計(jì)算機(jī)輔助對(duì)紫薯泥罐頭殺菌工藝優(yōu)化

王文成,吳錦清,黃麗卿,楊葉輝,邱澄宇

1(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品工程學(xué)院,福建 漳州,363000) 2(福建紫山集團(tuán)有限公司,福建 龍海,363100)3(集美大學(xué),福建 集美,361021)

罐頭食品的熱殺菌是20世紀(jì)以來(lái)最廣泛使用的食品保存方法之一[1-2]。近些年隨著快消市場(chǎng)的逐漸興起,罐頭產(chǎn)品作為一種傳統(tǒng)的食品也迎來(lái)了快速的變革[3]。它不再單一地出現(xiàn)在終端的消費(fèi)市場(chǎng)上,而更多地出現(xiàn)在甜品、奶茶、冰淇淋、預(yù)制菜等半成品市場(chǎng)。一方面新的消費(fèi)趨勢(shì)促使罐頭生產(chǎn)企業(yè)加快產(chǎn)品研發(fā),以迎合市場(chǎng)的需求,另一方面多數(shù)企業(yè)對(duì)待罐頭產(chǎn)品開發(fā)往往出于保守穩(wěn)妥的心態(tài)不愿意嘗試新工藝,導(dǎo)致新產(chǎn)品開發(fā)速度變緩或產(chǎn)品殺菌過(guò)度現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[4-5]。

泥狀類罐頭流動(dòng)性差、傳熱慢,企業(yè)在采用大罐型馬口鐵罐生產(chǎn)泥狀類罐頭的過(guò)程中,容易出現(xiàn)部分產(chǎn)品殺菌不充分或殺菌過(guò)度的現(xiàn)象,進(jìn)而引發(fā)食品安全或品質(zhì)劣變問(wèn)題。評(píng)價(jià)罐頭加熱殺菌程度,主要通過(guò)考查罐頭殺菌溫度、殺菌時(shí)間和對(duì)象菌致死率值的關(guān)系來(lái)評(píng)定。業(yè)界普遍采用一般法或古典法來(lái)推算殺菌F值。該方法是將整個(gè)熱殺菌過(guò)程中目標(biāo)微生物的致死率值累積求和,用其值的大小評(píng)價(jià)其最終殺菌效果,由此推算出合理的殺菌溫度和時(shí)間條件的組合,并通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)來(lái)確定具體的殺菌工藝[6]。這種方法盡管較為準(zhǔn)確,但是在實(shí)際的企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中只能就現(xiàn)有的殺菌工藝來(lái)驗(yàn)證殺菌的程度,但對(duì)企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品而言,一般法無(wú)法根據(jù)需要進(jìn)行工藝上的調(diào)整。

多年來(lái),不少學(xué)者嘗試著簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品殺菌F值的預(yù)測(cè),如毛偉杰等[7],針對(duì)平板型罐頭食品研究熱殺菌過(guò)程中心部分殺菌值的簡(jiǎn)單計(jì)算方法。CHEN等[8-9]采用視位置數(shù)值解法(the apparent position numerical solution, APNS)求解球面?zhèn)鳠岱匠踢M(jìn)而預(yù)測(cè)罐頭加熱殺菌和冷卻溫度歷史,并利用線性和非線性生存動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算圓柱形罐滅菌過(guò)程中的總致死量。IBRAHIM等[10]采用數(shù)學(xué)建模對(duì)顆粒液體食品的傳熱方程進(jìn)行了解析和數(shù)值求解,以評(píng)估某些工藝參數(shù)對(duì)顆粒的時(shí)間-溫度分布和產(chǎn)品中的致死值的影響。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件的開發(fā)與應(yīng)用,也有學(xué)者利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行罐頭食品的殺菌過(guò)程模擬與結(jié)果的預(yù)測(cè),達(dá)到了較好的效果[11]。JAHANBAKHSHIAN等[12]采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamic, CFD)方法,對(duì)圓柱形的裝有橄欖和6%酸鹽水的金屬罐殺菌過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并研究這過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。楊英華[13]采用計(jì)算機(jī)優(yōu)化技術(shù)對(duì)傳導(dǎo)型罐頭食品熱殺菌過(guò)程進(jìn)行探討。劉東紅課題組[14-17]采用了多物理場(chǎng)仿真軟件comsol mutiphysics先后對(duì)不同種類的以及不同形態(tài)的罐藏食品熱殺菌的過(guò)程分別了深入的研究并實(shí)現(xiàn)了較理想的預(yù)測(cè)結(jié)果。

