海灣扇貝熱處理開殼裝置設計與試驗*

孔德剛，江達，王家忠，弋景剛

(河北農業大學機電工程學院，河北保定，071001)

0 引言

我國貝類養殖面積正逐年增加，海灣扇貝在我國水產養殖業、漁業占比越來越大，并逐漸成為餐桌上人見人愛的美食，其營養豐富，具有保健功效，老少皆宜[1-4]。我國扇貝加工工藝并不完善，存在加工效率低、加工機具不完備的缺點，多數扇貝開殼工作由人工完成[5-7]。因此探究扇貝開殼工藝方案，實現開殼工作機械化、自動化勢在必行。

大部分海灣扇貝被加工制成冷凍食品或干制食品銷售，在食品加工前，海灣扇貝加工都必須經歷清洗分級、開殼、去臟、取肉等工序[8-10]。開殼工序是海灣扇貝打撈上岸經清洗分級后尤為重要的一步，是扇貝加工行業的關鍵環節，同時也是整個加工流程中較為困難的一個工序[11-12]。對于扇貝開殼方案，日本設計的扇貝加工設備采用吸盤吸住貝殼，拉動吸盤強制扇貝兩殼打開[13-15]；我國山東李府謙設計的扇貝蒸煮機通過連續蒸煮方式將扇貝兩殼打開[16-18]。本文針對熱處理開殼方案展開研究，試驗探索適合海灣扇貝的熱處理開殼方案，并設計適合海灣扇貝的熱處理開殼裝置，利用蒸汽噴射完成開殼工作，利用成形刀將上殼去除，通過調整蒸汽噴射參數保證扇貝鮮活程度，為扇貝加工后續工作節約時間，提高我國扇貝加工機械化程度，填補扇貝加工機械空缺，為實現扇貝加工產業化、自動化奠定基礎。

1 海灣扇貝結構特點及開殼機理

海灣扇貝貝殼呈扇形，扇貝兩殼形狀基本無差別，右殼稍高于左殼，左右兩殼幾乎對稱，左右殼連接部分平直。貝殼表面有17～18條放射形肋。海灣扇貝成熟高度為60 mm左右，貝殼殼寬約為24 mm，扇貝體重為16～38 g。貝殼內部主要有貝柱、裙邊、內臟等結構，貝柱及其周圍結構通常附著在右殼上。海灣扇貝內部結構如圖1所示。

圖1 海灣扇貝內部結構

海灣扇貝內部結構中保持貝殼緊閉的是橫紋肌和平滑肌，二者共同組成閉殼肌。橫紋肌反應靈敏，具有較強的收縮能力，能快速關閉貝殼。平滑肌動作遲緩，能保持貝殼長時間處于閉合狀態。貝殼打開主要靠韌帶實現，韌帶的功能是當橫紋肌松弛時，韌帶展開使兩殼張開。貝柱即為閉殼肌的主要部分，扇貝開殼的主要工作任務是設法刺激橫紋肌，使其失活，進而使左右兩貝殼張開。

2 熱處理開殼方案試驗與分析

2.1 熱處理開殼方案試驗

本文設計了火烤、水浴沖擊、蒸汽噴射3種熱處理開殼方案，火烤開殼試驗用到的試驗設備主要有熱源(酒精燈)、扇貝托架，將扇貝置于仿形扇貝托架上，酒精燈對下殼貝柱對應位置灼烤，觀察在規定時間10 s內的海灣扇貝開殼情況；水浴沖擊開殼試驗用到的試驗設備主要有電加熱開水器、測溫儀，試驗時設定90 ℃、100 ℃兩種水溫，通過熱水沖擊扇貝對殼體加熱，達到對橫紋肌刺激的目的，統計海灣扇貝開殼所需時間；蒸汽噴射開殼試驗用到的試驗設備主要有蒸汽發生器、測溫儀，對海灣扇貝進行不同時間蒸汽噴射處理，觀測開殼效果。

2.2 熱處理開殼試驗分析

用酒精燈對扇貝加熱10 s時，扇貝開殼率較低，難以達到開殼工作標準，海灣扇貝直徑大小與開殼沒有直接關系，且火烤溫度難以控制，易灼傷貝殼；水浴沖擊開殼在沖擊水溫為90 ℃時，海灣扇貝開殼需9～13 s，水溫為100 ℃時，海灣扇貝開殼所需的時間是4～7 s，在水浴沖擊5 s時，殼內溫度可達到60 ℃～80 ℃，水浴開殼對貝柱的新鮮程度有很大影響，易使貝柱熟化，且會造成大量水資源浪費；蒸汽噴射5～10 s 時開殼效果較好，保證了工作效率，且直徑越小，開殼時間越短，蒸汽開殼貝柱新鮮程度與完整性好，裙邊沒有出現收縮現象，提高海灣扇貝利用率。因此蒸汽噴射開殼方案更適宜應用于海灣扇貝開殼加工工作。火烤開殼、水浴沖擊開殼、蒸汽噴射開殼扇貝情況如圖2所示。

