食品超高压设备对贝类脱壳机理的研究

杨绮云，鲍振东，孟 爽

(哈尔滨商业大学 轻工学院，哈尔滨 150028)

食品超高压设备对贝类脱壳机理的研究

杨绮云，鲍振东，孟 爽

(哈尔滨商业大学 轻工学院，哈尔滨 150028)

从力学的角度来研究在超高压下贝类受力状况及脱壳机理.以蚬贝为例对贝类在超高压下脱壳机理进行分析.通过有限元模拟仿真，得出蚬贝在超高压处理脱壳的过程中，闭壳肌与壳接触区域应力随压力增大而变化的趋势；通过对蚬贝在超高压下的脱壳实验，对仿真结果进行了验证.

超高压设备；蚬贝；闭壳肌；有限元

贝类加工并不属于新兴行业，但人工剥离贝类仍然是我国贝类加工的主要方式，加工生产环境恶劣，工人劳动繁重.即使是产量和出口量均较大的主要经济贝类，绝大多数也止步于前处理的加工领域，仅对贝类做简单剥离[1-2]，很难完好获取闭壳肌.国内对于双贝壳类软体动物的闭壳肌剥离的研究上尚属于起步阶段，贝类取肉机械研制仅限于小批量生产.

当人们通过超高压处理贝类来消灭贝类上的致病菌的同时，发现高压处理可将闭壳肌从贝壳上完整地脱离下来，且在常温或低温下进行，力作用迅速均匀，较完整保留食物的营养成分及风味[3-4]；工艺简单，节约能源，无“三废”污染.而且超高压主要对酶以及微生物有破坏作用，对一些营养物质例如维生素等几乎没有破坏.因此将超高压技术应用于贝类脱壳具有较好的应用价值与前景.

然而目前对超高压脱壳的机理分析却寥寥无几.本文将应用有限元法对蚬贝壳与闭壳肌受压过程进行仿真，并通过实验验证，进而分析蚬贝脱壳机理.

1 食品超高压处理技术

1.1 食品超高压技术

食品超高压技术是当前备受各国重视、广泛研究的一项食品高新技术，是将食品密封于容器中，以水或其他流体作为传递压力的媒介物，利用超高压装置对流体的加压，其压力可以瞬时以同样大小传到系统的各个部分，其压力一般在100MPa以上,通常为400～600MPa，并在常温或较低温度下(一般指在100 ℃以下)作用一段时间，这种处理方法是对食品风味和营养价值影响很小的一种物理加工方法.

1.2 超高压设备

超高压设备按压力产生的方式分为2种:间接加压(外部加压)和直接加压(内部加压).间接加压是最常用的加压方式，它采用高压泵(增压器)加压，即将原料置于高压容器中，压力介质由外部管路泵入，随着压力介质的泵入，容器内压力增大.直接加压是一种较新型的高压产生方式，其高压装置是由容器筒体和活塞构成，活塞用于直接产生所需的压力，即将待加工处理的原料置于高压容器内的媒介物中，推动活塞使媒介物产生高压，再传递到原料上.这种加压方式省去了高压容器和增压器之间管线系统，结构较为紧凑.本文实验采用的HPP.L3-800/2超高压处理设备是间接加压方式.

2 模型建立与有限元分析

2.1 蚬贝物理性状

蚬贝外壳呈近部分球状，蚬贝肉与壳的链接主要是依靠闭壳肌紧密连接的，闭壳肌呈圆柱形，闭壳肌的收缩使壳关闭，舒张使壳张开，张开的角度非常小，因此为分析蚬贝肉在高压下脱壳机理，只需分析其闭壳肌与壳连接部分即可.经测量，实验用蚬贝闭壳肌的直径一般在11 mm左右.见图1.

图1 蚬贝内部外观及闭壳肌

2.2 模型建立

根据蚬贝的实际物理性状，将蚬贝壳简化为部分球状，闭壳肌简化为圆柱体，模型建立如图2所示.

图2 模型建立

在高压下，由于壳的硬度远远大于肉，所以其变形很小，假设壳不变形，在超高压下蚬贝闭壳肌在除接触面外的其余表面上受均匀压力.根据workbench接触原则，选择非对称接触，设壳为接触面，蚬贝闭壳肌为目标面.按照实际情况将此问题简化为线性问题处理，将蚬贝闭壳肌设定为线弹性圆柱体，网格采用自适应划分，闭壳肌根据生物力学相关知识，其弹性模量为2.4×107Pa[5]，通常肉类变形较大，其泊松比在0.4～0.5之间，取闭壳肌的泊松比为0.45[6].模型的建立与网格化分如图3所示.

图3 模型网格划分

2.3 仿真与结果分析

设定蚬贝壳部分为全部约束，即为刚体不变形，分别对闭壳肌外表面施加200、210…300 MPa压力，得出闭壳肌与壳的接触应力分布云图，见图4、6、8.结果显示，在闭壳肌与壳接触的中间位置附近其接触应力最大，随着压力的增大，接触应力以从中间位置逐渐向边缘扩张的形式增加.基于实际实验贝类一般在300 MPa压力下即将完全脱壳[7]，因此由模型可知在300 MPa压力情况下闭壳肌与壳接触的边缘处的接触应力为2.049×109Pa，而且此处的压力值为闭壳肌与壳接触部分的最小接触应力，通过施加不同压力分析得到接触应力分布云图，如图5、7、9所示，其纵坐标为接触应力值，横坐标表示接触部分直径，起点和终点即为接触边缘处图中深色区域为接触压力大于2.049×109Pa部分的直径.图10为不同压力下对应蚬贝闭壳肌与壳接触应力大于2.049×109Pa的最大直径曲线图.

