統計過程控制在貴州紅薯粉絲質量控制中的應用

潘牧 ，李俊，雷尊國，石義權，陸國權，劉輝

1. 貴州省農業科學院生物技術研究所（貴陽 550006）；2. 貴州神康原生態食品有限公司（黔南 550600）；3. 貴州新起點生態農業科技開發有限公司（貴陽 550025）；4. 浙江農林大學農業與食品科學學院（杭州 311300）

紅薯是世界上第六大糧食作物，我國的紅薯種植面積和產量一直位居世界前列，紅薯及其加工產品在中國人的餐桌中占據重要位置[1]。紅薯粉絲作為紅薯的主要加工產品之一，在我國已有1 400余年的歷史，因其優異的口感和晶瑩剔透的外觀，深受廣大消費者喜愛，成為了中華民族的傳統美食[2-3]。紅薯中主要含有淀粉、蛋白質、脂肪的營養素，同時還含有維生素、氨基酸、β-胡蘿卜素、礦物質、尼克酸、亞油酸和多酚等營養物質[4-5]。現代研究證實，相比于其他淀粉類谷物，紅薯熱量低，對減肥瘦身、延緩衰老具有一定作用，而且還具有健脾胃、壯筋骨、益陰精、補血氣等食療保健作用[6-7]。貴州傳統的紅薯粉采用手工制作，主要工藝流程有淀粉制芡、調粉團、漏粉、煮熟、冷卻、冷凍和理絲干燥。現階段紅薯粉絲多采用中小設備加工生產，但由于貴州當地紅薯粉加工企業生產規模小，加工設備普遍自動化標準化程度低，加工產品質量參差不齊，嚴重影響產品品質。

統計過程控制（statistical process control，SPC）是1924年美國休哈特博士提出的運用數理統計方法對生產過程中的數據進行實時監測的一種技術。它主要是通過對生產數據進行分析、預測和監控過程的運行狀態，找到引起異常的原因和隱患，達到控制產品質量、降低加工成本的目的，是一種以預防為主的質量控制方法[8]。SPC已被廣泛應用于卷煙、機械、汽車、建筑等領域，在降低產品不合格率、減少資源浪費、改善產品質量等方面發揮顯著作用[9-11]。現階段，SPC的應用也逐漸在向食品領域拓展。朱曉琳[12]將SPC技術應用于速凍薯條生產，分別研究切割、分選、漂煮和干燥等工序實施統計過程控制的流程和方法，并繪制控制圖監控生產過程，有效地避免不合格品的產生、減少浪費并提高速凍薯條生產過程的穩定性，在實際應用中取得良好效果。馮波等[13]研究SPC在保健品片劑片重控制中的應用，通過結合HACCP計劃執行，過程能力級別由Ⅴ級提高到了Ⅱ級，過程能力指數提高72%，產品的不合格率降低，生產穩定性顯著提高。劉銳等[14]研究SPC技術對掛面加工過程的質量控制，結果發現SPC可以顯著提升和面過程中面團水分均勻度和穩定性，提高掛面質量。

SPC技術的核心在于質量控制圖的繪制，同時也是監測生產過程是否處于可控狀態的重要手段[15]。質量控制圖能夠更準確地發掘食品企業生產過程中的問題，彌補生產管理中的漏洞。基于貴州紅薯粉絲生產過程中生產規模小、不規范操作較多等一系列問題，引入SPC技術，能夠解決以往僅憑工人經驗、主觀判斷等手段管理生產的問題。因此，試驗以貴州神康原生態食品有限公司紅薯粉絲生產線為例，初步將SPC技術應用于紅薯粉絲生產過程中，實時監控糊化工序粉絲水分和水分均勻度，繪制控制圖，分析原因并提出相應的控制方法和控制參數，通過改進生產工藝有效提升紅薯粉絲質量和加工穩定性，旨在為SPC技術在貴州紅薯粉絲生產加工各個工藝環節的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

在貴州神康原生態食品有限公司紅薯粉絲生產車間連續監測上料、制芡和糊化工序，記錄下車間溫度、濕度，淀粉用量、加水量、制芡時間，選取糊化工序后的粉絲進行分析。

1.2 儀器與設備

BR-WS210型溫濕度記錄儀（金湖博銳儀表有限公司）；CP214型分析天平[奧豪斯儀器（常州）有限公司]；DHG-9030型電熱鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 紅薯粉絲生產工藝流程

