響鈴卷生產裝備設計與試驗

董楸煌，葉一均，葉大鵬

（1.福建農林大學 機電工程學院，福州 350002；2.福建省農業信息感知技術重點實驗室，福州 350002；3.福建省現代農業裝備高校工程研究中心，福州 350002）

0 引言

響鈴卷是一種大豆精深加工的豆制品，因營養豐富、豆香濃郁而深受廣大消費者喜愛，市場需求量日益增加。然而響鈴卷的生產模式仍以手工為主，存在生產效率低、勞動強度大、生產環境惡劣、衛生條件差等問題，嚴重制約了響鈴卷加工產業的發展。農業現代化發展進程中，農產品深加工過程的自動化和智能化是必然趨勢［1-2］。進行響鈴卷加工的標準化、自動化生產裝備的研發設計與推廣應用，將有助于提高響鈴卷產品質量的穩定性和食品安全性，對于產業的轉型升級具有重要的促進作用。

為了保證響鈴卷產品品質的穩定，對生產工藝流程和工藝參數進行分析研究非常必要。在油炸過程中，豆腐皮質構和品味等會發生較大變化［3-5］。針對油炸食品加工工藝，鐘艷春等在不同油炸工藝下對相關制品進行分析［6-8］，結果表明，油炸時間與油炸溫度等因素對油炸制品品質的影響特別顯著。陳志偉等［9］設計一種豆腐皮炸卷機，并使用不同方案對炸卷進行成功率的試驗，表明油溫控制的穩定性和卷制成型方法對加工成品品質有較大影響。

通過對響鈴卷手工生產模式工藝流程的分析，設計一套響鈴卷自動化炸卷設備，通過試制樣機，并進行生產加工測試試驗，以確定較優生產工藝參數，為響鈴卷標準化、自動化加工工藝參數的確定提供參考。

1 整機設計與工作原理

1.1 響鈴卷生產工藝流程分析

響鈴卷手工生產模式工藝流程主要分為上料、油炸、卷制和下料4個環節。在油炸過程中，豆腐皮水分快速蒸發并產生美拉德反應，使得豆腐皮質構發生變化［10］。在卷制冷卻后，迅速變黃變硬，完成定型。當油炸時間過短、油炸溫度過低時，豆腐皮色澤不佳，滋味生澀，形態松散不定型；當油炸時間過長、油炸溫度過高時，成品色澤偏深，有焦糊氣味和苦澀滋味［11］；當卷壓時間過長、卷壓力度過大時，豆腐皮破碎或者卷制松散。

1.2 整機設計與工作原理

響鈴卷自動化生產加工設備設計如圖1所示。

圖1 樣機設計方案Fig.1 Prototype design scheme

模仿人工生產工藝流程，主要由上料、炸卷、下料及循環回轉式傳動鏈條等功能模塊組成。在倒三角形傳動鏈條上均勻布置5個仿筷機構。當仿筷機構運動到上料工位時，傳動模塊短暫停止，上料模塊的機械手吸盤吸取油豆腐皮送入仿筷機構。上料結束后，傳動模塊鏈條帶動仿筷機構將油豆腐皮送入炸卷模塊中進行油炸和卷制成型。成品響鈴卷由下料模塊中的抓手沿著仿筷的軸向推出，落到集料裝置中。仿筷機構是在圓形軸一端焊接兩金屬條，兩金屬條之間有1段細長的軸向縫隙，用于放置油豆腐皮。軸上安裝1個小齒輪，當與卷壓板上的齒條嚙合時，可以使仿筷機構自轉，實現豆腐皮卷制成型，具體結構如圖2所示。

圖2 仿筷機構Fig.2 Chopstick imitation mechanism

整個生產過程中，通過倒三角形的傳動鏈條逆時針循環轉動，將各個功能模塊聯系在一起，同時使各個功能模塊工作時間重疊，提高整機的工作速度。系統由多傳感器融合的PLC進行自動化控制。