值得指出的是,采用數(shù)值模擬類的計(jì)算軟件進(jìn)行預(yù)測(cè),其原理多基于有限元法[18]。盡管該方法具有較高的精度,但在前期需要對(duì)產(chǎn)品的物理性質(zhì),如動(dòng)力黏度、比熱、密度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。由于當(dāng)前罐藏加工行業(yè)里多數(shù)企業(yè)無(wú)法配備如此齊全的檢測(cè)儀器,加之檢測(cè)過(guò)程較為繁瑣且該方法更適合成分較為單一的產(chǎn)品開發(fā)。因此,在實(shí)際的企業(yè)生產(chǎn)中,該技術(shù)在推廣和應(yīng)用上受到一定的影響。

在我國(guó),采用Ball公式法計(jì)算殺菌F值最早由輕工業(yè)部食品發(fā)酵工業(yè)科學(xué)研究所陳祥奎、黃福南等罐藏加工專家引入并推廣[19-21],后被我國(guó)罐藏協(xié)會(huì)采納,該公式屬于半經(jīng)驗(yàn)公式,其科學(xué)性已經(jīng)得到多方面的檢驗(yàn)[6,22]。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中不需要測(cè)定過(guò)多的產(chǎn)品性質(zhì)參數(shù),便于企業(yè)人員的應(yīng)用。但由于全過(guò)程依靠人工計(jì)算,且涉及多次人工繪圖與判別,容易出現(xiàn)誤差,也限制了該方法在罐頭企業(yè)的廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)熟練掌握該計(jì)算方法的技術(shù)人才在罐頭企業(yè)中已難覓。綜上分析,從企業(yè)實(shí)用生產(chǎn)角度看,若能結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行計(jì)算與繪制判別,將會(huì)有較好的應(yīng)用前景。本研究基于此思路,課題組在前人的基礎(chǔ)上,以紫薯泥罐頭的企業(yè)生產(chǎn)為例,應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助罐藏殺菌工藝設(shè)計(jì),同時(shí)配合采用指標(biāo)隸屬度方法綜合評(píng)價(jià),確定最優(yōu)生產(chǎn)工藝,為今后同行加快罐頭產(chǎn)品生產(chǎn)開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫薯,采自福建漳州;空罐:#9121馬口鐵罐。

S08004臥式蒸汽殺菌鍋,南方食品機(jī)械有限公司;FSI-WL系列無(wú)線溫度記錄儀(PT100),漳州食品科技應(yīng)用研究所;HL ColorQuest XE分光測(cè)色儀,HunterLab,上海信聯(lián)創(chuàng)作電子有限公司;Smart200m5 3D顯微鏡,德國(guó)蔡司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)流程

工藝流程如下:

紫薯→清洗→去皮→漂燙→切丁→粉碎→加水→預(yù)煮→調(diào)配→脫氣→裝罐→調(diào)初溫→封蓋→插探頭→殺菌→冷卻→讀數(shù)

1.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

按照SN/T 4414.1—2015《出口食品熱加工設(shè)備熱分布檢驗(yàn)規(guī)程》要求檢測(cè)全自動(dòng)高壓殺菌鍋的熱分布狀況,確定殺菌鍋的冷點(diǎn)位置;將紫薯泥進(jìn)行預(yù)處理并經(jīng)脫氣后裝入試驗(yàn)罐(#9121馬口鐵罐)中,裝罐留5 mm頂隙;預(yù)先在罐蓋中心打孔,測(cè)定罐體冷點(diǎn)位置;將探針測(cè)溫點(diǎn)固定在罐體冷點(diǎn)處;將試驗(yàn)罐放置在殺菌鍋的冷點(diǎn)處,待殺菌結(jié)束后,讀取殺菌過(guò)程探頭溫度。

1.3 產(chǎn)品安全評(píng)價(jià)

商業(yè)無(wú)菌,按GB 4789.26—2013《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 商業(yè)無(wú)菌檢驗(yàn)》方法評(píng)價(jià)。

1.4 試驗(yàn)軟件

課題組自編罐頭食品加熱殺菌條件Ball公式法計(jì)算軟件,軟著登字2468866,計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性依照已發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)核實(shí)并確認(rèn)[20-21]。

1.5 感官評(píng)價(jià)

采用模糊數(shù)學(xué)法,對(duì)罐頭殺菌工藝調(diào)整前后的紫薯泥產(chǎn)品的感官質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。邀請(qǐng)10名訓(xùn)練有素的小組成員組成評(píng)定小組,對(duì)紫薯泥產(chǎn)品的香氣、滋味、顏色、組織狀態(tài)和整體可接受性5個(gè)方面,分別按照從1(弱)～5(強(qiáng))進(jìn)行逐一評(píng)分。樣本的呈現(xiàn)順序是隨機(jī)的,分?jǐn)?shù)以平均分表示[23-24]。

