剪切技术在鲶鱼加工副产物超细制浆中的应用研究

杨满盈，张裕中

（江南大学食品装备工程研究中心，江苏无锡214122）

剪切技术在鲶鱼加工副产物超细制浆中的应用研究

杨满盈，张裕中*

（江南大学食品装备工程研究中心，江苏无锡214122）

以鲶鱼副产物中鱼骨、鱼皮、鱼头为研究对象，应用剪切技术进行超细粉碎制浆。通过筛网测得受控切割粉碎机在不同静刀片数以及不同粉碎循环次数情况下过筛累计百分率，观察稳定性，并测定粘度。结果表明，在静刀片数222和粉碎循环3次的情况下，鱼骨、鱼皮、鱼头浆液经150目过筛累计百分率分别为90.00%、82.50%、88.75%；鱼皮物料粉碎难度、浆液粘度均最大；鱼骨浆液的稳定性最高；随着粉碎循环次数的增加，浆液产生团聚现象；粉碎机的静刀片数对浆液的粒度、稳定性、粘度的影响均大于粉碎循环次数。应用剪切技术制备鲶鱼副产物浓浆，实验结果满足实际应用的需要。

鲶鱼副产物，湿法超细粉碎，剪切技术，过筛累计百分率，稳定性

Abstract：The fish-bone，fish-skin and fish-head of catfish by-products were studied，and the shearing technology was applied to the ultra-fine grinding and pulping.The cumulative sieving percentage of the controlled cutting grinder under different numbers of static blades and grinding cycles was measured through sieves，stability was observed，and the viscosity was measured.The result showed that，with 222 static blades and 3 grinding cycles，the cumulative sieving percentages of pulping made of the fish-bone，fish-skin and fish-head through a 150-mesh sieve reached 90.00%，82.50%，88.75%，respectively.The fish-skin was the most difficult one to grind and its pulping had the highest viscosity，pulping from the fish-bone had the highest stability，the increasing of grinding cycles would result in the agglomeration of pulping，the number of grinders’ static blades imposed a bigger impact on the pulping’s particle size，stability and viscosity compare with that of the number of grinding cycles.The experimental results of applying shearing technology to the ultra-fine pulping of catfish by-products met the needs of practical application.

Key words：catfish by-products；wet ultra-fine grinding；shearing technology；cumulative sieving percentages；stability

中国是渔业大国，2010年水产品总产量达到5350万t，比2009年增加了230万t。然而水产品的深加工面临着诸多问题，如加工中会产生大量的副产品（包括鱼头、鱼皮、鱼鳍、鱼尾、鱼骨及残留鱼肉），其重量约占原料鱼的40%～55%，未得到有效地利用，产生了资源浪费、环境污染。如何对鱼副产品进行粉碎制浆再利用，吸引了化工、机械、食品、生物、环境、医药等领域研究者的重视。目前国内鱼副产品的利用途径主要有：a.加工饲料鱼粉；b.将鱼头、鱼骨加工成鱼骨糊、鱼骨粉、鱼香酥；c.从鱼内脏中提取鱼油，提炼EPA（二十碳五烯酸）、DHA（二十二碳六烯酸）制品；d.从鱼鳞中提取鱼鳞胶等。国内对鱼副产品的粉碎加工，局限于破碎机、绞肉机、骨泥机以及冷冻粉碎设备等。粉碎过程直接影响了鱼副产品浆液品质的高低，而其粉碎粒径、稳定性等是衡量浆液好坏的重要指标。基于剪切技术的受控切割粉碎机主要是对流动性好的液状物料，具有较高的粉碎效果。其工作机理是：物料被倒入高速旋转的叶轮中央，离心力作用使物料运动至叶轮顶端，叶轮使物料以极高速度通过静刀片切割边缘，物料因受到极大的剪切力而粉碎，移动过程中切割也在持续，由于叶轮速度极高，因此物料在动、静刀片间只停留很短的时间，一次性通过静刀片的间隙排出，达到粉碎目的。赵浩等人研究基于剪切技术的粉碎机的结构参数，推导出静刀片数与切割深度的关系；张玲玲等人利用剪切技术对叶类物料进行湿法超细粉碎，并应用激光粒度分析仪测得粉碎粒度；陈锡春等人利用剪切技术对甜玉米进行粉碎，研究了甜玉米浆汁的稳定性；曾程等人证明了电池浆料在超剪切快速分散设备内能够被强大的剪切力、摩擦力、撞击力、射流等力剪切分散，混合分散更加均匀。这些研究为剪切技术在鱼副产品的粉碎应用提供了可行性。本文以鲶鱼鱼骨、鱼皮、鱼头为研究对象，应用剪切技术进行超细粉碎制浆，为鱼副产品的加工与全利用提供新的方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鲶鱼（鱼骨、鱼皮、鱼头） 各3.5kg，天津农学院提供。

