可食性动物骨素热压抽提装置的研制

李 银 贾 伟 张春晖 李 侠 孙红梅 董宪兵

（1.中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100193；2.农业部农产品加工综合性重点实验室，北京 100193）

中国是世界畜禽产量最多的国家之一，全国每年产生的各类畜禽骨产量约2 000万t，骨资源极为丰富［1］。畜禽骨中含有丰富的蛋白质、脂类、矿物质等营养成分，具有很高的开发价值［2，3］。但是长期以来大量的畜禽骨没有得到合理的利用，被加工成了附加值很低的产品，如骨胶、骨油、饲料、肥料等，没有完全体现出骨的营养价值，近年来利用畜禽骨生产骨素提高了可食性骨利用的附加值［4］。骨素又名鲜骨抽提物，是以鲜骨为原料，采用物理加工工艺，充分提取鲜骨中的水溶性营养物质，肉香味浓郁且营养极其丰富，是一种高蛋白、低脂肪、纯天然的营养型食品调味料基料［5］。骨素作为调味料、汤料、肉制品加工乃至整个食品加工工业领域广泛应用的产品，其市场占有量不断上升，经济效益可观，在食品加工行业获得了较快的发展机遇［6］。

目前，中国骨素生产厂家使用的热抽提设备是由之前的植物提取罐改造而来的，其提取压力偏低、出品率不高、通用性差［7］；而进口设备又不能满足国内多品种原料生产的现状，导致提取设备不能很好的通用；常规热抽提设备对于畜禽骨提取出品率偏低、存在物料中心部位不能煮透而导致提取不完全、在提取过程中出现油不易分离的情况。本研究是在现有骨素抽提装置的基础上，研制出一套既可提高产品质量又可降低能耗的可食性动物骨素热压抽提装置。

1 骨素热压抽提装置的设计

1.1 结构组成

骨素热压抽提装置主要由罐体（包括SUS304不锈钢管壁、上封头、排空口、排渣口、出液口）、蒸汽加热系统（包括立管蒸汽进口、蒸汽出口、循环口、辅助管、盘管、盘管蒸汽进口、立管保温层等）和控制系统（包括传感器、计算机、执行调节机构等）组成，见图1。

图1 骨素热压抽提装置的结构示意图Figure 1 Structural diagram of hot pressing extraction equipment

1.2 工作原理

热压提取罐的工作原理是在较高温度与压力下的煎煮抽提过程中，破碎的鲜骨浸泡在水中，采用蒸汽加热，经过一定时间，将蛋白质、脂肪、矿物质、风味物质等提取出来。依据原料进出口方式可将骨素热压抽提设备分为上进上出式、上进下出式、上进下排渣式、中间出料式和卧式杀菌锅提取式。本研究设备集合上部大开盖和下排渣提取罐的优势［8，9］，开发了一种可食性动物骨素热压抽提装置。该装置采用固定料斗的方式将粉碎后的骨头投入到提取罐中，投料量大，投料速度快。罐体耐压程度提高，直接投料的方式增加了罐体的容积率，有助于解决常规提取罐提取不彻底、油脂不易分离、通用性差、不能够在广泛压力范围内进行操作的问题［10］。

2 抽提罐主要部件的工作原理

2.1 抽提罐的自动开盖锁盖机构

2.1.1 自动开盖机构 当内部物料吊装好后，罐盖需要稳定缓慢的与罐体闭合。具体的工作过程为，罐盖以安装在轴座2上的轴8为圆心（图2），通过电动缸1的螺杆伸缩带动推杆臂2（图3）来缓慢将罐盖闭合。轴座2通过连接螺栓3安装在罐体侧板10上，保证轴8的稳定牢固（图2）。调节螺栓4是用来微调罐盖与罐体法兰之间的间隙，可以保证罐盖与罐体法兰配合紧密。而止推环6的作用是为了限定轴8在一定范围内调节而不至于使轴8与轴套5活动范围太大（图2）。装在电动缸底板4上的电动缸1（图3），在开盖和闭盖动作中是能圆周运动的。电动缸1的螺杆与轴套5（图2）的连接通过推杆臂2（图3）来实现，而翻盖臂架1（图3）与轴套5（图2）焊接在一起，通过电动缸的伸缩来使其沿轴8（图2）做圆周运动。配重7（图2）是为了减轻电动缸1运行时的冲量，使其运行更加稳定。