1.6 指標(biāo)隸屬度

運(yùn)用隸屬度綜合評(píng)分法,將恒溫時(shí)長(zhǎng)、感官評(píng)價(jià)2項(xiàng)指標(biāo)隸屬度對(duì)罐藏殺菌工藝進(jìn)行綜合評(píng)分[25],其中:

恒溫時(shí)長(zhǎng)t隸屬度,按照公式(1)計(jì)算:

(1)

式中:ti表示恒溫時(shí)長(zhǎng)指標(biāo)值;tmax表示恒溫時(shí)長(zhǎng)指標(biāo)最大值;tmin表示恒溫時(shí)長(zhǎng)指標(biāo)最小值。

感官評(píng)價(jià)s隸屬度,按照公式(2)計(jì)算:

(2)

式中:Si表示感官評(píng)價(jià)指標(biāo)值;Smax表示感官評(píng)價(jià)指標(biāo)值最大值;Smin表示感官評(píng)價(jià)指標(biāo)值最小值。

最后按式(3)進(jìn)行加權(quán)得殺菌工藝的綜合分Z。

Z=al1+bl2

(3)

式中:l1為指標(biāo)1的隸屬度;l2為指標(biāo)2的隸屬度;a為指標(biāo)1的權(quán)值;b為指標(biāo)2的權(quán)值。本文取a=0.5,b=0.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 原殺菌工藝過(guò)程數(shù)據(jù)分析

將試驗(yàn)樣品按照1.2.2節(jié)試驗(yàn)過(guò)程要求,置于殺菌鍋的冷點(diǎn)處。試驗(yàn)采用升溫10 min,恒溫86 min,殺菌溫度121 ℃的紫薯泥罐頭加熱殺菌工藝,恒溫階段結(jié)束后,用25 ℃冷卻水噴淋冷卻60 min,殺菌結(jié)束后讀取罐頭冷點(diǎn)位置的溫度數(shù)據(jù),以每3 min間隔的溫度數(shù)據(jù)錄入,殺菌過(guò)程熱穿透基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1,得到如圖1所示熱穿透曲線,計(jì)算得到試驗(yàn)殺菌過(guò)程中產(chǎn)品累積F值為4.69。

表1 罐頭殺菌過(guò)程熱穿透基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of heat penetration during sterilization process

圖1 熱穿透曲線Fig.1 Thermal penetration curve

對(duì)圖1熱穿透曲線采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)處理,采用最小二乘法擬合線性關(guān)系作圖,合并升溫曲線、恒溫曲線、冷卻曲線作產(chǎn)品傳熱分析圖(圖2)。

圖2 產(chǎn)品傳熱分析Fig.2 Heat transfer analysis of products

通過(guò)分析,紫薯泥罐頭升溫曲線符合簡(jiǎn)單型傳熱曲線規(guī)律,計(jì)算后得到過(guò)程中間結(jié)果如表2所示,最終得到過(guò)程性傳熱參數(shù)如表3所示。

表2 罐頭殺菌熱穿透過(guò)程中間結(jié)果數(shù)據(jù)Table 2 Intermediate result data of heat penetration during sterilization process

表3 罐頭殺菌熱穿透過(guò)程傳熱參數(shù)Table 3 Heat transfer parameters of heat penetration during sterilization process

通過(guò)上述分析,預(yù)測(cè)在現(xiàn)有的10′-86′/121 ℃殺菌條件下,#9121罐型紫薯泥罐頭的F值為4.55,對(duì)比實(shí)際試驗(yàn)殺菌過(guò)程中產(chǎn)品的累積F值4.69,二者數(shù)值接近,相對(duì)誤差=-2.99%,預(yù)測(cè)值比累積值小,且相對(duì)誤差絕對(duì)值<5%,說(shuō)明計(jì)算得到的傳熱參數(shù)可靠,可以采納作為產(chǎn)品的殺菌工藝調(diào)整的預(yù)測(cè)。

2.2 工藝優(yōu)化

保持目標(biāo)F值4.55 不變,通過(guò)表3的熱穿透參數(shù)值,初溫控制在(69±1) ℃,利用計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)恒溫殺菌溫度分別為119、120、121、122和123 ℃時(shí)所需的罐頭恒溫殺菌時(shí)間,并進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證,其預(yù)測(cè)目標(biāo)F值與試驗(yàn)F值的對(duì)比如表4所示。

表4 不同恒溫殺菌溫度下預(yù)測(cè)值與實(shí)際值Table 4 Predicted and actual values under different constant temperature sterilization temperatures

