鱿鱼足静电裹粉装置设计与参数试验优化

邹福星 楼建忠 朱盘安 李建平 季明东 何相逸

(1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院， 杭州 310058； 2.中原工学院纺织学院， 郑州 451191；3.浙江机电职业技术学院机械工程学院， 杭州 310053； 4.温州科技职业学院农业与生物技术学院， 温州 325006)

0 引言

裹粉鱿鱼足是一种重要的鱿鱼加工产品。在鱿鱼足表面裹上一层调味粉，能够增加鱿鱼足的风味[1]，改善加工后的外观和口感。目前鱿鱼足裹粉作业主要由人工进行。人工裹粉生产效率低，容易造成食品污染、影响食品安全[2-5]；在裹粉过程中，部分粉料受鱿鱼足表面水分侵入而受潮，导致无法继续使用、浪费严重，且鱿鱼足表面粉层厚度不均匀。由于鱿鱼足相邻足间隙小，人工裹粉时靠手指将其分开才能裹上粉，传统的裹粉设备也难以保证足间缝隙裹上调味粉[6]。

利用高压静电技术[7]使粉料带上电荷，在喷粉枪和鱿鱼足之间建立高压静电场，通过气流输送粉料，在气流和电场力的共同作用下使粉料运动至鱿鱼足表面对其进行裹粉；利用同性电荷相斥的特性，使粉料在鱿鱼足表面散开形成均匀的粉层；未能附着在鱿鱼足上的粉料仍保持干燥，可回收再利用，减少了粉料的浪费，可有效解决人工裹粉存在的不足。由于静电吸附作用，用机械裹粉方法不易裹上粉料的部位也能裹上粉料。

目前，国内关于食品静电技术的研究主要集中在食物冷藏保鲜[8-9]、农产品解冻[10-13]等方面，在食品静电裹粉方面相关研究仍处于空白状态。国外学者通过研究发现，对粉料施加静电可不同程度地增强粉料的附着效果，食物表面的油分、粉料电阻率和颗粒大小对附着效果有影响[14-16]。专门针对鱿鱼足静电裹粉技术研究尚未见报道。

本文设计静电裹粉装置和离心式附着效果测试装置,通过试验研究不同相对湿度和静电压下的鱿鱼足裹粉速度和裹粉量，对不同相对湿度和静电压下裹粉时粉料的附着效果进行对比分析。

1 试验材料

鱿鱼足所用调味粉由浙江富丹旅游食品有限公司提供，其外观如图1a所示。调味粉主要成分为小麦淀粉95%、氯化钠3%、香辛料2%；粒度在200 μm以上的粉粒质量分数为30%～40%。试验用鱿鱼足由浙江兴业集团有限公司提供，按照企业生产实际，修剪成3根足相连的形态，平均质量为18 g左右，也有少数鱿鱼足因尺寸较小剪成4足相连。修剪后的鱿鱼足形态如图1b所示。文中提到的鱿鱼足均为图1b所示形态。试验时选取3足相连的鱿鱼足作为样本。

图1 调味粉和鱿鱼足Fig.1 Seasoning powder and squid tentacles

2 静电裹粉原理与裹粉装置设计

2.1 静电裹粉原理

鱿鱼足静电裹粉原理如图2所示。鱿鱼足接地，高压静电发生器为喷粉枪提供高压静电，在喷枪和鱿鱼足之间建立起静电场，利用电晕放电原理[17-19]使粉粒带上负电荷。带电粉料颗粒在电场力和气流的共同作用下运动至鱿鱼足表面，通过吸附形成裹粉层。

图2 鱿鱼足静电裹粉装置原理图Fig.2 Schematic diagram of electrostatic powder coating of squid tentacles1.鱿鱼足 2.高压静电发生器 3.喷粉枪

图3 静电裹粉试验装置Fig.3 Experimental setup for electrostatic powder coating of squid tentacles1.粉桶及气力供粉系统 2.高压静电装置 3.湿度计 4.喷粉箱 5.鱿鱼足 6.鱿鱼足插持装置 7.鱿鱼足接地装置 8.加湿器 9.通风装置 10.喷粉枪

2.2 裹粉装置设计

静电裹粉试验装置实物如图3所示。喷粉箱由厚度为5 mm的透明有机玻璃板制成；两支静电喷粉枪分别安装在喷粉箱的两侧；高压静电装置电压在0～100 kV范围可调；鱿鱼足插持装置安装在喷粉箱顶部，其下端伸入喷粉箱，底部装有3根插针，作用是从足根沿纵向插入，对鱿鱼足进行插持和固定、保持相邻足间分开以便裹粉，针长110 mm、间距12 mm；通风装置由排气风扇和管道组成，作用是降低喷粉箱内粉尘浓度，防范粉尘爆炸事故[20-21]、保证试验安全；加湿器配合除湿机调节喷粉箱内的相对湿度，使之处于某一范围。试验使用的空气压缩机购自浙江台州奥突斯工贸有限公司，型号为OTS- 750X3，功率2.25 kW，气罐容积60 L。

