魚類初加工裝備與自動監(jiān)控技術研究進展

黃劍彬 成 芳

(浙江大學生物系統工程與食品科學學院，浙江 杭州 310058)

中國是世界上最大的水產品生產國，水產品加工業(yè)發(fā)展迅速。2017年中國水產品總產量達到6 445.33萬t，約占全球總產量1/3，水產品加工企業(yè)9 674家，水產品加工能力2 926.23萬t/年[1]。近些年，本課題組對浙江、廣東等地的水產品加工企業(yè)以及水產品加工裝備制造企業(yè)進行了實地調研，了解到魚類初加工階段存在以人工加工為主，機械裝備加工為輔的現象。水產品加工行業(yè)用工成本上升較快，2016年用工成本占比約為60%[2]。中國水產品加工業(yè)生產方式為勞動密集型，僅有10%的加工裝備達到世界先進水平，總體上機械化、自動化程度低，成套加工生產線更為少見，而且中國水產品加工率僅為34%，遠低于日本、加拿大、美國等水產發(fā)達國家60%～90%的水產品加工率[3]。人工加工具有勞動強度大、生產效率低、容易造成產品二次污染等缺點，而機械加工具有生產效率高、不易造成產品二次污染、能夠滿足規(guī)?；a等優(yōu)點，隨著勞動力成本提高和市場對高質量水產品需求的不斷增長，亟需發(fā)展加工裝備與自動監(jiān)控技術，以期提升現有水產品加工的自動化和信息化水平。

1 魚類初加工關鍵裝備國內外研究進展

魚類初加工主要包括去鱗、定向整理、去內臟等關鍵環(huán)節(jié)，研究魚類初加工關鍵裝備對提高生產效率和改善產品質量具有普遍的重要性。目前，中國魚類初加工工藝過程：去鱗→去雜、去內臟→清水、臭氧水漂洗→稱重、分級。初加工工序雖然較為簡單，但其處理效果至關重要，直接關系到二次加工和增值加工的效率和產品質量。

1.1 國內外去鱗機研究進展

1.1.1 中國 去鱗裝備要在避免魚體受損的前提下保證高除鱗率和高生產效率。目前中國最具代表性的去鱗機有滾筒式和刷式2種，常用的去鱗機構及方法如表1所示。

滾筒式去鱗機主要是利用滾筒旋轉產生的離心力引起的魚體與滾筒、魚體與魚體之間產生的搓擦、剝離魚鱗，也是最為常見及使用最多的一種去鱗機類型。其具有生產效率高、勞動強度低，適用于大批量加工等優(yōu)點。對于大批量加工要達到較好的去鱗效果，滾筒式去鱗機單機過長，可達3 m，有的水產加工企業(yè)將2臺去鱗機頭尾相連組合去鱗，采用分批式去鱗，且去鱗時間較長會對魚體產生損傷，并非理想的連續(xù)式去鱗方式，會影響后續(xù)加工環(huán)節(jié)。滾筒式去鱗機結構圖如圖1所示。去鱗刷式去鱗機主要是利用輸送輥帶動魚向去鱗刷運動，去鱗刷的轉速大于輸送輥的轉速，所以魚體與去鱗輥之間產生速差，去鱗輥根據魚體進行仿形運動的同時將魚體表面的鱗片刮除。其具有對魚體損傷小的優(yōu)點，但生產效率較低，且對于大小不同的魚去鱗效果不同，對于魚體背部的去鱗效果較差。去鱗刷式去鱗機機構圖如圖2所示[10]。

表1 中國常用的去鱗機構及方法Table 1 Research on variousmethods of fish scaling machines in China

1. 皮帶 2. 電機 3. 去鱗滾筒 4. 中心管軸 5. 滑動軸承組

1. 輸送輥 2. 下去鱗輥 3. 原料魚 4. 下壓輥 5. 上去鱗輥 6. 上壓輥

圖2 去鱗刷式去鱗機構圖

Figure 2 The delineation of the brush-stye equipment for mechanical removing scales

