朱其霄 弋景剛 姜海勇等
摘要: 采用試驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方法對扇貝外套膜及臟器的剝離機(jī)理進(jìn)行研究,從能量角度揭示剝離機(jī)理,利用SPSS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并擬合建立剝離力的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明,剝離力與扇貝殼長呈正相關(guān),而與剝離速率無明顯相關(guān)關(guān)系。
關(guān)鍵詞: 海灣扇貝;外套膜;臟器;剝離機(jī)理;剝離力;加工機(jī)械
中圖分類號:S985 3+6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號:1002-1302(2015)08-0293-03
海灣扇貝分布于北美洲大西洋西海岸,1982年由中國科學(xué)院海洋研究所引進(jìn)到我國,發(fā)展成為我國北方淺海養(yǎng)殖的支柱產(chǎn)業(yè)之一。扇貝制品的加工工藝為:洗凈鮮活扇貝→開殼→去外套膜及臟器→取貝柱→水洗→挑選稱質(zhì)量→裝盤冷凍→包裝。其中,去外套膜及臟器是扇貝加工的重點(diǎn)也是難點(diǎn),須要耗費(fèi)大量的工時。國內(nèi)主要采取手工加工方式,機(jī)械化程度低,依賴手工加工很難實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量的有效控制。歐美等發(fā)達(dá)國家扇貝加工業(yè)發(fā)展早,機(jī)械化程度高,但其扇貝加工設(shè)備不適合我國國情。因此,研制扇貝加工關(guān)鍵裝備、提高扇貝制品的質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)扇貝加工的大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)對我國扇貝產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展具有重大和深遠(yuǎn)的意義 [1-2]。目前,我國在機(jī)械去除海灣扇貝外套膜及臟器方面進(jìn)行的理論研究較少,對外套膜的剝離原理沒有形成完善的理論。本試驗(yàn)主要針對海灣扇貝外套膜及臟器的剝離機(jī)理進(jìn)行研究,以期設(shè)計出更經(jīng)濟(jì)合理的扇貝加工機(jī)械。
1 扇貝外套膜及臟器剝離研究現(xiàn)狀
1 1 扇貝內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性
海灣扇貝內(nèi)部主要為貝柱、外套膜和內(nèi)臟等生物組織,圖1為外套膜具有雙殼貝類外套膜的典型結(jié)構(gòu),緊貼于兩貝殼的內(nèi)面,為包被內(nèi)臟團(tuán)的二葉薄膜,除了在背面少數(shù)部位連接外其余部分均游離,由中央膜和邊緣膜組成。外套膜各部位組織學(xué)結(jié)構(gòu)相似,其組織結(jié)構(gòu)主要為內(nèi)外上皮層、結(jié)締組織與肌纖維。透過透明的外套膜的中央?yún)^(qū),可以看到為外套膜所包被的白色貝柱,其組織結(jié)構(gòu)主要為肌纖維 [3] 不同的生物組織在組織構(gòu)成方面有一定的差異,因此表現(xiàn)出不同的黏彈特性,其力學(xué)性能如彈性、黏性、密度、熱脹系數(shù)以及內(nèi)應(yīng)力均不相同。由于不同生物組織有不同的力學(xué)特性,所以通過高應(yīng)力、高應(yīng)變速率可使不同組織按其自然尺度實(shí)現(xiàn)分割、剝離 [4]。
1 2 外套膜及臟器剝離技術(shù)的現(xiàn)狀
國內(nèi)扇貝加工企業(yè)多采用手工剝離,即采用弧形刮刀手工剝離去除外套膜及臟器。手工剝離去凈率高,但效率低,整個生產(chǎn)線的運(yùn)行受到剝離工序的制約,直接影響經(jīng)濟(jì)效益。為了提高生產(chǎn)效率,在生產(chǎn)中必須以機(jī)械方式代替手工方式去除外套膜及臟器。