3 静电裹粉影响因素分析

鱿鱼足静电裹粉的影响因素包括粉料的含水率和带电能力、鱿鱼足表面水分、相对湿度和静电电压。粉料含水率大会导致粉料电阻率降低、带电菏能力下降[22]，通过试验测定粉料含水率为3.07%，由于生产厂家提供的粉料，不同批次含水率差异不大，因此在试验中可视为恒定因素；使用宁波瑞柯仪器设备有限公司生产的FT- 303B型体积电阻率测试仪测得粉料的体积电阻率为362.1 GΩ·mm，该数值表明该粉料具备中等带电能力，适合静电裹粉。经试验测定，鱿鱼足表面水膜平均厚度约为0.12 mm，在鱿鱼足表面粉层形成初期，鱿鱼足表面水分将附着在鱿鱼足表面的粉料润湿，形成湿粉层，但对之后形成的干粉层没有影响。由于静电对空气湿度比较敏感[23]，故将相对湿度作为主要试验因素之一。

4 静电裹粉装置参数优化试验方法

根据静电裹粉影响因素分析，将相对湿度[24]和静电电压[25-26]作为静电裹粉装置的两个主要工作参数。

试验包括静电裹粉试验和附着效果测试两部分。两个试验密切配合，按时间顺序先后进行。每完成一次某一相对湿度和静电电压下的裹粉试验，即对完成裹粉的鱿鱼足进行附着效果测试试验。通过试验，进行不同相对湿度和静电电压下裹粉速度、裹粉量和粉料在鱿鱼足表面附着效果的对比分析，实现对静电裹粉装置相对湿度和静电电压两个主要工作参数的优化。

4.1 静电裹粉试验方法

静电裹粉试验时，喷粉箱内相对湿度取值40%、60%、80%，偏差±5%；静电电压取值0、30、60、90 kV。

试验时喷粉枪枪口与鱿鱼足距离200 mm；喷粉气压7×104Pa，气流速度2.5 m/s。为防止气流干扰，影响测试结果，试验时由定时器控制两侧喷粉枪交替工作，各自喷粉0.5 s，然后取出鱿鱼足及插持装置，用电子天平称量，记录鱿鱼足表面粉层质量的变化，裹粉时长记为0.5 s。根据人工裹粉统计结果，每只鱿鱼足平均裹上的粉量为2.23 g。综合考虑，将鱿鱼足裹粉总时长设定为4.5 s，即每完成一次裹粉试验，两侧喷粉枪交替喷粉9次。

4.2 粉料附着效果测试原理与方法

测试装置的工作原理是：将完成裹粉的鱿鱼足固定在转轴上，利用转轴旋转产生的离心力使粉料从鱿鱼足上脱落。离心转速越高，则离心力越大、脱落的粉料越多。通过对鱿鱼足表面剩余粉料的质量分数(质量剩余率)进行分析，可评价该裹粉条件下鱿鱼足表面粉料的整体附着效果；对不同相对湿度和静电电压下完成裹粉的鱿鱼足进行离心测试，比较同一离心转速下粉料质量剩余率的差异，可分析出不同裹粉条件下附着效果的差别。

离心试验装置结构如图4所示。装置主要由插持装置、法兰盘、伺服电机总成、套筒、端盖、固定板，以及控制电机运转的伺服电机驱动器和开关等元件组成。伺服电机为无锡创正科技有限公司生产的AMS40- M00130Z型伺服电机。该电机额定功率0.1 kW，额定转速3 000 r/min。伺服电机壳体通过法兰盘和固定板固定在试验台上；内径为85 mm的透明有机玻璃套筒，套装在法兰盘的外圆柱面上，与套筒另一侧的端盖一起组成密闭的圆柱形空间。

图4 离心式附着力测试装置Fig.4 Centrifugal device for adhesive force test1.端盖 2.套筒 3.插针 4.插持装置 5.法兰盘 6.固定板 7.伺服电机

进行离心试验时，首先将完成裹粉的鱿鱼足连同插持装置一起固定在电机轴上，电机轴旋转时，鱿鱼足上分离的粉末落入有机玻璃管中。通过对管中的粉料进行收集和称量，可计算出鱿鱼足表面的粉料质量剩余率。

图6 不同相对湿度、静电电压下粉层质量的变化Fig.6 Changes of coating mass under different voltages and relative humidities

在附着效果测试时，按照700、1 000、1 400 r/min的转速依次进行3次离心试验，分别计算每次离心试验后鱿鱼足表面的裹粉质量剩余率。

每次附着试验结束后将鱿鱼足表面附着的粉末清洗干净，重新将鱿鱼足和插持装置装回静电裹粉装置中。调节相对湿度和静电电压，进行下一次裹粉试验和附着效果测试试验。如此循环，直至完成所有相对湿度和静电电压下的试验为止。

