鮮濕米粉自動化生產關鍵技術研究現狀及展望

牟向偉 宋永福 陳林濤

中國鮮濕米粉生產業發展迅速，年產量呈逐年遞增趨勢。據統計[1]，2018年中國米粉單出口貿易量達到近7萬t，出口總額為7 884.6萬美元，出口國遍布全球，亞洲地區占比達70%以上?；诿追酆靠蓪⑵浞譃楦擅追酆蜐衩追?種。其中鮮濕米粉更受廣大消費者的喜愛[2]。隨著鮮濕米粉市場需求量的增加，傳統人工分揀、稱量、包裝的機械方式已經不能滿足高度自動化生產的需求[3-4]。因此研究實現米粉生產設備的高度自動化、高效率已迫在眉睫。目前，在鮮濕米粉的生產工藝中，高效均勻散粉、有效精確稱量和快速自動包裝技術是最重要的3項關鍵技術[5]。文章擬重點介紹鮮濕米粉生產工藝中高效均勻散粉技術與裝備、精確稱重技術與裝備和自動包裝技術與裝備的國內外研究現狀，并對鮮濕米粉自動化生產3個關鍵技術的發展方向進行展望，以期為建立鮮濕米粉全程自動化生產線提供技術參考。

1 鮮濕米粉制作工藝

1.1 工藝流程

不同地區對于鮮濕米粉的制作方法都不盡相同，一般生產工藝流程如圖1所示。在生產工藝的改進方面，Zhu等[6]利用響應面法試驗得出影響米粉品質的主要因素按主次順序排列為糊化溫度>糊化時間>磨粉粒度>大米含水量，為探究鮮濕米粉生產工藝和優化改良米粉品質提供了一定的理論依據；王永輝等[7]通過研究不同品種大米的淀粉含量對加工米粉品質的影響，在一定程度上提升了米粉產品的質量；梅小弟等[8]采用單因素和響應面試驗對鮮濕米粉的生產工藝進行優化，為實現米粉大規模工業化生產提供了可靠的工藝參數。

1.2 鮮濕米粉生產中的關鍵技術問題

米粉生產要經過“散粉—稱重—包裝”3個環節。

(1) 在“散粉”環節，因普通轉盤機構控制維度低、控制方案單一、自適應能力差，所以存在鮮濕米粉散粉易斷條、成團，且分散不均的現象。

(2) 在“稱重“環節，需在保障米粉斷條率不超限的前提下提高稱量精度與速度。中國當前米粉工業生產技術、機械設備發展還達不到生產要求[9]。

圖1 鮮濕米粉生產工藝流程圖Figure 1 The production process flow chart of fresh and wet rice flour

(3) 在“包裝”環節，工藝上要保證米粉品質；機械上要保證包裝效率；技術上要與“稱重”緊密銜接。目前在該環節的研發投入仍顯不足，制約了連續化米粉生產線的建立。

2 散粉工藝

鮮濕米粉在低溫條件下會自然冷卻，并緩慢脫水干燥至一定含水量(35%左右[10-12])，因為含水過多，擠出的米粉就很容易發生粘連，造成米粉成團不宜散開，對后續米粉的稱重產生較大的影響，進而影響整個生產工藝的效率。目前最常用的散粉方法是利用離心原理將其打散、分離。

在離心法散料原理的應用方面，瑞典Alfa-laval公司采用流場分離法、有限元模擬法、大梯度密度梯級法、反模態分析法等方法對離心機工作性能和關鍵零件進行研究，對離心裝置間隔件和分布孔進行了巧妙設計，使得進料量增加20%左右，同時為離心機更好地實現物料分離提供了理論基礎[13]。與之相當的是德國Westfalia公司，其生產的CSA160系列分離機，在理論的基礎上將離心技術的高效性應用于實際生產中，對于工業發展有很大的意義[14]。隨著生產對于能源和環保要求的不斷提高，對機械工藝技術的要求也越來越高。在機械設計方面，離心技術應用于不同機械結構的設備，德國Krauss-Maffei公司研發的SZ型活塞機通過改進機械設備尺寸，使其更能有效進行固相分離[15]；還有針對一些難分離的物料(如易粘黏的鮮濕米粉等)，德國Flottweg公司研發了雙錐體臥螺離心機，能夠有效分離物料，但速率較低，實用性不強[16]；Anonymous[17]提出了通過將主軸承改為彈性安裝來延長機械壽命，同時降低工業噪聲的研究結論，對離心機結構的改進提供了理論依據。在應用生產方面，離心技術可用于各種物料分離的生產中[14]，如美國Dorr-Oliver公司研發的用于醫學藥物分離的BH-46機；還有德國Westfalia公司研發的用于顆粒狀物料分離的柱錐復合活塞機、虹吸刮刀離心機等；此外還有用于食品行業的FDA機型；但在鮮濕米粉生產中，通過離心技術來達到散粉效果的研究并不多，很大程度上制約了米粉的高效生產，限制了米粉工藝的發展。