歐美等發(fā)達(dá)國家扇貝加工設(shè)備發(fā)展較早,自動化技術(shù)更多地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計中。美國早在20世紀(jì)90年代就有去除扇貝外套膜及臟器的專利產(chǎn)生,主要是采取并排的細(xì)輥,將扇貝的外套膜及臟器輥碾絞碎,僅留取貝柱 [5-6]。冰島Traust公司的扇貝加工生產(chǎn)線采取了類似技術(shù),自動化程度很高,加工過程中極少須要人工干預(yù)。日本日興株式會社生產(chǎn)的NHS-5000 型扇貝自動脫殼機(jī)則采用負(fù)壓吸附技術(shù),利用負(fù)壓吸附設(shè)備將貝柱周邊的外套膜及臟器吸除,僅留取貝柱,同時吸除的臟器也能進(jìn)行再回收利用。需要指出的是,國外的扇貝加工設(shè)備是根據(jù)國外的生產(chǎn)實(shí)際和生產(chǎn)理念設(shè)計,比如加工對象為蝦夷扇貝,對于小體積的海灣扇貝適用性較差 [7]。
扇貝外套膜及臟器剝離技術(shù)在很大程度上依賴于剝離機(jī)理方面的理論研究,揭示剝離機(jī)理,建立外套膜及臟器的剝離力數(shù)學(xué)模型,對剝離技術(shù)以及扇貝加工機(jī)械的發(fā)展具有重大的意義。
2 材料與方法
2 1 試驗(yàn)設(shè)備與材料
儀器設(shè)備:浙江溫州山度SP-200型圖顯推拉力計,該儀器峰值、實(shí)時值、測試過程曲線全程同步顯示,可連接至計算機(jī)監(jiān)控和追朔測試過程,并得出實(shí)時數(shù)據(jù)及試驗(yàn)峰值,壓力顯示為正值,拉力顯示為負(fù)值;剝離刀鉤。
試驗(yàn)材料:扇貝采購自河北省昌黎縣一年生海灣扇貝(GB/T 21443—2008《海灣扇貝》),成體殼長50~65 mm。
2 2 試驗(yàn)方法
查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知,對海灣扇貝外套膜及臟器從貝柱上剝離所需的剝離力產(chǎn)生影響的因素主要有剝離速率和扇貝殼長2個因素 [8-9]。將海灣扇貝按殼長不同分為3組:50~55、55~60、60~65 mm,各組分別取60枚扇貝,在各組中再將這60枚扇貝分為3個小組,每組20枚,進(jìn)行不同剝離速率條件的試驗(yàn)(剝離速率分別為10、20、40 mm/s)。用剝離刀鉤鉤住外套膜及臟器,利用推拉力計測量其剝離力并記錄數(shù)值。
3 結(jié)果與分析
3 1 剝離力曲線
在本試驗(yàn)過程中,在不同速率下對不同直徑的扇貝外套膜及臟器剝離力進(jìn)行實(shí)時測量。通過觀察發(fā)現(xiàn),在所有的試驗(yàn)中,剝離力都具有相同的曲線趨勢,結(jié)果如圖2所示。為方便從能量角度揭示海灣扇貝外套膜及臟器的剝離機(jī)理,在圖2中對剝離過程中的一些特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注,如圖2中的點(diǎn)a、b。相應(yīng)地定義Fa為剝離外套膜及臟器時剝離力的最大值,F(xiàn)av為剝離外套膜及臟器時剝離力的平均值。
整個剝離過程可以分為變形階段、破裂階段和剝離階段3個階段。變形階段刀鉤開始拉伸組織到外套膜與貝柱結(jié)合處組織破裂發(fā)生剝離,即點(diǎn)a。從圖2可以看出,剝離力隨位移成非線性關(guān)系增大,直到剝離力達(dá)到最大值Fa。在這個階段,位移在增大,但并沒有剝離發(fā)生,刀鉤做功所提供的能量以彈性應(yīng)變能的方式存儲在外套膜及臟器內(nèi)。隨著刀鉤位移繼續(xù)增大,外套膜與貝柱結(jié)合處組織所承受的應(yīng)力也越來越大,當(dāng)這種應(yīng)力大于外套膜與貝柱之間的生物結(jié)合力時,剝離發(fā)生,即a點(diǎn)。在a點(diǎn)時,外套膜與貝柱結(jié)合處組織開始破裂并迅速擴(kuò)展,這一過程稱為破裂階段,即從點(diǎn)a到點(diǎn)b。在破裂階段,外套膜及臟器中所存儲的彈性應(yīng)變能在迅速釋放,提供產(chǎn)生新表面所需的能量。同時,剝離力也迅速減小。b點(diǎn)后由于外套膜與貝柱間已經(jīng)存在缺口,隨后的剝離過程比較平穩(wěn),剝離力較小,這一平穩(wěn)剝離過程稱為剝離階段。在剝離階段,外套膜及臟器的剝離過程較平穩(wěn),剝離力在較小范圍內(nèi)呈現(xiàn)“增大—減小”的波動形式,直到外套膜及臟器完全被剝離,這種剝離力“增大—減小”的波動其實(shí)也是一個積聚能量和釋放能量的過程。
