基于統計過程控制的液態奶脫脂工序評價分析

張正勇+馮楠+王海燕

摘 要：本實驗以液態奶脫脂工序為研究對象，研究構建工序過程評價分析方法。以紫外光譜法為數據采集方法，獲取液態奶質量特性數據，結合質量波動控制圖分析方法，從兩個方面論證了本文提出的脫脂工序評價分析方法的適用性。其一為以液態奶紫外光譜特征吸光度值為輸入，其二是以紫外光譜全譜數據計算出的相關系數值為輸入，構建了液態奶脫脂工序單值移動極差控制圖。結果顯示，工序受隨機因素影響時，質量特性值圍繞控制圖中心線，在上下控制限范圍內波動。據此，可建議作為評價液態奶脫脂工序的分析用控制圖，具有一定的實際監控脫脂工序的適用性。

關鍵詞：統計過程控制 液態奶 脫脂工序 紫外光譜 控制圖

近年來，牛奶制品質量安全事件時有發生，引起生產者、消費者和監管部門的密切關注，針對奶制品質量安全控制技術的研究也成為熱點問題之一。截至日前，國家先后出臺多項產品標準、檢測標準，規定了牛奶制品的營養指標、安全指標、含量限量及相關檢測方法[1]。本課題組發展了基于表面增強拉曼光譜法的牛奶中極微量保鮮劑硫氰酸鈉檢測方法[2]，因現有研究主要集中于牛奶制品的質量安全指標事后檢驗，以發現、剔除不合格品為主要目的，故常常忽略了生產過程的控制[3]。統計過程控制技術是一種借助統計學原理設計而成的過程控制方法，通過監控生產工序中相關質量特性值變化規律，實現工序過程的控制以及對早期異常波動發出預警[4，5]。

脂肪是牛奶制品的重要組成部分，也是牛奶制品重要的營養物質指標，在液態奶生產工序中脫脂工序，又稱為脂肪標準化工序，是液體奶生產的關鍵工序之一[6]。本文以液態奶脫脂工序為研究對象，利用統計過程控制基本原理，通過紫外光譜法測試液態脫脂奶的光譜吸收值，繪制了具有較高實用價值的液態奶脫脂工序質量波動控制圖，并進一步結合相關系數評估方法，分析了實驗工序的波動情況。

1 材料及方法

1.1 原料和試劑

實驗用某品牌液態脫脂奶（2%）、含脂奶（6%），購置于南京市蘇果超市。乙醇（色譜純，≥99.8%）購置于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 實驗儀器與設備

新世紀T6型號紫外光譜儀，北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 液態奶脂肪含量紫外光譜測試

取干凈玻璃小瓶，先后加入3mL乙醇，50μL液態奶，振蕩混合后置于4℃冰箱中靜置反應1h后，取出樣品，在13000rpm（轉/分鐘）條件下離心15min，取上清澄清液以備測試使用。以乙醇為零點，使用紫外光譜儀測試上述樣品溶液，得到待測樣品的紫外光譜數據。

1.3.2 數據處理

1.3.2.1 控制圖計算

本文使用單值移動極差控制圖，單值控制圖計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 液態奶紫外光譜分析

脂肪是牛奶的重要組成成分，其含量通?？煞从撑ｓw的健康狀況，同時也是評估牛奶質量的常用指標[7]。在工業生產上，采購液態奶后，由于各奶品來源不同，一般要進行脂肪標準化工序，以滿足現實中不同人群的消費需求[8]。脫脂工序又稱脂肪標準化工序，是奶品生產環節中的關鍵工序之一，在工業生產上主要采用高速離心法來生產不同脂肪含量的牛奶制品[6]。目前，常見的牛奶制品中脂肪含量檢測方法主要有乙醚、石油醚提取稱重法，以及硫酸水解離心測試法[9]，不過，這些檢驗方法需要用到有害溶劑，樣品前處理操作也較為費時耗力，難以適應生產線快速檢測的迫切需求。為構建較為快速、簡便、適用于生產一線需求的脂肪含量測定方法，本文采用紫外光譜法[10]進行測定。使用紫外光譜法測定液態奶中的脂肪含量有多種優勢，主要表現在紫外光譜儀是實驗室常用光譜儀器，價格低廉、操作簡單、測試速度快、易于攜帶，適合現場測試。

實驗使用無水乙醇沉淀去除水溶性的蛋白、多肽等干擾物質，提取出脂溶性的脂肪分子，溶于乙醇溶液，進而采集樣品的紫外光譜，如圖1所示，脂肪含量2%的為脫脂奶，脂肪含量6%的為含脂奶。圖示可以看出，液態奶有3個明顯的紫外吸收峰，分別是205nm、235nm和280nm處。參考已有文獻，可做如下歸納分析，205nm吸收峰源自于脂肪?；械碾p鍵，230nm吸收峰源自于未酯化的脂肪酸的共軛二烯鍵，280nm吸收峰源自于未酯化的脂肪酸的共軛三烯鍵[11]。同時，可以看出隨著液態奶脂肪含量的增加，其相應的紫外吸光度明顯增加，據此可直接判斷液態奶脫脂工序的生產狀態。

