船舶摇摆和工艺参数对南极磷虾挤压脱壳效果的影响

郑晓伟，张军文，周春生

（农业部远洋渔船与装备重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，国家水产品加工装备研发分中心（上海），上海 200092）

0 引 言

南极磷虾不但生物资源量巨大[1-3]，还具有较高的利用价值[4-8]。除了用于生产虾粉和提取虾油以外，制取脱壳虾肉产品是南极磷虾资源利用的另一有效手段[9-13]。日本、挪威等国家开展磷虾肉加工研究比较早，相关技术及装备水平也相对成熟[14-16]。中国虽然进入磷虾产业的时间比较晚，但经过近几年的研究，已取得了多项研究成果[17-20]。

滚轴挤压是南极磷虾脱壳的有效方法之一[21-23]，实际生产中脱壳效果不仅取决于挤压工艺参数，还受到船舶航行中风浪的影响。在大风浪作用下船舶会产生横摇和纵摇，对航行安全造成影响，包括对船上人员和设备的影响[24-25]。研究表明，船舶横摇角度在0～4°范围内时，对人的运动能力影响较小，横摇角度在4～10°范围内时，运动能力明显下降[26]。对设备而言，摇摆的影响体现在稳定性和生产效果等方面。本文采用前期研究形成的工艺参数，研制复合叠层式的脱壳生产设备，通过海上生产试验分析研究该设备在不同摇摆条件下的使用效果，为设备的完善和产业化应用提供指导。

1 材料与方法

1.1 原料与仪器

本试验所用新鲜磷虾由中国水产有限公司“龙腾”号于2017年4月在南极CCAMLR辖区48.1区拖网捕捞所得。上述试验原料虾为优势体长在30～38 mm的南极大磷虾，称量装盘以备用。每盘磷虾原料质量11 kg，以6盘原料即66 kg为1组进行鲜虾脱壳试验。每个因素组合做3组数据，取其平均值。

试验仪器：SJ9-2Ⅱ型电子秒表，精度0.01 s；台秤，分度值50 g，上海浦东计量仪器厂；HT-QJY01型水平仪，购自陕西航天长城测控有限公司；SONY NEX-5RL 数码相机；（0~150）mm带表游标卡尺，精度0.01 mm。

1.2 脱壳设备

试验用南极磷虾脱壳设备如图 1所示，由中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所研制。挤压脱壳原理如图 2所示，磷虾在滚轴的挤压所用下，虾头尾连同虾壳被挤至滚轴下方，而虾肉留在滚轴上方，实现壳肉的分离。其中滚轴工艺参数采用了前期试验的优化结果，滚轴转速1.6 r/s、滚轴间隙0.5 mm、旋转圈数1.7 r，其他主要设备参数见表1。

1.3 脱壳生产工艺

将试验原料磷虾分批次倒入均质筒；磷虾在均质筒内与水混合后由泵送至脱壳机上方的输送机，均匀分布并送至脱壳机；脱壳后得到的虾肉使用特制滤框收集并进行人工清洗、分拣去杂和称量；虾壳单独回收处理。

1.4 试验方法

1.4.1 数据测量

物料质量：使用台秤分别对试验原料虾、脱壳后的虾肉以及人工分检后得到的虾仁进行称量，数值精确到0.05 kg；

图1 南极磷虾脱壳设备Fig.1 Antarctic krill peeling equipment

表1 南极磷虾脱壳设备基本参数Table 1 The basic parameters of krill peeling equipment

图2 挤压脱壳原理Fig.2 The principle of extrusion peeling

处理时间：根据前期调试情况，使用秒表控制每次投料的间隔时间，按220 kg/h的速度投料。记录磷虾捕捞装盘后在加工间的放置时间，数值精确到s。

船舶摇摆：用水平仪测量船体的摇摆程度，分别记录船舶最大摇摆角度，数值精确到 1°，其中以滚轴轴向为轴线的摇摆为横摇，以滚轴径向为轴线的摇摆为纵摇。设备为纵向布置，即滚轴与船头尾连线方向一致。

脱壳数量：试验过程中，在投料完成后用相机拍摄滚轴工作的瞬时图像，在图像上将滚轴从进料端到出料端按实际长度均分为 4个区域，分别计算各区域内滚轴上方已脱壳虾和未脱壳虾的数量，数值精确到个。

由于试验在南极海域船上开展，摇摆角度无法人为精确控制，试验过程中通过持续开展生产试验，记录多组数据，再从多数据中选出符合试验设定条件的数据进行分析。

1.4.2 因素水平

在设备参数、进料速度固定的条件下，研究船舶摇摆、原料新鲜度对脱壳得肉率和虾壳残留率产生的影响。分别记录取值期间内船舶的横摇和纵摇，以船舶摇摆状态相对稳定的时间段内摇摆角度最大值作为水平值，即纵摇3°表示船舶纵摇幅度最大值为3°，且多次达到。影响船舶摇摆因素较多，为了便于分析，纵横摇上限分别取7°和5°，此为试验条件下7级风浪时的经验值。由于船的运动不可控，需多次试验并挑选出符合试验条件的数据进行分析。

