海湾扇贝外套膜及脏器剥离机理试验

朱其霄　弋景刚　姜海勇等

摘要： 采用试验研究与理论分析相结合的方法对扇贝外套膜及脏器的剥离机理进行研究，从能量角度揭示剥离机理，利用SPSS软件对试验数据进行分析，并拟合建立剥离力的数学模型。结果表明，剥离力与扇贝壳长呈正相关，而与剥离速率无明显相关关系。

关键词： 海湾扇贝；外套膜；脏器；剥离机理；剥离力；加工机械

中图分类号：S985 3+6 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）08-0293-03

海湾扇贝分布于北美洲大西洋西海岸，1982年由中国科学院海洋研究所引进到我国，发展成为我国北方浅海养殖的支柱产业之一。扇贝制品的加工工艺为：洗净鲜活扇贝→开壳→去外套膜及脏器→取贝柱→水洗→挑选称质量→装盘冷冻→包装。其中，去外套膜及脏器是扇贝加工的重点也是难点，须要耗费大量的工时。国内主要采取手工加工方式，机械化程度低，依赖手工加工很难实现加工质量的有效控制。欧美等发达国家扇贝加工业发展早，机械化程度高，但其扇贝加工设备不适合我国国情。因此，研制扇贝加工关键装备、提高扇贝制品的质量、实现扇贝加工的大规模机械化生产对我国扇贝产业的未来发展具有重大和深远的意义 [1-2]。目前，我国在机械去除海湾扇贝外套膜及脏器方面进行的理论研究较少，对外套膜的剥离原理没有形成完善的理论。本试验主要针对海湾扇贝外套膜及脏器的剥离机理进行研究，以期设计出更经济合理的扇贝加工机械。

1 扇贝外套膜及脏器剥离研究现状

1 1 扇贝内部结构特性

海湾扇贝内部主要为贝柱、外套膜和内脏等生物组织，图1为外套膜具有双壳贝类外套膜的典型结构，紧贴于两贝壳的内面，为包被内脏团的二叶薄膜，除了在背面少数部位连接外其余部分均游离，由中央膜和边缘膜组成。外套膜各部位组织学结构相似，其组织结构主要为内外上皮层、结缔组织与肌纤维。透过透明的外套膜的中央区，可以看到为外套膜所包被的白色贝柱，其组织结构主要为肌纤维 [3] 不同的生物组织在组织构成方面有一定的差异，因此表现出不同的黏弹特性，其力学性能如弹性、黏性、密度、热胀系数以及内应力均不相同。由于不同生物组织有不同的力学特性，所以通过高应力、高应变速率可使不同组织按其自然尺度实现分割、剥离 [4]。

1 2 外套膜及脏器剥离技术的现状

国内扇贝加工企业多采用手工剥离，即采用弧形刮刀手工剥离去除外套膜及脏器。手工剥离去净率高，但效率低，整个生产线的运行受到剥离工序的制约，直接影响经济效益。为了提高生产效率，在生产中必须以机械方式代替手工方式去除外套膜及脏器。

欧美等发达国家扇贝加工设备发展较早，自动化技术更多地应用于机械设计中。美国早在20世纪90年代就有去除扇贝外套膜及脏器的专利产生，主要是采取并排的细辊，将扇贝的外套膜及脏器辊碾绞碎，仅留取贝柱 [5-6]。冰岛Traust公司的扇贝加工生产线采取了类似技术，自动化程度很高，加工过程中极少须要人工干预。日本日兴株式会社生产的NHS-5000 型扇贝自动脱壳机则采用负压吸附技术，利用负压吸附设备将贝柱周边的外套膜及脏器吸除，仅留取贝柱，同时吸除的脏器也能进行再回收利用。需要指出的是，国外的扇贝加工设备是根据国外的生产实际和生产理念设计，比如加工对象为虾夷扇贝，对于小体积的海湾扇贝适用性较差 [7]。

扇贝外套膜及脏器剥离技术在很大程度上依赖于剥离机理方面的理论研究，揭示剥离机理，建立外套膜及脏器的剥离力数学模型，对剥离技术以及扇贝加工机械的发展具有重大的意义。

2 材料与方法

2 1 试验设备与材料

仪器设备：浙江温州山度SP-200型图显推拉力计，该仪器峰值、实时值、测试过程曲线全程同步显示，可连接至计算机监控和追朔测试过程，并得出实时数据及试验峰值，压力显示为正值，拉力显示为负值；剥离刀钩。

试验材料：扇贝采购自河北省昌黎县一年生海湾扇贝（GB/T 21443—2008《海湾扇贝》），成体壳长50～65 mm。

2 2 试验方法

查阅相关文献资料可知，对海湾扇贝外套膜及脏器从贝柱上剥离所需的剥离力产生影响的因素主要有剥离速率和扇贝壳长2个因素 [8-9]。将海湾扇贝按壳长不同分为3组：50～55、55～60、60～65 mm，各组分别取60枚扇贝，在各组中再将这60枚扇贝分为3个小组，每组20枚，进行不同剥离速率条件的试验（剥离速率分别为10、20、40 mm/s）。用剥离刀钩钩住外套膜及脏器，利用推拉力计测量其剥离力并记录数值。

3 结果与分析

3 1 剥离力曲线

在本试验过程中，在不同速率下对不同直径的扇贝外套膜及脏器剥离力进行实时测量。通过观察发现，在所有的试验中，剥离力都具有相同的曲线趋势，结果如图2所示。为方便从能量角度揭示海湾扇贝外套膜及脏器的剥离机理，在图2中对剥离过程中的一些特征点进行标注，如图2中的点a、b。相应地定义Fa为剥离外套膜及脏器时剥离力的最大值，Fav为剥离外套膜及脏器时剥离力的平均值。

