統(tǒng)計(jì)過程控制在貴州紅薯粉絲質(zhì)量控制中的應(yīng)用

潘牧 ，李俊，雷尊國(guó)，石義權(quán)，陸國(guó)權(quán)，劉輝

1. 貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所（貴陽 550006）；2. 貴州神康原生態(tài)食品有限公司（黔南 550600）；3. 貴州新起點(diǎn)生態(tài)農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司（貴陽 550025）；4. 浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院（杭州 311300）

紅薯是世界上第六大糧食作物，我國(guó)的紅薯種植面積和產(chǎn)量一直位居世界前列，紅薯及其加工產(chǎn)品在中國(guó)人的餐桌中占據(jù)重要位置[1]。紅薯粉絲作為紅薯的主要加工產(chǎn)品之一，在我國(guó)已有1 400余年的歷史，因其優(yōu)異的口感和晶瑩剔透的外觀，深受廣大消費(fèi)者喜愛，成為了中華民族的傳統(tǒng)美食[2-3]。紅薯中主要含有淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪的營(yíng)養(yǎng)素，同時(shí)還含有維生素、氨基酸、β-胡蘿卜素、礦物質(zhì)、尼克酸、亞油酸和多酚等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[4-5]?，F(xiàn)代研究證實(shí)，相比于其他淀粉類谷物，紅薯熱量低，對(duì)減肥瘦身、延緩衰老具有一定作用，而且還具有健脾胃、壯筋骨、益陰精、補(bǔ)血?dú)獾仁朝煴＝∽饔肹6-7]。貴州傳統(tǒng)的紅薯粉采用手工制作，主要工藝流程有淀粉制芡、調(diào)粉團(tuán)、漏粉、煮熟、冷卻、冷凍和理絲干燥?，F(xiàn)階段紅薯粉絲多采用中小設(shè)備加工生產(chǎn)，但由于貴州當(dāng)?shù)丶t薯粉加工企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小，加工設(shè)備普遍自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化程度低，加工產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)。

統(tǒng)計(jì)過程控制（statistical process control，SPC）是1924年美國(guó)休哈特博士提出的運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的一種技術(shù)。它主要是通過對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)和監(jiān)控過程的運(yùn)行狀態(tài)，找到引起異常的原因和隱患，達(dá)到控制產(chǎn)品質(zhì)量、降低加工成本的目的，是一種以預(yù)防為主的質(zhì)量控制方法[8]。SPC已被廣泛應(yīng)用于卷煙、機(jī)械、汽車、建筑等領(lǐng)域，在降低產(chǎn)品不合格率、減少資源浪費(fèi)、改善產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮顯著作用[9-11]?，F(xiàn)階段，SPC的應(yīng)用也逐漸在向食品領(lǐng)域拓展。朱曉琳[12]將SPC技術(shù)應(yīng)用于速凍薯?xiàng)l生產(chǎn)，分別研究切割、分選、漂煮和干燥等工序?qū)嵤┙y(tǒng)計(jì)過程控制的流程和方法，并繪制控制圖監(jiān)控生產(chǎn)過程，有效地避免不合格品的產(chǎn)生、減少浪費(fèi)并提高速凍薯?xiàng)l生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果。馮波等[13]研究SPC在保健品片劑片重控制中的應(yīng)用，通過結(jié)合HACCP計(jì)劃執(zhí)行，過程能力級(jí)別由Ⅴ級(jí)提高到了Ⅱ級(jí)，過程能力指數(shù)提高72%，產(chǎn)品的不合格率降低，生產(chǎn)穩(wěn)定性顯著提高。劉銳等[14]研究SPC技術(shù)對(duì)掛面加工過程的質(zhì)量控制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SPC可以顯著提升和面過程中面團(tuán)水分均勻度和穩(wěn)定性，提高掛面質(zhì)量。

SPC技術(shù)的核心在于質(zhì)量控制圖的繪制，同時(shí)也是監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程是否處于可控狀態(tài)的重要手段[15]。質(zhì)量控制圖能夠更準(zhǔn)確地發(fā)掘食品企業(yè)生產(chǎn)過程中的問題，彌補(bǔ)生產(chǎn)管理中的漏洞?；谫F州紅薯粉絲生產(chǎn)過程中生產(chǎn)規(guī)模小、不規(guī)范操作較多等一系列問題，引入SPC技術(shù)，能夠解決以往僅憑工人經(jīng)驗(yàn)、主觀判斷等手段管理生產(chǎn)的問題。因此，試驗(yàn)以貴州神康原生態(tài)食品有限公司紅薯粉絲生產(chǎn)線為例，初步將SPC技術(shù)應(yīng)用于紅薯粉絲生產(chǎn)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控糊化工序粉絲水分和水分均勻度，繪制控制圖，分析原因并提出相應(yīng)的控制方法和控制參數(shù)，通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝有效提升紅薯粉絲質(zhì)量和加工穩(wěn)定性，旨在為SPC技術(shù)在貴州紅薯粉絲生產(chǎn)加工各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

在貴州神康原生態(tài)食品有限公司紅薯粉絲生產(chǎn)車間連續(xù)監(jiān)測(cè)上料、制芡和糊化工序，記錄下車間溫度、濕度，淀粉用量、加水量、制芡時(shí)間，選取糊化工序后的粉絲進(jìn)行分析。

1.2 儀器與設(shè)備

BR-WS210型溫濕度記錄儀（金湖博銳儀表有限公司）；CP214型分析天平[奧豪斯儀器（常州）有限公司]；DHG-9030型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 紅薯粉絲生產(chǎn)工藝流程

