鱼类去脏技术与装备研究现状与展望

欧阳杰,沈 建

(1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所/国家水产品加工装备研发分中心,上海 200092;2.大连工业大学海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心,辽宁大连 116034)

我国是水产品生产大国,水产品总产量连续30余年居世界第一位。2021年我国渔业总产量为6 690万t,鱼类是产量最大的一类水产品,产量为3 562万t,占水产品总产量的53.2%;其中淡水鱼产量2 732万t,占鱼类总产量的76.7%,海水鱼产量830万t;养殖鱼类产量2 824万t,占鱼类总量的 79.3%,捕捞产量738万t[1],这说明我国的鱼类以养殖和淡水鱼为主。鱼类因其营养丰富口味多样一直备受消费者的喜爱,其作为食材登上国人的餐桌有着悠久的历史[2]。鱼类食用前,都需要进行去鳞、去内脏等前处理,去除不可食部分,在不可食部分中,内脏的占比最大,约占整鱼重量的7.5%～15.0%[3-4],部分淡水鱼内脏占比可达鱼体重的20.0%～25.0%[5],因此在鱼类加工或烹饪前,都必须要进行去脏处理,是最复杂、最耗时的工序[6]。目前鱼类去脏绝大多数依赖人工,存在处理效率低,环境脏乱、污染大等问题。在企业层面,随着人口老龄化趋势的日益加剧,适龄劳动人口呈不断下降的趋势,同时由于水产品加工劳动强度大、工作环境往往比较恶劣,越来越多的年轻劳动力不愿意从事这一行业,这导致水产加工企业招工越来越难,用工成本不断上升[7];在家庭层面,很多年轻人都不会进行杀鱼处理,只能购买经预处理后的产品[8]。目前市场上出现了一些去脏的单机设备,可以一定程度上实现鱼类的机械去脏,但存在设备稳定性、耐用性和通用性差,内脏去除不彻底,鱼体品质损伤等一系列问题,制约了去脏技术与设备的产业化应用和推广[9-11]。因此,研究新的去脏技术、研发去脏设备替代人工,提高去脏效率迫在眉睫。目前关于鱼类去脏技术与装备研究的文献较少,关于去脏方法和装备的对比分析还处于空白,该研究对目前国内外鱼类去脏技术和装备的研究与应用现状进行了阐述,对不同类型去脏技术和装备进行了对比分析,对鱼类去脏技术与装备的发展趋势进行了展望,旨在为鱼类去脏技术的发展及装备的研发提供理论依据和技术支撑。

1 去脏技术与装备研究与应用现状

鱼类的种类繁多,鱼体种类、体型、结构不同,适应的去脏方法和装备也不一样,目前常见的去脏方法和装备主要有去脏刀去脏、去脏轮去脏、真空吸滤去脏、高压射流去脏、机械手去脏等,也有采用几种去脏方法相结合的形式,以提高去脏效果。

1.1 去脏刀去脏去脏刀去脏是指采用刀具进行去脏的去脏方法,去脏操作时,腹部朝下,通过定位和固定机构将鱼体位置固定,采用刀具把鱼体腹部切开,采用支撑机构把腹部撑开,再用弧形扁平刀具插入腹部,依靠刀具的弧度和运动轨迹掏出内脏,该方法适用于圆筒形或是厚度较大的鱼类。如德国巴德公司研发的斑点叉尾鮰去脏设备,就是采用这一结构[12]。国内有科研机构发明了一种鱼类内脏去除装置,将刮刀和顶杆组件装在可升降的机构上,可针对不同鱼体的腹腔结构对去脏刀具运行的高度和宽度进行调节,从而使去脏机构完全符合鱼体内脏所在腹腔的结构特征,实现高效、完整去脏[13-14]。该方法的优点是去脏效率快、可连续作业;缺点是鱼肉损失率比较大,刀具去脏的同时会把一部分鱼肉,特别是腹部肉连带去除,从而影响产品的得率,此外去脏的过程中刀具可能会刮破胆囊,造成鱼肉污染;难点是鱼体的精准定位与刀具的配合,如果定位不准确,可能会造成鱼体被刀具割伤而内脏去除不干净等问题[15]。

1.2 去脏轮去脏去脏轮去脏是指采用去脏轮进行去脏的去脏方法,其原理和主体机械结构和去脏刀相似,去脏执行机构由刀具变更为转轮,去脏过程中,将转轮伸入鱼体腹腔,通过轮子的转动将内脏带出,转轮结构可分为齿轮形和刷辊形等,该方法适用于中小型海水鱼类,如红娘鱼、小黄鱼、小型大黄鱼等,此类鱼的内脏体积小、和腹腔的结合紧密度较低,内脏相对比较容易去除,该方法的优点是可连续作业,对鱼体损伤较小,难点是由于鱼体型小,定位和固定比较难[16]。有科研机构研发了一种小型鱼类去脏加工的除脏轮装置及其去脏方法,针对不同的鱼类,配置相应齿形结构的去脏轮,去脏轮包括至少3个齿轮状的轮齿,每个轮齿上均设有通孔喷水/气,辅助轮齿对鱼内脏进行除脏加工,解决了小型鱼类机械化去脏加工的多品种广适性难题,能够高效率实现小型鱼类去脏加工机械化,显著提高机械去脏加工的除净率[17]。