C-144电子计价秤 上海友声衡器有限公司；SFJ-A型万能粉碎机 上海申银机械厂；HM-22A型绞肉机 安徽华菱西厨装备股份有限公司；QDGX-18型受控切割粉碎机 无锡轻大食品装备有限公司；NDJ-5S型数显粘度计 上海平轩科学仪器有限公司；筛网：60、80、100、150目。

1.2 实验方法

1.2.1 浓浆制备工艺流程 鲶鱼（鱼骨、鱼皮、鱼头）→解冻（30min）→清洗→粗粉碎（万能粉碎机3800r/min，绞肉机180r/min）→加水混合→细粉碎（受控切割粉碎机9000r/min）→超细粉碎（受控切割粉碎机9000r/min）→取样

1.2.2 原料粗粉碎 取冷冻的鱼骨放入自来水中解冻，待解冻完毕后进行两次清洗，滤干水分，称重并取3kg，用万能粉碎机进行初步粗粉碎；再用绞肉机将粗粉碎得到的鱼骨物料进一步粗粉碎。

鱼皮、鱼头粗粉碎均按上述方法制备。

1.2.3 物料中期处理 由于受控切割粉碎机对流动性好的液状物料具有较高的粉碎效果，再者鱼骨、鱼皮、鱼头三种物料本身特性很难粉碎，因此在细粉碎、超细粉碎之前需对物料进行加水混合。方法是将三种粗粉碎得到的物料按原料与水1∶3比例混合（均加水9kg），尽可能的搅拌均匀。

1.2.4 细粉碎、超细粉碎 为了探究受控切割粉碎机在不同静刀片数（200、222）与不同粉碎循环次数（1、2、3）情况下得到样品的粒径以及稳定性，采用表1的实验方案进行细粉碎与超细粉碎，并取样。

表1 细粉碎与超细粉碎方案Table 1 Schemes of fine and ultra-fine grinding

1.2.5 筛分 通过不同孔径的筛网对浆液进行筛分，计算不同静刀片数、不同粉碎循环次数的过筛累计百分率。将60、80、100、150目的筛网质量分别记为m′1、m′2、m′3、m′4，筛网孔径由大到小，从上而下重叠放好，将80g浆液倒入，加水进行筛分。筛分结束再将四个筛网称重，分别记为M′1、M′2、M′3、M′4，利用式（1）计算筛网剩余量：

式中：mi—剩余量，g；M′i—第个筛网总重，g；m′i—第个筛网净重，g

过筛累计百分率计算公式：

式中：ηi—过筛累计百分率；M—每份样品总重，g；mi—剩余量，g。（分别表示60、80、100、150目的筛网）1.2.6 静置稳定性观察 浆液中含不溶性物质时由于其密度与液体密度不同，在地球引力的作用下，这些不溶性的物质会逐渐的沉淀下去，它的沉淀的速度由Stock公式计算：

式中：μ—液体的粘度，Pa·s；r—粒子的半径，mm；g—重力加速度，m/s2；ρ1—粒子的密度，kg/m3；ρ2—液体的密度，kg/m3。

将粉碎浆液均取样15mL放入12只试管，贴上标签，静置于恒定温度（4℃）的环境下，定时记录观察各试管沉淀高度，比较三种物料稳定性。

1.2.7 粘度（μ）测定 利用数显粘度计，选用3#转子，转速6r/min，在10℃的恒温下：a.测得浓度为12.5%，不同静刀片数、粉碎循环次数（方案见表1）情况下三种浆液的粘度；b.在静刀片数200粉碎循环次数1次情况下测得不同物料浓度为12.5%、16.7%、25.0%的浆液粘度。

