基于竹筍類速凍智能設(shè)備的研究

張廷婷，溫 沁，曾令培，溫建華

（1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610106；2.四川鮮能農(nóng)業(yè)科技有限公司，四川成都 610000；3.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電技術(shù)分院，四川成都 610039）

我國(guó)是世界上竹類資源最豐富的國(guó)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?yàn)槠浜懈呃w維、低脂肪、高蛋白、高礦物質(zhì)元素等物質(zhì)，被譽(yù)為“素食第一品”，同時(shí)也是人們公認(rèn)的一種綠色純天然的保健食品[3]。大量竹筍的生長(zhǎng)環(huán)境都屬于城市的偏遠(yuǎn)地區(qū)，又由于春季、冬季為竹筍集中生產(chǎn)的季節(jié)，長(zhǎng)距離的運(yùn)輸嚴(yán)重制約了竹筍食品的流通飲食和銷售等發(fā)展。采摘后的鮮筍處于不斷呼吸代謝的過(guò)程中，這樣的有機(jī)生命活體呼吸的過(guò)程會(huì)造成竹筍失水、木質(zhì)化、大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失，大大降低竹筍的品質(zhì)[4-5]。在竹筍保鮮加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，傳統(tǒng)方法會(huì)選用干燥、腌制、冷藏等方式，也會(huì)選用添加保鮮劑等方式，由于這些操作簡(jiǎn)單、消耗成本較低等特點(diǎn)，被廣泛地運(yùn)用，但是在保鮮的過(guò)程中造成了竹筍營(yíng)養(yǎng)成分的破壞和損失，運(yùn)用化學(xué)添加劑保鮮的過(guò)程也會(huì)在竹筍內(nèi)留下一定的化學(xué)物質(zhì)。

隨著生活水平的提高，人們對(duì)于“健康、生態(tài)、新鮮”的食品要求越來(lái)越高。目前，速凍工藝被更加廣泛地運(yùn)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(xué)變化，此過(guò)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(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值等品質(zhì)。目前，運(yùn)用于竹筍類的速凍設(shè)備鮮有，需要對(duì)竹筍類保鮮情況、浸漬速凍工藝結(jié)合智能傳輸、智能篩選、自動(dòng)包裝、自動(dòng)抽真空、智能速凍等功能進(jìn)行研究。

1 竹筍冷藏與速凍工藝過(guò)程

竹筍品質(zhì)的變劣過(guò)程，是呼吸作用加速其木質(zhì)化過(guò)程，同時(shí)伴隨著離體竹筍的大量水分蒸騰散失，該過(guò)程竹筍內(nèi)部一系列異常酶活性發(fā)生了變化，加速了竹筍變劣過(guò)程。陳慧云[6]利用減壓貯藏技術(shù)對(duì)新鮮竹筍進(jìn)行研究，在50 kPa下對(duì)竹筍減壓，于2±1℃下冷藏貯藏、90%～95%相對(duì)濕對(duì)條件下存儲(chǔ)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(zhǎng)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(qiáng)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(huán)境下凍結(jié)，快速凍結(jié)使得食品類水分形成了無(wú)數(shù)小冰晶，減少了細(xì)胞之間的水分外析，迅速降低了微生物生長(zhǎng)，抑制了微生物的繁殖及其生化反應(yīng)，最大限度保留了食品的品質(zhì)[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(huán)境速凍5～25 min，并用-40～-18℃冷藏或運(yùn)輸，可以保留竹筍原有的顏色、氣味、質(zhì)感和鮮度。研究表明1年以內(nèi)竹筍保鮮達(dá)到92%以上，營(yíng)養(yǎng)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(kù)中結(jié)合抽氣速凍（-18℃）可使帶筍衣殼鮮竹筍的貯藏期達(dá)到90 d左右。

對(duì)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(yōu)勢(shì)：第一，速凍保留了食品原有的顏色、氣味、質(zhì)感、鮮度等品質(zhì)；第二，食品經(jīng)過(guò)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(zhǎng)。結(jié)合前人研究結(jié)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(zhì)，大大延長(zhǎng)保鮮期。

2 竹筍速凍智能設(shè)備

液氮速凍設(shè)備解凍時(shí)不需要直接消耗電能，其原理是依靠液氮制冷和內(nèi)能轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到快速冷凍保鮮的目的[11]。速凍設(shè)備采用液氮為媒介可以分為吹風(fēng)式、隧道式、接觸式、直接速凍式裝置。液氮速凍設(shè)備中吹風(fēng)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(zhǎng)短不一，且竹筍的保鮮過(guò)程對(duì)于筍體本身有一定的要求，需要完整、無(wú)機(jī)械損傷、基部帶根、剔除病蟲害斑點(diǎn)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(fēng)式、隧道式的速凍設(shè)備。該設(shè)備采用接觸式、直接速凍方式。設(shè)備中運(yùn)用液氮或者微凍液沉浸速凍，優(yōu)勢(shì)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(xiàn)。現(xiàn)有大量的關(guān)于液氮噴霧、液氮網(wǎng)帶針對(duì)各種水果、魚類等食品運(yùn)輸?shù)亩喾N自動(dòng)智能設(shè)備，鮮有針對(duì)竹筍的速凍智能設(shè)備。