(a) 火烤開殼

(b) 水浴沖擊開殼

(c) 蒸汽噴射開殼

3 蒸汽噴射熱處理開殼裝置設計

3.1 總體結構

蒸汽噴射熱處理開殼裝置由機架、輸送帶、絲杠滑臺、蒸汽噴射系統、動力系統及電氣控制系統組成，輸送帶排列兩排扇貝仿形孔，增加扇貝熱處理開殼工作效率。總體結構如圖3所示。

圖3 蒸汽噴射熱處理開殼裝置總體結構

3.2 工作原理

將扇貝放置在扇貝仿形孔上，扇貝隨輸送帶向前運輸，當運動到指定位置時，機架上的定位傳感器響應，控制系統控制蒸汽噴射系統隨輸送帶運動噴射蒸汽，噴射時扇貝壓條起強制閉合的作用，避免蒸汽直噴使貝柱熟化。通過扇貝壓條后，扇貝雙殼打開，隨輸送帶向前經過成形刀撐開并去掉上殼。

3.3 關鍵部件設計

對蒸汽噴射熱處理開殼時的扇貝進行模型簡化并進行受力分析，扇貝上殼受向上的韌帶粘彈性力、向下的蒸汽壓力、閉殼肌粘彈性力、上殼重力。

扇貝韌帶粘彈性力可表示為

F韌帶=K1x1+C1x1

(1)

式中：F韌帶——扇貝韌帶粘彈性力；

K1——韌帶彈性系數；

C1——韌帶粘性系數；

x1——韌帶伸長速率。

蒸汽壓力計算公式可表示為

F蒸汽=P×S

(2)

S=0.776 6×H2

(3)

式中：F蒸汽——蒸汽壓力；

P——蒸汽壓強；

S——閉殼肌截面積；

H——扇貝殼長。

閉殼肌粘彈性力可表示為

F閉殼肌=K2x2+C2x2

(4)

式中：F閉殼肌——閉殼肌粘彈性力；

K2——閉殼肌彈性系數；

C2——閉殼肌粘性系數；

x2——閉殼肌伸長速率。

扇貝上殼的重力可表示為

G=mg

(5)

式中：G——扇貝上殼重力；

m——扇貝上殼質量；

g——重力加速度，取9.8 N/kg。

對蒸汽噴射熱處理開殼過程建立運動學方程為

(6)

(7)

式中：L1——韌帶靠近閉殼肌的邊緣位置與殼體底邊的距離；

L2——閉殼肌邊緣與殼體底邊的距離；

L3——閉殼肌邊緣與殼體靠近閉殼肌一側的距離；

L——閉殼時扇貝上殼閉殼肌連接邊緣到殼體底邊的最小距離；

M——扇貝上殼質心位置；

t——時間；

JZ——扇貝上殼對Z軸的轉動慣量；

?——扇貝開殼角度。

由化簡后的扇貝開殼過程運動模型可知，蒸汽壓力、扇貝上殼質心位置變化都會對扇貝開殼過程產生影響，運動模型的建立為進一步研究扇貝開殼機理和設計關鍵部件提供理論支持。

3.3.1 扇貝仿形孔設計

扇貝仿形孔采用兩排并列布置，提高扇貝加工工作效率，仿形孔內設有2個鋸齒狀的支撐，在去除上半殼的工作中對扇貝起到固定定位的作用，扇貝仿形孔結構如圖4所示。

圖4 扇貝仿形孔結構圖

通過對扇貝外形尺寸進行大量測量，確保扇貝可在仿形孔內固定，且不會從孔內掉落，本文設計的扇貝仿形孔垂直輸送帶運動方向尺寸寬度為40 mm，沿傳送帶運動方向尺寸為50 mm。

3.3.2 成形刀設計

成形刀經肋條固定布置在機架上，因扇貝上殼向上有一定弧度，所以成形刀也設計成具有一定弧度，且低于扇貝壓條。蒸汽噴射后的扇貝有一定開口，成形刀伸入開口將兩殼撐開并去掉上殼。成形刀結構如圖5所示。