陳慶余等[13]將滾筒式與去鱗刷式結合起來，以滾筒式去鱗機為主體，在去鱗機內部增加去鱗刷輥輪，可帶動去鱗刷工作，既發(fā)揮了滾筒式去鱗機工作效率高的優(yōu)點也發(fā)揮了去鱗刷式去鱗機對魚體損傷小的優(yōu)點，在縮短去鱗機結構長度和去鱗時間長度的同時提高了效率和加工質量。

近年來，中國也出現了高壓水去鱗技術。陳海賓等[14]發(fā)明了一種水射流清除魚鱗機，高壓噴嘴產生高壓水對魚體去鱗，可根據魚體大小及種類來改變噴嘴類型和水壓進行去鱗。高壓水去鱗技術對魚體損傷較小，但也存在工作效率低的缺點。目前，生產效率還是魚類加工企業(yè)的首要考慮因素，滾筒式去鱗機的應用最為廣泛，且對于種類大小不同的魚都可適用，未來去鱗機的發(fā)展可以滾筒式去鱗機為基礎，結合去鱗刷式、高壓水去鱗技術，以提高去鱗效果。

1.1.2 國外 國外魚類加工裝備則多針對海水魚的處理。比利時Cretel公司[15]生產的RS 25型手動去鱗機，能夠快速有效地去除各種魚類的鱗片，但不適用于大規(guī)模高產量的生產線的使用。瑞典Arenco公司[16]研制了一種清洗去鱗設備，通過魚體相互摩擦及魚體和清洗池內壁的凸出點的摩擦達到除鱗目的，然后水流將魚鱗等污物沖除，起到清洗的作用。德國Baader公司[17]生產的IS 069型高速去鱗機，配有4根去鱗主軸，具有不同的幾何形狀，適用于黑線鱈、羅非魚和其他類似體型的魚類。丹麥Kroma公司[18]生產的SCALEMASTER 1500型去鱗機，魚單列化后通過機器被皮帶固定住刷去魚鱗，適用于肉質柔軟的鱈魚、鱸魚等。

1.2 國內外去雜除臟技術裝備研究進展

1.2.1 魚體定向技術研究 定向喂入是魚類初加工多項工序中的一個十分重要的環(huán)節(jié)，是自動去內臟的前提，包括腹背定向和頭尾定向。

魚體的機械化腹背定向主要通過腹背形狀差異、重心位置不同、腹背顏色差異等來實現。Kosmowski等[19]研究了3種自動腹背定向的方法：利用魚背和魚腹寬度的不同；利用魚體兩側對稱原理均可使魚背向上；利用魚體重心位置橫向不對稱原理，可使魚背向下。對于某些腹背顏色相差較大的魚種，也有利用機器視覺技術進行定向的研究報道[20]。對于機械化方式的魚體定向，魚體會有一定程度的損傷，對于不同種類或者同種魚類中不同大小的魚，定向的成功率也會有所差別。機器視覺技術可根據特定的算法對魚體的方向進行判斷，識別的準確度高，但對于不同的對象，往往采用不同的算法，模型的移植性較差，且魚體定向機構也是研究難點。

魚體的機械化頭尾定向整理主要利用頭尾厚度不同、重心位置不同、魚鱗排列方向等來實現。典型的有徐頌波等[21]設計的由輸送帶、壓輪、分壓板等組成的魚頭尾定向整理裝置，通過魚體頭朝前和尾朝前兩種不同體位接觸壓輪產生的不同彎曲變形量來完成魚頭尾的判斷工作。林啟儀等[22]利用振動方向與魚體鱗片排列方向不同時魚體會產生不同的運動狀態(tài)，來實現頭尾定向整理。向云鵬等[23]采用Matlalb軟件對白鰱在傾斜振動平臺上的運動進行數值模擬，結果表明，在適宜的參數范圍內，采用傾斜振動平臺可以實現魚體的頭尾定向。陳福禮等[24]提出了一種鮮魚加工裝置，分別利用插針和顏色傳感器實現魚頭尾和腹背的定向。但目前中國有關研究仍停留在實驗室研發(fā)階段，多為手工定向整理，人工將魚一條條喂入去鱗去內臟二去機，勞動強度大且效率低。