图2 开盖机构正视图Figure 2 Front view of the lid－opening structure

图3 开盖机构侧视图Figure 3 Lateral view of the lid－opening structure

图4 锁盖机构正视图Figure 4 Front view of the lid－locking structure

2.1.2 自动锁盖机构 当罐盖闭合后，通过安装在底座12上的锁盖电机1推动螺杆带动滑块6（图4），再带动拨块1与罐体连接块2（图5）使罐体旋转圈旋转而锁闭。安装在锁盖电机底座2的锁盖电机1带动丝杆通过联轴器3在轴承A和轴承B中间通过正反转使滑块6（图4）在拨块1（图5）的凹槽内运动。同时，丝杆顶端的扇形齿轮10与手柄齿轮11也会啮合转动，手动轮8亦会随锁盖电机1来回转动（图5）。若遇到停电状况时，手动装置就会使用，通过转动手动轮8，带动扇形齿轮10与手柄齿轮11而使罐体旋转圈旋转而打开（图5）。

2.1.3 两机构之间的相互工作关系

（1）开盖与锁盖需要按照设定进行操作，即若旋转锁盖不到位则开盖机构不会动作，若开盖机构不到位旋转锁盖不会启动。从安全角度，防止误操作时对开盖和锁盖机构的损坏。开盖机构和锁盖机构是否到位是通过两端的行程开关来实现。

图5 锁盖机构俯视图Figure 5 Vertical view of the lid－locking structure

（2）压力互锁。罐内只要压力不归零，任何开盖、锁盖机构均不会动作。即使误操作也不会有误开盖情况。

2.2 抽提罐的加热

2.2.1 直喷加热立管设计 为了使蒸汽对物料加热更加均匀，如果只从底部和夹套加热，传热存在温度梯度，中心部分的物料不能充分加热，蒸汽也不能进入到物料中心，会造成提取效果差，提取不充分，能源与时间的浪费，能效比低。由此，对中心部位加热采用两根直喷立管，立管进汽量与出汽量匹配，并按均布四周的正三角形排列出汽孔，保证立管四周均匀加热（图6）。

图6 加热立管正视图Figure 6 Front view of the heating riser

增加直喷加热能够有效的提高蒸汽使用效果，提升生产效率，使得吊笼内部物料不光可以从底部周围的夹套和立管方向受到蒸汽加热，而且能够在立管喷出的蒸汽压力下翻腾，充分加热和搅拌进而使提取效果更佳。

2.2.2 抽提罐底部盘管加热器 为了避免蒸汽发生“短路”，即尽量使蒸汽全部接触物料而不会由于局部蒸汽量过大冲开物料形成通道造成无效的逃逸。进入罐的蒸汽应当尽可能均匀分布于整个罐底，可以通过设计的盘管加热器（蒸汽分布器）（图7）来实现。环形的圆管有两个进蒸汽口，圆环形蒸汽管中心部分再由十字的打孔圆管接通，保证在底部尽可能的均匀分布蒸汽。圆管打孔的方向与管轴线成45度角，这样可以防止管上脱落的渣不掉落在孔内而造成堵塞［11］。

图7 盘管加热器俯视图Figure 7 Vertical view of the spiral heater

2.2.3 抽提罐加热方式相互关系 抽提罐的加热方式分3种，是按照不同的温度阶段、针对不同的物料和产品来选择的。（1）针对不同温度阶段。在吊笼进入到抽提罐内部后注水完成，开启蒸汽阀门，蒸汽通过底部盘管进汽口1（图7）进入到加热盘管3（图8）来加热水。待温度升到50℃左右后，再开启加热立管的蒸汽阀门，对吊笼内部进行加热。等到温度升到90～95℃时关闭加热盘管和加热立管的蒸汽阀门，同时开启罐体夹套的蒸汽阀门，采用罐体夹套加热。恒温阶段采用夹套加热。