1.3 真空吸滤去脏真空吸滤去脏是指通过真空泵等抽真空设备,形成一定的负压,利用压力差将鱼的内脏吸出体外的去脏方法,这种去脏方法广泛应用于家禽的去脏,近年来在鱼类的去脏中也有研究和应用,但较少应用于实际生产[18]。该方法适用于体型比较大的鱼类,如三文鱼、鳕鱼等,挪威的三文鱼加工有部分采用这种方法。淡水鱼(如四大家鱼)由于内脏与喉管相连,很难吸除干净,因此在吸除之前需要先将喉管切断才能实施。有研究机构发明了一种真空吸取式鱼脏清理机,利用真空负压原理,采用吸取方式清除鱼的内脏;利用分离器将吸取后的内脏分离出来,进入收集箱;利用脚踏挡板控制负压产生,解放操作者双手,具有结构简单、操作方便、省力、效率高等特点[19]。

1.4 高压射流去脏高压射流去脏是指利用高压水喷射去除内脏的方法。去脏操作时,先将鱼体的腹部切开,再将高压水碰头对准鱼体的腹腔进行喷射,依靠射流的压力去除内脏,此种去脏方法适用于中小型海水鱼类,此类鱼的内脏体积小、和腹腔的结合力较小,内脏相对比较容易去除,此方法的优点是可连续作业,同时还能起到去鳞和清洗的效果,缺点是去脏不是特别干净,需要消耗大量的水,环境污染也比较大;难点是由于水的冲击力,影响鱼体的定位和固定[20-23]。有研究机构发明了一种高压水去鱼内脏装置,平台上对称设置2组传输带轮,每组传输带轮上套有输送皮带,待处理鱼从2组传输带轮之间入口进入,被2条输送皮带夹紧,通过带轮转动将鱼传送至出口,在2条输送皮带之间的上方设有开肚旋转切刀,开肚旋转切刀能够在鱼体向出口输送时通过高速旋转切开鱼腹,在出口处上方设有去内脏高压喷头,通过去内脏高压喷头向鱼腹腔内喷射,可实现鱼类高效、低损去内脏[24-25]。单纯采用高压射流去脏会有较多的残留,因此常与去脏刀、去脏轮、毛刷等其他去脏机构进行组合使用,以提高去脏效果。

1.5 机械手去脏机械手去脏是指采用机械手装置模拟人手工掏除内脏的动作进行去脏的方法,去脏操作时,先确定鱼的种类,再通过机器视觉、深度学习等手段,掌握鱼体的腹腔结构,确定机械手去脏的操作路径,设置好程序并指导机械手完成去脏动作[26]。有研究机构发明了一种掏膛机械手、臂以及方法,采用装在机械手末端上的传感器来感知压力大小,从而控制抓取的压力,来降低其破损率,同时采用空间直角坐标系下步进电机驱动机械手,运动时只需要前进,升降和伸缩就可以达到掏膛的目的[27]。该方法适用于大个体的鱼类,如三文鱼等,优点是自动化程度高,缺点是前期需要进行大量的建模与数据分析工作,此外去脏效率相比人工提升效果不是很显著,成本也比较高,因此,在实际生产中应用比较少,挪威三文鱼加工中有采用机械手和真空吸除组合的方式进行去脏。

2 国内外去脏技术与装备对比分析

由于消费习惯的不同,国外消费者喜欢食用鱼片、鱼糜制品等加工后无刺的产品,如三文鱼片、鮰鱼片、罗非鱼片、鱼丸等,加工对象比较单一和固定,有利于机械设备的研发,如三文鱼、鮰鱼的去脏都已经实现全自动加工,罗非鱼片通常从中国和东南亚进口,开片时不需要进行去脏处理,直接开片去皮即可;而我国几千年来形成了喜食活鱼的传统,而且食用的鱼种类较多,只能以人工去脏为主,机械去脏难度比较大[28-30]。 国内外去脏技术与装备对比见表1。

表1 国内外去脏技术与装备对比

3 去脏技术与装备的发展趋势

3.1 去脏技术和装备朝连续化发展未来的去脏技术与装备将朝连续化方向发展,现有的去脏设备大多依赖人工进料,需要人工将鱼体保持一定的姿势送入设备内。未来通过鱼体形态识别与调整技术的应用,可以在去脏之前,自动将鱼体的头尾、腹背保持一致,再将鱼体角度调整到最适合装备进料的位置,从而实现连续进料和连续生产。同时,可通过衔接设备,将去脏前后的加工工序如去头、去鳞等连接起来,构建成完整的生产线,从而实现连续化和规模化加工[31-32]。

3.2 装备的通用性不断提高目前的去脏技术和装备通用性比较差,只适用于一种或体型相似的几种鱼类。未来,通过模块化的设计,将加工装备设计成多个可拆分和组合的模块,针对不同的鱼种,只需要更换或调整相应的模块或机构,即可实现多鱼种的加工,从而提高技术和装备的通用性,同时也可以节省设备成本,提高设备的应用率和普及率。

3.3 自动化和智能化水平不断提升随着自动控制与人工智能等技术的飞速发展,工业领域智能制造产业也将为水产加工智能化装备的发展提供坚实的发展基础。未来的去脏装备将不断吸收和整合新的技术,通过对鱼体腹腔结构特征研究,建立鱼体几何形态与腹腔结构特征数据库,构建鱼体体型与去脏路径关系模型;去脏时通过图像识别获取输送状态下鱼体的位置及状态,从而引导去脏机构的运行,并可通过图像等信息变化实时指导调节,从而实现智能化去脏[33-34]。