高压水射流技术在肉类分割中的应用现状、关键问题与前景

刘艳丽 郭 楠 蒋俊强 周海军 王圣琪 潘 满 王子戡

中国农业机械化科学研究院 北京 100083

中国是肉类生产和消费第一大国，在全球疫情持续反复，世界经济复苏势头放缓的情况下，2021年全国畜禽肉产量仍创下历史最高记录[1]。随着经济的发展和人均收入水平的提高，肉类消费结构和习惯开始改变，消费需求也呈现出多样化、多层次的特点，城乡居民的追求开始由“吃饱”转向“吃好”，更加关注肉类的品牌以及高品质[2]。同时，“十四五”规划和2035年远景目标纲要中提到：要坚持创新驱动发展，全面塑造发展新优势；要推动绿色发展，促进人与自然和谐共生。随之而来的机遇与挑战，迫使国内肉类生产加工业转型升级。目前，肉类产业存在“大而不强”的问题，需要通过现代化建设，提升肉类供应链的韧性和对国内需求的适配性，朝着品质提升、营养保持、标准加工、安全控制及绿色制造的方向稳步前进[3]。

目前国内肉类分割操作机械化程度较低，人工手动分割操作成本高、效率低，而且胴体与操作人员长时间接触容易污染；同时由于重复运动及长时间处于低温环境下，易对操作人员身体造成损害等缺点[4,5]。高压水射流以水作为主要工作介质，具有可再生、无污染、可循环的特点，贴合绿色发展理念；同时具备清洁高效、操作方便、高加工质量的优点，是一种具有高技术含量的非传统分割方式。基于高压水射流技术的肉类分割在国外发达国家已有许多成功案例，在国内却鲜有应用。因此，推动高压水射流技术在国内肉类分割中的应用，加快肉类加工产品朝着高品质、绿色环保的方向发展势在必行。

1 高压水射流技术简介

1.1 高压水射流工作原理

高压水射流以水作为主要工作介质，运用液体增压原理，通过高压生成系统将机械能转变为水的压力能，通过特定形状的喷嘴，喷射出具有极大动能的水流束，作用于目标材料表面[6]。也可通过加入磨料，增加切削和冲击的强度。

高压水射流设备的主要部件包含高压水泵系统、高压生成系统、数控单元、切割头和捕集器。高压水泵系统用于向超高压泵连续提供压力；高压生成系统配有增压器和储能器，用于产生高压并储存高压水；高压水的压力约为400MPa，高压水能存储在蓄能器中，以减少下一阶段的压力损失；切割头为末端执行部件。其运动由数控单元控制，从而实现高精度加工；捕集器用于收集切割后的加压水，目的为吸收目标材料被高压水切割后残余水中含有的大量能量，以保证不损坏其他零部件[7]。

1.2 高压水射流分类

高压水射流按照不同的特征可以分为不同的种类，主要的分类方式为以下几种[8]：按照技术特征可分为连续射流、空化射流和脉冲射流，其中，连续射流是最普遍的一种射流形式；根据射流压力可分为高压力射流和超高压力射流；根据射流周围介质可分为淹没射流和非淹没射流；根据射流内容可分为纯水射流和磨料射流。

接下来将对纯水射流和磨料射流做进一步介绍。

纯水射流以水作为工作介质，切割面洁净效果好，但切割效能较差；磨料射流在纯水射流的基础上，加入一定量的磨料，利用磨料的锐角、硬度以及较大的密度，产生更大的射流动能，增加切削和冲击的作用，有利提升切割效率。将高压水射流技术应用于肉类分割中时，由于硬骨的存在明显阻碍了切割过程，因此磨料射流更为契合。通常将盐、糖、淀粉晶体以及冰颗粒等可接受的添加剂作为磨料添加到水射流中。