在離心法散料原理應用研究的基礎上，王世超等[18]設計了一種十指交叉式結構的智能米粉分揀裝置，在快速旋轉的圓桶中通過離心力將成團的米粉打散，特殊結構設計使得分離效果更佳，但分散均勻性并未達到很好的效果；對此，白銳等[19]發明了一種粉絲智能分揀系統，如圖2所示。針對粉絲形狀不規則，相互纏繞的特點，采用機械爪對粉絲進行抓取，并通過稱重傳感器采集粉絲的重量信息來控制分揀量的多少，從而在不改變粉絲長度的情況下自動完成粉絲的分揀和稱重，最重要的是保證了分揀的均勻性。

1. 轉盤 2. 機械爪 3. 頂蓋架 4. 機械臂 5. 粉絲容器圖2 粉絲分揀定型系統總體機械結構圖Figure 2 Overall mechanical structure diagram of vermicelli sorting and finalization system

為了同時提高散粉的速率和均勻性，郝青龍等[20]設計了一種自動分揀粉絲的裝置，如圖3所示。該裝置通過傳送帶將粉絲輸送到圓形轉盤上，在電機帶動下圓形轉盤間歇式往返轉動，以離心力將粉絲均勻地分散至各溜槽中，手爪再將溜槽中的粉絲扒入到帶有稱重傳感器的料斗中實現分揀稱重。該設計實現了均勻散粉，但整體散粉效率并未有較大提升。對此，廣東精威智能機器有限公司生產了一種散粉—稱重一體的機械裝置[21]，如圖4所示。該機械裝置是目前最常見的一類自動化高效均勻散粉機械，但仍存在斷粉等影響米粉品質的問題。

3 稱量技術與裝備研究現狀

隨著米粉市場需求的不斷增加，工業上對組合秤稱量精度和速率的要求越來越高，這對于組合稱重系統研發是一個新的挑戰；此外，食品及工作環境對機械設備的腐蝕、稱重設備產生的工業噪聲、控制器的選擇等方面的處理也影響著整個工藝的效率。

1. 分揀槽 2. 輸料臺 3. 下料口圖3 粉絲自動分揀稱重裝置模型圖Figure 3 Model diagram of automatic sorting and weighing device for vermicelli

1. 料梯 2. 稱重裝置 3. 散粉裝置 4. 料架圖4 米粉散粉裝置(上端部分)Figure 4 Part of rice flour dispersing device (section at the top)

3.1 國外研究現狀

自1980年起，組合秤主要核心技術掌握在日、美、英等國家。第一臺組合秤是由日本石田企業研發的，解決了一些不規則食品的定量稱重問題[22]，對于米粉的定量稱重有重要的意義。日本ADW-420系列組合秤，稱重斗數達20個，稱量精度為0.1～1.0 g，已然處于世界先進技術水平。在組合秤的機械結構設計、操作設計等方面國外一些學者也做了很多改進。在機械設計方面，Enrique等[23]通過啟發式等算法對組合秤設計參數進行了優化處理，提升了組合秤的機械性能；Alessia等[24]對組合秤料斗設計部分進行了改進，提高了料斗的工作性能，并利用成本函數，對生產意面的組合秤參數進行了改進，很大程度上節省了生產成本，但效率方面沒有明顯的提升。在工藝及操作方面，Yukio等[25]對組合秤的操作系統進行了優化設計，使操作更加便捷，但存在下料不穩定的問題；對此James等[26]對組合秤給料操作方面的設計進行了改進，提升了下料的穩定性；但Lavdim等[27]將此技術用于土豆片生產中時，整個生產效率并不高，很多研究應用于實際生產時與理論研究仍有較大的差距。幾種可用于鮮濕米粉稱重的組合秤的機械性能如表1所示。