圖5 成形刀結構圖

成形刀的安裝高度與扇貝的開殼角度相關，通過使用量角器對蒸汽噴射后的扇貝開殼角度測量，測量結果如表1所示，最終確定成形刀的安裝高度為15～20 mm，成形刀楔形刃口角度為30°。同時為確保扇貝壓條可緊壓扇貝下殼且殼內貝柱及其他組織可順利從兩扇貝壓條縫隙通過，通過對扇貝內外結構尺寸關系測量，確定每排扇貝仿形孔上兩條配合工作的扇貝壓條間距為25 mm。

表1 蒸汽噴射扇貝開殼角度Tab. 1 Opening angle of steam jet scallop

3.4 蒸汽發生器自動化設計

目前蒸汽發生器自動化程度不高，且在加熱時存在功耗高、效率低的缺點[19]。本文通過PID智能控制儀對蒸汽發生器進行改造，利用傳感器檢測蒸汽發生器內部的溫度和壓力，并對溫度和壓力控制[20-21]。自動化設計方案如圖6所示。

圖6 自動化設計方案圖

工作時，PT100溫度傳感器檢測蒸汽溫度，并將檢測到的信號傳遞到PID智能溫度控制儀進行PID調節，通過控制占空比調節電熱絲加熱，當蒸汽溫度達到標定溫度時，蒸汽控制閥打開噴射蒸汽。通過探針檢測蒸汽發生器爐內水位，當爐內水位低于探針標定水位，水泵工作開始加水，當達到標定水位時則停止。壓力傳感器安裝在蒸汽發生器爐內，實時檢測壓力值的大小，當檢測壓力超出設定值時，則通過泄壓閥泄壓保證系統安全。

4 裝置試驗與結果分析

對海灣扇貝蒸汽噴射開殼效果采用感官評分評定，感官評分鑒定標準如表2所示。選用分級后殼長為55～60 mm的海灣扇貝進行試驗。

表2 感官評分鑒定表Tab. 2 Sensory evaluation table

4.1 不同蒸汽噴射時間對扇貝開殼效果的影響

將蒸汽發生器壓力調節為0.3～0.4 MPa，蒸汽溫度設定在142 ℃～151 ℃范圍內，噴射距離為40 mm，蒸汽排量閥門開度為45°，設定蒸汽噴射時間間隔為1 s，試驗并觀察開殼效果，結果如圖7所示。噴射時間在1～3 s范圍內時，開殼效果隨蒸汽噴射時間的增加越來越好，時間超過3 s后，扇貝開殼程度增大，但繼續加熱會導致貝柱受熱熟化，不能保證新鮮程度。因此蒸汽噴射時間應選為2～4 s。

圖7 不同蒸汽噴射時間海灣扇貝開殼效果曲線圖

4.2 不同蒸汽噴射距離對扇貝開殼效果的影響

保持蒸汽發生器壓力為0.3～0.4 MPa，蒸汽溫度在142 ℃～151 ℃范圍內，蒸汽噴射時間為3 s，蒸汽排量閥門開度為45°。設定不同噴射距離，選取同一尺寸級別扇貝進行試驗，不同噴射距離條件下，扇貝開殼效果如圖8所示。當噴射距離小于30 mm時，開殼程度大，但由于過多熱量傳導至貝柱，使貝柱熟化程度增加，當噴射距離大于30 mm時，貝柱的新鮮程度可得到保證，但扇貝開殼程度隨噴射距離增大而變差，最終確定蒸汽噴射距離為30～50 mm。

圖8 不同蒸汽噴射距離海灣扇貝開殼效果曲線圖

4.3 不同蒸汽噴射排量對扇貝開殼效果的影響

保持蒸汽發生器壓力為0.3～0.4 MPa，蒸汽溫度在142 ℃～151 ℃范圍內，蒸汽噴射時間為3 s，蒸汽噴射距離為40 mm，不同蒸汽排量下扇貝開殼效果如圖9所示。當閥門開度小于75°，開殼率隨閥門開度增加而增加，當閥門開度超過75°，貝柱的鮮嫩程度有所下降，品質不能得到保證，因此綜合考慮確定閥門開度為60°～90°。

