基于層次分析法的面制主食殺菌及包裝生產線設計與試驗

徐雪萌，屈凌波，徐 蕓

（1. 河南工業大學機電工程學院，鄭州 450007； 2. 洛陽理工學院機械工程學院，洛陽 471023）

基于層次分析法的面制主食殺菌及包裝生產線設計與試驗

徐雪萌1，屈凌波2，徐 蕓1

（1. 河南工業大學機電工程學院，鄭州 450007； 2. 洛陽理工學院機械工程學院，洛陽 471023）

為適應面制主食工業化生產，保證主食流通過程中的質量，研制可集成于面制主食工業化生產線末端的復合殺菌包裝生產線。依據面制主食貯藏特性及流通過程中變質的影響因素，結合食品保鮮包裝的技術與方法，確定面制主食殺菌包裝生產線由主食干燥、復合殺菌和包裝三大功能裝置組成。在設計方案時采用層次分析法，選擇主食殺菌包裝生產線上所用食品干燥、殺菌保鮮技術方案，并設計生產線的物料流程。優選的結果為，干燥采用紅外線干燥，復合殺菌方式為低溫、紫外線和臭氧相結合，包裝采用接縫式裹包，且整條生產線可程序化控制，實現殺菌時間、紫外線照度、臭氧濃度和溫度的實時調節，為主食品工業化生產提供殺菌包裝裝備。利用該設備對饅頭進行復合殺菌試驗，結果表明饅頭的色澤和質構均優于自然放置的饅頭，經殺菌包裝后的饅頭在溫度4℃，相對濕度為50%～70%的環境中貯存20 d其菌落總數為3.5 lg(CFU/g)，達到預定20 d的保質期。研究結果為面制主食工業化生產及復合殺菌包裝裝備設計提供參考。

殺菌；包裝；層次分析法；面制主食

0 引言

主食是指供應人們一日三餐消費，滿足人體基本能量和營養攝入需求的主要食品，在中國主要分為米制主食和面制主食，其中饅頭、鮮面條和餃子等是人們喜愛的傳統面制主食。多數面制主食存在含水率高、穩定性差、易霉變、貨架壽命短等特性，直接制約著面制主食的流通、儲藏與保鮮。目前，中國面制主食加工業仍處于起步階段，行業整體的工藝與裝備技術落后，作坊式生產仍占據市場的主體。因此，需要加快傳統面制主食加工及流通的科技化、工業化和產業化的步伐[1]，開發面制主食保鮮技術及裝備具有重要的意義。國內對主食保鮮有一定的研究：肖東等提出在鮮濕面中添加抗老化復配劑可以延長面條的保質期[2]。劉國鋒等提出了鮮面條規模化生產與冷鏈流通相結合來延長產品的保質期[3]。韓志慧等研究了饅頭殺菌工藝，提出了熱殺菌和復合殺菌相結合的處理方法[4]。吳國鋒等提出饅頭包裝與饅頭菌落總數之間呈線性關系[5]。上述研究集中在面制主食保鮮技術與工藝的研究，對于面制主食規模化生產及保鮮包裝新型裝備研究較少。本文基于面制主食的流通貯藏特性，結合食品流通過程中保鮮技術與方法，利用層次分析法，提出一種可滿足工業化生產的新型主食品復合殺菌包裝生產線設計，加工出樣機，并進行試驗驗證，以期為新型面制主食工業化生產及復合殺菌包裝裝備設計提供參考。

1 生產線上主要功能裝置設置的依據

由于面制主食自身的特點，如饅頭營養豐富，含水率高，易受微生物浸染而引起品質劣變，中溫中濕環境中保質期一般為3～7 d，在高溫高濕環境中，保質期一般僅為1 d。生鮮面條含水率高，在高溫高濕的環境中，也極易腐敗變質[6]。另外，主食品在生產、流通各個環節中，不可避免受到微生物的污染，一旦條件適宜，微生物的生命活動開始，食品也隨之腐敗變質。貨架期短限制主食品流通和銷售，并且霉變腐敗會造成極大浪費。研究發現，低溫貯藏是饅頭較好保鮮方法，采用低溫實現饅頭的貯藏與流通，保質期高達6個月左右[7]。生鮮面條含水率若降低2%左右，其保質期可以延長3～5 d[8]。為達到較長的保質期，有必要對主食品進行殺菌處理。

因此，主食品流通貯藏環境溫度、濕度條件，含水率和表面初菌數是影響其流通過程中質量變化的主要因素[9]，在設計主食品殺菌包裝生產線時，應設計低溫裝置、干燥裝置和復合殺菌等裝置來滿足主食品的流通需要。