2 结果与分析

2.1 粒度分析

对于不同物料，按照同一方法，用静刀片数200粉碎循环1次，用静刀片数222粉碎循环1、2、3次。分别取80g进行加水筛分，计算不同静刀片数、不同粉碎循环次数的剩余量与过筛累计百分率，实验计算结果见表2。

由表2可知，虽然物料不同但过筛累计百分率总体变化趋势相同：同一孔径的筛网，随着静刀片数的增加，过筛累计百分率提高，循环次数增加，过筛累计百分率增加；对于同一静刀片数和循环次数，随着孔径的减小，过筛累计百分率也相应减小。同一粉碎循环次数，不同静刀片数得到的过筛累计百分率与同一静刀片数不同粉碎循环次数所得到过筛累计百分率相比较，可以看出对过筛累计百分率的影响主次因素为：静刀片数＞粉碎循环次数。

同种条件下，不同物料的粉碎效果也不同，由过筛累计百分率大小比较可知粉碎效果：鱼头＞鱼骨＞鱼皮。在粉碎过程中鱼皮、鱼头粉碎下料慢（受控切割粉碎机的电流很容易达到25A），鱼骨下料顺畅，其原因由物料本身的性质决定：鱼皮内含有大量胶体、蛋白质、粘液物质及脂肪等。蛋白质主要是胶原蛋白，其最高含量可占蛋白质总量的80%以上，胶原蛋白是一种细胞外蛋白质，它是取3条肽链拧成螺旋形的纤维状蛋白质。鱼头、鱼骨主要含生物活性钙、磷等。

表2 静刀片数、循环次数与筛网剩余量和过筛累计百分率关系表Table 2 Relation table of static blades，grinding cycles with sieving remaining volume cumulative sieving percentages

据资料报道，1977年美国政府审查机构通过大量严格实验后指出，平均直径在110μm以下的骨粒对人体是无害的，美国对机械去骨肉中骨粒的直径限制在460μm以下。Field等通过实验证明平均直径在110μm以下的骨粒在和人体胃液相同的pH下是可溶的。鱼骨、鱼皮、鱼头150目（106μm）的过筛累计百分率分别为90.00%、82.50%、88.75%，基本满足食品添加、喷雾干燥等工业加工的粒度要求。

筛分结果可以看出：鱼皮（222-3）最终筛网上残留物料总量最高，达14g。粉碎效果并不因粉碎循环次数的增加而继续提高：当筛网大于80目时，静刀片数222的第2次与第3次过筛累计百分率相同。其原因是物料粉碎后出现少量絮状物，无法进一步粉碎。因此对于不同的物料应选择不同的加工方式：对鱼皮的超细粉碎1～2次，对鱼骨、鱼头超细粉碎2～3次。

2.2 物料稳定性分析

对于鱼骨、鱼头浓浆，按照同一方法，用静刀片数200粉碎1次，用静刀片数222粉碎1、2、3次。分别取15mL物料放入试管，将实验样品静置于恒定温度（4℃）的环境下，观察其沉淀情况。目的是一方面探究静刀片数、粉碎循环次数对稳定性的影响，另一方面为物料在常温的保藏与应用提供参考依据。

表3 沉淀高度对比表（mm）Table 3 Comparison table of sedimentary height（mm）

由表3可以看出鱼骨浆液的稳定性最高；浆液的沉淀高度与静刀片数以及粉碎循环次数有关，前4h沉淀速度较快，静置24h左右均达到稳定。由鱼头浆液沉淀高度数据可以再次证明静刀片数对物料的影响大于粉碎循环次数。

图1 鱼皮浓浆沉淀高度随时间变化曲线Fig.1 Curve of sedimentary height with time

图2 鱼皮浓浆分散状态对沉淀高度的影响Fig.2 Effect of the dispersion state of fish-skin on the sedimentary height