5 试验结果与装置参数的优化分析

5.1 裹粉效果

鱿鱼足静电裹粉效果如图5所示。从外观看，手工裹粉与非静电裹粉、静电裹粉存在明显差别。手工裹粉时鱿鱼足表面存在漏裹并且粉层分布不均匀；非静电裹粉均匀性有改善，但相邻足间缝隙并没有很好地裹上粉，存在漏裹情况；静电裹粉形成的裹粉层比较均匀，吸盘和相邻足间缝隙里也裹上了粉。

图5 鱿鱼足不同裹粉方式的裹粉效果对比Fig.5 Comparison of effects with different coating methods

5.2 表面粉层质量

以鱿鱼足表面粉层质量为纵坐标、时间为横坐标，将同一相对湿度、不同静电电压下粉层质量变化折线画在同一个坐标图上，结果如图6所示。

为方便分析试验结果，以某一时间点鱿鱼足表面已经裹上的粉料质量来衡量相同裹粉时间内、不同裹粉条件下鱿鱼足表面粉层质量增加的速度，称为裹粉速度。图6a表明，在湿度较低时(相对湿度40%左右)，与非静电裹粉(0 kV)相比，采取高压静电裹粉可有效提高裹粉速度和裹粉量；在中等湿度(相对湿度60%左右)、中高电压(60 kV以上)条件下裹粉，裹粉速度快、鱿鱼足裹上的粉量大，裹粉效率高，大约2～2.5 s即可完成一只鱿鱼足的裹粉，即使之达到人工作业时的裹粉量；图6b表明，在90 kV、相对湿度60%时1.5 s即可完成鱿鱼足裹粉2.50 g，超过了人工裹粉时鱿鱼足的平均裹粉量；图6c表明，大湿度(相对湿度80%)时，不同静电电压下的裹粉速度和裹粉量比较接近，说明湿度对裹粉效率影响大，在很大程度上抵消了高压静电的作用[29]。

5.3 表面粉层质量增量

图7 不同相对湿度、静电电压下粉层质量增量的变化Fig.7 Increase of coating mass under different relative humidities and voltages

根据静电裹粉试验获得的数据，计算出每个0.5 s时段内粉层质量的增量。以鱿鱼足表面粉层质量增量为纵坐标、时间为横坐标，将同一相对湿度、不同静电电压下粉层质量增量变化折线画在同一个坐标图上，结果如图7所示。

图7表明：0～1 s的时间段内鱿鱼足表面粉层质量增量最大，随后粉层质量增量呈下降趋势；在湿度较低(相对湿度40%)时，静电裹粉时粉层质量增量在0.5 s内达到峰值；随着湿度的增加，粉层质量增量的峰值向后推移；图7a、7b表明，在中低湿度(相对湿度60%以下)时进行高电压裹粉时，粉层的质量增量始终处于较高的数值。这说明，中低湿度条件下，高电压进行静电裹粉效率较高。

5.4 表面粉层质量剩余率

以粉层质量剩余率为纵坐标、离心转速为横坐标，将3条同一相对湿度、不同静电电压下剩余率折线画在同一个坐标图上，结果如图8所示。

由图8可知，在离心转速为1 000 r/min时，除图8a中的60 kV和90 kV质量剩余率折线外，其余折线粉料剩余率均在50%～75%，即粉料分离百分比为25%～50%。这与离心转速为1 000 r/min时去除200 μm的大颗粒基本吻合，说明离心转速的确定比较合理。

图8 离心试验粉层质量剩余率Fig.8 Percentage of coating mass residual in centrifugal test

图8表明，在不同湿度下，30 kV质量剩余率折线始终处于高位，说明采用较低静电压裹粉，粉料附着效果较好；在相对湿度为60%时，不同裹粉电压下测定的粉料剩余率非常接近，说明在中等湿度下附着效果接近；90 kV的折线始终处于低位，说明高电压下附着效果并未提高，剩余率低也与上粉量大、离心测试时分离的粉料较多有关。

6 结论

(1)采用静电技术裹粉，得到的鱿鱼足裹粉层分布均匀，有效避免了吸盘和相邻足间缝隙的漏裹。静电裹粉方法可行，能够解决人工裹粉的不足和现有裹粉设备无法满足鱿鱼足裹粉的问题。

(2)采用中低湿度、中高电压进行裹粉，可在2～2.5 s内完成一只鱿鱼足的裹粉作业。采取多套静电裹粉装置并行作业，可大大提高鱿鱼足裹粉作业的效率，降低生产成本。

(3)根据喷粉箱内湿度选择合理的电压，可在0～1 s获得最大的粉层质量增量，提高鱿鱼足裹粉作业的效率。

(4)采取中低电压、中等湿度进行裹粉，粉料的附着效果较好。

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