2 方案的形成

干燥是食品行業中非常重要的環節，具有延長食品保質期、殺菌、改善風味等作用，好的干燥方式應該具有成本低、干燥速度快、干燥質量高以及殺菌效果特點[11]。目前常用于食品干燥的方法有滲透干燥，對流干燥、輻射干燥、冷凍干燥以及真空干燥等。冷凍干燥是一種先進的干燥技術，其原理為將新鮮物料冷凍到冰點以下，使物料中的游離水轉變為冰晶形態，然后在真空下將冰轉變為水蒸氣，從而除去水分的一種干燥技術。微波真空干燥是用微波輻射作為加熱源在真空條件下進行加熱而使物料脫水的過程[11,12]。紅外干燥是輻射干燥中常用的一種，其基本原理為利用紅外線輻射器所產生的電磁波直線傳播到被干燥的物料上，當紅外線或遠紅外線的發射頻率和被干燥物料中分子運動的固有頻率相匹配時，物料內分子會因強烈振動引起激烈摩擦而產生大量熱量，從而達到干燥的目的。過熱蒸汽干燥指用過熱蒸汽直接與被干燥物料接觸而去除水分的干燥方式[13-15]。

殺菌是食品工業關鍵技術之一，食品工業主要使用熱殺菌和冷殺菌2種。與熱殺菌相比，冷殺菌不僅能殺滅食品中的微生物，且能較好保持食品固有營養成分、質構、色澤和新鮮度，符合消費者對食品營養和風味的要求。因此主食品的殺菌選擇冷殺菌方法，常用殺菌方法有超高壓殺菌、脈沖強光殺菌、高壓脈沖殺菌、臭氧殺菌和紫外線殺菌等五種方法[16-18]。

根據上述主食品干燥和殺菌方法的技術特點，生產線上殺菌及包裝設計方案初定為4種，如表1所示。為選擇合適的主食品干燥、殺菌方法，對4種方案研究時利用層次分析法（AHP, analytic hierarchy process）。

表1 面制主食殺菌及包裝生產線方案表Table1 Design plans of staple wheat food aseptic package system

3 面制主食殺菌及包裝生產線方案確定

3.1 基于AHP法確定技術方案

3.1.1 建立方案的評估層次結構

AHP法即層次分析法，是一種定性分析與定量分析相結合的系統分析方法。層次分析法把復雜問題分解成組成因素，并按照支配關系形成層次結構，然后用兩兩比較的方法確定方案的相對重要性。運用AHP法解決具體問題，可分為5個步驟：建立問題的遞階層次結構、構造判斷矩陣、計算單一準則下元素的相對權重、判斷矩陣的一致性檢驗和計算各層元素的組合權重[19]。

為設計出最優的技術方案，利用AHP法[20-22]，建立主食品殺菌及包裝生產線設計方案的評估層次結構模型。從4種方案技術設備的工作性能X1，經濟性能X2，可靠性能X33個方面建立設計方案評估體系。技術適用性Y1，生產能力Y2，自動化程度Y3是對工作性X1的細分；加工成本Y4，運行成本Y5，維修成本Y6是對經濟性X2的細分；穩定性Y7，安全性Y8，操作性Y9是對可靠性X3的細分。整個評估目標模型體系建立3個準則層，9個子準則層，評估層次結構如圖1所示。

圖1 評估層次結構圖Fig.1 Chart of hierarchy structure

根據層分析法理論，在建立評估層次的基礎上，用1-9標度法，得到準則層的判斷矩陣，見表2。依據同樣方法，得到各個子準則層的權重系數ω，見表3。

表2 準則層判斷矩陣Table 2 Criteria layer judgment matrix

表3 子準則層判斷矩陣Table 3 Sub-criterion layer judgment matrix

3.1.2 綜合分析

面制主食殺菌及包裝生產線設計方案以9個子準則為依據，請專家對4種方案進行打分，結果如表4所示。

表4 設計方案的評分表Table 4 Score of design plan

根據方案評價矩陣和權重系數，可以得到各個方案相對于3個一級準則的評價結果矩陣X。例如：工作性能X1的評價結果矩陣如下：

經歸一化處理，可得X1=[0.25 0.27 0.23 0.24]。三個準則層的判斷結果見表5。

表5 方案的評價結果矩陣Table 5 Scheme evaluation result of matrix

綜上論述，可以得到4種方案的最終的評價結果矩陣，經歸一化，4種方案的綜合權重為分別為0.25、0.28、0.23和0.22，可知方案2為最佳方案。

因此，確定面制主食殺菌及包裝生產線技術方案，干燥采用紅外干燥方法，復合殺菌采用低溫（?18～5℃）、臭氧與紫外線3種方法相結合。

3.2 設計技術參數

依據市場調研，為能夠集成于主食品工業化生產末端，殺菌及包裝生產線的參數設定如下：1）整條生產線尺寸：長×寬×高≤5.7 m×1.5 m×1.5 m；2）最大生產能力：主食品每天最大生產能力2 t；3）裹包材料為聚乙烯；4）生鮮濕面條0.5 kg/袋，饅頭4個/袋；5）干燥裝置內腔尺寸：長×寬×高≤1 m×0.25 m×0.3 m；6）殺菌箱內腔尺寸：長×寬×高≤1.5 m×1.5 m×0.6 m。7）面條含水率在20%～25%，常溫（25℃）貯存下，保質期為60 d，低溫0～4℃貯藏條件下保質期為90 d。饅頭含水率在42%～47%，0～4℃貯藏，保質期為20 d。

