基于层次分析法的面制主食杀菌及包装生产线设计与试验

徐雪萌，屈凌波，徐 芸

（1. 河南工业大学机电工程学院，郑州 450007； 2. 洛阳理工学院机械工程学院，洛阳 471023）

基于层次分析法的面制主食杀菌及包装生产线设计与试验

徐雪萌1，屈凌波2，徐 芸1

（1. 河南工业大学机电工程学院，郑州 450007； 2. 洛阳理工学院机械工程学院，洛阳 471023）

为适应面制主食工业化生产，保证主食流通过程中的质量，研制可集成于面制主食工业化生产线末端的复合杀菌包装生产线。依据面制主食贮藏特性及流通过程中变质的影响因素，结合食品保鲜包装的技术与方法，确定面制主食杀菌包装生产线由主食干燥、复合杀菌和包装三大功能装置组成。在设计方案时采用层次分析法，选择主食杀菌包装生产线上所用食品干燥、杀菌保鲜技术方案，并设计生产线的物料流程。优选的结果为，干燥采用红外线干燥，复合杀菌方式为低温、紫外线和臭氧相结合，包装采用接缝式裹包，且整条生产线可程序化控制，实现杀菌时间、紫外线照度、臭氧浓度和温度的实时调节，为主食品工业化生产提供杀菌包装装备。利用该设备对馒头进行复合杀菌试验，结果表明馒头的色泽和质构均优于自然放置的馒头，经杀菌包装后的馒头在温度4℃，相对湿度为50%～70%的环境中贮存20 d其菌落总数为3.5 lg(CFU/g)，达到预定20 d的保质期。研究结果为面制主食工业化生产及复合杀菌包装装备设计提供参考。

杀菌；包装；层次分析法；面制主食

0 引言

主食是指供应人们一日三餐消费，满足人体基本能量和营养摄入需求的主要食品，在中国主要分为米制主食和面制主食，其中馒头、鲜面条和饺子等是人们喜爱的传统面制主食。多数面制主食存在含水率高、稳定性差、易霉变、货架寿命短等特性，直接制约着面制主食的流通、储藏与保鲜。目前，中国面制主食加工业仍处于起步阶段，行业整体的工艺与装备技术落后，作坊式生产仍占据市场的主体。因此，需要加快传统面制主食加工及流通的科技化、工业化和产业化的步伐[1]，开发面制主食保鲜技术及装备具有重要的意义。国内对主食保鲜有一定的研究：肖东等提出在鲜湿面中添加抗老化复配剂可以延长面条的保质期[2]。刘国锋等提出了鲜面条规模化生产与冷链流通相结合来延长产品的保质期[3]。韩志慧等研究了馒头杀菌工艺，提出了热杀菌和复合杀菌相结合的处理方法[4]。吴国锋等提出馒头包装与馒头菌落总数之间呈线性关系[5]。上述研究集中在面制主食保鲜技术与工艺的研究，对于面制主食规模化生产及保鲜包装新型装备研究较少。本文基于面制主食的流通贮藏特性，结合食品流通过程中保鲜技术与方法，利用层次分析法，提出一种可满足工业化生产的新型主食品复合杀菌包装生产线设计，加工出样机，并进行试验验证，以期为新型面制主食工业化生产及复合杀菌包装装备设计提供参考。

1 生产线上主要功能装置设置的依据

由于面制主食自身的特点，如馒头营养丰富，含水率高，易受微生物浸染而引起品质劣变，中温中湿环境中保质期一般为3～7 d，在高温高湿环境中，保质期一般仅为1 d。生鲜面条含水率高，在高温高湿的环境中，也极易腐败变质[6]。另外，主食品在生产、流通各个环节中，不可避免受到微生物的污染，一旦条件适宜，微生物的生命活动开始，食品也随之腐败变质。货架期短限制主食品流通和销售，并且霉变腐败会造成极大浪费。研究发现，低温贮藏是馒头较好保鲜方法，采用低温实现馒头的贮藏与流通，保质期高达6个月左右[7]。生鲜面条含水率若降低2%左右，其保质期可以延长3～5 d[8]。为达到较长的保质期，有必要对主食品进行杀菌处理。

因此，主食品流通贮藏环境温度、湿度条件，含水率和表面初菌数是影响其流通过程中质量变化的主要因素[9]，在设计主食品杀菌包装生产线时，应设计低温装置、干燥装置和复合杀菌等装置来满足主食品的流通需要。

