基于竹筍類速凍智能設備的研究

張廷婷，溫 沁，曾令培，溫建華

（1.成都大學機械工程學院，四川成都 610106；2.四川鮮能農業科技有限公司，四川成都 610000；3.成都農業科技職業學院機電技術分院，四川成都 610039）

我國是世界上竹類資源最豐富的國家，竹子種類、分布范圍和竹林面積均居世界首位[1]。竹筍屬于禾本科，是竹鞭或稈基上的芽萌化分為二次的膨大的芽和幼嫩的莖[2]。竹筍因為其含有高纖維、低脂肪、高蛋白、高礦物質元素等物質，被譽為“素食第一品”，同時也是人們公認的一種綠色純天然的保健食品[3]。大量竹筍的生長環境都屬于城市的偏遠地區，又由于春季、冬季為竹筍集中生產的季節，長距離的運輸嚴重制約了竹筍食品的流通飲食和銷售等發展。采摘后的鮮筍處于不斷呼吸代謝的過程中，這樣的有機生命活體呼吸的過程會造成竹筍失水、木質化、大量營養物質損失，大大降低竹筍的品質[4-5]。在竹筍保鮮加工產業的發展中，傳統方法會選用干燥、腌制、冷藏等方式，也會選用添加保鮮劑等方式，由于這些操作簡單、消耗成本較低等特點，被廣泛地運用，但是在保鮮的過程中造成了竹筍營養成分的破壞和損失，運用化學添加劑保鮮的過程也會在竹筍內留下一定的化學物質。

隨著生活水平的提高，人們對于“健康、生態、新鮮”的食品要求越來越高。目前，速凍工藝被更加廣泛地運用于各種蔬菜、瓜果、肉類的保鮮加工。速凍方式可以大大減緩食品的物理及化學變化，此過程中抑制了微生物大量繁殖，保留了食品的新鮮程度、外觀色澤風味、營養價值等品質。目前，運用于竹筍類的速凍設備鮮有，需要對竹筍類保鮮情況、浸漬速凍工藝結合智能傳輸、智能篩選、自動包裝、自動抽真空、智能速凍等功能進行研究。

1 竹筍冷藏與速凍工藝過程

竹筍品質的變劣過程，是呼吸作用加速其木質化過程，同時伴隨著離體竹筍的大量水分蒸騰散失，該過程竹筍內部一系列異常酶活性發生了變化，加速了竹筍變劣過程。陳慧云[6]利用減壓貯藏技術對新鮮竹筍進行研究，在50 kPa下對竹筍減壓，于2±1℃下冷藏貯藏、90%～95%相對濕對條件下存儲35 d，研究表明減壓后低溫貯藏可以減少包裝中O2的含量，低溫抑制呼吸，從而有效延長竹筍的保鮮期。蘇云中等人[7]將竹筍放置于PE袋中，緩沖土放入，在1.0±0.5℃低溫下貯藏50～80 d。沈立銘等人[8]在2±1℃低溫條件下貯藏竹筍15 d，與在10±1℃低溫條件下貯藏比較，前者的呼吸強度較之降低了318%，表明低溫貯藏是有效的保鮮方式。

食品速凍需要在-30～-18℃低溫下完成，或20 min的液氮、微凍液環境下凍結，快速凍結使得食品類水分形成了無數小冰晶，減少了細胞之間的水分外析，迅速降低了微生物生長，抑制了微生物的繁殖及其生化反應，最大限度保留了食品的品質[9]。溫中彬[10]提出竹筍（雷竹筍、高筍、方竹筍、玉蘭筍等） 采用真空后的速凍工藝采用在-120～-60℃液氮、或-40～-25℃微凍液環境速凍5～25 min，并用-40～-18℃冷藏或運輸，可以保留竹筍原有的顏色、氣味、質感和鮮度。研究表明1年以內竹筍保鮮達到92%以上，營養成分損失率僅為5%～8%，干耗率為0.5%～0.7%。劉耀榮等人[11]于1℃恒溫庫中結合抽氣速凍（-18℃）可使帶筍衣殼鮮竹筍的貯藏期達到90 d左右。

對比竹筍冷藏跟速凍的貯藏方式，速凍比冷藏的方式有以下優勢：第一，速凍保留了食品原有的顏色、氣味、質感、鮮度等品質；第二，食品經過速凍處理后的保鮮期大于直接冷凍后的保鮮期；第三，同在減壓、抽真空的情況下，速凍處理的食品比同條件下直接冷藏的保鮮期長。結合前人研究結果表明，在減壓、抽真空的情況下采用速凍的方式可以保留食品原有的品質，大大延長保鮮期。