3.3 設計特點

1）該殺菌及包裝生產線功能齊全，能夠完成主食干燥、復合殺菌和包裝三大功能；2）為達到較好殺菌效果，綜合利用多種殺菌技術，且殺菌相應參數可控，紫外線照度在70～100 μW/m2之間可調，臭氧濃度在40～60 mg/m3；3）自動化程度高，集微電腦（PLC）可編程控制、光電傳感、氣動執行于一體的高新技術包裝設備，該自動裝備可以集成于主食加工生產線的末端，以完成主食的包裝；4）可以包裝多種面制主食品，如面條、饅頭、餃子等食品的殺菌包裝。

3.4 工藝過程

主食品殺菌及包裝生產線設計主要有三條平行鏈板輸送裝置、干燥裝置、復合殺菌裝置、產品包裝裝置、控制裝置和機架等六部分組成。生產線采用間歇生產方式。其工作原理如圖2所示：加工后的主食品盛放在傳送鏈4上的托盤內，生鮮面條每托盤0.5 kg為宜，饅頭以每托盤4個為宜，其他的視具體產品而定。經干燥裝置5將需要干燥的主食品的含水率降低到合適的范圍，然后由推送裝置將托盤經殺菌箱右端活門3推入殺菌箱內的傳送鏈6上，推送5～6托盤產品后，殺菌箱左右兩端活門1、3關閉，殺菌箱形成密閉系統，啟動箱內復合殺菌裝置工作對產品進行殺菌處理，不同的產品可以調節殺菌參數來達到殺菌的效果，殺菌箱內的溫度可以在?18℃～5℃之間連續調節，殺菌處理后殺菌箱兩端的活門打開，經殺菌后的產品從左端活門1推出（與此同時，待殺菌的產品從右端活門進入到殺菌箱內的傳送鏈上），經傳送鏈7送至包裝機8將產品裹包包裝，完成整個復合殺菌包裝工藝。三條傳送鏈在食品殺菌時靜止，產品推入（推出）殺菌箱時運動。圖3為面制主食殺菌包裝生產線三維模型示意圖。

圖2 面制主食殺菌及包裝生產線工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of staple food aseptic package system

圖3 面制主食殺菌及包裝生產線三維模型示意圖Fig.3 Three-dimensional model diagram of t staple food aseptic package system

3.4 設計結果驗證

以此設計方案制造出樣機，以饅頭為例，檢驗本生產線殺菌及包裝效果。饅頭從蒸鍋中取出溫度為85℃、含水率為43%，將饅頭分別進行自然放置和本設備殺菌箱內殺菌處理，檢驗饅頭表面的品質。自然放置是將饅頭置于25℃、相對濕度為40%～90%環境下，讓其自行降溫冷卻。利用本設備處理，設定復合殺菌箱的溫度為4℃，啟動臭氧殺菌和紫外殺菌燈，殺菌120 s后包裝，放置24 h測定2種方法處理后饅頭的色澤、質構。饅頭的色澤用日本佐竹便攜式色度儀測定，采用CIE L* a* b* 色空間方法來表示饅頭的色澤，每個樣品測定4次，結果取平均值。質構測定用TA-XI2i型質構儀進行測試，每個樣品取2個饅頭作平行試驗，將冷卻后的饅頭切割成厚度為15 mm的饅頭片，分別取中間兩片。試驗采用TPA模式，P/36R圓柱形探頭，測試參數分別為：測前速度3 mm/s，測試速度1 mm/s，測后速度5 mm/s，壓縮率為40%。結果如表6、7所示。并測定饅頭表面菌落總數隨放置時間的變化關系，結果如表8所示。

表6 2種方式處理饅頭的色澤測定結果Table 6 Color determination results of Chinese steamed bread in two processing ways

表7 2種方式處理饅頭的質構測定結果Table 7 Results of texture test of Chinese steamed bread in two processing ways

表8 2種方式處理饅頭表面菌落總數測定結果Table 8 Bacterial count of Chinese steamed bread in two processing ways