2 方案的形成

干燥是食品行业中非常重要的环节，具有延长食品保质期、杀菌、改善风味等作用，好的干燥方式应该具有成本低、干燥速度快、干燥质量高以及杀菌效果特点[11]。目前常用于食品干燥的方法有渗透干燥，对流干燥、辐射干燥、冷冻干燥以及真空干燥等。冷冻干燥是一种先进的干燥技术，其原理为将新鲜物料冷冻到冰点以下，使物料中的游离水转变为冰晶形态，然后在真空下将冰转变为水蒸气，从而除去水分的一种干燥技术。微波真空干燥是用微波辐射作为加热源在真空条件下进行加热而使物料脱水的过程[11,12]。红外干燥是辐射干燥中常用的一种，其基本原理为利用红外线辐射器所产生的电磁波直线传播到被干燥的物料上，当红外线或远红外线的发射频率和被干燥物料中分子运动的固有频率相匹配时，物料内分子会因强烈振动引起激烈摩擦而产生大量热量，从而达到干燥的目的。过热蒸汽干燥指用过热蒸汽直接与被干燥物料接触而去除水分的干燥方式[13-15]。

杀菌是食品工业关键技术之一，食品工业主要使用热杀菌和冷杀菌2种。与热杀菌相比，冷杀菌不仅能杀灭食品中的微生物，且能较好保持食品固有营养成分、质构、色泽和新鲜度，符合消费者对食品营养和风味的要求。因此主食品的杀菌选择冷杀菌方法，常用杀菌方法有超高压杀菌、脉冲强光杀菌、高压脉冲杀菌、臭氧杀菌和紫外线杀菌等五种方法[16-18]。

根据上述主食品干燥和杀菌方法的技术特点，生产线上杀菌及包装设计方案初定为4种，如表1所示。为选择合适的主食品干燥、杀菌方法，对4种方案研究时利用层次分析法（AHP, analytic hierarchy process）。

表1 面制主食杀菌及包装生产线方案表Table1 Design plans of staple wheat food aseptic package system

3 面制主食杀菌及包装生产线方案确定

3.1 基于AHP法确定技术方案

3.1.1 建立方案的评估层次结构

AHP法即层次分析法，是一种定性分析与定量分析相结合的系统分析方法。层次分析法把复杂问题分解成组成因素，并按照支配关系形成层次结构，然后用两两比较的方法确定方案的相对重要性。运用AHP法解决具体问题，可分为5个步骤：建立问题的递阶层次结构、构造判断矩阵、计算单一准则下元素的相对权重、判断矩阵的一致性检验和计算各层元素的组合权重[19]。

为设计出最优的技术方案，利用AHP法[20-22]，建立主食品杀菌及包装生产线设计方案的评估层次结构模型。从4种方案技术设备的工作性能X1，经济性能X2，可靠性能X33个方面建立设计方案评估体系。技术适用性Y1，生产能力Y2，自动化程度Y3是对工作性X1的细分；加工成本Y4，运行成本Y5，维修成本Y6是对经济性X2的细分；稳定性Y7，安全性Y8，操作性Y9是对可靠性X3的细分。整个评估目标模型体系建立3个准则层，9个子准则层，评估层次结构如图1所示。

图1 评估层次结构图Fig.1 Chart of hierarchy structure

根据层分析法理论，在建立评估层次的基础上，用1-9标度法，得到准则层的判断矩阵，见表2。依据同样方法，得到各个子准则层的权重系数ω，见表3。

表2 准则层判断矩阵Table 2 Criteria layer judgment matrix

表3 子准则层判断矩阵Table 3 Sub-criterion layer judgment matrix

3.1.2 综合分析

面制主食杀菌及包装生产线设计方案以9个子准则为依据，请专家对4种方案进行打分，结果如表4所示。

表4 设计方案的评分表Table 4 Score of design plan

根据方案评价矩阵和权重系数，可以得到各个方案相对于3个一级准则的评价结果矩阵X。例如：工作性能X1的评价结果矩阵如下：

经归一化处理，可得X1=[0.25 0.27 0.23 0.24]。三个准则层的判断结果见表5。

表5 方案的评价结果矩阵Table 5 Scheme evaluation result of matrix

综上论述，可以得到4种方案的最终的评价结果矩阵，经归一化，4种方案的综合权重为分别为0.25、0.28、0.23和0.22，可知方案2为最佳方案。

因此，确定面制主食杀菌及包装生产线技术方案，干燥采用红外干燥方法，复合杀菌采用低温（−18～5℃）、臭氧与紫外线3种方法相结合。

3.2 设计技术参数

依据市场调研，为能够集成于主食品工业化生产末端，杀菌及包装生产线的参数设定如下：1）整条生产线尺寸：长×宽×高≤5.7 m×1.5 m×1.5 m；2）最大生产能力：主食品每天最大生产能力2 t；3）裹包材料为聚乙烯；4）生鲜湿面条0.5 kg/袋，馒头4个/袋；5）干燥装置内腔尺寸：长×宽×高≤1 m×0.25 m×0.3 m；6）杀菌箱内腔尺寸：长×宽×高≤1.5 m×1.5 m×0.6 m。7）面条含水率在20%～25%，常温（25℃）贮存下，保质期为60 d，低温0～4℃贮藏条件下保质期为90 d。馒头含水率在42%～47%，0～4℃贮藏，保质期为20 d。