3.2 中國研究現狀

鮮濕米粉易粘附在機械設備上，影響著稱量精度[28-29]；稱重時若不將廢料與合格物料及時合理分離，會影響到稱量效率；機械產生的工業噪聲對機械本身和人有危害；現代工業生產中稱重傳感器的輸入和輸出應具有線性關系，因此需對其進行非線性補償以達較高精度；控制器的選擇也影響著稱量的效率[30]。

孔令喜[31]對組合秤進行了如下改進：① 在防腐蝕性方面，與物料相接觸的料斗部分和主振盤都選擇用耐腐蝕的不銹鋼材料；② 在適用性方面，改善了料斗結構(由單開門改為雙開門，如圖5所示)，解決了物料下料難的問題，且可有效分離廢料與合格物料；③ 在效率性方面，將原來電機主軸的圓周運動改為上下運動，減小了電機加速度對料斗門的沖擊，省去了電機的往復運動，提升了稱重效率。

表1 幾種國外企業研發的組合秤性能比較Table 1 Performance comparison of several foreign combined scales

劉立業等[32]對稱量機械的結構、系統和軟件算法進行了改進：① 采用ARM7微處理器為稱重系統核心，通過繼電器控制電機；② 為防止物料粘附，稱斗底部增加了一個刮板；③ 硬件電路部分采用了低噪聲的集成儀表放大器MAX4194作為稱重傳感器微弱電信號的放大器(可抑制極化電壓)和低功耗高精度的16位高速串行A/D轉換器AD7683；④ 軟件設計方面采用微分算法以進行超前控制而減少控制系統的超調，即在偏差信號值變得太大之前在系統中引入一個修正信號來抑制超調量，提升了系統工作效率。

張波等[33]發明了一款可高效精準補重的稱量裝置，其結構如圖6所示。其中組合秤的每個供料斗對應一個計量斗，裝置的20個計量斗被分為2個區，單個分區均可進行補重操作。同時該裝置還設計了振分裝置，可在補重時將不合格的物料剔除，進而提升了整個稱重系統的精度和效率。

中國企業研發的一些組合秤(如表2)已可與國外先進企業的相媲美，但僅憑先進的機械技術并不能滿足目前鮮濕米粉自動化稱量高精度、高速率的生產要求，因此還需在組合秤機械技術基礎上以改進系統算法等方法不斷提高其自動化水平。

1. 波紋料斗 2. 卸料門 3. 懸臂支撐鋼管 4. 料斗支撐板圖5 卸料門的結構形式Figure 5 Structural form of discharge door

4 自動包裝技術與裝備研究現狀

包裝的主要目的在于保證食品的品質、衛生等，避免二次污染[34]，而以木箱包裝為主的傳統的鮮濕米粉包裝方式并不能保證食品的衛生與安全，并且隨著米粉生產需求量的增加，工業上對鮮濕米粉包裝的自動化要求越來越高，因此耗時耗力的傳統人工包裝的方式，已無法滿足當前的生產需求。

4.1 國外研究現狀

目前國外包裝機械的研發圍繞著高速度、高效率、高質量3個標準發展，這代表著先進自動化包裝機械技術的發展趨勢，日本、歐洲一些國家的包裝機械設備的生產研發技術處于國際領先水平[35]，自動化和智能化是新的發展方向。

1. 集料斗 2. 供料頂錐 3. 直線供料軌道 4. 供料斗 5. 計料斗 6. 溜槽 7. 組合秤機架 8. 收集漏斗 9. 集合斗驅動裝置 10. 集合斗 11. 溜道 12. 合格物料下料口 13. 不合格物料排出口圖6 組合秤結構示意圖Figure 6 The structural diagram of combined scale

表2 中國企業研發的幾種稱量裝置組合秤性能比較Table 2 Performance comparison of several domestic combined scales

針對鮮濕米粉等鮮濕、易腐食品，意大利FABBRI公司研發了一款四折膜板式的包裝盒保鮮膜裹包機，用PVC保鮮膜和塑料包裝盒作為包裝材料，其包裝速度能達到60包/min[36]；日本寺岡研發的AW-5600AT稱重·包裝·貼標簽一體的包裝機是對四折膜板式的保鮮包裝機的改進，雖然功能更多，但包裝的速度只有36包/min[37]；美國PROMAX公司以改變食品包裝儲存環境延長食品保鮮期的思路，研發了真空包裝機CV1000和氣調包裝機VT-570。對于包裝機縱封和橫封產生機器受損等問題，Aquarius等[38]對包裝機機構行了優化，一定程度上減緩了機械損耗。對于包裝機橫封裝置耗能大的問題，Ulrich[39]利用超聲設備橫封卷膜，實現了包裝袋連續熱封，在降低能耗的同時提高了精度。