紅薯淀粉、水→制芡→糊化→成型→低溫老化→干燥→包裝→成品

1.3.2 紅薯粉絲質量形狀分析

水分測定，參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》中直接干燥法；灰分測定，參照GB 5009.4—2016《食品安全國家標準 食品中灰分的測定》中食品中總灰分的測定方法；水分均勻度測定：測定5個不同部位的紅薯粉絲中水分，以其水分的變異系數表示其水分均勻度，變異系數越大表示均勻度越差[16]。

1.4 質量波動分析方法

控制圖能及時反映產品質量的正常波動和異常波動，根據監測點在統計日期內的數據變化繪制控制圖，控制圖上下限等于樣品數據的3倍標準差，若統計過程處于控制狀態，則大約有99.7%的子組值將落在控制界限之內[17]。對于平行組數據少于10的工序過程，采用平均值-極差（Xbar-R）控制圖。對于只有1個數據的工序過程，采用單值-移動極差（I-MR）控制圖。

根據休哈特控制圖[13]異常判斷原則，符合如下任意1種或以上情況即屬于異常現象：（1）1點出界；（2）連續3點落在中心線同一側的2σ（σ為標準差）以外；（3）連續5點中有4點落在中心線同一側的σ以外；（4）連續6點遞增或者遞減；（5）連續8點在中心線2側，但無一點在中心線±σ以內；（6）連續9點落在中心線一側；（7）連續14點中相鄰上下交替；（8）連續15點在中心線±σ以內。

1.5 工序過程能力評價標準

工序過程能力指數（Cp）是評價工序是否滿足生產需求的重要指標，是指工序處于穩定狀態下的實際加工能力[18]。Cp=T/6σ，T為工序公差，σ為標準差。Cp值越大，說明產品實測數據的離散程度越小，過程能力越穩定；Cp值越小，說明產品實測數據的離散程度越大，過程能力越不穩定。工序過程能力可以根據Cp大小分為5個等級，判斷標準見表1[19]。

表1 過程能力指數評價標準

1.6 異常波動分析方法

采用5 why分析法對數據變異來源進行分析，即從原因（why）、地點（where）、時間（when）、對象（what）、人員（who）5個方面尋找造成某項結果的眾多原因，繪制數據變異來源圖[20]。根據實際生產需要，集合10人以上的有關人員進行討論分析，腦力激蕩。并查閱相關文獻，發掘所有相關問題，經討論確定發生原因后，根據重要性之大小進行標示。

1.7 統計分析

采用統計軟件Excel 2010，SPSS 17.0和Minitab 17進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 紅薯粉加工過程中糊化工序統計過程控制分析

紅薯粉絲加工過程中，糊化后含水量和水分均勻度能夠有效反映紅薯粉絲的質量形狀。通過測定，2021年11月8日到2021年12月2日貴州神康原生態食品有限公司同一條生產線上糊化后紅薯粉絲的平均含水量為48.94%，平均水分均勻度為7.20%（見表2）。糊化后紅薯粉水分均勻度的變異較大。

表2 糊化后紅薯粉絲質量性狀分布 單位：%

紅薯粉糊化后水分和水分均勻度的Xbar-R和I-MR控制圖如圖1和圖2所示。由圖1可知，過程能力指數（Cp）=0.05，說明紅薯粉糊化過程能力很差，水分具有異常波動。25 d中，第3，第13和第21天的水分明顯高于控制圖的控制上限，為異常波動點。第6和第25天的水分明顯低于控制圖的控制下限，為異常波動點。由圖2可知，Cp=0.14，25 d中，第12天水分均勻度明顯高于控制圖上限，為異常波動點。需要對這些異常波動點進行分析。

圖1 紅薯粉絲水分的Xbar-R控制圖

圖2 紅薯粉絲水分均勻度的I-MR控制圖

2.2 紅薯粉加工過程中糊化工序控制圖波動因素分析

與相關領域專家、企業技術人員、生產工人和管理人員交流，從原料淀粉和水、加工工藝、設備、人員操作、車間環境等方面分析可能的波動原因，共發掘14個影響因素（圖3）。查閱分析異常波動點當天的生產記錄（原料特性、加工設備、工藝參數、人員操作等），并與相關人員進一步交流討論，查找每個異常波動點最可能的原因。第3，第13和第21天的水分高于控制上限，可能的原因有：加水過量；加水速度過快；攪拌不均勻；攪拌時間不足。第6和第25天的水分明顯低于控制圖的控制下限，可能原因有：水箱閥門控制不足，導致加水量少；紅薯淀粉含水量低；攪拌不均勻；沒有達到最低攪拌時間。