竹筍速凍智能設(shè)備功能模塊見(jiàn)圖1。

圖1 竹筍速凍智能設(shè)備功能模塊

2.1 料區(qū)

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，去殼后的竹筍呼吸強(qiáng)度比未去殼的約高出40%，而切分后的竹筍呼吸進(jìn)一步增強(qiáng)，接近未去殼的2倍[12]。在進(jìn)入輸送裝置之前竹筍需要保留筍殼，沒(méi)有機(jī)械損傷。又由于竹筍種類眾多、形狀各異、長(zhǎng)短不一、質(zhì)量差距大。在輸送裝置上對(duì)竹筍的質(zhì)量進(jìn)行了一次篩選，保留質(zhì)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(shí)會(huì)使得抽真空的面積大，較大的竹筍會(huì)造成自動(dòng)裝袋的問(wèn)題出現(xiàn)，都不便于接下來(lái)的自動(dòng)裝袋、抽真空區(qū)的工作。當(dāng)竹筍進(jìn)入到輸送裝置，傳輸帶上下的重力傳感器對(duì)傳輸帶上的竹筍進(jìn)行重力識(shí)別，重力傳感器分別于對(duì)應(yīng)的機(jī)器手臂相配對(duì)，識(shí)別出低于150 g與高于2 000 g的竹筍，相應(yīng)的機(jī)器手臂進(jìn)行抓取篩選。

料區(qū)自動(dòng)系統(tǒng)功能構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖2 料區(qū)自動(dòng)系統(tǒng)功能構(gòu)圖

2.2 自動(dòng)裝袋、抽真空區(qū)

竹筍自動(dòng)裝袋過(guò)程需要完成機(jī)械手臂供袋、泵撐袋、智能稱重控制、機(jī)器手臂套袋、竹筍入袋的工作。過(guò)程選用PLC控制系統(tǒng)[13]，三菱FX2N型PLC的優(yōu)點(diǎn)為體積小、嵌入性好、控制靈活、可靠性高。工作過(guò)程：由于PE袋的薄膜處于閉合狀態(tài)，選用控制電池閥、氣缸加控制系統(tǒng)進(jìn)行吸袋、給袋、運(yùn)袋、開(kāi)袋、插入、撐袋、套袋等工作[14]。通過(guò)PLC控制工業(yè)機(jī)器人完成開(kāi)袋、吹氣、撐袋等工作。同時(shí)，輸送系統(tǒng)將竹筍輸入到自動(dòng)稱重區(qū)，稱重控制在1 000 g以內(nèi)。出料口傳感器識(shí)別是否完成套袋工作，若套袋完成，竹筍通過(guò)出料口進(jìn)入到袋中，通過(guò)輸送通道進(jìn)入到下一個(gè)環(huán)節(jié)工作。

自動(dòng)套袋、抽真空流程見(jiàn)圖3。

食品采用真空包裝，可以有效地防止細(xì)菌繁殖引起的腐敗，同時(shí)可以避免食品脫水、變形、發(fā)霉和變質(zhì)[15]。抽真空區(qū)完成的工作：輸送裝置將裝袋后的竹筍輸送到自動(dòng)真空機(jī)中，真空包裝通過(guò)對(duì)袋中的空氣抽出后進(jìn)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(jī)，由傳動(dòng)系統(tǒng)、真空室、充氣系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、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(yè)。輸出帶式真空包裝機(jī)可以不間斷生產(chǎn)，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(nèi)，自動(dòng)完成抽真空、封口、冷卻、輸出的過(guò)程。

圖3 自動(dòng)套袋、抽真空流程

2.3 速凍區(qū)

液氮浸漬速凍的原理是將食品完全浸入到液氮中，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速凍結(jié)，一般需要低溫容器、食品、液氮、風(fēng)冷冷淋器、活塞壓縮機(jī)等就可以完成。市面上已經(jīng)有固定式浸沒(méi)速凍機(jī)出現(xiàn)，利用振動(dòng)入口傳送帶輸送食品至淺盤式浸沒(méi)液氮池完成速凍過(guò)程[17-18]。竹筍經(jīng)過(guò)抽真空工作后，通過(guò)輸送裝置輸出，由機(jī)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(qū)。該裝置在速凍的過(guò)程中可以不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。滾輪不同于以往一直浸漬液氮的裝置，其轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程使得竹筍不能一直停留于液氮的速凍區(qū)，有效節(jié)能。智能控制竹筍速凍的時(shí)間，速凍完成后，機(jī)械手臂取出竹筍，放置輸出設(shè)備中，輸送至-40～-18℃的凍庫(kù)。機(jī)器手臂的使用避免了因?yàn)橐旱牡蜏匾鸬娜斯鰝葐?wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，鮮有竹筍類的速凍設(shè)備。竹筍類智能速凍設(shè)備的提出充分結(jié)合現(xiàn)有科技發(fā)展的智能成果，實(shí)現(xiàn)了全程智能化速凍控制，方便、安全、提高工作效率。整個(gè)智能系統(tǒng)造價(jià)較高，液氮的回收、食品易龜裂等確定，有待今后深入研究。