加工的大規模機械化生產對我國扇貝產業的未來發展具有重大和深遠的意義 [1-2]。目前，我國在機械去除海灣扇貝外套膜及臟器方面進行的理論研究較少，對外套膜的剝離原理沒有形成完善的理論。本試驗主要針對海灣扇貝外套膜及臟器的剝離機理進行研究，以期設計出更經濟合理的扇貝加工機械。

1 扇貝外套膜及臟器剝離研究現狀

1 1 扇貝內部結構特性

海灣扇貝內部主要為貝柱、外套膜和內臟等生物組織，圖1為外套膜具有雙殼貝類外套膜的典型結構，緊貼于兩貝殼的內面，為包被內臟團的二葉薄膜，除了在背面少數部位連接外其余部分均游離，由中央膜和邊緣膜組成。外套膜各部位組織學結構相似，其組織結構主要為內外上皮層、結締組織與肌纖維。透過透明的外套膜的中央區，可以看到為外套膜所包被的白色貝柱，其組織結構主要為肌纖維 [3] 不同的生物組織在組織構成方面有一定的差異，因此表現出不同的黏彈特性，其力學性能如彈性、黏性、密度、熱脹系數以及內應力均不相同。由于不同生物組織有不同的力學特性，所以通過高應力、高應變速率可使不同組織按其自然尺度實現分割、剝離 [4]。

1 2 外套膜及臟器剝離技術的現狀

國內扇貝加工企業多采用手工剝離，即采用弧形刮刀手工剝離去除外套膜及臟器。手工剝離去凈率高，但效率低，整個生產線的運行受到剝離工序的制約，直接影響經濟效益。為了提高生產效率，在生產中必須以機械方式代替手工方式去除外套膜及臟器。

歐美等發達國家扇貝加工設備發展較早，自動化技術更多地應用于機械設計中。美國早在20世紀90年代就有去除扇貝外套膜及臟器的專利產生，主要是采取并排的細輥，將扇貝的外套膜及臟器輥碾絞碎，僅留取貝柱 [5-6]。冰島Traust公司的扇貝加工生產線采取了類似技術，自動化程度很高，加工過程中極少須要人工干預。日本日興株式會社生產的NHS-5000 型扇貝自動脫殼機則采用負壓吸附技術，利用負壓吸附設備將貝柱周邊的外套膜及臟器吸除，僅留取貝柱，同時吸除的臟器也能進行再回收利用。需要指出的是，國外的扇貝加工設備是根據國外的生產實際和生產理念設計，比如加工對象為蝦夷扇貝，對于小體積的海灣扇貝適用性較差 [7]。

扇貝外套膜及臟器剝離技術在很大程度上依賴于剝離機理方面的理論研究，揭示剝離機理，建立外套膜及臟器的剝離力數學模型，對剝離技術以及扇貝加工機械的發展具有重大的意義。

2 材料與方法

2 1 試驗設備與材料

儀器設備：浙江溫州山度SP-200型圖顯推拉力計，該儀器峰值、實時值、測試過程曲線全程同步顯示，可連接至計算機監控和追朔測試過程，并得出實時數據及試驗峰值，壓力顯示為正值，拉力顯示為負值；剝離刀鉤。

試驗材料：扇貝采購自河北省昌黎縣一年生海灣扇貝（GB/T 21443—2008《海灣扇貝》），成體殼長50～65 mm。

2 2 試驗方法

查閱相關文獻資料可知，對海灣扇貝外套膜及臟器從貝柱上剝離所需的剝離力產生影響的因素主要有剝離速率和扇貝殼長2個因素 [8-9]。將海灣扇貝按殼長不同分為3組：50～55、55～60、60～65 mm，各組分別取60枚扇貝，在各組中再將這60枚扇貝分為3個小組，每組20枚，進行不同剝離速率條件的試驗（剝離速率分別為10、20、40 mm/s）。用剝離刀鉤鉤住外套膜及臟器，利用推拉力計測量其剝離力并記錄數值。

3 結果與分析

3 1 剝離力曲線

在本試驗過程中，在不同速率下對不同直徑的扇貝外套膜及臟器剝離力進行實時測量。通過觀察發現，在所有的試驗中，剝離力都具有相同的曲線趨勢，結果如圖2所示。為方便從能量角度揭示海灣扇貝外套膜及臟器的剝離機理，在圖2中對剝離過程中的一些特征點進行標注，如圖2中的點a、b。相應地定義Fa為剝離外套膜及臟器時剝離力的最大值，Fav為剝離外套膜及臟器時剝離力的平均值。