2.2 液態奶脫脂工序質量控制圖分析

目前，質量波動控制圖在機械制造領域運用較多，在食品尤其是牛奶制品領域的應用案例還相對匱乏。本實驗對液態奶脫脂工序的質量波動情況進行了評估分析，首先收集了25個市售脫脂奶樣品經處理后的紫外光譜圖，208nm處的紫外光譜吸光度值與測試奶樣品的脂肪含量有較強的線性關系[10]，故選擇208nm處的吸光度值數據，運用單值移動極差控制圖計算方法，得到如圖2所示的控制圖。從圖2A單值控制圖可以看出，脫脂奶在208nm處的吸光度值圍繞均值0.6704，在上控制限0.7474以及下控制限0.5934的控制范圍內上下波動，沒有測試樣品的實測吸光度值躍出控制限，說明液態奶脫脂工序僅受到隨機因素的影響，體系處于可控穩定狀態。此外，同樣測試條件下，液態含脂奶（6%）在208nm處的紫外吸光度值為1.146，大于上控制限0.7474，躍出了控制范圍，進一步說明，此控制圖可有效判別脫脂工序的工作狀態。圖2B移動極差圖可近似反映測試數據的分散情況，中心線為0.029，上控制限為0.0946，下控制限為0。從圖示看，各點圍繞中心線上下波動，沒有點躍出控制限，可認為測試數據分散性在合理范圍，脫脂工序處于可控狀態。

2.3 液態奶脫脂工序相關性分析

此前的討論分析主要利用了液態奶在紫外光譜208nm處的吸光度值，信息利用率相對較低，因此，嘗試以紫外光譜200～350nm的全部數據為輸入，進一步開展相關系數分析[12，13]。首先，研究液態脫脂奶（2%）樣品間相關性情況，如圖3A所示，隨機選擇了兩個液態脫脂奶（2%）樣品，結果顯示兩者間有很高的相關性，相關系數達到0.999634。作為對照，在同樣條件下分析了液態脫脂奶（2%）樣品1與液態含脂奶（6%）樣品1間的相關性。從圖示可見，線性關系有所偏移，相關系數值為0.994294，低于液態脫脂奶樣品間相關系數值，據此可運用相關系數值對液態脫脂奶樣品間的穩定一致性進行定量判別分析。如表1所示，隨機選擇9個液態脫脂奶實驗樣品，并計算各樣品間的相關系數值，結果顯示最小值為0.998228，且絕大部分數值在0.999以上，進一步表明液態脫脂奶樣品間存在較高的相關性，說明該脫脂工序運行的產品穩定一致性處于較高水平。

實驗進一步說明，以25個液態脫脂奶的紫外光譜平均值作為其理論真值的最佳估計值，并分別計算了25個液態脫脂奶紫外光譜數據與此平均值間的相關系數，得到25個相關系數值，按照單值移動極差控制圖計算方法，得到了如圖4所示的控制圖。從圖4A單值控制圖可以看出，各液態脫脂奶樣品相關系數值圍繞均值0.999695，在上控制限1.000144及下控制限0.999245的控制范圍內上下波動，由于相關系數值的理論最大值為1，故此單值控制圖的上控制限需修正為1.000000。沒有測試樣品的實測相關系數值躍出控制限，說明液態脫脂奶樣品間存在較高的穩定一致性。同樣測試條件下，液態含脂奶（6%）與液態脫脂奶（2%）均值的相關系數值為0.99404，小于下控制限0.999245，躍出了控制范圍，進一步說明此控制圖可有效判別脫脂工序的工作狀態。圖4B移動極差圖，可反映測試數據相關系數間的分散情況，運算結果是中心線為0.000169，上控制限為0.000552，下控制限為0。從圖示看，各點圍繞中心線上下波動，沒有點躍出控制限，可認為測試數據分散性在合理范圍。不過，需要進一步指出的是，點的變化趨勢正常與否也是判斷控制圖穩態與否的重要依據，如15～19點連續接近控制限，一般情況需給予密切關注，以排除工序異常的可能。在本試驗中，15～19點的相關系數接近于1，說明工序的產品質量特性值與樣品平均值非常接近，質量水平較高，表明在這一階段工序中存在有利于產品質量提升的因素。

3 結論

本實驗以市售液態奶的脫脂工序為監控分析對象，以紫外光譜法為數據采集方法，獲取了液態奶的紫外光譜，表征了其脂肪含量信息，并利用統計過程控制方法，以質量波動控制圖為分析手段，構建了液態脫脂奶脫脂工序的紫外光譜單值移動極差控制圖。從紫外光譜特征吸光度值以及全譜相關系數值兩個方面論證了質量波動控制圖在脫脂工序監控應用分析領域的適用性。結果表明，此控制圖可有效監控脫脂工序的運行狀態，加強脫脂工序的過程監控，起到工序異常波動早期預警的作用，具有較高的實際應用價值。

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基金項目：國家自然科學基金（61602217，71433006，71373117），江蘇省高校自然科學研究面上項目（16KJB150015）資助。