2 竹筍速凍智能設備

液氮速凍設備解凍時不需要直接消耗電能，其原理是依靠液氮制冷和內能轉換，從而達到快速冷凍保鮮的目的[11]。速凍設備采用液氮為媒介可以分為吹風式、隧道式、接觸式、直接速凍式裝置。液氮速凍設備中吹風式、隧道式適用于片狀、面積小、厚度薄的食品加工。大部分竹筍面積大，具有一定厚度，長短不一，且竹筍的保鮮過程對于筍體本身有一定的要求，需要完整、無機械損傷、基部帶根、剔除病蟲害斑點病害筍，且筍體不含水等，所以不宜將大塊部分分為小塊或者單體，不宜采取吹風式、隧道式的速凍設備。該設備采用接觸式、直接速凍方式。設備中運用液氮或者微凍液沉浸速凍，優勢在于可以將使得筍體表面全部沉浸于液氮或微凍液中，避免了受冷不均的情況出現。現有大量的關于液氮噴霧、液氮網帶針對各種水果、魚類等食品運輸的多種自動智能設備，鮮有針對竹筍的速凍智能設備。

竹筍速凍智能設備功能模塊見圖1。

圖1 竹筍速凍智能設備功能模塊

2.1 料區

據研究發現，去殼后的竹筍呼吸強度比未去殼的約高出40%，而切分后的竹筍呼吸進一步增強，接近未去殼的2倍[12]。在進入輸送裝置之前竹筍需要保留筍殼，沒有機械損傷。又由于竹筍種類眾多、形狀各異、長短不一、質量差距大。在輸送裝置上對竹筍的質量進行了一次篩選，保留質量為150～1 000 g的竹筍，篩選出較小和較大的竹筍。較小的竹筍在裝袋時會使得抽真空的面積大，較大的竹筍會造成自動裝袋的問題出現，都不便于接下來的自動裝袋、抽真空區的工作。當竹筍進入到輸送裝置，傳輸帶上下的重力傳感器對傳輸帶上的竹筍進行重力識別，重力傳感器分別于對應的機器手臂相配對，識別出低于150 g與高于2 000 g的竹筍，相應的機器手臂進行抓取篩選。

料區自動系統功能構圖見圖2。

圖2 料區自動系統功能構圖

2.2 自動裝袋、抽真空區

竹筍自動裝袋過程需要完成機械手臂供袋、泵撐袋、智能稱重控制、機器手臂套袋、竹筍入袋的工作。過程選用PLC控制系統[13]，三菱FX2N型PLC的優點為體積小、嵌入性好、控制靈活、可靠性高。工作過程：由于PE袋的薄膜處于閉合狀態，選用控制電池閥、氣缸加控制系統進行吸袋、給袋、運袋、開袋、插入、撐袋、套袋等工作[14]。通過PLC控制工業機器人完成開袋、吹氣、撐袋等工作。同時，輸送系統將竹筍輸入到自動稱重區，稱重控制在1 000 g以內。出料口傳感器識別是否完成套袋工作，若套袋完成，竹筍通過出料口進入到袋中，通過輸送通道進入到下一個環節工作。

自動套袋、抽真空流程見圖3。

食品采用真空包裝，可以有效地防止細菌繁殖引起的腐敗，同時可以避免食品脫水、變形、發霉和變質[15]。抽真空區完成的工作：輸送裝置將裝袋后的竹筍輸送到自動真空機中，真空包裝通過對袋中的空氣抽出后進行封存，封存完成后送至輸送裝置輸出。選用輸出帶式真空包裝機，由傳動系統、真空室、充氣系統、電氣系統、冷卻系統、輸送帶等組成[16]，既適用于大尺寸包裝，也適用于大批量小袋的真空作業。輸出帶式真空包裝機可以不間斷生產，放置于輸送帶上的竹筍置于真空室蓋和平板之間，包裝袋將竹筍定位在擋板內，自動完成抽真空、封口、冷卻、輸出的過程。

圖3 自動套袋、抽真空流程

2.3 速凍區

液氮浸漬速凍的原理是將食品完全浸入到液氮中，在短時間內實現快速凍結，一般需要低溫容器、食品、液氮、風冷冷淋器、活塞壓縮機等就可以完成。市面上已經有固定式浸沒速凍機出現，利用振動入口傳送帶輸送食品至淺盤式浸沒液氮池完成速凍過程[17-18]。竹筍經過抽真空工作后，通過輸送裝置輸出，由機器手臂放入到類似于滾輪隔間的裝置中，將滾輪放入到液氮的速凍區。該裝置在速凍的過程中可以不斷進行轉動。滾輪不同于以往一直浸漬液氮的裝置，其轉動的過程使得竹筍不能一直停留于液氮的速凍區，有效節能。智能控制竹筍速凍的時間，速凍完成后，機械手臂取出竹筍，放置輸出設備中，輸送至-40～-18℃的凍庫。機器手臂的使用避免了因為液氮的低溫引起的人工凍傷等問題。

3 結語

目前，鮮有竹筍類的速凍設備。竹筍類智能速凍設備的提出充分結合現有科技發展的智能成果，實現了全程智能化速凍控制，方便、安全、提高工作效率。整個智能系統造價較高，液氮的回收、食品易龜裂等確定，有待今后深入研究。