瑞典VMP公司[25]生產的鮮魚處理裝備利用震動槽與轉向盤對魚體進行排列，適用于大批量生產線，但只可進行魚體的頭尾定向而不能進行魚體的腹背定向。德國Baader公司[26]的BAADER 101型自動游入系統利用魚的自然行為進行魚體的導向，對于不同的通道，會有不同的游入魚的數量，且單位時間游入的魚數量不恒定，影響生產線生產效率的平穩(wěn)性。瑞典Arenco公司[27]旗下的VMK漁業(yè)機械生產的自動喂入機能將魚頭定向和腹部向下，適用于鯡魚、鯖魚等。國外魚體定向設備應用對象多為海水魚。

1.2.2 去雜除臟技術裝備研究 目前中國去雜除臟技術裝備主要采用剖切的方法，利用刀具刮除、水流沖擊、離心等方式去雜除臟。陳慶余等[28]針對海產小雜魚前處理設備短缺現狀，開展了小個體海捕魚去臟裝備研究并研制樣機，利用去臟加工試驗平臺，選取深水紅娘魚、叉斑狗母魚和小黃魚作為小雜魚典型代表，以剖腹去臟裝置下置式并匹配以高轉速無齒圓盤刀逆向剖腹和低轉速仿形異構齒除臟輪逆向去臟加工方法比較合適；平肚型類的深水紅娘魚和側扁型類的小黃魚還可采用適當構型的三角形齒或梯形齒除臟輪進行逆向去臟加工方法，機械方法的生產率是手工方法的8～12倍，能夠實現某些小雜魚品種的魚內臟100%除凈率和近似零損傷魚體的質量效果，海洋捕撈的小雜魚是多品種混在一起, 而且尺寸大小和體形特征差異大，需要通過適當的規(guī)格分級和品種分選，才可發(fā)揮通用性較強的小型魚類去臟設備的作用。有關專利[29-34]中典型的包括彭德權[29]發(fā)明了一種魚類開肚去臟裝置，如細小的魚腸或連結內臟的黏膜無法由噴水的方式清除干凈，無法達到去除徹底的效果，該發(fā)明依次去除內臟，并與高壓噴水組配合清洗，在現有技術基礎上改進了除內臟的效果。雷樹德等[35]設計并制造了一種采用背部剖切的方式的新型鏈式剖魚機，由于魚背較厚，相對于魚腹來說更容易剖切。

德國Baader公司[36]生產的 BAADER 408型去頭去臟機，利用真空去臟技術，可加工羅非魚和鱈魚等，BAADER 144 Princess型三文魚和海鱒魚去臟機，去臟效果可通過三文魚內臟檢測系統檢測。丹麥Kroma公司[37]生產的GUTMASTER系列的去內臟機，包括可加工海鯛和海鱸魚的GUTMASTER 750型去內臟機，可加工鮭魚、鯖魚、石斑魚、羅非魚的GUTMASTER 1200型去內臟機，可加工的魚重介于0.15～0.80 kg，并可集成魚頭切割裝置，實現高效的自動化加工。

1.3 國內外魚類初加工關鍵裝備現狀分析

國外的加工裝備技術先進，但因成本高或者與中國的水產品加工需求不符，并未得到有效應用。近年來，中國在魚類初加工技術和裝備上有了一定的發(fā)展，但都是自動化與信息化水平低、功能簡單的單機，雖然對魚類初加工生產線已有一些研究，但是在諸多環(huán)節(jié)仍需要人工干預，一些待解決的配套技術問題也制約了魚類初加工裝備生產線的發(fā)展。目前，亟需發(fā)展能代替人工加工的去鱗、魚體定向喂入、去雜和清洗、分級等魚類初加工配套裝備，特別是魚體定向喂入是自動去內臟的前一環(huán)，是推進自動化生產線建成的重要一環(huán)，也應當加快清洗、分級等環(huán)節(jié)相關自動化裝備的研發(fā)，并加快魚類初加工生產線的集成與應用，以有效改善勞動力成本提高帶來的問題、提高水產品的食品安全水平以及滿足市場對高質量水產品的迫切需求。

