殺菌強(qiáng)度（F值）實(shí)時(shí)計(jì)算及殺菌釜智能糾偏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

陳舒航，劉 懿，周建偉，劉東紅，4*

（1浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院 杭州310058 2浙大寧波理工學(xué)院 浙江寧波315100 3江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇無錫214122 4浙江大學(xué)馥莉食品研究院 杭州310058）

殺菌是食品加工過程中重要的環(huán)節(jié)，雖然近年來非熱殺菌技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但是熱力殺菌技術(shù)（對(duì)食品進(jìn)行熱處理，用以滅活引起食品腐敗的微生物）仍是最常用的手段[1]。為定量計(jì)算微生物滅活程度，保證食品安全，引入熱力殺菌強(qiáng)度F值[2]，便于熱殺菌過程的優(yōu)化及控制[3-5]，其計(jì)算公式為：

式中，T——食品冷點(diǎn)的溫度，℃；Tref——?dú)⒕鷺?biāo)準(zhǔn)溫度，℃；Z——微生物耐熱性特征值，℃；t——加熱時(shí)間，s。

因熱量傳導(dǎo)至食品內(nèi)部需要時(shí)間，故不應(yīng)以殺菌釜工藝溫度代替食品冷點(diǎn)溫度計(jì)算最終可獲得的殺菌強(qiáng)度[6]。在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展前，工業(yè)上常用Ball算法[7-8]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)j和f，通過工藝溫度計(jì)算食品冷點(diǎn)可達(dá)到的殺菌強(qiáng)度[9]。隨著可編程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展，將熱電偶等測(cè)溫元件放置在冷點(diǎn)位置，實(shí)時(shí)測(cè)定溫度變化并計(jì)算殺菌強(qiáng)度。趙大云等[10]和鄧力等[11]基于Visual Basic、Labview等計(jì)算機(jī)軟件，開發(fā)出罐頭中心溫度實(shí)時(shí)采集并顯示F值的系統(tǒng)，然而此類方法安裝及操作較為不便，且應(yīng)用精度較高的測(cè)溫元件會(huì)大幅提高成本。

在實(shí)際熱殺菌過程中，由于熱源不穩(wěn)定可能造成殺菌釜實(shí)際溫度偏離控制溫度，導(dǎo)致食品內(nèi)出現(xiàn)微生物滅活程度不足或過度殺菌的情況，影響食品安全，造成能源浪費(fèi)。Simpson等[12]、Teixeira等[13]和Alonso等[14]提出先建立熱傳遞模型，再通過殺菌釜溫度和計(jì)算機(jī)分析預(yù)測(cè)殺菌強(qiáng)度的方法。本文考慮依據(jù)參數(shù)識(shí)別模型，由食品中心冷點(diǎn)溫度時(shí)間曲線，預(yù)測(cè)殺菌工藝完成后食品可獲得的殺菌強(qiáng)度，依據(jù)其與設(shè)定殺菌強(qiáng)度差值，進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，對(duì)殺菌釜的控制溫度及保溫時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)智能糾偏操作。

本文基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套依據(jù)殺菌釜內(nèi)溫度計(jì)算食品中心內(nèi)部溫度，由此計(jì)算食品殺菌強(qiáng)度后進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并依據(jù)殺菌強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)糾偏的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過與殺菌釜的可編程邏輯控制器（Programmable logic controller，PLC）進(jìn)行通信[15-16]，實(shí)現(xiàn)殺菌狀態(tài)及殺菌釜溫度的讀取，在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，通過對(duì)控制器內(nèi)工藝參數(shù)的寫入，實(shí)現(xiàn)依據(jù)實(shí)時(shí)殺菌強(qiáng)度調(diào)整熱殺菌工藝的糾偏操作。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 基本架構(gòu)

該系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示。其內(nèi)部程序部分包括實(shí)時(shí)F 值計(jì)算模塊、糾偏控制模塊和通信模塊。其硬件電路部分包括Atmage128 單片機(jī)、RS485 通信口、掉電保存存儲(chǔ)芯片EEPROM、指示燈等配套電路。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 System architecture diagram