2 高压水射流技术在肉类分割中应用的优点与挑战

作为一种高能束流加工技术，高压水射流技术在肉类分割中因其独特的切割模式相比于传统的切割方式有许多优点，但同时也存在一些挑战。

2.1 高压水射流技术在肉类分割中应用的优点

高压水射流技术其优点主要包括以下几个方面[9,10]。

(1)绿色无污染。

水作为其主要的工作介质，具有可再生、无污染、可循环的特点。在切割过程中不会造成环境污染，具有绿色制造工艺特点。

(2)切割材料类型广泛，适应性强。

可针对不同硬度值、不同状态、不同类型的肉类产品进行切割。

(3)易于实现智能化控制。

可精确切割成特定尺寸及重量规格的产品，提高了输出产品的可靠性和一致性。

(4)生产效率高。

切割速度快、材料损耗少，可大幅度提高生产效率。

(5)产品质量高。

切割过程中产生的碎屑与热量可以被水流带走，无热影响区，不会影响肉类产品品质。

(6)清洁卫生。

在切割过程中，肉类产品只与切削液接触，避免连续使用同一刀具，大大减少了交叉污染的机会。

(7)生产成本低。

减少了熟练工人的人工成本、培训成本，同时也减少了对工人在设施、照明、供暖、衣物、洗涤设施等方面间接费用。

2.2 高压水射流技术在肉类分割中的应用面临的挑战

与此同时，高压水射流技术在肉类分割中的应用也面临着一些挑战。

(1)参数复杂，优化技术难度高。

虽然高压水射流切割与传统人工切割相比效率较高，但是与传统刀具切割相比，高压水射流的切割能力较低，需要优化各项参数，以确保足够高的切割效率。

(2)潜在健康危害。

考虑到磨料水射流在肉类加工过程中磨料填充器的附近将产生一个充满小而尖锐的磨料颗粒环境，当操作员吸入这些颗粒时，可能会导致肺部微穿孔，对人类的长期健康会产生影响。

(3)设备成本较高。

进口设备成本较高，尤其是高压水发生装置。目前亟需通过国内自主研发来降低设备成本。

3 高压水射流技术在肉类分割中的应用现状

3.1 国外应用现状

早在二十世纪九十年代，国外发达国家已经开始了高压水射流技术在肉类分割中的应用研究。

O’Brien W H[11](1993)等在一项专利中就提出了一种基于高压水射流技术的牛肉切片系统。此系统首先将冷冻的胴体水平安置在具有自动引导功能的车辆上；其次利用X射线、3D机器视觉和超声波传感器对胴体进行评估，基于评估结果生成切割路径，将胴体分割成最优的原始切片；再次利用高压水射流对无骨胴体部分进行切割，当要对带骨胴体部分进行切割时会自动触发磨料射流；最后利用空气射流使切下的胴体远离切割区域。

Alitavoli M[12](1998)等开发了一种高压水射流分割肉的工艺规划专家系统，利用实验获得的数据研究了在高压水射流分割特定肉制品(如猪肉、牛肉、羊肉和鸡肉等)过程中相关变量的确定方法，为高压水射流技术在肉类分割中的智能化应用提供了基础。其系统的输出变量主要包括：水射流压力、横移速度、喷嘴直径及其切割头与胴体的距离。同时，Alitavoli通过实验发现，被切割材料决定了选用的磨料类型；切割深度随水射流压力的增加而增加，同时也会影响材料的去除速度；切割深度随着切割往返次数的增加而增加；最佳喷嘴直径为0.15～1mm；切割头到胴体的距离、横移速度都与切割深度成反比。

Bansal R K[13](1999)等通过重复试验，确定了运用高压水射流切割无骨鸡胸肉时喷嘴的最佳孔口直径、工作压力、切割速度以及切割间隔距离。同时指出，孔口直径为0.127mm的喷嘴最适合切割鸡胸肉，并且在179～224MPa的水压和100mm/s或更低的切割速度下切割性能最佳；当喷嘴孔口直径为0.076mm和0.127mm时，鸡肉厚度的变化对切割质量以及切割深度有显著的影响，直径为0.178mm的较大孔口喷出的水射流经常会对鸡胸肉较薄的部分造成过多的损害；在使用高压水射流切割的过程中，由于在室温下非常柔软的鲜肉没有能够保证切割成均匀宽度切片所需的硬度，冷却至约0℃的鸡肉通常能获得较好的切割效果。

美国FMC FoodTech公司生产了型号为DSI Accura的切割系统[14]，该系统能够通过高速图像处理和高压水射流技术将鸡肉切成特定的大小和形状。此系统具有四个基本算法任务：成像、刀具路径规划、切割和控制回路。该系统首先对传送带上移动的肉品进行拍摄；然后根据操作员绘制的切割形状规划每个肉品最佳切割路径；最后利用高压水射流完成对鸡肉的分割。以上系统的所有动作都是在其控制回路中完成。此系统还具有两个独立的扫描系统：结构扫描系统以及特征扫描系统。结构扫描系统能够确定鸡肉的三维拓扑结构，若扫描到比常规厚度稍厚的鸡肉，切割头会降低移动速度以确保完全切割。特征扫描系统能够对鸡肉的脂肪等缺陷进行定位，方便对刀具的切割路径进行规划。