為進(jìn)一步定量分析海灣扇貝外套膜及臟器的剝離機(jī)理,從推拉力計所記錄的剝離力數(shù)據(jù)文件中選取剝離力最大值Fa以及整個剝離過程的剝離力平均值Fav為特征量,進(jìn)一步研究剝離速率與扇貝殼長對這2個特征量的影響規(guī)律。
3 2 剝離速率對剝離力的影響規(guī)律
以60~65 mm分組為例,分別對剝離速率10、20、40 mm/s等3個分組中測試的剝離力的最大值Fa進(jìn)行算術(shù)平均值統(tǒng)計分析、平均值Fav進(jìn)行算術(shù)平均值統(tǒng)計分析,結(jié)果如表1所示。
由表1可知,隨著剝離速率的增加,剝離力的最大值Fa與平均值Fav表現(xiàn)相對平穩(wěn),并沒有明顯的變大或變小的趨勢。
利用SPSS統(tǒng)計軟件單因素方差分析功能,進(jìn)一步檢驗(yàn)剝離速率對剝離力的影響是否顯著。對扇貝殼長在60~65 mm間的全部60枚試驗(yàn)扇貝進(jìn)行統(tǒng)計分析,用單因素方差分析檢驗(yàn)3種剝離速率10、20、40 mm/s對剝離力的最大值Fa的影響是否有顯著差異(顯著水平取0 05),結(jié)果如表2、表3所示。
從方差分析結(jié)果(表3)可以看出,組間的顯著性0 971以及組間可以被線性解釋部分的顯著性0 820均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0 05,由此可見各組間不存在顯著性差異,即剝離速率對剝離力最大值的影響不顯著。
用單因素方差分析檢驗(yàn)3種剝離速率10、20、40 mm/s對剝離力的平均值Fav的影響是否有顯著差異,結(jié)果與上述結(jié)論相似,即剝離速率對剝離力平均值的影響不顯著??梢姡瑒冸x速率對扇貝外套膜及臟器的剝離力沒有顯著影響,剝離外套膜及臟器所需的剝離力與剝離速率的關(guān)系不大,兩者間不存在明顯相關(guān)關(guān)系。
3 3 扇貝殼長對剝離力的影響規(guī)律
以剝離速率10 mm/s為例,分別對50~55、55~60、60~65 mm等3個分組測試的剝離力的最大值Fa進(jìn)行算術(shù)平均值統(tǒng)計分析、平均值Fav進(jìn)行算術(shù)平均值統(tǒng)計分析,結(jié)果如表4所示。
由表4可知,隨著扇貝殼長的增加,剝離力的最大值Fa與平均值Fav有明顯的變大趨勢。
利用SPSS統(tǒng)計軟件曲線回歸分析功能,進(jìn)一步定量研究扇貝殼長對剝離力的影響規(guī)律。以全部180枚試驗(yàn)扇貝的殼長作為解釋變量,以剝離力的最大值Fa和平均值Fav作為被解釋變量,分別用SPSS軟件提供的各類回歸模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,比較r2值,發(fā)現(xiàn)二次多項(xiàng)式的擬合優(yōu)度最高,因此確定回歸方程類型為二次多項(xiàng)式 [10]。
扇貝殼長與剝離力最大峰值間的曲線回歸方程為:
Y1=-0 004x2+0 651x-20 73,r2= 0 927。
式中:x表示扇貝殼長,mm;Y1表示剝離力最大峰值,N。
扇貝殼長與剝離力平均值間的曲線回歸方程為:
Y2=-0 000 6x2+0 106x-2 557,r2= 0 818。
式中:x表示扇貝殼長,mm;Y2表示剝離力平均值,N。
通過上述回歸方程,可以計算出不同大小的扇貝相對應(yīng)的剝離外套膜及臟器所需剝離力的最大值與平均值,為設(shè)計扇貝加工機(jī)械時相關(guān)參數(shù)的確定提供理論參考。
4 結(jié)論
本試驗(yàn)采用試驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方法對海灣扇貝外套膜及臟器的剝離機(jī)理進(jìn)行研究,主要結(jié)論如下:(1)剝離速率對剝離力的影響不顯著,剝離外套膜及臟器所需的剝離力與剝離速率的關(guān)系不大;(2)扇貝殼長對剝離力有顯著影響,且剝離外套膜及臟器所需剝離力隨扇貝殼長的增大而增大,剝離力與扇貝殼長呈正相關(guān)。在設(shè)計海灣扇貝加工機(jī)械時,應(yīng)根據(jù)扇貝殼長合理確定外套膜及臟器剝離裝置所提供的剝離力,本試驗(yàn)結(jié)果為設(shè)計出經(jīng)濟(jì)合理的扇貝加工機(jī)械提供理論依據(jù)。
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