圖3 糊化工序數據變異來源圖

2.3 糊化工序質量控制方法

通過監控數據變異來源，結合實際生產過程，從原料、設備、工藝、人員操作4個方面提出糊化工序質量控制方法。

2.3.1 原料

建立專用原料基地，開展訂單農業，控制種植品種。一般要求，瀝干后的淀粉含水量在38%～42%，干燥后的紅薯淀粉灰分含量低于1.0%。采用溫水制芡，制芡時的水溫在25～30 ℃。

2.3.2 設備

原有的人工攪拌工序改為機械攪拌。機械攪拌可以迅速地將淀粉和水混合均勻，并能控制攪拌速度和時間。機械攪拌設備與糊化工序匹配，制芡后的紅薯淀粉實現連續上料連續糊化。改進加水裝置，實現流速和水溫實時檢測，并定期檢測供水裝置是否發生堵塞。

2.3.3 工藝

紅薯淀粉制芡前過0.180 mm（80目）孔徑網篩，使淀粉原料顆粒均勻。制芡工序采用勻速攪拌，攪拌時間不低于10 min，得到均勻一致的淀粉糊。固定加水量，使淀粉糊最終含水量達到48%～50%。

2.3.4 人員

對生產工人、技術人員和管理人員進行上崗培訓。生產工人每周進行生產檢討及學習，熟練掌握生產工藝和關鍵防控環節。制定操作規程，生產工人必須嚴格按照規程參數工作。關鍵操作工序配備操作記錄本，并嚴格執行操作記錄核查制度。上崗前進行消毒處理，換崗前需要上報班組長同意并嚴格按照崗位操作流程處理。

2.4 控制效果評估

對紅薯粉加工的相關工藝流程進行改進，并在生產中執行、實施。于2022年2月14日至3月10日進行重新監測，重新繪制控制圖（圖4和圖5）。

從圖4的Xbar-R控制圖看，CL=49.39%，中心線比改進之前上調0.45，改進后上限從53.83%下調至49.50%，下限從44.06%上調至49.28%，上下限收縮明顯。從樣本點的分布來看，改進前25 d中有5 d為異常點，改進后的水分的檢測值均位于控制線內，且隨機分布，沒有明顯的規律和傾向。證明改進后的加工過程中糊化工序水分處于受控狀態。

圖4 改進后水分的Xbar-R控制圖

從圖5的I-MR控制圖看，CL=5.06%，中心線比調整之前下調2.14，改進后控制上限從17.86%下調至6.37%，控制下線從-3.45%上調至3.74%，上下限明顯收縮，控制要求水平明顯提高。從樣本點的分布來看，改進后的檢測值均位于控制線內，且分布更加穩定。證明改進后的面團水分分布更加均勻，穩定性更好。

圖5 改進后水分均勻度的I-MR控制圖

對改進前后糊化工序水分和水分均勻度的控制能力進行分析對比，結果見表3。改進后的水分和水分均勻度控制圖極差均顯著降低，過程更加穩定。水分Cp從0.05升高至1.62，工序能力從四級升高至二級，水分均勻度Cp從0.14升高至1.10，工序能力從四級升高至二級。改進后不合格產品數量明顯降低，加工過程達到正常水平。

表3 改進前后糊化工序過程能力分析

3 結論

以貴州神康原生態食品有限公司紅薯粉絲生產車間為例，對紅薯粉絲生產過程中糊化工序進行SPC監控，通過Xbar-R和I-MR控制圖法分析異常波動，確定主要影響因素。從原料、設備、工藝、人員操作4個方面提出糊化工序的控制方法和控制參數，并對控制效果進行評估。SPC作為紅薯粉生產過程的控制工具，糊化后水分和水分均勻度波動均明顯降低，過程能力指數均顯著提高，不合格產品數量明顯降低。SPC作為紅薯粉絲質量控制工具，具有良好的應用前景，但紅薯粉絲生產過程中影響因素很多，應進一步發掘更多的加工控制點，建立完善的SPC防控流程，提升產品品質和市場競爭力。