鮐魚魚片水刀切割工藝研究

馬田田,肖哲非,沈 建,4

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,上海 200092;2 國家水產品加工裝備研發分中心(上海),上海 200092;3 大連工業大學海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創新中心,遼寧 大連 116034;4 青島海洋科學與技術試點國家實驗室,山東 青島 266237)

鮐魚是一種小型中上層洄游性魚類,廣泛分布于中國大陸架及鄰近海域,是重要的中上層經濟魚類之一,在東、黃海生態系統中具有重要地位[1-3]。鮐魚資源豐富,2020年中國鮐魚捕撈量達40萬t[4]。鮐魚營養價值高,魚肉中蛋白質含量約21.4%,脂肪含量約7.4%[5]。魚肉切割是鮐魚加工的關鍵工序之一,按不同形狀要求可分為段狀、丁狀、片裝等,段狀切割是市場需求的主要切割形式[6]。段狀切割主要分為等間距、定間距切割和等重、定重切割兩類。現有的魚體段狀切割處理中,因原材料不規則,實現自動化、智能化加工難度大[7-8]。在魚類加工過程中,因傳統機械切刀間距不可調,在對魚體進行大距離等間距切割后,仍需人工對不同尺寸魚片進行切割修正,在處理大量原料魚時,工人勞動強度大,且加工的魚片尺寸存在偏差,導致生產效率低,產品合格率低[9-11]。

水刀切割是一種以水或水加天然磨料為介質的冷切割方式,主要是將水流增壓到一定程度并使水流在通徑很小的噴嘴約束下形成的高速水射流對各類材料進行切割加工[12-15]。水刀切割技術正越來越廣泛地應用于工業、機械制造、醫學、食品等領域,而在水產品加工領域應用較少[16-19]。水刀切割在水產品加工中可切割各種魚類等原料,不僅減少切割加工損失,提高加工產品質量,降低勞動成本,而且原料切割面光滑、形狀規整,并可切出特殊形狀,作為新產品造型[20-22]?；谔岣唪~類切割加工效率和產品合格率,降低用工成本的目的,魚類水刀切割工藝的研究具有一定的可行性與廣大的發展前景。

本研究以冷凍鮐魚魚片為原料,解凍后進行二等間距水刀切割,以魚片厚度、水刀壓力、水刀作用時間為工藝參數,以切割率、魚肉損失率、切割面感官值為指標,采用多指標綜合評分法評價切割效果,通過單因素與正交試驗獲得適宜的水刀切割工藝參數。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗原料

冷凍鮐魚魚片,2022年7月購自浙江興業集團,-20 ℃冷庫貯存備用。

1.1.2 設備與儀器

自主研發的智能水刀切割設備,主要包括水刀切割平臺、水刀控制系統與切割路徑規劃系統,水刀切割平臺實物圖見圖1。天平,量程300 g,精度±0.01 g;游標卡尺,量程150 mm,精度±0.01 mm。

圖1 水刀切割平臺實物圖

1.2 試驗方法

1.2.1 鮐魚魚片水刀切割工藝

取不同厚度的冷凍鮐魚魚片適量,采用流水方式進行解凍,水溫為10±1 ℃,以魚體中心溫度達到0 ℃作為解凍完全標志[23]。解凍后的鮐魚,瀝去表面水分,置于切割平臺上進行二等間距切割,通過水刀控制系統和切割路徑控制系統設置設備參數,固定噴嘴與魚片上表面的垂直距離為5 mm。以魚片厚度、水刀壓力和水刀作用時間為單因素,以魚肉損失率、切割率、切割面感官評分為評價指標,采用多指標綜合評分法評價切割效果,通過單因素和正交試驗得出適宜的鮐魚魚片切割工藝參數。

1.2.2 單因素試驗

魚片厚度單因素試驗:水刀壓力為30 MPa,水刀作用時間為1.5 s,選取魚片厚度為10、12、14、16和18 mm進行單因素試驗,考察魚片厚度對切割效果的影響。

水刀壓力單因素試驗:魚片厚度為14 mm,水刀作用時間為1.5 s,選取水刀壓力為10、20、30、40和50 MPa進行單因素試驗,考察水刀壓力對切割效果的影響。

水刀作用時間單因素試驗:魚片厚度為14 mm,水刀壓力為30 MPa,選取水刀作用時間為0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 s進行單因素試驗,考察水刀作用時間對切割效果的影響。