整個剝離過程可以分為變形階段、破裂階段和剝離階段3個階段。變形階段刀鉤開始拉伸組織到外套膜與貝柱結合處組織破裂發生剝離，即點a。從圖2可以看出，剝離力隨位移成非線性關系增大，直到剝離力達到最大值Fa。在這個階段，位移在增大，但并沒有剝離發生，刀鉤做功所提供的能量以彈性應變能的方式存儲在外套膜及臟器內。隨著刀鉤位移繼續增大，外套膜與貝柱結合處組織所承受的應力也越來越大，當這種應力大于外套膜與貝柱之間的生物結合力時，剝離發生，即a點。在a點時，外套膜與貝柱結合處組織開始破裂并迅速擴展，這一過程稱為破裂階段，即從點a到點b。在破裂階段，外套膜及臟器中所存儲的彈性應變能在迅速釋放，提供產生新表面所需的能量。同時，剝離力也迅速減小。b點后由于外套膜與貝柱間已經存在缺口，隨后的剝離過程比較平穩，剝離力較小，這一平穩剝離過程稱為剝離階段。在剝離階段，外套膜及臟器的剝離過程較平穩，剝離力在較小范圍內呈現“增大—減小”的波動形式，直到外套膜及臟器完全被剝離，這種剝離力“增大—減小”的波動其實也是一個積聚能量和釋放能量的過程。

為進一步定量分析海灣扇貝外套膜及臟器的剝離機理，從推拉力計所記錄的剝離力數據文件中選取剝離力最大值Fa以及整個剝離過程的剝離力平均值Fav為特征量，進一步研究剝離速率與扇貝殼長對這2個特征量的影響規律。

3 2 剝離速率對剝離力的影響規律

以60～65 mm分組為例，分別對剝離速率10、20、40 mm/s等3個分組中測試的剝離力的最大值Fa進行算術平均值統計分析、平均值Fav進行算術平均值統計分析，結果如表1所示。

由表1可知，隨著剝離速率的增加，剝離力的最大值Fa與平均值Fav表現相對平穩，并沒有明顯的變大或變小的趨勢。

利用SPSS統計軟件單因素方差分析功能，進一步檢驗剝離速率對剝離力的影響是否顯著。對扇貝殼長在60～65 mm間的全部60枚試驗扇貝進行統計分析，用單因素方差分析檢驗3種剝離速率10、20、40 mm/s對剝離力的最大值Fa的影響是否有顯著差異（顯著水平取0 05），結果如表2、表3所示。

從方差分析結果（表3）可以看出，組間的顯著性0 971以及組間可以被線性解釋部分的顯著性0 820均遠遠大于0 05，由此可見各組間不存在顯著性差異，即剝離速率對剝離力最大值的影響不顯著。

用單因素方差分析檢驗3種剝離速率10、20、40 mm/s對剝離力的平均值Fav的影響是否有顯著差異，結果與上述結論相似，即剝離速率對剝離力平均值的影響不顯著?？梢?，剝離速率對扇貝外套膜及臟器的剝離力沒有顯著影響，剝離外套膜及臟器所需的剝離力與剝離速率的關系不大，兩者間不存在明顯相關關系。

3 3 扇貝殼長對剝離力的影響規律

以剝離速率10 mm/s為例，分別對50～55、55～60、60～65 mm等3個分組測試的剝離力的最大值Fa進行算術平均值統計分析、平均值Fav進行算術平均值統計分析，結果如表4所示。

由表4可知，隨著扇貝殼長的增加，剝離力的最大值Fa與平均值Fav有明顯的變大趨勢。

利用SPSS統計軟件曲線回歸分析功能，進一步定量研究扇貝殼長對剝離力的影響規律。以全部180枚試驗扇貝的殼長作為解釋變量，以剝離力的最大值Fa和平均值Fav作為被解釋變量，分別用SPSS軟件提供的各類回歸模型對數據進行擬合，比較r2值，發現二次多項式的擬合優度最高，因此確定回歸方程類型為二次多項式 [10]。

扇貝殼長與剝離力最大峰值間的曲線回歸方程為：

Y1=-0 004x2+0 651x-20 73，r2= 0 927。

式中：x表示扇貝殼長，mm；Y1表示剝離力最大峰值，N。

扇貝殼長與剝離力平均值間的曲線回歸方程為：

Y2=-0 000 6x2+0 106x-2 557，r2= 0 818。

式中：x表示扇貝殼長，mm；Y2表示剝離力平均值，N。

通過上述回歸方程，可以計算出不同大小的扇貝相對應的剝離外套膜及臟器所需剝離力的最大值與平均值，為設計扇貝加工機械時相關參數的確定提供理論參考。

4 結論

本試驗采用試驗研究與理論分析相結合的方法對海灣扇貝外套膜及臟器的剝離機理進行研究，主要結論如下：（1）剝離速率對剝離力的影響不顯著，剝離外套膜及臟器所需的剝離力與剝離速率的關系不大；（2）扇貝殼長對剝離力有顯著影響，且剝離外套膜及臟器所需剝離力隨扇貝殼長的增大而增大，剝離力與扇貝殼長呈正相關。在設計海灣扇貝加工機械時，應根據扇貝殼長合理確定外套膜及臟器剝離裝置所提供的剝離力，本試驗結果為設計出經濟合理的扇貝加工機械提供理論依據。

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