图4 200 MPa下蚬贝闭壳肌与壳接触处应力云图

图5 200 MPa下接触应力大于2.049×109 Pa的直径

图6 280 MPa下蚬贝闭壳肌与壳接触处应力云图

图7 280 MPa下接触应力大于2.049×109 Pa的直径

图8 300 MPa下蚬贝闭壳肌与壳接触处应力云图

图9 300 MPa下接触应力大于2.049×109Pa的直径

图10 不同压力下蚬贝闭壳肌与壳接触应力大于2.049×109 Pa部分的最大直径

3 超高压蚬贝脱壳实验

3.1 实验设备与材料

实验采用HPP.L3-800/2型超高压处理设备、热封机、新鲜蚬贝，塑料袋、纯净水、游标卡尺.

3.2 蚬贝脱壳实验

取一蚬贝，放入塑料袋内并在袋内注入适量的水，在保证袋内没有气泡后用热封机密封好，如图11所示.再放入超高压处理设备容器中，在常温状态下，分别施加200、210……300 MPa压力，保压2 min，卸载压力，取出蚬贝，用游标卡尺测量蚬贝闭壳肌与壳脱离部分的最大直径.

图11 蚬贝脱壳实验的前处理

3.3 实验结果

用游标卡尺测量在不同压力下处理后蚬贝闭壳肌与壳脱离部分的最大直径，实验结果显示，其闭壳肌与壳脱离部分是从中心处分离，且随着压力加大，中心处分离区域直径逐渐增大，当压力大于300 MPa时，闭壳肌与壳全部脱离，如图12所示.

图12 超高压300MPa处理后的蚬贝

图13为不同实验压力下蚬贝闭壳肌分离壳体部分的最大直径的变化情况.

图13 不同实验压力下蚬贝闭壳肌脱离的直径

4 仿真与实验结果讨论

从蚬贝脱壳仿真结果可知，施压后闭壳肌中心处接触应力最大，接触应力随施加的压力增大以逐渐向边缘扩大的方式增大.由实验得知当压力达到一定值时，闭壳肌中心处最先与壳体分离，随着施加压力的增高，中心处分离面积逐渐扩大，当施加压力超过在300 MPa时，闭壳肌与壳完全脱离.结合仿真与实验结果分析可知，在用超高压设备对蚬贝施加压力过程中，闭壳肌与壳接触处产生很大的接触应力，当应力达到一定值时，导致闭壳肌蛋白质变性失活，生物结合力降低，从而产生分离脱壳.由仿真结果可知，闭壳肌中心处接触应力最大，在外压作用下中心处最先达到脱壳所需的压力，当该处接触应力达到脱壳所需的应力后，该处开始脱壳，因此导致闭壳肌从中心处开始脱壳，随着施加压力的增大闭壳肌与壳接触区域达到脱壳所需的接触应力部分面积的直径逐渐增大，当闭壳肌与壳接触区域的应力均达到脱壳所需接触应力时，导致闭壳肌全部脱壳.

超高压脱壳同时能改善贝类肉的持水性，不影响其感官品质，且能有效降低微生物数量，可谓一举两得. 因此，超高压脱壳总体效果优于热烫脱壳和手工脱壳，是一种较为理想的脱壳技术.

[1] 李秋实, 王家忠, 弋景刚, 等. 海湾扇贝闭壳肌剥离设备的发展现状与展望[J]. 广东农业科学, 2013, 10: 198-201.

[2] 沈 建, 林 蔚, 郁蔚文, 等. 我国贝类加工现状与发展前景[J]. 中国水产, 2008(3): 73-75.

[3] SILVA J L, WEBER G. Pressure induced dissociation of Brome Mosaic Virus [J]. Journal of Molecular Biology, 1998, 199(1): 149-159.

[4] HOOVER D G, METRICK C, PAPILNEAU A M,etal. Biological effects of highl hydrostatic pressure on food microorganisms [J]. Food Technology, 1989，43: 99-107.

[5] 冯元桢, 马素卿. 生物力学[M]. 北京: 科学出版社, 1983.

[6] 蒋予箭, 周 雁, 蒋家新. 鱼肉弹性测定方法的研究[J]. 水产科学, 2003, 03: 41-44.

[7] 王 敏. 超高压对贻贝脱壳及品质的影响研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012.

Study on mechanism of shell of shellfish by food-UHP equipment

YANG Qi-yun, BAO Zhen-dong, MENG Shuang

(School of Light Industry, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

To study on mechanism of ultrahigh pressure status and shellfish under shelling from mechanical perspective. This paper performed the mechanical analysis of shellfish shell under ultra high pressure on a case of clam shell. By finite element simulation, the pressure changing trends between adductor muscle and shell contact area increased with increasing pressure. Through the clam shell shell experiment under high pressure, the simulation results were verified.

food-UHP; clam shell; shells adductor muscle; finite element analysis

2015-01-27.

哈尔滨商业大学研究生创新科研项目(YJSCX2013-251HSD)；哈尔滨商业大学青年教师自然科学基金(HCUL2013001)

杨绮云(1959-)，女，教授，研究方向：新型食品机械研究与开发.

TS205

A

1672-0946(2015)03-0291-04