由表4可知,采用較高溫度的殺菌方式可以有效地降低殺菌恒溫時(shí)間。有資料表明,雖然通過(guò)提高恒溫殺菌溫度的方法可以有效縮短殺菌時(shí)間,但是也會(huì)造成罐內(nèi)不同區(qū)域產(chǎn)品F值區(qū)別很大,這使得產(chǎn)品品質(zhì)變得不均勻,特別是一些色度較淺且傳熱類型為傳導(dǎo)型的產(chǎn)品,如芋泥、板栗泥等,容易引發(fā)內(nèi)外褐變不一致的現(xiàn)象[24]。

為了進(jìn)一步探究罐邊緣與罐中心的紫薯泥的質(zhì)量區(qū)別,分別取這兩處的紫薯泥,采用3D光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察,如圖3所示。

a-罐邊緣位置的紫薯泥圖片(100倍);b-罐中心位置的紫薯泥圖片(100倍);c-罐邊緣位置的紫薯泥圖片(900倍); d-罐中心位置的紫薯泥圖片(900倍)圖3 紫薯泥3D光學(xué)顯微鏡觀測(cè)圖Fig.3 3D optical microscope observation of purple sweet potato puree

由圖3可知,罐邊緣位置的紫薯泥與罐中心位置的紫薯泥放大100倍的成像區(qū)別并不明顯,當(dāng)放大到900倍時(shí),可以看出在罐邊緣的紫薯泥的溝槽較罐中心的深且結(jié)構(gòu)較緊密,說(shuō)明受熱時(shí)間較長(zhǎng)使紫薯泥組織間含水量減少,這可能也會(huì)影響紫薯泥的口感。

采用分光測(cè)色儀對(duì)10′-93.3′/119 ℃與10′-79.5′/123 ℃殺菌工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品分別進(jìn)行色度檢測(cè),如表5所示。從檢測(cè)的結(jié)果可以看出,罐邊緣部分的紫薯泥的L值均比罐中心部分的紫薯泥低,而A值卻比較高,這說(shuō)明其色澤偏暗偏紅;罐內(nèi)不同位置的紫薯泥的L值和A值的差別均不大(<5%),說(shuō)明加熱對(duì)罐邊緣與中心的紫薯泥的影響有細(xì)微差別,這是由于紫薯泥色澤較深,且顏色與美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的色澤較為接近,因此兩種工藝在色澤上變化影響并不明顯。

表5不同殺菌工藝產(chǎn)品色度對(duì)比Table 5 Comparison of color of products with different sterilization processes

綜上所述,平衡多方面因素考慮,對(duì)2.2節(jié)試驗(yàn)生產(chǎn)的紫薯泥罐頭,采用1.5節(jié)感官評(píng)價(jià)方法進(jìn)行感官評(píng)分,采用1.6節(jié)指標(biāo)隸屬度評(píng)價(jià)方法進(jìn)行隸屬度評(píng)分,評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)列表整理如表6所示。

表6 紫薯泥罐頭殺菌工藝綜合評(píng)價(jià)Table 6 Comprehensive evaluation of sterilization process for canned purple sweet potato puree

從表6的數(shù)據(jù)上看,采用10′-81.5′/122 ℃工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品綜合分最高,可以作為工藝調(diào)整的參考。采用殺菌公式10′-81.5′/122 ℃進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證3次,現(xiàn)場(chǎng)得到累積的F值為4.71±0.15,相對(duì)誤差在5%以內(nèi),對(duì)三批次產(chǎn)品進(jìn)行抽樣檢測(cè),結(jié)果符合GB 4789.26—2013商業(yè)無(wú)菌要求,說(shuō)明產(chǎn)品F值預(yù)測(cè)有效,可以作為新工藝在生產(chǎn)過(guò)程中使用。

3 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)輔助對(duì)馬口鐵#9121罐型的紫薯泥罐頭的殺菌工藝進(jìn)行了優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)定罐頭初溫為 69 ℃和安全F值為4.55的條件下,結(jié)合產(chǎn)品感官評(píng)定、隸屬度評(píng)分和安全性評(píng)定的結(jié)果,確認(rèn)對(duì)#9121紫薯泥罐頭采用10′-81.5′/122 ℃的殺菌工藝是較為安全可靠的。此結(jié)果在企業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用,可顯著縮短罐頭殺菌時(shí)間,提高設(shè)備利用率,實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的目標(biāo)。本試驗(yàn)思路與方法也可以作為罐頭企業(yè)通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助使用Ball公式法對(duì)罐頭產(chǎn)品開發(fā)工藝優(yōu)化提供參考借鑒。