3.3 设计特点

1）该杀菌及包装生产线功能齐全，能够完成主食干燥、复合杀菌和包装三大功能；2）为达到较好杀菌效果，综合利用多种杀菌技术，且杀菌相应参数可控，紫外线照度在70～100 µW/m2之间可调，臭氧浓度在40～60 mg/m3；3）自动化程度高，集微电脑（PLC）可编程控制、光电传感、气动执行于一体的高新技术包装设备，该自动装备可以集成于主食加工生产线的末端，以完成主食的包装；4）可以包装多种面制主食品，如面条、馒头、饺子等食品的杀菌包装。

3.4 工艺过程

主食品杀菌及包装生产线设计主要有三条平行链板输送装置、干燥装置、复合杀菌装置、产品包装装置、控制装置和机架等六部分组成。生产线采用间歇生产方式。其工作原理如图2所示：加工后的主食品盛放在传送链4上的托盘内，生鲜面条每托盘0.5 kg为宜，馒头以每托盘4个为宜，其他的视具体产品而定。经干燥装置5将需要干燥的主食品的含水率降低到合适的范围，然后由推送装置将托盘经杀菌箱右端活门3推入杀菌箱内的传送链6上，推送5～6托盘产品后，杀菌箱左右两端活门1、3关闭，杀菌箱形成密闭系统，启动箱内复合杀菌装置工作对产品进行杀菌处理，不同的产品可以调节杀菌参数来达到杀菌的效果，杀菌箱内的温度可以在−18℃～5℃之间连续调节，杀菌处理后杀菌箱两端的活门打开，经杀菌后的产品从左端活门1推出（与此同时，待杀菌的产品从右端活门进入到杀菌箱内的传送链上），经传送链7送至包装机8将产品裹包包装，完成整个复合杀菌包装工艺。三条传送链在食品杀菌时静止，产品推入（推出）杀菌箱时运动。图3为面制主食杀菌包装生产线三维模型示意图。

图2 面制主食杀菌及包装生产线工作原理示意图Fig.2 Schematic diagram of staple food aseptic package system

图3 面制主食杀菌及包装生产线三维模型示意图Fig.3 Three-dimensional model diagram of t staple food aseptic package system

3.4 设计结果验证

以此设计方案制造出样机，以馒头为例，检验本生产线杀菌及包装效果。馒头从蒸锅中取出温度为85℃、含水率为43%，将馒头分别进行自然放置和本设备杀菌箱内杀菌处理，检验馒头表面的品质。自然放置是将馒头置于25℃、相对湿度为40%～90%环境下，让其自行降温冷却。利用本设备处理，设定复合杀菌箱的温度为4℃，启动臭氧杀菌和紫外杀菌灯，杀菌120 s后包装，放置24 h测定2种方法处理后馒头的色泽、质构。馒头的色泽用日本佐竹便携式色度仪测定，采用CIE L* a* b* 色空间方法来表示馒头的色泽，每个样品测定4次，结果取平均值。质构测定用TA-XI2i型质构仪进行测试，每个样品取2个馒头作平行试验，将冷却后的馒头切割成厚度为15 mm的馒头片，分别取中间两片。试验采用TPA模式，P/36R圆柱形探头，测试参数分别为：测前速度3 mm/s，测试速度1 mm/s，测后速度5 mm/s，压缩率为40%。结果如表6、7所示。并测定馒头表面菌落总数随放置时间的变化关系，结果如表8所示。

表6 2种方式处理馒头的色泽测定结果Table 6 Color determination results of Chinese steamed bread in two processing ways

表7 2种方式处理馒头的质构测定结果Table 7 Results of texture test of Chinese steamed bread in two processing ways

表8 2种方式处理馒头表面菌落总数测定结果Table 8 Bacterial count of Chinese steamed bread in two processing ways

