基于水射流的典型淡水魚類去鱗技術研究

李仁杰 - 孟祥毅 - 鐘森淼 - 蘆金石,2 -,2 張 旭,2 ,2 陶學恒,2 e-,2

(1.大連工業大學遼寧省海洋食品加工技術與裝備重點實驗室，遼寧 大連 116034；2.大連工業大學國家海洋食品工程技術研究中心，遼寧 大連 116034)

對大宗淡水魚的前處理是淡水魚類加工過程中的首要環節，前處理的效率和得率直接影響到后續的加工能力和資源利用率[1]。其中，淡水魚除鱗工序是有鱗淡水魚前處理中的一道重要工序，也是整個淡水魚加工技術中的一個技術難點[2]。

現有的去鱗設備主要為機械除鱗法，利用搓擦原理進行分批式去鱗[3-4]，此法不易實現流水線加工，且產品質量標準很難控制[5]；瑞典Arenco公司研制的VMK26去鱗機，需要與其研制的VMK31喂料機配合使用，通過魚體之間以及魚體與清洗池內壁上的凸點相互摩擦進行去鱗，適用于鯖魚和秋刀魚這種體形細長且鱗片較小的魚類去鱗作業[6]；德國Baader公司生產的IS-069型去鱗機，在魚體上方和下方分別設置了兩個形狀不同的去鱗輥，采用搓擦的方式進行去鱗，適用于黑線鱈、海鱸魚等相似體型的魚類[7]。

近年來，高壓水射流清洗技術高速發展，已成為一項國際上廣泛應用的物理清洗技術，利用水射流的沖擊、水楔等效應，將一種或多種材料從另一種物體基體表面脫離下來，具有快速高效、效果穩定、參數可控、無污染等優點，已廣泛應用于石油化工、交通、冶金等領域[8]。試驗擬提出一種將高壓水射流清洗技術與淡水魚去鱗相結合的方式，采用高壓水射流對典型淡水魚類進行去鱗，并進行模擬試驗，為水射流去鱗設備的研制與調試提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮鯽魚：(0.4±0.1)kg，市售。

1.2 儀器與設備

水射流去鱗試驗臺(圖1)：自制，主要由機械主體、射流調整裝置、物料輸送裝置和防護裝置4部分組成[9]。射流調整裝置由3組噴嘴特定夾持裝置和龍門架組成，可同時安裝多個噴嘴，用來調整噴嘴的固定噴射角度和高度，實現對魚體的空間多角度噴射；物料輸送裝置采用絲杠傳動，物料板上設有通孔，通過螺栓連接固定在絲杠副上方，通過PLC編程控制步進電機轉動速度與方向，以此調整物料的進給速度。

1.物料輸送裝置 2.射流調整裝置 3.防護裝置 4.機械主體

水射流噴射系統：由Y2-132M-4型的三相異步電動機通過皮帶與LS-750三缸單作用柱塞泵相連，泵頭處裝有調壓閥，用于為試驗臺噴嘴提供具有不同壓力的射流；試驗采用的噴嘴為40°扇形噴嘴。

1.3 試驗指標

1.3.1 去鱗率 參照王玖玖等[10]的方法，將魚的一個側面定義為一個試驗樣本，采用硫酸紙和坐標紙對鯽魚去鱗前后鱗片的覆蓋區域進行描繪，按式(1)計算去鱗率。

P=(S2-S1)/S2，

(1)

式中：

P——一個側面的去鱗率，%；

S1——去鱗后魚身上剩余魚鱗面積之和，mm2；

S2——去鱗前魚身上魚鱗面積總和，mm2。

1.3.2 魚體損傷 采用感官評定法。感官評定小組由多名經驗豐富的感官評價專家組成，對去鱗后的鯽魚按表1進行感官評分，取平均值。

表1 感官評定標準

1.4 試驗方法

將鯽魚放置于物料板上方，通過PLC控制調節步進電機轉速從而使物料板以一定的速度做直線運動，魚頭向后，魚尾向前，當魚體經過射流區域時，魚體受到沖擊力和剪切力，對其表面產生沖擊、動壓力、磨削作用，將魚鱗從魚體上剝離下來，完成去鱗過程，其原理圖如圖2所示[11]。去鱗完成后，計算出去鱗率，并進行感官評定。

圖2 水射流去鱗原理圖

1.5 試驗設計

1.5.1 射流壓力對鯽魚去鱗效果的影響 射流壓力是影響水射流去除魚鱗試驗射流打擊力的重要因素，射流壓力與噴嘴出口處的水射流理論打擊力關系為[12]：

(2)

式中：

F——理論水射流打擊力，N；

q——水射流體積流量，L/min；

P——水射流壓力，MPa;

β——水射流入射角，(°)；

由式(2)可知，增大射流壓力會增大水射流打擊力。由預試驗可知，滿足去除魚鱗條件的射流壓力為6～14 MPa；當噴嘴相對于物料板間的靶距為11 cm，入射角為60°時，只改變射流壓力可取得較好的去鱗效果。以加工能力900條/h設計輸送速度為5 cm/s，固定上述因素，考察射流壓力(6，8，10，12，14 MPa)與試驗指標之間的關系。

1.5.2 射流入射角對鯽魚去鱗效果的影響 固定輸送速度5 cm/s，噴嘴相對于物料板之間的靶距11 cm，射流壓力10 MPa，考察入射角(40°，50°，60°，70°，80°)與試驗指標之間的關系。