J Wang[15](2008)等将盐粒作为磨料，并利用磨料水射流对带骨和不带骨牛肉、猪肉和羊肉进行了切割实验，旨在调查使用磨料水射流技术切割纯肉、带骨肉和骨头(脊椎和肋骨)的可行性。文章还研究了不同工艺参数对切割性能的影响，并推选出了最优的工艺参数。研究表明，磨料水射流切割产生的切口非常窄，小于1mm，比传统切割工艺产生的肉质损失更少。以20mm/s的切割速度切割44mm厚的牛肉肋骨能够获得较好的切割质量；当切割150mm厚的纯肉时，66.67mm/s的切割速度可以获得较好切割质量。因此，磨料水射流切割是一种可行的肉类分割技术。

Mcgeough J A[16](2016)研究了以悬浮冰颗粒作为磨料在水射流切割中应用的可行性。纯水射流不足以切割肉的较硬部分(如骨头或更大的横截面)，需要磨料水射流进行切割。然而，工业中广泛使用的石榴石等典型磨料不适用于食品加工，其他可接受的磨料，例如盐、糖和淀粉晶体等，已被发现不够有效。针对上述情况，Mcgeough以悬浮冰颗粒形式存在的冷冻水作为射流介质，并讨论了冰颗粒的大小和形状对切割效果的影响。得到了以下结论：与纯水射流切割工艺相比，添加了冰颗粒的磨料水射流切割可提供高达40%的生物材料去除率，更适用于屠宰加工厂胴体(肉和骨)的初级切割。该工艺也可用于冷冻和软性食品的切割，并能在更低的水压下实现预期效果。

国外针对高压水射流在肉类分割中的应用研究主要集中在工艺参数规划、磨料类型探索、加工设备研制方面，已经顺利应用且有多个成功案例。

3.2 国外应用成功案例

总部位于美国伊利诺伊州芝加哥市的约翰宾科技公司(John Bean Technologies Corporation)食品科技部门(JBT FoodTech)专为食品加工行业提供技术服务，旗下的DSI品牌一直是无骨蛋白质水射流分割领域的领导者和创新的代名词，已有30多年的历史。其最新的DSITM800 Portioning System，如图1所示，能够实现家禽、肉类和海鲜的高效准确切割，从而生产分割的鱼片、鸡块以及对产品脂肪进行修剪等[17]。该设备具有高效、紧凑、智能、适应性强以及可定制等优势，在芬兰HKScan公司中的应用生产现场以及分割后的鸡里脊产品如图2所示[18]。

图1 DSITM 800 Portioning System

美国科美腾水射流系统(KMT Waterjet Systems)公司专注于水射流切割泵和水射流切割头的设计和制造，并能够提供水射流切割解决方案，所研制的水射流切割系统具备无菌卫生的切割工艺，能够实现对冷冻鱼、肉类的切割。图3展示了利用KMT生产的水射流切割系统对瓦尔卡鱼进行分割的应用现场[19]。KMT的水射流切割系统还与Loos Machine & Automation公司的Turn-Key系统进行了集成，实现了对牛肉的分割，如图4所示。此系统在增加产量的同时能够保持产品分量的一致性，同时产品的质量也得到了有效提升[20]。

图3 KMT水射流切割系统对瓦尔卡鱼进行分割

图4 KMT与Loos合作集成的水射流切割系统

3.3 国内应用现状

目前国内高压水射流设备生产厂家，如山东沃迈特(WAMIT)以及南京大地(DARAI)等，专业从事数控超高压水射流技术应用产品研发、生产、销售及技术服务。然而他们在国内水切割的应用推广仅在金属、石材、玻璃、橡塑等行业。针对食品，特别是肉类分割方面的应用设备仅面向国外出口，目前国内水射流技术在肉类分割方面鲜有应用。国内肉类屠宰加工企业，仍主要采用人工手动分割操作的方式，究其原因主要是：缺乏高压水射流分割肉类的相关领域专家知识，其应用受到阻碍；高压水射流分割设备的核心关键技术被国外垄断，企业引入相关设备及技术困难且成本较高；高压水射流分割设备通用性不高，而国内各地畜禽胴体大小差距明显、分割标准多种多样，无法满足实际需求。因此我们需要研究高压水射流在国内肉类分割中应用的关键问题，并对其进行的本地化适配。