圖9 不同蒸汽噴射排量海灣扇貝開殼效果曲線圖

4.4 響應面試驗確定最佳裝置參數

運用Box-Behnken design試驗設計方案，隨機組合試驗次序，以噴射時間、噴射距離、噴射排量為自變量，開殼效果評分為響應值，試驗因素與水平如表3所示。

表3 試驗因素水平表Tab. 3 Table of test factor levels

按Box-Behnken design隨機設計試驗，試驗結果如表4所示。

表4 Box-Behnken design試驗組合與結果Tab. 4 Box-Behnken design test combination and results

采用Design-Expert對表4的數據進行三元二次的回歸擬合，得到扇貝開殼效果評分的簡化回歸方程為

Y=81.54+5.33X1-3.33X2+4.43X3+

0.55X1X2+1.56X1X3-2.82X2X3-

2.62X12+4.04X22-0.56X32

(8)

對擬合的簡化回歸方程進行方差分析見表5。

表5 試驗結果方差分析Tab. 5 Analysis of variance of test results

由表5可知，3個因素對感官評分影響顯著，失擬項不顯著，所建立模型具有較高的可靠性。X1、X2、X3、X22與開殼效果感官評分Y呈極顯著關系，最終得到各因素對感官評分的影響順序為蒸汽噴射時間>蒸汽排量>蒸汽噴射距離。各因素交互作用對開殼感官評分的影響的響應面曲線如圖10所示。

由圖10可知，三個因素交互作用對開殼感官評分影響顯著。當噴射距離不變時，增加噴射時間和蒸汽排量有助于提高扇貝開殼效果；當噴射時間不變時，提高開殼感官評分的措施有減小噴射距離和增大蒸汽排量，蒸汽排量的改變對扇貝開殼效果的影響顯著，加大蒸汽排量可提高開殼效果評分。采用Design-Expert優化分析，可得出當蒸汽噴射時間為3 s、蒸汽噴射距離為30 mm、蒸汽閥門開度設為90°時，可得到最佳的開殼效果，感官評分理論值為98.23分。

為了驗證試驗的可行性，將最佳的扇貝開殼條件設定為蒸汽噴射時間為3 s、噴射距離為30 mm、蒸汽排量閥門開度設為90°。再次進行試驗驗證，經3次試驗，整理數據如表6所示，開殼效果感官評分的平均值為93.67分，開殼效果感官評分相對誤差為4.56%，與理論值基本保持一致，表明以上參數優化方法可行。

本蒸汽噴射熱處理開殼裝置對扇貝進行開殼處理后，開殼效果如圖11所示。經本裝置開殼的海灣扇貝肉質鮮美，未出現熟化現象，經成形刀可將扇貝上殼去除，簡化扇貝加工步驟，且加工效率高，大大提高扇貝加工機械化程度。

(a) 蒸汽噴射時間與排量的影響

(b) 蒸汽噴射距離與排量的影響

(c) 蒸汽噴射時間與距離的影響

表6 海灣扇貝開殼條件試驗數據表Tab. 6 Test data table of bay scallop shell opening conditions

圖11 蒸汽噴射熱處理開殼裝置開殼效果圖

5 結論

1) 通過研究海灣扇貝的生理結構、開殼特點，結合國內外已有扇貝開殼技術，分別對火烤開殼、水浴沖擊開殼、蒸汽噴射開殼方案進行試驗，總結三種開殼方案試驗效果，選出最適合海灣扇貝開殼的熱處理方式是蒸汽噴射方式。并針對蒸汽噴射熱處理開殼方式設計出海灣扇貝蒸汽噴射熱處理開殼裝置，通過試驗確定裝置開殼工作時的最佳工作參數，節約海灣扇貝加工時間，簡化扇貝加工步驟，保證海灣扇貝新鮮程度與完整度，提高扇貝加工工作效率，改變我國扇貝加工機械化程度低的局面。

2) 本文設計的蒸汽噴射熱處理開殼裝置中關鍵部件扇貝仿形孔垂直輸送帶運動方向尺寸寬度為40 mm，沿傳送帶運動方向尺寸為50 mm，成形刀安裝高度15～20 mm，楔形刃口角度為30°，每排扇貝仿形孔上兩條配合工作的扇貝壓條間距為25 mm。

3) 通過單因素試驗及多因素組合響應面分析，以開殼效果感官評分為響應指標，確定裝置最佳工作參數為蒸汽噴射3 s、蒸汽噴射距離30 mm、蒸汽閥門開度90°時，開殼效果最佳，通過最佳工作參數下開殼試驗，驗證了響應模型有效性，得到海灣扇貝感官評分的平均值為93.67分，可達到海灣扇貝開殼工作標準。