自然放置的馒头暴露在空气中因感染微生物使馒头变色，经杀菌处理包装后的馒头避免接触外界微生物，馒头色泽性能优良。2种处理方法馒头的质构品质相差不大。经过复合杀菌包装生产处理后的馒头的品质优良，且细菌数远远低于自然放置的馒头，在设定条件下贮存20 d细菌总数为3.5 lg (CFU/g)，低于馒头可食用菌落总数4 lg (CFU/g)的标准，可以达到设定保质期。

4 结论

1）设计面制主食杀菌及包装生产线方案。确定生产线由主食干燥、复合杀菌和包装三大功能装置组成，并运用层次分析法就干燥、杀菌及包装技术建立4种不同设计方案建立评估模型，优选了干燥采用红外干燥技术，复合杀菌采用低温（−18～5℃）、臭氧与紫外线相结合的设计方案。

2）面制主食杀菌及包装生产线是自行研发设备，集微电脑（PLC）可编程控制、光电传感、气动执行于一体的高新技术包装设备，可用于主食类如：馒头、鲜面条、粉条、米线等食品的杀菌包装。

3）利用馒头进行试验验证，经过复合杀菌及包装生产处理后的馒头的品质优良，包装后的馒头在温度4℃，相对湿度为40%～90%的环境中贮存20 d，其菌落总数为3.5 lg (CFU/g)，低于馒头可食用菌落总数4 lg (CFU/g)，达到预定20 d保质期的设计目标。

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Design and experiment of aseptic packaging line of staple wheat food with analytic hierarchy process method

Xu Xuemeng1, Qu Lingbo2, Xu Yun1
(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450007, China; 2. School of Mechanical Engineering, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

A design of aseptic packaging system integrated as the end part of the staple wheat food product line is studied, in order to keep the quality of the staple wheat food in the period of the distribution and sale. There are 3 basic parts in the aseptic packaging system, i.e. drying unit, compound sterilization units and packaging unit, considering influence factors for the food quality during storage and circulation as well as fresh-keeping packaging technology. Three basic parts can be freely used for different kinds of staple wheat food. Four technical schemes of aseptic packaging line are established according to different kinds of drying, sterilization and packaging techniques. The 4 schemes are studied with the analytic hierarchy process (AHP) method. In the AHP analysis process, the hierarchy with 3 criteria i.e. working performance, economic efficiency and reliability, and 9 sub-criteria is established. Through evaluation and priority considering, the optimum scheme is chosen. The aseptic packaging line is carefully designed, which is composed of the infrared drying unit, compound sterilization units of ultraviolet (UV), low temperature, Ozone, packaging machine, and reasonable product flow. In order to achieve industrial production of aseptic packaging for different kinds of staple wheat food, the line can be program-controlled with adjustable parameters, such as drying time, drying temperature, sterilization time, UV illumination intensity and Ozone intensity. The aseptic packaging system is set up in accordance with the above optimum scheme by the AHP method. Chinese steamed bread made of flour with primary moisture content of 43% have been processed by the compound sterilization units of aseptic packaging system under the condition of 4℃ , relative humidity (RH) of 50%-70%, UV illumination intensity of 90-100 µW/m2and Ozone intensity of 40-60 mg/m3. For processed and the naturally placed Chinese steamed bread, the comparative tests of color, texture and bacterial quantity have been conducted. For color comparison, lightness, contrast by red to green, yellow to blue are determined, while hardness, elasticity and recoverability are for texture comparison. The results show that the Chinese steamed bread processed by the packaging line has better quality and less bacterial quantity than that naturally placed under 25℃ and 50%-70% RH. The processed Chinese bread is stored in the environment with 4℃temperature and 50%-70% RH for the expected guarantee period of 20 d, and the total number of bacteria within it is 3.5 lg(CFU/g), which is lower than the upper limit 4 lg(CFU/g) of the defined by standard, so it can keep the good quality of steamed bread in the expected guarantee period.

sterilization; packaging; analytic hierarchy process; staple wheat food

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.031

TB486+.3

A

1002-6819(2016)-09-0219-06

徐雪萌，屈凌波，徐 芸. 基于层次分析法的面制主食杀菌及包装生产线设计与试验[J]. 农业工程学报，2016，32(9)：219－224.

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.031 http://www.tcsae.org

Xu Xuemeng, Qu Lingbo, Xu Yun. Design and experiment of aseptic packaging line of staple wheat food with analytic hierarchy process method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 219－224. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.031 http://www.tcsae.org

2015-10-18

2016-01-12

粮食公益性行业科研专项资助项目（201313011）

徐雪萌，女（汉族），河南南阳人，副教授，主要从事粮油食品包装工艺与装备研究。郑州 河南工业大学机电工程学院，450007。

Email：xuxuemeng7439@163.com