1.5.3 射流靶距對鯽魚去鱗效果的影響 固定輸送速度5 cm/s，射流壓力10 MPa，入射角60°，考察噴嘴相對于物料板之間的靶距(9，10，11，12，13 cm)與試驗指標之間的關系。

1.5.4 進給速度對鯽魚去鱗效果的影響 固定噴嘴相對于物料板之間的靶距11 cm，射流壓力10 MPa，入射角60°，考察輸送速度(5，7，9 cm/s)與試驗指標之間的關系。

1.5.5 正交試驗 以鯽魚為試驗對象，選擇射流壓力、射流入射角、射流靶距、進給速度為試驗因素，設計L9(34)正交試驗[13]。

1.6 數據處理

每組試驗取3個試驗樣本，分別計算去鱗率及感官評價得分，取平均值作為該組試驗的最后結果。利用Origin軟件和SPSS軟件對試驗數據進行描述與分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 射流壓力對鯽魚去鱗效果的影響 由圖3可知，魚體去鱗率隨射流壓力的增大先快速增大后趨于平穩，當射流壓力為10 MPa時，去鱗率達89.1%；魚體的感官評價得分隨射流壓力的增大先緩慢下降后極顯著降低(P<0.01)。因此，最佳射流壓力為10 MPa。

圖3 射流壓力對鯽魚去鱗效果的影響

2.1.2 射流入射角對鯽魚去鱗效果的影響 由圖4可知，魚體去鱗率隨入射角的增加先增加后減小，當入射角為60°時，去鱗率達到峰值；魚體的感官評價得分影響不顯著(P>0.05)。水射流打擊到魚體產生的打擊力可分為水平和垂直分量，水平分量對魚鱗起切削作用，即剪切力；垂直分量則為沖擊力，在一般的清洗操作中起滲透、破碎作用。入射角過大或過小，射流無法入射到魚鱗與魚體之間，難以實現水楔作用，從而影響去鱗效果。

圖4 射流入射角對鯽魚去鱗效果的影響

2.1.3 射流靶距對鯽魚去鱗效果的影響 由圖5可知，魚體去鱗率隨靶距的增加持續降低(P>0.05)，而魚體的感官評價得分顯著上升(P<0.05)。由于入射角β的存在，靶距與噴嘴到魚體的直線距離之間存在cosβ的關系，當靶距增大時，噴射距離也會按相應比例增加，由于空化作用，射流速度降低，射流打擊力顯著減小，影響去鱗效果。

圖5 射流靶距對鯽魚去鱗效果的影響

2.1.4 進給速度對鯽魚去鱗效果的影響 由表2可知，魚體去鱗率隨進給速度的增大而顯著降低(P<0.05)；魚體的感官評價得分略有提升(P>0.05)。進給速度較大，清洗效率提高，但隨著進給速度的增加，一定程度上影響射流的水楔作用，去鱗不徹底的可能性提高。實際生產中，可根據不同去鱗要求，選取合適的進給速度。

表2 進給速度對鯽魚去鱗效果的影響

2.2 正交試驗

以鯽魚為研究對象，以射流壓力、射流入射角、射流靶距和進給速度為因素，魚體去鱗率和魚體損傷感官評分為指標，設計L9(34)正交試驗，因素水平表見表3，試驗結果見表4。

由表4可知，各因素對去鱗率的影響順序為射流壓力>進給速度>射流入射角>射流靶距，達到最優去鱗率的參數組合為A3B2C1D1，即射流壓力12 MPa，射流入射角60°，射流靶距10 cm，進給速度5 cm/s；各因素對感官評分的影響順序為射流壓力>射流靶距>射流入射角>進給速度，達到最優感官評分的參數組合為A1B3C2D1，即射流壓力8 MPa，射流入射角70°，射流靶距11 cm，進給速度5 cm/s。

表3 因素水平表

表4 正交試驗方案與結果

經過現場實驗驗證，當采用A3B2C1D1參數組合進行去鱗時，去鱗率可以達到96.5%，魚體表面基本無鱗片殘留，但魚體的破損程度較為嚴重，感官評價得分僅0.59；當采用A1B3C2D1參數組合作為去鱗方案時，感官評價得分可以達到0.96，魚體基本沒有明顯破損，但去鱗率只有54.9%，去鱗效果并不理想。

水射流去鱗的工藝要求是在保證高去鱗率的前提下，應盡量減小魚體的損傷程度。因此，在選取水射流去鱗最優參數組合時，應將去鱗率與魚體損傷感官評分兩項指標進行綜合考慮，通過對各參數組合下的鯽魚去鱗效果的對比中發現，當射流壓力10 MPa，射流入射角60°，射流靶距11 cm，進給速度5 cm/s時，去鱗率為89.1%，感官評分為0.88，既可以得到較高的去鱗率，魚體的損傷程度又相對較小，因此選擇該組參數作為水射流去鱗的最佳工藝組合較為合適。

3 結論

水射流法去除魚鱗的最佳工藝條件為射流壓力10 MPa，射流入射角60°，射流靶距11 cm，進給速度5 cm/s時，此時的去鱗率為89.1%，感官評分為0.88，去鱗效果較好。試驗研究的水射流去鱗技術采用的是扇形噴嘴單點噴射方式，后續可對空間多點式水射流去鱗技術以及水射流去鱗專用噴嘴的設計進行研究。