原料新鲜度由装盘后放置时间表示，最大值取2 h。

为了便于分析滚轴长度对脱壳效果的影响，将滚轴按长度均分为4等分，从起始端至末端分别记作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域，分别计算各区域内已脱壳及未脱壳虾的数量。

主要因素水平如表2所示。

表2 因素水平Table 2 Levels of factor

1.4.3 指标测定方法

得肉率：分拣后虾仁的质量与原料质量的比值即为得肉率；

虾壳残留率（基于原料）：人工分拣出残留虾壳的质量与原料质量的比值即为虾壳残留率。

脱壳完成率：某滚轴区域内已脱壳虾数量与磷虾总数量的比值即为脱壳完成率。

1.5 数据分析与处理

用Microsoft Excel 2010软件对磷虾基础数据和加工数据进行统计分析并绘图。应用SPSS19.0.0统计软件，对数据进行方差分析，P<0.05表示差异显著，P>0.05表示差异不显著。

2 结果与分析

2.1 船舶摇摆对得肉率和虾壳残留率的影响

以得肉率和虾壳残留率为指标，横摇 1°、放置时间0 h，分别在纵摇水平 1°、3°、5°、7°的摇摆幅度下比较磷虾的脱壳效果，试验数据如图 3所示。不同船舶纵摇幅度下得肉率与虾壳残留率差异均不显著（P>0.05）。在试验条件下，得肉率浮动范围为18.31%～18.73%，变化范围不大。虾壳残留率的变化范围为0.41%～1.07%，随着船舶纵摇角度的增加，虾壳残留率呈上升趋势。当纵摇角度在 3°以内时，残留率基本保持一致，当纵摇角度大于 3°时，虾壳残留率缓慢上升。纵摇即以滚轴径向为轴线的摇摆，实际生产中纵摇会影响滚轴的瞬时倾斜角度，从而影响物料在脱壳过程中的移动速度，进而影响脱壳效果。当纵摇为7°时，得肉率反而略微提升，说明在低纵摇状态下滚轴长度已经过长，脱完壳的虾肉被反复挤压而造成损失，而当纵摇幅度进一步增大时，虾肉在水流的带动下快速从出料口排出，从而避免了挤压损耗。总体而言，在根据船上生产条件所选定的纵摇幅度范围内，设备脱壳效果稳定，得肉率无明显变化，虾壳残留率虽小幅上升，但不影响人工分拣，满足实际生产的需要。与以往开展的南极磷虾脱壳研究[27]相比，本试验得到的脱壳得肉率约为 18%，有所降低。一方面是由于原料虾存在差异，试验所用磷虾的规格为M级，比以往所用磷虾都小，虾肉饱满度低；另一方面设备大小存在差异，试验设备在处理能力和自动化程度上都较以往有了提升，因此在脱壳加工过程中更容易产生损耗，从而影响得肉率。

图3 船舶纵摇角度对得肉率和虾壳残留率的影响Fig.3 Effcet of ship longitudinal swing angle on meat yield and residual rate of shrimp shells

以得肉率和虾壳残留率为指标，纵摇 5°、放置时间0 h，分别在横摇水平 1°、3°、5°的摇摆幅度下比较磷虾的脱壳效果，试验数据如图 4所示。不同船舶横摇幅度下得肉率与虾壳残留率差异均不显著（P>0.05）。在试验条件下，得肉率浮动范围为17.7%～18.3%，变化范围不大。虾壳残留率的变化范围为0.87%～1.64%，随着船舶横摇角度的增加，虾壳残留率呈上升趋势。从试验数据来看，由于虾壳残留的增加，将增加人工分拣残壳的工作量，同时在分拣过程中进一步造成虾肉的损失，符合得肉率下降的趋势。横摇即以滚轴轴向为轴线的摇摆，实际生产中横摇会影响磷虾在滚轴夹角中的受力和横向分布，进而影响脱壳效果。总体而言，在试验条件选定的横摇幅度下，设备脱壳效果稳定，得肉率变化不大，虾壳残留率随横摇幅度的增加而小幅上升。

图4 船舶横摇角度对得肉率和虾壳残留率的影响Fig.4 Effect of ship transverse swing angle on meat yield and residual rate of shrimp shells

