計算機輔助對紫薯泥罐頭殺菌工藝優化

王文成,吳錦清,黃麗卿,楊葉輝,邱澄宇

1(漳州職業技術學院 食品工程學院,福建 漳州,363000) 2(福建紫山集團有限公司,福建 龍海,363100)3(集美大學,福建 集美,361021)

罐頭食品的熱殺菌是20世紀以來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的逐漸興起,罐頭產品作為一種傳統的食品也迎來了快速的變革[3]。它不再單一地出現在終端的消費市場上,而更多地出現在甜品、奶茶、冰淇淋、預制菜等半成品市場。一方面新的消費趨勢促使罐頭生產企業加快產品研發,以迎合市場的需求,另一方面多數企業對待罐頭產品開發往往出于保守穩妥的心態不愿意嘗試新工藝,導致新產品開發速度變緩或產品殺菌過度現象時有發生[4-5]。

泥狀類罐頭流動性差、傳熱慢,企業在采用大罐型馬口鐵罐生產泥狀類罐頭的過程中,容易出現部分產品殺菌不充分或殺菌過度的現象,進而引發食品安全或品質劣變問題。評價罐頭加熱殺菌程度,主要通過考查罐頭殺菌溫度、殺菌時間和對象菌致死率值的關系來評定。業界普遍采用一般法或古典法來推算殺菌F值。該方法是將整個熱殺菌過程中目標微生物的致死率值累積求和,用其值的大小評價其最終殺菌效果,由此推算出合理的殺菌溫度和時間條件的組合,并通過驗證試驗來確定具體的殺菌工藝[6]。這種方法盡管較為準確,但是在實際的企業生產過程中只能就現有的殺菌工藝來驗證殺菌的程度,但對企業研發新產品而言,一般法無法根據需要進行工藝上的調整。

多年來,不少學者嘗試著簡化預測方法來實現對產品殺菌F值的預測,如毛偉杰等[7],針對平板型罐頭食品研究熱殺菌過程中心部分殺菌值的簡單計算方法。CHEN等[8-9]采用視位置數值解法(the apparent position numerical solution, APNS)求解球面傳熱方程進而預測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力學模型計算圓柱形罐滅菌過程中的總致死量。IBRAHIM等[10]采用數學建模對顆粒液體食品的傳熱方程進行了解析和數值求解,以評估某些工藝參數對顆粒的時間-溫度分布和產品中的致死值的影響。近年來隨著計算機相關軟件的開發與應用,也有學者利用計算機進行罐頭食品的殺菌過程模擬與結果的預測,達到了較好的效果[11]。JAHANBAKHSHIAN等[12]采用計算流體力學(computational fluid dynamic, CFD)方法,對圓柱形的裝有橄欖和6%酸鹽水的金屬罐殺菌過程進行了數值模擬,并研究這過程中的傳熱傳質過程。楊英華[13]采用計算機優化技術對傳導型罐頭食品熱殺菌過程進行探討。劉東紅課題組[14-17]采用了多物理場仿真軟件comsol mutiphysics先后對不同種類的以及不同形態的罐藏食品熱殺菌的過程分別了深入的研究并實現了較理想的預測結果。

值得指出的是,采用數值模擬類的計算軟件進行預測,其原理多基于有限元法[18]。盡管該方法具有較高的精度,但在前期需要對產品的物理性質,如動力黏度、比熱、密度等參數進行測定。由于當前罐藏加工行業里多數企業無法配備如此齊全的檢測儀器,加之檢測過程較為繁瑣且該方法更適合成分較為單一的產品開發。因此,在實際的企業生產中,該技術在推廣和應用上受到一定的影響。