該系統(tǒng)可通過RS485 電纜連接殺菌釜上的控制器（以西門子公司的PLC 為例），基于PPI 通信協(xié)議讀取殺菌釜PLC 存儲(chǔ)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及當(dāng)前殺菌釜溫度，傳入實(shí)時(shí)F 值計(jì)算模塊計(jì)算相應(yīng)時(shí)刻的殺菌強(qiáng)度，依據(jù)實(shí)時(shí)F 值進(jìn)行糾偏計(jì)算，得到新的控制溫度、保溫時(shí)間后寫回殺菌釜控制器。通過通用串行總線（Universal serial bus，USB）連接個(gè)人電腦，利用自主開發(fā)的殺菌釜智能盒維護(hù)軟件“SJFBoxSuit.exe”完成殺菌參數(shù)設(shè)定、與PLC通信設(shè)定、參數(shù)計(jì)算、過程記錄、數(shù)據(jù)保存等操作。

1.2 實(shí)時(shí)F 值計(jì)算部分

構(gòu)建食品冷點(diǎn)溫度與殺菌釜溫度之間的簡(jiǎn)化模型如式（2）所示：

式中，Ti——第i 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的冷點(diǎn)溫度，℃；TRi——第i 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的殺菌釜溫度，℃。

參數(shù)j 和k 分別為滯后因子及溫變因子，由熱滲透試驗(yàn)記錄的冷點(diǎn)溫度和殺菌釜溫度進(jìn)行參數(shù)識(shí)別后求得。根據(jù)Ti及式（3），可計(jì)算第i 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的累計(jì)殺菌強(qiáng)度，記為Freal，將其傳回PLC中，實(shí)時(shí)顯示。

式中，Δt——2 個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，s。

依據(jù)設(shè)定工藝，將其線性化為分段函數(shù)如式（4），生成設(shè)定殺菌釜溫度序列TRi。

式中，TR0——?dú)⒕跏紲囟?，℃；TRH——?dú)⒕販囟?，℃；TRC——?dú)⒕鋮s溫度，℃；tr——升溫結(jié)束的時(shí)間，s；th——保溫結(jié)束的時(shí)間，s，tc——冷卻結(jié)束的時(shí)間，s。

每隔Δt，根據(jù)PLC 傳入的殺菌釜實(shí)際溫度TRi′更新第i 時(shí)刻之前的設(shè)定序列，得到TR[i]′，依據(jù)更新后的溫度序列和式（2）、式（3）可計(jì)算按此工藝進(jìn)行至冷卻結(jié)束，食品中心獲得的殺菌強(qiáng)度，記為F1。

1.3 糾偏控制部分

設(shè)定殺菌過程結(jié)束后食品冷點(diǎn)處需達(dá)到的殺菌強(qiáng)度，記為F0，依據(jù)設(shè)定殺菌強(qiáng)度F0與F1 之間的偏差，由圖2所示的流程，每隔Δt 對(duì)原有工藝中的保溫溫度和保溫時(shí)間進(jìn)行調(diào)整后，將更新后的數(shù)值寫回殺菌釜PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱殺菌工藝的糾偏控制。

圖2 糾偏控制部分流程圖Fig.2 Flow chart for the MCU of the correction part

1.4 相關(guān)說明

1）本裝置以121℃為殺菌標(biāo)準(zhǔn)溫度，以肉毒梭狀芽孢桿菌為對(duì)象菌，取Z=10℃；

2）該裝置基于C 語言在AVR Studio 開發(fā)環(huán)境下匯編調(diào)試，其PC 端維護(hù)軟件“SJFBoxSuit.exe”基于C#在Visual Studio 2008 環(huán)境下編寫，軟件界面如圖3所示；

圖3 殺菌釜智能盒維護(hù)軟件界面Fig.3 Software screenshot for the maintenance of the intelligent box

3）參數(shù)k，j 的計(jì)算可通過維護(hù)軟件進(jìn)行，采用模式識(shí)別算法。

2 材料與方法

2.1 材料與設(shè)備

午餐肉罐頭（產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：GB/T13213），上海梅林食品有限公司。

QSZ-X060501 全自動(dòng)多功能殺菌釜，山東鼎泰勝食品工業(yè)裝備有限公司；902350 刺入式熱電阻，德國(guó)久茂JUMO；三邊封鋁箔包裝袋，蘇州碩遠(yuǎn)包裝有限公司；XK-400 多功能真空包裝機(jī)，蘇州肖卡特自動(dòng)化設(shè)備有限公司。