图8 盘管加热器正视图Figure 8 Front view of the spiral heater

（2）若针对不同产品时，3种加热方式需要结合使用。若目标产品为不需要乳化的清汤产品，从升温到保温直至出料加热方式始终采用罐体夹套的加热实现，目的就是为了尽量减少直喷蒸汽带来的剧烈沸腾而使油脂乳化。若目标产品为高汤产品，加热盘管和加热立管则需要同时对物料从内部到外部的快速加热，包括在保温时，采用直喷加热保持汤液微沸状态可以使高汤的状态更加稳定持久。

加热立管4的设置，对吊笼内部堆积物料更加均匀的加热非常必要，对提高产品提取率和温度均一也非常关键。

2.3 抽提自控系统

在提取生产中，目前普遍存在生产设备及检测和控制技术落后现象，工艺环节需要手动操作，产品质量不稳定，批次与批次之间产品质量存在较大差异。生产过程中的关键生产记录也是由人工填写，这样人为因素较多，数据差异大，效率较低，且手工记录也不便查询难以形成追溯体系。

在设置自控体系和关键控制点时，不仅要有现场操作人员，还需要工艺和生产管理负责人，这样控制点才能够符合现实生产的需要，达到控制的目的。所以为了避免这种情况的发生，此设计中，提出工艺关键点的自动控制，采取分散控制，集中管理的方式［12，13］。如图9所示。

图9 自控流程示意图Figure 9 Diagram of control system

（1）因为料水比是1∶2（m∶V），内容物料可以称量，加水量由流量计来控制，能够累积计算，到达需要水量时就可以控制进水蝶阀关闭。

（2）工艺中，对进蒸汽量的控制要求较高，所以对夹套和直喷蒸汽采用PID调节的隔膜式蒸汽阀进行控制，信号反馈来自罐体的温度计和蒸汽流量计。

（3）包括罐体的温度、压力与开盖、锁盖的行程限位开关都通过数据线在控制柜内显示，保证操作人员可以实时监控生产情况并进行控制。

（4）每个生产过程通过内置的长途记录仪记录，并设定密码保护，每批次生产结束后存档，以备查阅形成追溯。

以上的几个关键控制点，采用自动控制，能够精确的控制工艺参数。保证批次间质量稳定和减少人为因素干扰，也可以形成操作规范，减少产品品质对人的依赖。

3 结论

本研究设计的骨素热压抽提装置，采用自动开盖锁盖机构，实现了压力互锁，罐内只要压力不归零，任何开盖、锁盖机构均不会动作，即使误操作也不会有误开盖情况，安全性高；加热方式采取夹套加热与直喷加热立管和盘管加热相结合设计，实现均匀加热，提高蒸汽使用效果和热压抽提效率；同时热压抽提罐的设计提出了工艺关键点的自动控制，采取分散控制，集中管理的方式，构建了设置自控体系和关键控制点，降低了劳动强度，实现了自动化生产。

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3 Field R A，Chang Y O，Kruggel W G.Protein quality of mechanically processed product and bone residue［J］.Food Science，1979（44）：690～692.

4 夏秀芳.畜禽骨的综合开发利用［J］.肉类工业，2007（5）：22～23.

5 贾伟，蒋玉梅，李侠，等.畜禽骨素热压抽提设备发展现状及前景［J］.中国食品工业，2011（8）：43～46.

6 赵电波，陈茜，白艳红，等.骨素的开发利用现状与发展趋势［J］.肉制品加工与设备，2010（1）：9～12.

7 何迎春，卢晓江.一种新型植物螺旋挤压提取器［J］.轻工机械，2005（2）：105～107.

8 王友，魏化中，张嘉琳.提取罐下排渣门安全问题分析［J］.通用机械，2006（6）：55～57.

9 魏化中，张志辉，帅健，等.基于有限元分析的下排渣门设计［J］.武汉工程大学学报，2010，3（5）：85～87.

10 余晓箴.提取罐自动投料装置的探讨［J］.医药工程设计杂志，2003，24（4）：8～9.

11 刘根强，刘翠萍，陈洪前.中药自控提取系统［J］.齐鲁药事，2006，25（12）：762～763.

12 Liu Genqiang，Liu Cuiping，Chen Hongqian.Automatic extraction system of Chinese traditional medicine［J］.Qilu Pharmaceutical Affairs，2006，25（12）：762～763.

13 魏化中，王友，杨红.多功能提取罐控制系统研究［J］.食品与机械，2006（1）：72～74.