4.2 中國研究現狀

目前中國包裝機械已由引進國外先進技術轉向自主研發階段，但仍存在成套數量少、技術水平低、產品質量差、開發能力不足等問題[40-41]。

生產工藝方面，張偉等[42]以菌落總數、pH、水分含量、TPA、色澤為指標，研究了不同貯藏溫度下鮮濕米粉品質的變化，提出37 ℃貯藏條件下，鮮濕米粉各指數之間的關聯性更為緊密的研究結果，對于鮮濕米粉包裝工藝有很大的意義；袁蕾蕾[43]研究得出，鮮濕米粉含水量在63.5%時更有利于后續的包裝、保鮮、貯藏，適宜的酸洗和微波殺菌對米粉品質有一定的改善作用；衛攀杰等[44]通過試驗得出酸浸+水浴處理能夠殺死鮮濕米粉中大部分微生物，且在貯藏期間抑制微生物的生長效果明顯，能夠延長鮮濕米粉的保鮮期；鹿鉅來等[45]研究得出，相比其他包裝方式，脫氧劑結合酒精緩釋包裝能夠協同抑制微生物的生長，延長鮮濕米粉的貨架期。

機械裝備方面，針對生鮮食品的包裝問題，中國研發了很多不同包裝方式的包裝機械：

(1) 枕式鮮食品包裝機，集稱袋成型、填充、封口于一體的復合機械，結構如圖7所示。王中元等[46]對該包裝機電機凸輪進行了研究改進，解決了機械部件易磨損等問題；高雪等[47]采用驅動、傳感器、編碼結合的控制系統，加強包裝機封切時對設備溫度的控制，提高了包裝的效率和精度；劉揚等[48]分析了轉動導桿平衡問題，增加了適量的配重，優化了平衡。目前該類包裝機的包裝速度能夠達到60～230包/min。

(2) 盒裝熱壓式封口機，其結構如圖8所示。趙吉成等[49]選用Simotion D435控制器控制電機和輸送帶，提高了設備包裝的精度、速度和穩定性，進一步提升了封口機的自動化程度；王利民[50]利用COSMOS-Works有限元分析，對包裝機械進行優化，提高了包裝機的質量和工作效率。目前該類封口機的封口速度可達50～100盒/min。

1. 包裝盒 2. 折膜機構 3. 縱封機構 4. 橫封橫切機構 5. 送料機構 6. 包裝膜圖7 枕式包裝機結構圖Figure 7 Structure diagram of pillow packaging machine

1. 包裝托盤 2. 包裝膜 3. 送膜機構 4. 熱封機構 5. 壓桿機構 6. 薄膜回收機構 7. 輸送帶圖8 盒裝熱封包裝機結構圖Figure 8 Structural diagram of box heat sealing packaging machine

(3) 氣調食品包裝機，通過改變密封包裝內的環境來延長食品的保質期，一般在包裝內充入氮氣或二氧化碳。該款包裝機的包裝速度目前可達到40～96包/min。在氣調食品包裝機技術基礎上，鄭兆啟等[51]研究了保鮮膜包裝機的封切裝置，采用吹風盒、氣缸結合的方式，在降低包裝能耗的同時提升了工作效率。

目前鮮濕米粉的包裝工藝及機械方面有了很大的改進，但隨著市場需求量的增加，對于鮮濕米粉包裝技術的要求越來越高。在工藝上要考慮延長米粉保鮮期的處理方法、包裝時的工作環境、包裝方式的選擇等；在機械上要提升包裝的速率和效率。此外，要做到稱重環節與包裝環節的有效銜接，應在保證米粉質量的前提下，研發出一款高精度、高速度、高效率的自動化包裝機械。

5 展望

在米粉自動化生產過程中，國內外對于均勻散粉、精確稱量、自動包裝關鍵技術研究以及建立智能化米粉生產線的研發投入不足。散粉環節，由于普通轉盤機構控制維度低、控制方案單一、自適應能力差，因此在散粉過程中存在米粉斷條與分散均勻性差等問題，而在“稱重—包裝”環節，需在保障米粉斷條率不超限的前提下提高稱重精確率。