2.2 試驗(yàn)方法

1）將198 g 午餐肉自罐頭內(nèi)取出，放入包裝袋中進(jìn)行真空包裝，將刺入式熱電阻穿破包裝袋插入食品中心位置后，用膠帶對(duì)開口處進(jìn)行二次密封。

2）熱穿透試驗(yàn) 按圖4所示的熱殺菌工藝，殺菌釜在蒸汽殺菌模式下自動(dòng)運(yùn)行，記錄殺菌釜溫度記錄儀讀取的殺菌釜內(nèi)溫度及熱電阻讀取的食品中心溫度。

3）運(yùn)行“SJFBoxSuit.exe”軟件（如圖2），計(jì)算滯后因子j 與溫變因子k。將設(shè)定殺菌強(qiáng)度（F0=180 s），溫變因子k（k=0.0075）、滯后因子j（j=14）等殺菌參數(shù)與PLC 通信設(shè)定寫入該智能裝置中。

4）用RS485 電纜連接智能糾偏裝置與殺菌釜的控制器，殺菌釜在蒸汽殺菌模式下按圖4b 中的工藝自動(dòng)運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，每隔10 s讀取熱電阻記錄的食品中心溫度及殺菌釜溫度傳感器記錄的釜內(nèi)溫度，記錄熱電阻測(cè)得的食品中心溫度、智能裝置計(jì)算得到的模擬溫度及食品中心的殺菌強(qiáng)度F0。

圖4 殺菌釜溫度-時(shí)間曲線Fig.4 Temperature tendency of the sterilization kettle

3 結(jié)果與討論

3.1 應(yīng)用效果

原工藝中，設(shè)定保溫時(shí)間為50 min，保溫溫度為121℃，設(shè)定殺菌強(qiáng)度F0為180 s（3 min）。殺菌釜溫度、熱電偶所測(cè)的食品中心溫度、該裝置記錄并保存的模擬食品中心溫度如圖5所示。其中食品中心溫度的實(shí)測(cè)值與模擬值之間的偏差為3.12%，RMSE=1.9。應(yīng)用該智能裝置后，為達(dá)到設(shè)定殺菌強(qiáng)度，保溫溫度由121℃調(diào)整為121.5℃，保溫時(shí)間由50 min 調(diào)整為42.7 min。由模擬溫度計(jì)算的殺菌強(qiáng)度為194.2 s（3.2 min），由探針實(shí)測(cè)溫度計(jì)算得到的殺菌值為190.0 s（3.17 min），模擬計(jì)算得到的F 值與實(shí)際值之間的偏差為2.21%，與設(shè)定值均基本保持一致。

圖5 驗(yàn)證試驗(yàn)中殺菌釜溫度、食品中心溫度、殺菌強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Tendency of sterilization temperature in the kettle，temperature at the center of the food and sterilization intensity in the validation test

3.2 討論

試驗(yàn)表明該裝置能較好地完成如下功能：

1）實(shí)現(xiàn)了與不同型號(hào)殺菌釜（搭載西門子PLC）通信，完成讀寫工作；

2）可根據(jù)殺菌釜溫度計(jì)算食品中心溫度，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差較小，滿足工程應(yīng)用要求；

3）實(shí)現(xiàn)了食品殺菌強(qiáng)度F 值的實(shí)時(shí)計(jì)算與顯示；

4）根據(jù)設(shè)定殺菌強(qiáng)度改變殺菌工藝的糾偏操作，有效避免過度殺菌，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)能耗和工時(shí)的節(jié)約。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)適用于搭載可編程邏輯控制器的多種殺菌釜、不同熱穿透特性的食品及多種殺菌工藝，操作簡(jiǎn)單，方便使用者對(duì)熱殺菌過程進(jìn)行監(jiān)控，并可基于殺菌強(qiáng)度進(jìn)行后續(xù)工藝優(yōu)化。該智能裝置的開發(fā)滿足了食品加工智能化的需求，為熱殺菌過程中食品品質(zhì)的提高、能耗的降低提供了一種有效的解決方案。