在我國,采用Ball公式法計算殺菌F值最早由輕工業部食品發酵工業科學研究所陳祥奎、黃福南等罐藏加工專家引入并推廣[19-21],后被我國罐藏協會采納,該公式屬于半經驗公式,其科學性已經得到多方面的檢驗[6,22]。該方法的優點在于產品開發過程中不需要測定過多的產品性質參數,便于企業人員的應用。但由于全過程依靠人工計算,且涉及多次人工繪圖與判別,容易出現誤差,也限制了該方法在罐頭企業的廣泛應用。目前國內熟練掌握該計算方法的技術人才在罐頭企業中已難覓。綜上分析,從企業實用生產角度看,若能結合計算機技術進行計算與繪制判別,將會有較好的應用前景。本研究基于此思路,課題組在前人的基礎上,以紫薯泥罐頭的企業生產為例,應用計算機輔助罐藏殺菌工藝設計,同時配合采用指標隸屬度方法綜合評價,確定最優生產工藝,為今后同行加快罐頭產品生產開發提供參考。

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,南方食品機械有限公司;FSI-WL系列無線溫度記錄儀(PT100),漳州食品科技應用研究所;HL ColorQuest XE分光測色儀,HunterLab,上海信聯創作電子有限公司;Smart200m5 3D顯微鏡,德國蔡司。

1.2 實驗方法

1.2.1 試驗流程

工藝流程如下:

紫薯→清洗→去皮→漂燙→切丁→粉碎→加水→預煮→調配→脫氣→裝罐→調初溫→封蓋→插探頭→殺菌→冷卻→讀數

1.2.2 試驗過程

按照SN/T 4414.1—2015《出口食品熱加工設備熱分布檢驗規程》要求檢測全自動高壓殺菌鍋的熱分布狀況,確定殺菌鍋的冷點位置;將紫薯泥進行預處理并經脫氣后裝入試驗罐(#9121馬口鐵罐)中,裝罐留5 mm頂隙;預先在罐蓋中心打孔,測定罐體冷點位置;將探針測溫點固定在罐體冷點處;將試驗罐放置在殺菌鍋的冷點處,待殺菌結束后,讀取殺菌過程探頭溫度。

1.3 產品安全評價

商業無菌,按GB 4789.26—2013《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 商業無菌檢驗》方法評價。

1.4 試驗軟件

課題組自編罐頭食品加熱殺菌條件Ball公式法計算軟件,軟著登字2468866,計算數據準確性依照已發表的文獻數據核實并確認[20-21]。

1.5 感官評價

采用模糊數學法,對罐頭殺菌工藝調整前后的紫薯泥產品的感官質量進行評價。邀請10名訓練有素的小組成員組成評定小組,對紫薯泥產品的香氣、滋味、顏色、組織狀態和整體可接受性5個方面,分別按照從1(弱)～5(強)進行逐一評分。樣本的呈現順序是隨機的,分數以平均分表示[23-24]。

1.6 指標隸屬度

運用隸屬度綜合評分法,將恒溫時長、感官評價2項指標隸屬度對罐藏殺菌工藝進行綜合評分[25],其中:

恒溫時長t隸屬度,按照公式(1)計算:

(1)

式中:ti表示恒溫時長指標值;tmax表示恒溫時長指標最大值;tmin表示恒溫時長指標最小值。

感官評價s隸屬度,按照公式(2)計算:

(2)

式中:Si表示感官評價指標值;Smax表示感官評價指標值最大值;Smin表示感官評價指標值最小值。

最后按式(3)進行加權得殺菌工藝的綜合分Z。

Z=al1+bl2

(3)

式中:l1為指標1的隸屬度;l2為指標2的隸屬度;a為指標1的權值;b為指標2的權值。本文取a=0.5,b=0.5。

2 結果與分析

2.1 原殺菌工藝過程數據分析

將試驗樣品按照1.2.2節試驗過程要求,置于殺菌鍋的冷點處。試驗采用升溫10 min,恒溫86 min,殺菌溫度121 ℃的紫薯泥罐頭加熱殺菌工藝,恒溫階段結束后,用25 ℃冷卻水噴淋冷卻60 min,殺菌結束后讀取罐頭冷點位置的溫度數據,以每3 min間隔的溫度數據錄入,殺菌過程熱穿透基礎數據見表1,得到如圖1所示熱穿透曲線,計算得到試驗殺菌過程中產品累積F值為4.69。

表1 罐頭殺菌過程熱穿透基礎數據Table 1 Basic data of heat penetration during sterilization process