1.2.3 正交試驗

根據單因素試驗結果,開展正交試驗,并進行多指標綜合評分[24],因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表

基于高效低損的切割目標,評分時切割率、魚肉損失率、切割面感官值分別為70、15、15分,切割率越大,魚肉損失率越小,切割面感官值越大,魚片切割效果越好,因此,進行多指標綜合評分時,總分=(切割率/最大切割率)×70+(最小魚肉損失率/魚肉損失率)×15+(切割面感官值/最大切割面感官值)×15。

1.3 試驗評價指標

鮐魚魚片在切割加工試驗過程中要求切割率高,魚肉損失率低,切割面光滑平整。為了評價魚片切割效果,定義切割率為:

Z=(Z2/Z1)×100%

(1)

式中:Z1為規劃的魚片切割路徑距離,mm;Z2為實際魚片切割距離,mm。

定義魚肉損失率為:

M=(M2/M1)×100%

(2)

式中:M1為魚片切割前魚肉質量,g;M2為魚片經切割機加工后損失的魚肉質量,g。

魚片切割面感官值:參考張帆等[25],采用感官評分法對魚片切割面進行評定,評定小組由5人經感官檢驗訓練的食品專業人士組成,感官評分得分為平均值,以10分計。魚片切割面感官評定標準見表2。

表2 切割面感官評分標準

1.4 數據處理

重復試驗3次,取平均值,采用Excel 2016進行數據分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 魚片厚度對切割率、魚肉損失率、切割面感官值的影響

由圖2可知,隨著魚片厚度的增加,切割率、切割面感官值整體呈現下降趨勢,魚肉損失率呈現先下降后上升的趨勢。

圖2 魚片厚度對切割率、魚肉損失率、切割面感官值的影響

魚片厚度在10～14 mm,切割率與切割面感官值呈緩慢下降趨勢;魚片厚度在14～18 mm,切割率與切割面感官值呈迅速下降趨勢;基于較高的切割率與切割面感官值考慮,較適宜的魚片厚度為10～14 mm。魚片厚度在10～14 mm,魚肉損失率呈下降趨勢;魚片厚度在14～18 mm,魚肉損失率呈上升趨勢;基于較低的魚肉損失率考慮,較適宜的魚片厚度為12～16 mm。在水刀壓力和水刀作用時間固定的情況下,隨著魚片厚度的增加,水刀切入魚片的阻力逐漸增大,切割速度逐漸減小,切割面逐漸不平整,切割率和切割面感官值整體呈下降趨勢;隨著魚片厚度增加,由于部分魚肉未被切斷,魚肉損失下降,當魚片厚度增加到一定程度,由于切割面組織破壞嚴重,魚肉逐漸脫落,導致魚肉損失上升[26-27]。綜上,基于較高切割率與切割面感官值、較低魚肉損失率考慮,較適宜的魚片厚度為12～14 mm。

2.1.2 水刀壓力對切割率、魚肉損失率、切割面感官值的影響

由圖3可知,隨著水刀壓力的增加,切割率整體呈現上升趨勢,魚肉損失率整體呈現下降趨勢,切割面感官值呈現先上升后下降趨勢。水刀壓力在10～30 MPa,切割率呈迅速上升趨勢。水刀壓力在30～50 MPa,切割率呈緩慢上升趨勢?；谳^高的切割率考慮,較適宜的水刀壓力為30～50 MPa。水刀壓力在10～40 MPa,魚肉損失率呈現迅速下降趨勢,切割面感官值呈迅速上升趨勢;水刀壓力在40～50 MPa,魚肉損失率呈現緩慢下降趨勢,切割面感官值呈迅速下降趨勢。基于較低的魚肉損失率,較適宜的水刀壓力為40～50 MPa;基于較高的切割面感官值考慮,較適宜的水刀壓力為30～50 MPa。在魚片厚度與水刀作用時間固定的情況下,隨著水刀壓力的增加,水刀切入魚片的作用力增大,魚肉損傷由脫落嚴重逐漸到無明顯損傷;當水刀壓力增加到一定程度后,切割面感官值下降,根據試驗結果分析可能是由于作用力增大導致切割面存在變形情況,平整度下降[28-29]。綜上,基于較高切割率與切割面感官值、較低魚肉損失率考慮,較適宜的水刀壓力為40～50 MPa。