(1) 散粉技術：需對機械本身的結構設計和材料進行優化，使用黏彈性阻尼材料，利用其特有的物理特性，通過消散和吸收能量以減小振動，同時增加減振孔并合理控制散粉機械的振動頻率和強度，減小對米粉的沖擊，從而降低斷粉率。機械設計及控制上要力求實現均勻散粉，以提高生產效率。利用離心力將成團的米粉快速打散，通過滑槽結構的裝置將打散的米粉散落在散粉裝置上，在往返半周轉動及振動下實現初步均勻散粉；合理控制下料量和散粉裝置轉動的速度及振動頻率，并利用智能算法對散粉控制系統進行改進，實現高效均勻散粉，同時加強與稱重環節的銜接性和自適應調節。

(2) 稱重技術：在米粉稱重技術與裝備發展較為成熟的基礎上，通過優化控制系統及算法來提升組合秤的精度和速度。重點結合機器學習的方法，對稱重系統計量精度所涉及到的“皮帶效應”、輸送帶跑偏、局部性故障、溫度變化等問題展開研究：① 將秤架和傳感器集中為一個大的整體，并增加傳感器個數，使傳感系統的結構更簡潔且能夠適用于實際環境，從而消除“皮帶效應”產生的計量精度的損失和影響；② 在系統中增加輸送帶微調模塊，便于在物理調節的基礎上，通過系統控制進行微調使其對物料均勻性的影響降到最低；③ 通過優化算法來實現各模塊的全方位監控、增加模塊獨立控制機制，在關鍵部分附加手動控制系統，提升控制的靈活性，降低故障率；④ 從軟件算法的角度出發，實現對工作環境溫度的及時掌控，并針對不同溫度，對控制系統作出相應的狀態調整，從而消除溫度對稱量精度的影響；⑤ 對稱重控制系統反饋模塊進行優化，融合智能算法和智能數字技術將稱量信息及時傳送到可視化操作界面上，實時掌握稱量動態，并對稱量異常作出及時調整，提升系統工作效率。研究要基于過程神經網絡精度補償模型的訓練算法，融合正則化極限和誤差最小化極限學習計算法等算法，提出更優的精度補償模型，對遺傳算法、傳統的AiNet網絡模型和改進后的多層免疫網絡模型進行試驗對比，找出最適合的精度補償方法，以求更高的精度和速度。

(3) 包裝技術：工藝方面，鮮濕米粉是一種易腐食品，保鮮期很短。要保證米粉品質，需對包裝前的米粉做酸浸、臭氧水浸泡等處理，在保證鮮嫩口感的同時延長保質期；另外，需考慮米粉的包裝方式及包裝材料的選擇，根據實際的需要選擇能夠保證鮮濕米粉的長度在≤60 cm 的包裝方式，材料的選擇也應在保證米粉品質及保鮮期的角度考慮，研究出貼合鮮濕米粉特性的包裝形式。機械方面，首先針對包裝封口難以保證的問題，設計一款集制袋、封袋、切袋一體的智能化設備，能及時發現設備故障，并排除故障，提升包裝效率；其次在豐富包裝機功能的同時優化整機的調節性，以保證包裝的精度、效率，達到45包/min；還應改進機械的傳動機構，使其更加輕便簡潔，提升設備穩定性；最后通過優化和更新算法，提升設備控制系統性能穩定性，進一步提升包裝的速度和效率。

高效均勻散粉、有效精確稱量和快速自動包裝技術在機械設計及控制系統上高度融合，是建立全程自動化、連續化和智能化鮮濕米粉生產線的重要條件。鮮濕米粉工藝生產從原料大米選擇到米粉成型，每個環節都很重要，做好各環節的有效銜接是保證生產效率和米粉品質的關鍵因素。其中，高效均勻散粉、有效精確稱量和快速自動包裝技術是提升米粉生產效率的關鍵技術，也是建立全程自動化米粉生產線的重要因素。若僅實現單一環節的優化改進并不能使效率最大化，因此要想建立成套的生產模式，需集成現有技術，在機械上做到各生產環節的高效銜接，在算法和系統上做到生產全環節的自適應調節與智能控制，做到各環節緊密耦合，才能使生產效率最優化。