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

對圖1熱穿透曲線采用半對數坐標處理,采用最小二乘法擬合線性關系作圖,合并升溫曲線、恒溫曲線、冷卻曲線作產品傳熱分析圖(圖2)。

圖2 產品傳熱分析Fig.2 Heat transfer analysis of products

通過分析,紫薯泥罐頭升溫曲線符合簡單型傳熱曲線規律,計算后得到過程中間結果如表2所示,最終得到過程性傳熱參數如表3所示。

表2 罐頭殺菌熱穿透過程中間結果數據Table 2 Intermediate result data of heat penetration during sterilization process

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

通過上述分析,預測在現有的10′-86′/121 ℃殺菌條件下,#9121罐型紫薯泥罐頭的F值為4.55,對比實際試驗殺菌過程中產品的累積F值4.69,二者數值接近,相對誤差=-2.99%,預測值比累積值小,且相對誤差絕對值<5%,說明計算得到的傳熱參數可靠,可以采納作為產品的殺菌工藝調整的預測。

2.2 工藝優化

保持目標F值4.55 不變,通過表3的熱穿透參數值,初溫控制在(69±1) ℃,利用計算機預測恒溫殺菌溫度分別為119、120、121、122和123 ℃時所需的罐頭恒溫殺菌時間,并進行實際試驗驗證,其預測目標F值與試驗F值的對比如表4所示。

表4 不同恒溫殺菌溫度下預測值與實際值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間。有資料表明,雖然通過提高恒溫殺菌溫度的方法可以有效縮短殺菌時間,但是也會造成罐內不同區域產品F值區別很大,這使得產品品質變得不均勻,特別是一些色度較淺且傳熱類型為傳導型的產品,如芋泥、板栗泥等,容易引發內外褐變不一致的現象[24]。

為了進一步探究罐邊緣與罐中心的紫薯泥的質量區別,分別取這兩處的紫薯泥,采用3D光學顯微鏡進行觀察,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光學顯微鏡觀測圖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倍的成像區別并不明顯,當放大到900倍時,可以看出在罐邊緣的紫薯泥的溝槽較罐中心的深且結構較緊密,說明受熱時間較長使紫薯泥組織間含水量減少,這可能也會影響紫薯泥的口感。

采用分光測色儀對10′-93.3′/119 ℃與10′-79.5′/123 ℃殺菌工藝生產的產品分別進行色度檢測,如表5所示。從檢測的結果可以看出,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,這說明其色澤偏暗偏紅;罐內不同位置的紫薯泥的L值和A值的差別均不大(<5%),說明加熱對罐邊緣與中心的紫薯泥的影響有細微差別,這是由于紫薯泥色澤較深,且顏色與美拉德反應產生的色澤較為接近,因此兩種工藝在色澤上變化影響并不明顯。

表5不同殺菌工藝產品色度對比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2.2節試驗生產的紫薯泥罐頭,采用1.5節感官評價方法進行感官評分,采用1.6節指標隸屬度評價方法進行隸屬度評分,評分數據列表整理如表6所示。

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

從表6的數據上看,采用10′-81.5′/122 ℃工藝生產的產品綜合分最高,可以作為工藝調整的參考。采用殺菌公式10′-81.5′/122 ℃進行生產驗證3次,現場得到累積的F值為4.71±0.15,相對誤差在5%以內,對三批次產品進行抽樣檢測,結果符合GB 4789.26—2013商業無菌要求,說明產品F值預測有效,可以作為新工藝在生產過程中使用。

3 結語

本試驗采用計算機輔助對馬口鐵#9121罐型的紫薯泥罐頭的殺菌工藝進行了優化。試驗結果表明,設定罐頭初溫為 69 ℃和安全F值為4.55的條件下,結合產品感官評定、隸屬度評分和安全性評定的結果,確認對#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。此結果在企業生產中實際應用,可顯著縮短罐頭殺菌時間,提高設備利用率,實現節能增效的目標。本試驗思路與方法也可以作為罐頭企業通過計算機輔助使用Ball公式法對罐頭產品開發工藝優化提供參考借鑒。