圖3 水刀壓力對切割率、魚肉損失率、切割面感官值的影響

2.1.3 水刀作用時間對切割率、魚肉損失率、切割面感官值的影響

由圖4可知,隨著水刀作用時間的增加,切割率整體呈現上升趨勢,魚肉損失率整體呈現下降趨勢,切割面感官值呈現先上升后下降趨勢。

圖4 水刀壓力對切割率、魚肉損失率、切割面感官值的影響

水刀作用時間在0.5～1.0 s,切割率呈現迅速上升趨勢;水刀作用時間在1.0～2.5 s,切割率呈現緩慢上升趨勢;基于較高的切割率考慮,較適宜的水刀作用時間為1.0～2.5 s。水刀作用時間在0.5～1.5 s,魚肉損失率呈現迅速下降趨勢;水刀作用時間在1.5～2.5 s,魚肉損失率呈現緩慢下降趨勢;基于較低魚肉損失率考慮,較適宜的水刀作用時間為1.5～2.5 s。水刀作用時間在0.5～2.0 s,切割面感官值呈現迅速上升趨勢;水刀作用時間在2.0～2.5 s,切割面感官值呈現緩慢下降趨勢;基于較高的切割面感官值考慮,較適宜的水刀作用時間為1.5～2.5 s。在魚片厚度與水刀壓力固定的情況下,隨著水刀作用時間的增加,較難切割部分的魚肉經長時間作用而被切斷,切割面魚肉缺損越來越少,導致切割率增加,魚肉損失率下降;隨著水刀作用時間的增加,切割面感官值增加主要是由于切割面魚肉缺損減少,當作用時間增加到一定程度,可能由于反復切割,切割面存在變形,平整度下降,切割面感官值下降[30-31]。綜上,基于較高切割率與切割面感官值,較低魚肉損失率考慮,較適宜的水刀作用時間為1.5～2.5 s。

2.2 正交試驗

基于單因素試驗結果,以魚片厚度(A)、水刀壓力(B)、水刀作用時間(C)為正交試驗因素,采用標準L9(33) 正交試驗設計進行工藝優化,正交試驗結果見表3。

表3 正交試驗結果與分析

由表3正交試驗結果極差分析可得,3個因素對鮐魚魚片切割效果的影響順序為B>C>A,即水刀壓力>水刀作用時間>魚片厚度,與耿鵬飛[32]關于高壓水射流切割工藝參數研究結果一致,水刀壓力對切割效果起到決定作用。極差分析最優組合為A2B3C2,最佳工藝條件為魚片厚度13 mm,水刀壓力50 MPa,水刀作用時間2.0 s。

表3正交試驗結果中最優組合為A3B3C2,極差分析中最優組合為A2B3C2。極差分析所得最優組合并不在正交試驗9組試驗中,因此在A2B3C2(魚片厚度13 mm,水刀壓力50 MPa,水刀作用時間2.0 s)條件下進行3次驗證試驗,結果見表4,實物見圖11。A2B3C2條件下測得切割率為99.8%,魚肉損失率為0.133%,鮐魚魚片切割面感官值為8.5分,綜合評分為99.5分。組合A2B3C2的總分高于組合A3B3C2,即優化后最優水平組合為A2B3C2,最佳工藝參數為魚片厚度13 mm,水刀壓力50 MPa,水刀作用時間2.0 s。

表4 驗證試驗結果

圖11 驗證試驗結果實物圖

由表5正交試驗結果方差分析可得,水刀壓力對鮐魚魚片切割效果影響顯著(P<0.05),而魚片厚度和水刀作用時間影響不顯著。

表5 正交試驗結果方差分析

3 結論

以冷凍鮐魚魚片為原料,確定了鮐魚魚片水刀切割最佳工藝,即魚片厚度13 mm,水刀壓力50 MPa,水刀作用時間2.0 s,在該工藝參數下切割的鮐魚魚片切割率99.8%,切割面感官值8.5分,魚肉損失率0.133 %,切割效果綜合評分為99.5分。本研究內容對鮐魚魚片水刀切割工藝下切割面感官、切割率與魚肉損失率進行了初步研究,下一步有待對鮐魚及其他魚種的定間距、定重等水刀切割工藝進行研究,為優化魚體水刀切割數據庫,提高水刀切割設備精準性、穩定性、通用性提供依據,從而提高魚類切割加工效率和產品合格率,降低用工成本,實現魚類切割加工的自動化、智能化、綠色化。