2 加工過程自動監(jiān)控技術研究進展

魚類初加工過程中工序環(huán)節(jié)涉及裝備種類多樣，中國多采用人工控制單機作業(yè)的方式，裝備耦合技術和自動監(jiān)控信息缺乏，有較多學者對水產加工質量進行研究，但對應用于水產加工的裝備運行狀態(tài)監(jiān)控的研究鮮有報道。國外多采用魚加工自動化生產線，常見集成度很高的成套加工裝備，并具備主要參數實時采集、故障診斷與自動監(jiān)控功能，有效提高加工處理能力和保障魚加工產品質量。

2.1 水產加工質量監(jiān)控技術國內外研究進展

2.1.1 國外水產加工質量監(jiān)控技術研究進展 冰島Marel公司[38]的INNOVA水產品加工軟件在實際生產時監(jiān)控產量、產品質量等關鍵數據，生產過程具有可追溯性，確保產品符合質量和食品安全標準。德國Baader公司[39]生產的BAADER 581型基于機器視覺進行魚體信息采集和定位外觀質量信息自動監(jiān)測系統，利用數據實時采集與在線控制技術實現電機故障檢測和系統監(jiān)控；BAADER 144 型公主式切割除臟機采用攝像頭檢測內臟去除結果，實時收集和交換數據，實現魚的加工質量監(jiān)控。瑞典Arenco公司[40]的VMK視覺系統是一個生產優(yōu)化分選系統，利用工業(yè)相機和機械部件配合實現對喂入量的控制、損傷缺陷魚的剔除、錯放產品的回收，從而實現對加工質量的自動監(jiān)控。

Grassi等[41]開發(fā)了一種圖像分析程序，采用平板掃描儀對2種魚進行不同水平的處理。通過灰度共生矩陣分析，將未處理區(qū)域和基于邊緣的分割感興趣區(qū)域提交到表面紋理評價中。利用主成分分析或選擇算法選擇的12個表面紋理變量，建立線性判別分析模型，能夠區(qū)分大西洋鱈魚和黑線鱈2種高價值魚片。這些發(fā)現為簡單的機器視覺系統在魚類市場鏈上的應用鋪平了道路，提供一個簡單、快速和經濟有效的系統。

2.1.2 中國水產加工質量檢測技術研究進展 Shi等[42]研究了基于羅非魚瞳孔和鰓顏色變化的機器視覺系統的可行性，通過瞳孔和鰓的顏色參數與不同新鮮度指標的相關性，并建立多元回歸模型，利用圖像算法實現了基于瞳孔顏色的腐敗圖像可視化，利用機器視覺對羅非魚瞳孔顏色參數進行評估，可以作為一種低成本的在線方法，用于預測4 ℃貯藏期間羅非魚的新鮮度。

胡記東等[43]對X射線檢測魚刺效果進行了研究。其結果表明，通過X光機裝備參數優(yōu)化、魚刺分布規(guī)律總結的學習及冷凍結合X光機技術可改善圖像質量和提高殘留魚刺檢出率，改善水產品加工企業(yè)X光機檢測人員的視覺感受并一定程度上解決海水冷凍魚片產品魚刺殘留問題。

Wang等[44]研究了鱈魚骨在紫外光照射下的熒光特性，與魚片相比，鱈魚骨具有明顯不同的熒光特性，且熒光強度要高得多。在此基礎上，開發(fā)了紫外熒光輔助燭光法檢測魚骨的方法。