2 試驗方案設計

為驗證所設計的響鈴卷自動化生產加工設備的實際生產效果，試制樣機如圖3所示。試驗原材料：油豆腐皮（長270 mm，寬80 mm，厚1 mm）、花生油。

圖3 試制的樣機Fig.3 Trial produced prototype

設置油炸時間、油炸溫度、卷壓板間距為試驗因素，以成功率、矩形度為試驗指標［12］，進行試驗，試驗過程如圖4所示。將油豆腐皮隨機分為9組，每組15張，在生產加工完成后，取響鈴卷進行矩形度測量，取平均值作為最終結果。試驗采用三因素三水平正交試驗方案，試驗因素和水平如表1所示。

表1 試驗因素水平表Tab.1 Table of test factor levels

圖4 試驗過程Fig.4 Test process

炸卷成功的響鈴卷顏色金黃、卷制成形；炸卷過焦、炸卷夾生、卷制不成形或無法下料等情況均為炸卷失敗。

炸卷成功率的計算式如下：

式中 Y1——成功率；

Ja——成功數；

Jb——生產加工總數。

矩形度表示響鈴卷縱截面積與其最小外接矩形面積之比，體現縱截面與矩形的相似程度，即：

式中 Y2——矩形度；

S0——縱截面積；

Smer——縱截面的最小外接矩形的面積。

采用機器視覺技術，對成功生產的響鈴卷俯視圖片進行圖像處理，得到縱截面邊緣輪廓，并根據邊緣輪廓結果得出其矩形度。

3 試驗結果與分析

按照L9（34）對響鈴卷自動化生產加工設備進行測試，正交試驗方案與結果如表2所示。成功率為57.78%～100.00%，矩形度為77.08%～88.74%。

表2 試驗方案與結果Tab.2 Test scheme and results

為確定油炸時間、油炸溫度和卷壓板間距的較優組合，對上述試驗結果進行極差分析，結果如表3所示。影響成功率的主次因素順序依次為卷壓板間距、油炸時間、油炸溫度，較優組合為A3B3C2；影響矩形度的主次因素順序依次為卷壓板間距、油炸溫度、油炸時間，較優組合為A3B3C3。

表3 極差分析Tab.3 Analysis of rate range

為進一步探究各因素的顯著性影響，對試驗結果進行95%置信度下的方差分析，結果如表4所示。以成功率為試驗指標，卷壓板間距的影響為極顯著，油炸時間與油炸溫度的影響為不顯著；以矩形度為試驗指標，卷壓板間距的影響為顯著，油炸時間與油炸溫度的影響為不顯著。

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

卷壓板間距對成功率影響為極顯著，對矩形度影響為顯著，因為卷壓板間距過小會使響鈴卷卷制過緊，導致下料失??；卷壓板間距過大會導致卷制不成形。2種情況均會導致成功率降低。

由于在極差與方差的分析結果中，以成功率、矩形度為試驗指標的較優組合不一致，因此對炸卷效果進行綜合評價分析。成功率評價值T1和矩形度評價值T2計算式如下：

根據生產需要，首先保證產品炸卷成功，再對炸卷形狀進行提升。根據相關油炸食品感官評價標準，形狀分數占比約20%［13］，因此取成功率評價值的權重比為0.8，取矩形度評價值的權重比為0.2。則綜合評價值計算式：

炸卷效果的綜合評價值越高，說明炸卷效果越好，其分析結果如表5所示。對炸卷效果影響的主次因素依次為卷壓板間距、油炸時間、油炸溫度。較優組合為A3B3C2，即油炸時間3.5 s、油炸溫度210 ℃、卷壓板間距35 mm。

表5 綜合評價分析表Tab.5 Comprehensive evaluation analysis table

4 結語

本文設計的響鈴卷自動化生產加工裝備，可實現自動上料、炸卷和下料的連續循環生產。為了保證響鈴卷品質的穩定性和可靠性，通過生產工藝過程的分析，確定油炸時間、油炸溫度和卷壓板間距為主要影響因素。為了量化分析上述因素對品質的影響，以成功率和矩形度為試驗指標，進行正交試驗和數據分析。試驗結果表明，設備的較理想運行控制工藝參數為油炸時間3.5 s、油炸溫度210 ℃、卷壓板間距35 mm。

響鈴卷自動化生產裝備的結構形式采用循環回轉的鏈傳動方式，可有效提高生產效率。如果與上游原材料（油豆腐皮）生產裝備和下游響鈴卷品質檢測裝備集成，將有助于實現整個生產過程的一體化，助推產業鏈的升級。