试验结果差异不显著,说明7级以下风浪条件对试验设备生产效果的影响不大，更大的风浪情况下可能会有所不同，还需进一步开展深入研究。

2.2 船舶摇摆对脱壳完成率的影响

在横摇1°、放置时间0 h的情况下，分别比较纵摇角度为1°、3°、5°、7°时脱壳机滚轴不同长度区域的脱壳完成率，试验结果如图 5所示。在Ⅰ、Ⅱ区域内不同纵摇条件下脱壳完成率的差异均不显著（P>0.05），整体变化范围为97%～81%。随着纵摇幅度的增加，脱壳完成率呈下降的趋势。在不同的纵摇状态下，Ⅰ、Ⅱ区域均处于满负荷工作状态。试验条件下，区域Ⅲ内的脱壳完成率均>91%。当纵摇角度在5°以内时，进入区域Ⅲ的磷虾已经完成脱壳。当纵摇角度为 7°时，区域Ⅳ内磷虾的脱壳完成率降低至 98%。由此可见，船舶的纵摇对脱壳效果有一定影响，随着纵摇幅度的增加，同一区域内脱壳完成率呈下降趋势，这与得肉率和虾壳残留率的变化情况基本吻合。对脱壳设备而言，不同区域对应脱壳滚轴的长度，增加滚轴的长度能有效防止由于纵摇幅度增加而造成脱壳完成率降低的问题。而当风浪较小时，完成脱壳所需的滚轴长度明显减小，此时滚轴过长会造成虾肉的持续挤压，造成得肉率的进一步损失。因此脱壳滚轴的最佳长度，还需根据实际生产情况综合考虑。在此基础上，研发船载加工装备波浪补偿等新技术，能最大程度上避免船舶摇摆对设备生产效果的影响。

图5 船舶纵摇角度对脱壳完成率的影响Fig.5 Effect of ship longitudinal swing angle on completion rate of peeling

在纵摇5°、放置时间0 h的情况下，分别比较横摇为1°、3°、5°时脱壳机滚轴不同长度区域的脱壳完成率，试验数据如图 6所示。在Ⅰ、Ⅱ区域内不同横摇条件下脱壳完成率的差异均不显著（P>0.05），整体变化范围为92%～78.3%。随着横摇幅度的增加，脱壳完成率呈下降的趋势。在不同的横摇状态下，Ⅰ、Ⅱ区域均处于满负荷工作状态。试验条件下，区域Ⅲ内的脱壳完成率均>93%。当横摇角度在1°以内时，进入区域Ⅲ的磷虾已经完成脱壳。当横摇角度增至 3°时，进入区域Ⅲ的虾仍有少量未完成脱壳。当横摇角度增至 5°时，区域Ⅳ内磷虾的脱壳完成率降低至 95%。综上所述，船舶的横摇对脱壳效果也有一定影响，随着横摇幅度的增加，同一区域内脱壳完成率呈下降趋势。在脱壳滚轴长度的选择上，应综合考虑船舶横纵摇摆的影响，选取最优值。

2.3 原料新鲜度对脱壳完成率的影响

在横摇和纵摇均为 1°的情况下，分别比较放置时间为0、1、2 h时脱壳机滚轴不同长度区域的脱壳完成率，试验数据如图 7所示。在Ⅰ、Ⅱ区域内不同放置时间下磷虾脱壳完成率的差异显著（P＜0.05，数值变化范围为97%～75%。随着放置时间的增加，脱壳完成率不断降低。Ⅲ、Ⅳ区域内磷虾的脱壳完成率也呈下降趋势，但差异不显著。放置时间1 h和2 h后磷虾在区域Ⅳ内的脱壳完成率分别为97%和94%，区域Ⅳ仍为必要工作段。

图6 船舶横摇角度对脱壳完成率的影响Fig.6 Effect of ship transverse swing angle on completion rate of peeling

图7 放置时间对脱壳完成率的影响Fig.7 Effect of storage time on completion rate of peeling

综上所述，放置时间对脱壳效果的影响较大，随着放置时间的增加，脱壳完成率显著越低，所需要的脱壳滚轴长度增加，虾壳残留率也相应增多。生产时应尽量减少磷虾捕捞后在暂存仓和输送带上的放置时间，确保脱壳加工的效果和质量。

3 结 论

1）试验条件下，船舶摇摆会对脱壳加工得肉率与虾壳残留率造成影响，但差异均不显著（P>0.05）。虾壳残留率随着摇摆幅度的增加而提高，在纵摇7°和横摇5°时分别达到1.07%和1.64%，处于可接受范围内。其中纵摇会改变滚轴的瞬时轴向倾斜角度，影响物料在脱壳过程中的移动速度，从而影响脱壳效果。横摇会影响磷虾在滚轴夹角中的受力和横向分布，进而影响脱壳效果。与纵向摇摆相比，横摇对脱壳效果的影响更为明显；

2）试验条件下，区域Ⅳ的脱壳完成率大于95%，脱壳设备能有效实现磷虾的壳肉分离，与此对应的滚轴长度为1 200 mm。船舶的摇摆对脱壳完成率有一定影响，随着摇摆幅度的增加，同一区域内脱壳完成率呈下降趋势。与纵摇的影响相比，横向的摇摆对脱壳完成率的影响更为明显；

3）增加滚轴的长度能有效防止由于摇摆幅度增加而造成脱壳完成率降低的问题。但滚轴过长容易造成得肉率的损失。应综合考虑实际生产情况，确定脱壳滚轴的最佳长度；

4）放置时间对脱壳效果的影响较大（P<0.05），随着放置时间的增加，脱壳完成率显著越低，虾壳残留率也相应增多。放置2 h后的磷虾在区域Ⅳ的脱壳完成率降低至 94%，生产时应尽量减少磷虾捕捞后在暂存仓和输送带上的放置时间，确保脱壳加工的效果和质量。

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