由图1鱼皮浓浆沉淀高度随时间变化曲线可以看出，一开始200-1、222-1、222-3物料沉淀很快，而222-2沉淀相对较慢，其高度分别为h222-2＞h222-1＞h220-1＞h222-3。经24h左右静置以后物料最终稳定，其高度分别为h220-1＞h222-1＞h222-3＞h222-2。其原因由图2、式（3）可知，200-1试管物料由于是细粉碎，有一部分的物料粒径很大，沉淀速度较快，静置后所占体积较大，故结果沉淀高度最高；222-1、222-2经过超细粉碎后，粒径逐渐缩小，其沉淀速度逐渐减小，静置后体积逐渐缩小。而222-3最终沉淀高度却略高于222-2，是由于在粉碎过程中物料吸收了大量的机械能或热能，因而使新生的超细颗粒表面具有相当高的表面活化能，粒子处于不稳定状态。粒子为了降低表面活化能，使其趋于稳定状态，往往通过相互聚集靠拢而达到稳定状态。因而引起粒子团聚，粒径变大。

2.3 粘度（μ）分析

应用剪切技术的受控切割粉碎机制备鱼骨、鱼皮、鱼头浓浆，探讨不同的加工过程、物料粒径、浓度对物料粘度的影响，为食品添加、骨粉制备等一系列工程生产过程控制、技术设计提供相关数据。不同的静刀片数、粉碎循环次数以及物料的浓度对物料粘度的影响如图3～图4所示。

图3 静刀片数、粉碎循环次数与粘度关系Fig.3 Relation of viscosity with static blades and the number of cycles

图4 浓度与粘度关系Fig.4 Relation of viscosity with concentrations

由图3可知，鱼皮的粘度远大于鱼骨、鱼头的；静刀片数的增加、物料粒径的减小，则粘度增加；粉碎循环次数对粘度有一定的影响，通常情况下随着粉碎循环次数的增加，粘度也增加，而图3中鱼头粘度在222-3情况下却有所减少，因为其产生团聚现象，粒径增大。

由图4可知，物料在200-1情况下的粘度随着物料的浓度增加而增加。鱼皮粘度变化幅度大，原因是由于鱼皮物料本身性质决定，物料粉碎后出现絮状物，在测量粘度时则会缠绕转子，产生一定的误差，但整体变化趋势不变。

为了减小物料的粒径，需增加静刀片数与粉碎循环次数，但随着循环次数的增加，物料产生了团聚现象；为了增加浆液稳定性，需增加物料浓度（减少加水量），但减少加水量会产生粉碎时进料不畅。针对这些原因，因此在实际生产过程中，对于不同的物料，需不同的加工方式。

3 结论

本文运用剪切技术对鲶鱼副产物（鱼骨、鱼头、鱼皮）进行超细粉碎制浆，通过测定浆液的筛分剩余量、过筛累计百分率、沉淀高度、粘度，观察稳定性，研究受控切割粉碎机的静刀片数、粉碎循环次数以及浓度对其影响。结果发现受控切割粉碎机的静刀片数对浆液的粒度、稳定性、粘度的影响大于粉碎循环次数；不同的物料应选取不同的静刀片数与粉碎循环次数。由于初次运用剪切技术对鲶鱼副产物超细粉碎制浆，因此仅在粒径、稳定性等方面上进行研究，今后应进一步研究剪切技术对鲶鱼副产物的品质、提取物的提取率的影响。实验得到的浆液，其粒度满足实际应用的需要，为生产过程提供相关数据，为鱼副产物全利用提供全新的加工方法。

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Study on ultra-fine pulping of catfish by-products with shearing technology

YANG Man-ying，ZHANG Yu-zhong*
（Research Center of Food Equipment，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

TS254.9

A

1002-0306（2012）16-0302-04

2012－02－01 *通讯联系人

杨满盈（1985-），男，硕士研究生，研究方向：食品装备技术。

江苏省科技型创新资金项目（BC2010031）。