整个剥离过程可以分为变形阶段、破裂阶段和剥离阶段3个阶段。变形阶段刀钩开始拉伸组织到外套膜与贝柱结合处组织破裂发生剥离，即点a。从图2可以看出，剥离力随位移成非线性关系增大，直到剥离力达到最大值Fa。在这个阶段，位移在增大，但并没有剥离发生，刀钩做功所提供的能量以弹性应变能的方式存储在外套膜及脏器内。随着刀钩位移继续增大，外套膜与贝柱结合处组织所承受的应力也越来越大，当这种应力大于外套膜与贝柱之间的生物结合力时，剥离发生，即a点。在a点时，外套膜与贝柱结合处组织开始破裂并迅速扩展，这一过程称为破裂阶段，即从点a到点b。在破裂阶段，外套膜及脏器中所存储的弹性应变能在迅速释放，提供产生新表面所需的能量。同时，剥离力也迅速减小。b点后由于外套膜与贝柱间已经存在缺口，随后的剥离过程比较平稳，剥离力较小，这一平稳剥离过程称为剥离阶段。在剥离阶段，外套膜及脏器的剥离过程较平稳，剥离力在较小范围内呈现“增大—减小”的波动形式，直到外套膜及脏器完全被剥离，这种剥离力“增大—减小”的波动其实也是一个积聚能量和释放能量的过程。

为进一步定量分析海湾扇贝外套膜及脏器的剥离机理，从推拉力计所记录的剥离力数据文件中选取剥离力最大值Fa以及整个剥离过程的剥离力平均值Fav为特征量，进一步研究剥离速率与扇贝壳长对这2个特征量的影响规律。

3 2 剥离速率对剥离力的影响规律

以60～65 mm分组为例，分别对剥离速率10、20、40 mm/s等3个分组中测试的剥离力的最大值Fa进行算术平均值统计分析、平均值Fav进行算术平均值统计分析，结果如表1所示。

由表1可知，随着剥离速率的增加，剥离力的最大值Fa与平均值Fav表现相对平稳，并没有明显的变大或变小的趋势。

利用SPSS统计软件单因素方差分析功能，进一步检验剥离速率对剥离力的影响是否显著。对扇贝壳长在60～65 mm间的全部60枚试验扇贝进行统计分析，用单因素方差分析检验3种剥离速率10、20、40 mm/s对剥离力的最大值Fa的影响是否有显著差异（显著水平取0 05），结果如表2、表3所示。

从方差分析结果（表3）可以看出，组间的显著性0 971以及组间可以被线性解释部分的显著性0 820均远远大于0 05，由此可见各组间不存在显著性差异，即剥离速率对剥离力最大值的影响不显著。

用单因素方差分析检验3种剥离速率10、20、40 mm/s对剥离力的平均值Fav的影响是否有显著差异，结果与上述结论相似，即剥离速率对剥离力平均值的影响不显著。可见，剥离速率对扇贝外套膜及脏器的剥离力没有显著影响，剥离外套膜及脏器所需的剥离力与剥离速率的关系不大，两者间不存在明显相关关系。

3 3 扇贝壳长对剥离力的影响规律

以剥离速率10 mm/s为例，分别对50～55、55～60、60～65 mm等3个分组测试的剥离力的最大值Fa进行算术平均值统计分析、平均值Fav进行算术平均值统计分析，结果如表4所示。

由表4可知，随着扇贝壳长的增加，剥离力的最大值Fa与平均值Fav有明显的变大趋势。

利用SPSS统计软件曲线回归分析功能，进一步定量研究扇贝壳长对剥离力的影响规律。以全部180枚试验扇贝的壳长作为解释变量，以剥离力的最大值Fa和平均值Fav作为被解释变量，分别用SPSS软件提供的各类回归模型对数据进行拟合，比较r2值，发现二次多项式的拟合优度最高，因此确定回归方程类型为二次多项式 [10]。

扇贝壳长与剥离力最大峰值间的曲线回归方程为：

Y1=-0 004x2+0 651x-20 73，r2= 0 927。

式中：x表示扇贝壳长，mm；Y1表示剥离力最大峰值，N。

扇贝壳长与剥离力平均值间的曲线回归方程为：

Y2=-0 000 6x2+0 106x-2 557，r2= 0 818。

式中：x表示扇贝壳长，mm；Y2表示剥离力平均值，N。

通过上述回归方程，可以计算出不同大小的扇贝相对应的剥离外套膜及脏器所需剥离力的最大值与平均值，为设计扇贝加工机械时相关参数的确定提供理论参考。

4 结论

本试验采用试验研究与理论分析相结合的方法对海湾扇贝外套膜及脏器的剥离机理进行研究，主要结论如下：（1）剥离速率对剥离力的影响不显著，剥离外套膜及脏器所需的剥离力与剥离速率的关系不大；（2）扇贝壳长对剥离力有显著影响，且剥离外套膜及脏器所需剥离力随扇贝壳长的增大而增大，剥离力与扇贝壳长呈正相关。在设计海湾扇贝加工机械时，应根据扇贝壳长合理确定外套膜及脏器剥离装置所提供的剥离力，本试验结果为设计出经济合理的扇贝加工机械提供理论依据。

参考文献： [HJ1 85mm]

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