自然放置的饅頭暴露在空氣中因感染微生物使饅頭變色，經殺菌處理包裝后的饅頭避免接觸外界微生物，饅頭色澤性能優良。2種處理方法饅頭的質構品質相差不大。經過復合殺菌包裝生產處理后的饅頭的品質優良，且細菌數遠遠低于自然放置的饅頭，在設定條件下貯存20 d細菌總數為3.5 lg (CFU/g)，低于饅頭可食用菌落總數4 lg (CFU/g)的標準，可以達到設定保質期。

4 結論

1）設計面制主食殺菌及包裝生產線方案。確定生產線由主食干燥、復合殺菌和包裝三大功能裝置組成，并運用層次分析法就干燥、殺菌及包裝技術建立4種不同設計方案建立評估模型，優選了干燥采用紅外干燥技術，復合殺菌采用低溫（?18～5℃）、臭氧與紫外線相結合的設計方案。

2）面制主食殺菌及包裝生產線是自行研發設備，集微電腦（PLC）可編程控制、光電傳感、氣動執行于一體的高新技術包裝設備，可用于主食類如：饅頭、鮮面條、粉條、米線等食品的殺菌包裝。

3）利用饅頭進行試驗驗證，經過復合殺菌及包裝生產處理后的饅頭的品質優良，包裝后的饅頭在溫度4℃，相對濕度為40%～90%的環境中貯存20 d，其菌落總數為3.5 lg (CFU/g)，低于饅頭可食用菌落總數4 lg (CFU/g)，達到預定20 d保質期的設計目標。

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Design and experiment of aseptic packaging line of staple wheat food with analytic hierarchy process method

Xu Xuemeng1, Qu Lingbo2, Xu Yun1
(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450007, China; 2. School of Mechanical Engineering, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

A design of aseptic packaging system integrated as the end part of the staple wheat food product line is studied, in order to keep the quality of the staple wheat food in the period of the distribution and sale. There are 3 basic parts in the aseptic packaging system, i.e. drying unit, compound sterilization units and packaging unit, considering influence factors for the food quality during storage and circulation as well as fresh-keeping packaging technology. Three basic parts can be freely used for different kinds of staple wheat food. Four technical schemes of aseptic packaging line are established according to different kinds of drying, sterilization and packaging techniques. The 4 schemes are studied with the analytic hierarchy process (AHP) method. In the AHP analysis process, the hierarchy with 3 criteria i.e. working performance, economic efficiency and reliability, and 9 sub-criteria is established. Through evaluation and priority considering, the optimum scheme is chosen. The aseptic packaging line is carefully designed, which is composed of the infrared drying unit, compound sterilization units of ultraviolet (UV), low temperature, Ozone, packaging machine, and reasonable product flow. In order to achieve industrial production of aseptic packaging for different kinds of staple wheat food, the line can be program-controlled with adjustable parameters, such as drying time, drying temperature, sterilization time, UV illumination intensity and Ozone intensity. The aseptic packaging system is set up in accordance with the above optimum scheme by the AHP method. Chinese steamed bread made of flour with primary moisture content of 43% have been processed by the compound sterilization units of aseptic packaging system under the condition of 4℃ , relative humidity (RH) of 50%-70%, UV illumination intensity of 90-100 μW/m2and Ozone intensity of 40-60 mg/m3. For processed and the naturally placed Chinese steamed bread, the comparative tests of color, texture and bacterial quantity have been conducted. For color comparison, lightness, contrast by red to green, yellow to blue are determined, while hardness, elasticity and recoverability are for texture comparison. The results show that the Chinese steamed bread processed by the packaging line has better quality and less bacterial quantity than that naturally placed under 25℃ and 50%-70% RH. The processed Chinese bread is stored in the environment with 4℃temperature and 50%-70% RH for the expected guarantee period of 20 d, and the total number of bacteria within it is 3.5 lg(CFU/g), which is lower than the upper limit 4 lg(CFU/g) of the defined by standard, so it can keep the good quality of steamed bread in the expected guarantee period.

sterilization; packaging; analytic hierarchy process; staple wheat food

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.031

TB486+.3

A

1002-6819(2016)-09-0219-06

徐雪萌，屈凌波，徐 蕓. 基于層次分析法的面制主食殺菌及包裝生產線設計與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(9)：219－224.

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.031 http://www.tcsae.org

Xu Xuemeng, Qu Lingbo, Xu Yun. Design and experiment of aseptic packaging line of staple wheat food with analytic hierarchy process method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 219－224. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.031 http://www.tcsae.org

2015-10-18

2016-01-12

糧食公益性行業科研專項資助項目（201313011）

徐雪萌，女（漢族），河南南陽人，副教授，主要從事糧油食品包裝工藝與裝備研究。鄭州 河南工業大學機電工程學院，450007。

Email：xuxuemeng7439@163.com