SPC控制技術在食品加工企業的應用

趙素華，張月義

(1.浙江省質量檢測科學研究院，浙江杭州 310013;2.中國計量學院，浙江杭州 310018)

民以食為天，食以安為先。10多年前，人們還在為解決溫飽而努力，未留意食品安全問題。但隨著經濟的快速發展，食品品種豐富，數量充足，供給有余，供求格局發生了根本性的變化，在滿足食品數量需求的同時，質量卻存在著嚴重不足。近年來曝光的多起食品安全事件，如瘦肉精、毒大米、蘇丹紅、多寶魚、塑化劑、毒豆芽、毒韭菜、染色饅頭、銀光增白劑等，使得全社會對食品安全問題憂心忡忡， “問題食品”之多、涉及范圍之廣、造成后果之嚴重，已到了令人談“食”色變的地步，2008年的三聚氰胺奶制品事件更使之雪上加霜。食品安全形勢不容樂觀，控制食品安全勢在必行。

當前，多數食品加工企業建立了ISO 22000食品安全管理體系。ISO 22000動態地將HACCP的原則及其應用與前期要求整合了起來，用危害分析來確定要采取的策略，以確保食品安全危害通過HACCP和前期要求聯合控制。企業在貫徹實施食品安全管理體系標準時，也注重關鍵控制點的控制，但是操作者往往只監視關鍵控制點的輸出數據是否超出關鍵限值，忽略了加工過程是否處于穩定狀態，是否發生過程變異，未能發揮事前預防的作用。

1 SPC簡介

SPC是英文statistical process control的字首簡稱，即統計過程控制。SPC就是應用統計技術對過程中的各個階段進行監控，從而達到改進與保證質量的目的。其中控制圖和過程能力分析是SPC最主要的統計技術。控制圖是判別生產過程是否處于控制狀態的一種手段，利用其可區分質量波動是由隨機因素引起，還是系統因素造成的。過程能力是指處于穩定狀態下的過程 (或工序)實際的加工能力，是衡量過程加工內在一致性的標準。過程能力分析是保證產品質量的基礎工作，只有掌握了過程能力，才能控制制造過程的符合性質量。如果過程能力不能滿足產品設計的要求，那么質量控制就無從談起。

1.1 控制圖原理

在生產過程中，僅有隨機性因素存在時，產品質量特性值X會形成某種確定的典型分布，如正態分布。當出現系統性原因時，X就偏離原來的典型分布了。通過統計學中假設檢驗的方法可及時發現這種分布的偏離，據此判斷系統性原因是否存在。設當生產不存在系統性原因時，X～N(μ，σ2)，則 P(μ-3σ ＜X ＜ μ+3σ)=0.997 3。

圖1顯示，X落在兩條虛線外的概率之和只有0.27%。即1 000個樣品 (數據)中，平均約有3個數據超出分布范圍，有997個落在 (μ-3σ，μ+3σ)。如果從處于統計控制狀態的生產中任意抽取一個樣品X，可認為X一定在分布范圍 (μ-3σ)～ (μ+3σ)，而認為出現在分布范圍之外是不可能的，這就是控制圖的3σ原理。

實施SPC的過程分為2個階段:分析用控制圖階段和控制用控制圖階段。分析用控制圖的目的是對收集到的一定數據進行分析，尋找穩態。控制用控制圖是對實時數據進行分析，保持穩態。

圖1 控制原理的示意圖解

實施食品安全管理系統過程中，在關鍵控制點的監視程序中應用控制圖，當關鍵控制點的質量特性值出現異常，會隨時反映在控制圖上，采取措施及時消除，把各個關鍵控制點控制在所定的關鍵限值范圍內，就能最大限度地消除食品中的潛在風險的發生。

1.2 過程能力及過程能力指數

過程能力或稱為工序能力，是指處于穩定狀態下的過程 (或工序)實際的加工能力，它是衡量過程加工內在一致性的標準。過程滿足產品質量要求的能力主要表現在以下2個方面:產品質量是否穩定，產品質量精度是否足夠。當確認過程能力可以滿足精度要求的條件時，是以該過程產品質量特性值的變異或波動來表示的。在穩定生產狀態下，影響過程能力的偶然因素的綜合結果近似地服從正態分布。為了便于過程能力的量化，可用3σ原理來確定其分布范圍。當分布范圍取μ±3σ時，產品質量合格的概率可達99.73%，接近于1，因此以±3σ，即6σ為標準來衡量過程的能力是具有足夠的精確度和良好經濟特性的。在實際計算中就用6σ的波動范圍來定量描述過程能力。記過程能力為B，則B=6σ。

過程能力指數表示過程能力滿足產品技術標準的程度。技術標準是指加工過程中產品必須達到的質量要求，通常用標準、公差 (容差)等來衡量，一般用符號T表示。質量標準T與過程能力B的比值，稱為過程能力指數，記為CP。過程能力指數CP值，是衡量過程能力滿足產品技術要求程度的指標。過程能力指數越大，說明過程能力越能滿足技術要求，甚至有一定的儲備能力，但非過程能力指數越大，加工精度就越高或者說技術要求越低。

正常情況下，標準中心和分布中心的偏移總是存在的，此時，需要對過程能力指數進行修正，修正過程能力指數的計算公式為:

其中k為偏移系數。

過程能力指數CP是對過程處于穩定狀態下(即受控狀態下)的生產過程而言的，要計算過程能力指數，需要先確定過程是否處于受控狀態。若不處于受控狀態，需要進一步對系統進行糾正、調整，使其穩定;若已處于受控狀態，則可計算其過程能力指數，來判斷過程的能力。

2 應用實例

苯甲酸鈉常被用作食品加工過程的防腐劑，苯甲酸鈉親油性較大，易穿透細胞膜進入細胞體內，干擾細胞膜的通透性，抑制細胞膜對氨基酸的吸收;進入細胞體內電離酸化細胞內的堿儲，并抑制細胞的呼吸酶系的活性，阻止乙酰輔酶A縮合反應，從而起到食品防腐的目的。為了達到食品防腐的目的，要求食品中的苯甲酸含量不低于最低水平，以此保證尚處于保質期內食品的安全性;但苯甲酸鈉一次性食入過多又可能會引起食物中毒，故需要控制其最大含量。根據GB 2760—2011《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》規定，醬油、醋食品中苯甲酸鈉的添加量不大于1 mg·kg-1。

某食品釀造廠出于對食品安全的考慮，在食品安全管理體系運行中，經危害分析，確定醬油、醋中苯甲酸鈉的含量是影響食品安全的顯著因素。因此，測定苯甲酸鈉含量是醬油、醋生產加工過程中的一個關鍵控制點。根據該廠的工藝及安全要求，將苯甲酸鈉含量的關鍵限值定為0.4和0.6 mg·kg-1。在食品安全管理體系實施過程中，操作者在多數情況下對關鍵控制點的監視僅僅只是觀察過程的輸出數據有沒有超出關鍵限值，如果沒有超出關鍵限值就認為食品是安全的，這么做實際就是事后檢驗，不能有效識別出過程中的隱患，起不到任何預防和控制的作用。如果對實際測量的數據應用SPC方法，就會發現實際生產過程中盡管沒有超出關鍵限值，但生產過程可能已經存在問題了。為了

在實際過程能力指數分析過程中，當標準中心和分布中心的偏移重合時，過程能力指數的計算公式為:進行統計過程控制分析，在生產加工過程中隨機抽取樣本測量苯甲酸鈉的含量 (表1)。

表1 苯甲酸鈉含量實測數據 mg·kg-1

2.1 統計穩態分析

應用SPC理論進行食品加工過程的控制和預防，首先應尋找穩態，進行分析用控制圖中的均值和極差控制圖。按照SPC控制界限確定原理，應先做極差控制圖 (借助于minitab軟件做圖)(圖2)。

圖2 苯甲酸鈉的極差控制圖

按照控制圖的8條判異準則觀察圖2可知，極差處于統計穩定狀態，然后做均值控制圖 (圖3)。

由圖3可知，均值也處于統計穩定狀態。在食品加工企業進行分析用控制圖尋找統計穩態過程中，往往會出現反復，極差控制圖和均值控制圖都可能處于失控狀態。此時，需要尋找原因，并采取措施，重新收集數據開展分析用控制圖。

圖3 苯甲酸鈉的均值控制圖

2.2 技術穩態分析

已知苯甲酸鈉含量的關鍵限值:Tl=0.4 mg·kg-1，Tu=0.6 mg·kg-1。可應用過程能力指數的計算公式分別計算Cp和Cpk。本文應用minitab軟件直接計算。

從圖4可知，苯甲酸鈉含量的Cp=0.76，Cpk=0.71。顯然，過程能力指數不足，應設法降低苯甲酸鈉含量的離散程度，提高過程能力指數。圖中直方圖的分布形態很不理想，可能是抽樣的隨機性較差，也可能是測量苯甲酸鈉含量的儀器誤差較大，應系統分析產生問題的原因，并采取措施加以解決。

對可能影響過程的人、機、料、法、環、測等因素進行調整后誚重新收集數據，按照上述分析過程再次進行分析用控制圖，直到過程同時達到統計穩態和技術穩態。

2.3 應用控制用控制圖

當過程同時達到統計穩態和技術穩態后，延長統計控制狀態下的均值和極差控制圖的控制界線，進入控制用控制圖階段，實現對過程的日常控制。

3 小結

在食品安全管理體系實施過程中，多數企業通過危害分析確定關鍵控制點，且通過對關鍵控制點設置關鍵限值進行控制，但這種方法只是事后檢驗，最多能起到把關作用。SPC控制技術對于食品加工企業可能引起的食品安全問題具有很好的預防和控制作用，分析可知，單純通過關鍵限值的偏離不能識別出安全隱患。SPC能真實地反映出食品加工過程的實際能力和運行狀態，并采取措施消除異因以保證各個關鍵控制點處于受控狀態，將食品安全和品質指標變事后檢驗為事前控制和預防，在生產過程中充分發揮預防的目的和作用。

圖4 苯甲酸鈉含量的過程能力分析圖

［1］ 李正明.統計質量管理在食品品質控制中的應用［J］.食品與機械，2000(5):7-8.

［2］ 耿予歡，李國基.食品安全與HACCP系統的應用［J］.中國釀造，2005(3):5-9.

［3］ 宋明順，周玲玲.質量管理學 ［M］.北京:科學出版社，2012.

［4］ 肖玫，李銳，馬傳龍.我國食品質量安全問題與食品生產全面質量管理研究［J］.江蘇農業科學，2011(1):342-345.