4 高压水射流技术在国内肉类分割中应用亟需解决的关键问题

基于高压水射流的肉类分割方式相比于传统的分割方式有许多优点，但受制于多方面因素，国内在将高压水射流技术应用于肉类分割仍处在探索阶段。为进一步实现其在肉类分割中的应用，许多关键问题需要被解决。

4.1 高压水射流分割系统性研究

国内缺乏对高压水射流技术应用于肉类分割的相关理论及实验研究，缺少研究该领域的专家。将高压水射流技术成功应用于肉类分割，需要在研究高压水射流理论知识的同时，通过不断地实验调整影响其性能的工艺参数，研发出适合国内国情的高压水射流分割肉系统。

4.2 高压水发生装置创新研究

高压水射流系统需要较高的切割工作压力，因此系统中的高压水发生装置尤为重要，目前应用较多的有高压水泵和增压器两类。高压水泵产生的压力脉动小，但它的价格较高、内部结构复杂、体积重量大；增压器结构原理简单、易于控制，但易造成系统较大的压力脉动。为推动高压水射流技术发展，应对高压水发生装置进行科技创新开发，开发出成本较低、结构原理简单、更简易轻便的高压水发生装置。

4.3 具备本地适应性的工艺规划系统

由于国内畜禽品种繁多、育肥方式多样，导致胴体大小参差不齐。同时各食品加工企业实行的分割标准也不同。为实现畜禽胴体切割的最大价值，需要根据不同的情况，规划出高压水射流分割的最优工艺过程及参数；但是，国内现阶段缺乏具备相关经验的工艺规划师。因此，需要研制具备本地适应性的工艺规划系统，该系统可依据胴体大小、形态来规划工艺过程，设计切削路径，设置水射流压力、切割速度、切割间隔距离等切削参数，使高压水射流分割设备具有大众性、自适应性。

4.4 新型磨料射流切割研究

纯水射流的切割力较小，当被切割材料带有骨头等较硬成分时，通常需要加入磨料进行切割。公认的磨料(例如石榴石)会影响肉品的质量，并不适用于肉类分割。目前可知能够用于肉类分割的磨料有：盐、糖、淀粉晶体以及冰颗粒等，但是以上磨料存在易融化缺点，切割力会随之减小。因此需要继续研究和探讨其他能够用来分割肉类的磨料，在不影响肉品质量的前提下，保证足够的切割力，提升高压水射流分割的加工效率。

4.5 肉类分割标准化建设

推进肉类分割标准化建设，提升国内肉类分割标准化水平。鼓励国内屠宰加工企业参照国家相关政策、标准、规范等要求，结合本地区具体生产情况，制定统一的肉类分割标准。

5 高压水射流技术在国内肉类分割中应用的可行性与前景分析

高压水射流技术在国内肉类分割中的应用尚未推广，接下来将从政策保障、经济效益、技术基础、市场需求四个方面，对高压水射流技术在国内肉类分割中应用的可行性进行分析。

第一，高压水射流技术具有绿色、低碳以及污染低的特点，是一种符合当今可持续发展潮流的绿色环保加工技术。绿色加工概念正在深入人心，越来越被人们所重视，高压水射流技术在肉类分割中的应用契合国内对于企业绿色发展的要求。

第二，高压水射流设备虽然本体费用昂贵，但是与传统切割方式相比，所需要的备件(刀片等)更少，备件的成本更低。高压水射流设备的清洁特性使得其在食品安全方面的维护费用更低；同时高压水射流设备所需劳动力更少，产量更高。因此，从长远来看高压水射流设备所带来的经济效益更为可观。

第三，国内已有高压水射流设备在其他行业应用的成功经验，拥有了一定的技术基础。高压水射流切割系统的生产厂家与高校之间正在开展深入研发与推广，把高压水射流的应用推广到食品等未渗透的行业中去。同时，国内在人工智能、机器视觉领域目前处在世界领先水平，将这些技术与高压水射流系统进行集成应用具有得天独厚的优势。

第四，随着人们生活水平的提高，对于食品的品质要求也越来越高，传统切割方式已不能满足人们对于食材精致、无菌的要求。高压水射流技术能够实现在无菌环境下对食品的完美份量控制，而此类高端食材大部分通过进口获得，因此，经过高压水射流技术分割的肉类产品具有很大的消费市场。

相信通过对关键问题的深入研究，在不久的将来，高压水射流技术在国内会成功应用于肉类分割领域，且具有广泛的应用前景，最终实现国内畜禽屠宰加工产业的升级，打破国外垄断，提升国内肉类分割核心装备的自给率。