國外的水產品加工質量的監(jiān)控，主要是對加工過程中的去雜去內臟和清洗環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，以高經濟效益的海水魚加工為主。中國的水產品加工質量的監(jiān)控，主要是對加工過程中的去雜去內臟環(huán)節(jié)進行檢查，人工去除設備未清理干凈的內臟及黑膜等。國內外對于水產品加工產品都采取抽樣檢查的方式檢查是否有微生物等指標超標，后續(xù)檢測時間較長，將實時在線的無損檢測用于食品安全檢測與水產品加工質量監(jiān)控相結合的研究是未來重點發(fā)展的方向。

2.2 水產裝備運行狀態(tài)監(jiān)控技術

目前中國魚類初加工裝備大多不具備運行狀態(tài)實時監(jiān)控功能，如去鱗裝備的滾筒轉速通過控制箱上的旋鈕來調速，去臟機的傳送速度也是根據經驗值設定好的，不能根據喂入量等實時優(yōu)化運行或裝備耦合分析。中國工業(yè)軟件已經在諸多制造產業(yè)中廣泛應用，但未見應用于水產加工領域有關的研究報道。

在國外，冰島Marel公司[37]的INNOVA水產品加工軟件根據相應的數據信息能夠優(yōu)化加工生產，控制關鍵裝備或整條生產線，如智能定位和修邊機、分級機、去骨生產線等。德國Baader公司[38]通過相應的分析軟件，幫助在整個生產線中優(yōu)化裝備加工參數，連續(xù)調整加工裝備，實時生產和產量的情況，可以通過PC瀏覽器、智能手機等終端裝備遠程網絡訪問。

Parra等[45]提出了一種用于監(jiān)測養(yǎng)殖池在飼養(yǎng)過程中的水質和魚類行為的傳感器與系統，該系統能夠實時監(jiān)測水質參數、水箱狀態(tài)、進水情況、魚群游動深度和速度，并由3個節(jié)點組成，每個節(jié)點通過局域網將信息發(fā)送到互聯網上的數據庫，并通過智能算法檢測異常值，并在異常值發(fā)生時發(fā)出報警。

2.3 水產加工過程自動監(jiān)控技術研究現狀評述

國外許多大型水產品加工企業(yè)已經將自動監(jiān)控技術應用于智能加工裝備和自動化生產線，可以現場或遠程監(jiān)控產品質量、裝備運行狀態(tài)，并對實時采集的主要參數進行多源數據融合和分析，進而實現優(yōu)化控制，保障產品質量的同時減少人工成本。

中國魚類初加工裝備的信息化和智能化水平較低，尚未將自動監(jiān)控技術應用于生產過程中，只在水產養(yǎng)殖方面有過報道。未來可利用成熟的自動控制技術與信息技術等，將伺服控制、傳感器、機器視覺等智能工具嵌入到魚類初加工裝備之中，對產品質量和裝備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，進而對魚類初加工裝備和生產線加工過程進行智能感知、數字化分析與智慧決策，實現加工過程的優(yōu)化，從而提高生產效率和加工質量。

3 總結和展望

近年來受勞動力成本不斷提升和市場對高質量水產品需求的不斷增長，如何改善現狀、進一步降低成本、提高產品質量是中國水產加工產業(yè)亟待解決的主要問題，也顯現出了水產品加工技術裝備落后的問題，以低附加值為主的加工方式嚴重制約了產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。從魚類初加工裝備研究現狀可以看出，國外的水產加工裝備技術先進，但因成本高或者與中國的水產品加工需求不符，并未得到有效應用。而中國有關的加工裝備種類少功能單一，并缺乏自動化生產線和實時監(jiān)控技術，導致產量無法滿足市場需求，同時也影響產品質量的穩(wěn)定性，亟需發(fā)展魚類初加工配套裝備及加工技術，加快魚類初加工生產線的集成與應用。

與國際水產加工產業(yè)相比，中國還有很大的發(fā)展空間。國外以海水魚的加工裝備為主，中國可以自主研發(fā)具有國際市場互補性的加工裝備，尤其是大宗淡水魚類的初加工技術裝備。魚類初加工裝備與自動監(jiān)控技術的發(fā)展，將提高中國水產加工自動化和信息化水平，進而推動食品加工機械的進步。