紅薯淀粉、水→制芡→糊化→成型→低溫老化→干燥→包裝→成品

1.3.2 紅薯粉絲質(zhì)量形狀分析

水分測(cè)定，參照GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》中直接干燥法；灰分測(cè)定，參照GB 5009.4—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測(cè)定》中食品中總灰分的測(cè)定方法；水分均勻度測(cè)定：測(cè)定5個(gè)不同部位的紅薯粉絲中水分，以其水分的變異系數(shù)表示其水分均勻度，變異系數(shù)越大表示均勻度越差[16]。

1.4 質(zhì)量波動(dòng)分析方法

控制圖能及時(shí)反映產(chǎn)品質(zhì)量的正常波動(dòng)和異常波動(dòng)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)日期內(nèi)的數(shù)據(jù)變化繪制控制圖，控制圖上下限等于樣品數(shù)據(jù)的3倍標(biāo)準(zhǔn)差，若統(tǒng)計(jì)過程處于控制狀態(tài)，則大約有99.7%的子組值將落在控制界限之內(nèi)[17]。對(duì)于平行組數(shù)據(jù)少于10的工序過程，采用平均值-極差（Xbar-R）控制圖。對(duì)于只有1個(gè)數(shù)據(jù)的工序過程，采用單值-移動(dòng)極差（I-MR）控制圖。

根據(jù)休哈特控制圖[13]異常判斷原則，符合如下任意1種或以上情況即屬于異常現(xiàn)象：（1）1點(diǎn)出界；（2）連續(xù)3點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的2σ（σ為標(biāo)準(zhǔn)差）以外；（3）連續(xù)5點(diǎn)中有4點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的σ以外；（4）連續(xù)6點(diǎn)遞增或者遞減；（5）連續(xù)8點(diǎn)在中心線2側(cè)，但無一點(diǎn)在中心線±σ以內(nèi)；（6）連續(xù)9點(diǎn)落在中心線一側(cè)；（7）連續(xù)14點(diǎn)中相鄰上下交替；（8）連續(xù)15點(diǎn)在中心線±σ以內(nèi)。

1.5 工序過程能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

工序過程能力指數(shù)（Cp）是評(píng)價(jià)工序是否滿足生產(chǎn)需求的重要指標(biāo)，是指工序處于穩(wěn)定狀態(tài)下的實(shí)際加工能力[18]。Cp=T/6σ，T為工序公差，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。Cp值越大，說明產(chǎn)品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的離散程度越小，過程能力越穩(wěn)定；Cp值越小，說明產(chǎn)品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的離散程度越大，過程能力越不穩(wěn)定。工序過程能力可以根據(jù)Cp大小分為5個(gè)等級(jí)，判斷標(biāo)準(zhǔn)見表1[19]。

表1 過程能力指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.6 異常波動(dòng)分析方法

采用5 why分析法對(duì)數(shù)據(jù)變異來源進(jìn)行分析，即從原因（why）、地點(diǎn)（where）、時(shí)間（when）、對(duì)象（what）、人員（who）5個(gè)方面尋找造成某項(xiàng)結(jié)果的眾多原因，繪制數(shù)據(jù)變異來源圖[20]。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，集合10人以上的有關(guān)人員進(jìn)行討論分析，腦力激蕩。并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)掘所有相關(guān)問題，經(jīng)討論確定發(fā)生原因后，根據(jù)重要性之大小進(jìn)行標(biāo)示。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析

采用統(tǒng)計(jì)軟件Excel 2010，SPSS 17.0和Minitab 17進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅薯粉加工過程中糊化工序統(tǒng)計(jì)過程控制分析

紅薯粉絲加工過程中，糊化后含水量和水分均勻度能夠有效反映紅薯粉絲的質(zhì)量形狀。通過測(cè)定，2021年11月8日到2021年12月2日貴州神康原生態(tài)食品有限公司同一條生產(chǎn)線上糊化后紅薯粉絲的平均含水量為48.94%，平均水分均勻度為7.20%（見表2）。糊化后紅薯粉水分均勻度的變異較大。

表2 糊化后紅薯粉絲質(zhì)量性狀分布 單位：%

紅薯粉糊化后水分和水分均勻度的Xbar-R和I-MR控制圖如圖1和圖2所示。由圖1可知，過程能力指數(shù)（Cp）=0.05，說明紅薯粉糊化過程能力很差，水分具有異常波動(dòng)。25 d中，第3，第13和第21天的水分明顯高于控制圖的控制上限，為異常波動(dòng)點(diǎn)。第6和第25天的水分明顯低于控制圖的控制下限，為異常波動(dòng)點(diǎn)。由圖2可知，Cp=0.14，25 d中，第12天水分均勻度明顯高于控制圖上限，為異常波動(dòng)點(diǎn)。需要對(duì)這些異常波動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖1 紅薯粉絲水分的Xbar-R控制圖

圖2 紅薯粉絲水分均勻度的I-MR控制圖

2.2 紅薯粉加工過程中糊化工序控制圖波動(dòng)因素分析

與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜摇⑵髽I(yè)技術(shù)人員、生產(chǎn)工人和管理人員交流，從原料淀粉和水、加工工藝、設(shè)備、人員操作、車間環(huán)境等方面分析可能的波動(dòng)原因，共發(fā)掘14個(gè)影響因素（圖3）。查閱分析異常波動(dòng)點(diǎn)當(dāng)天的生產(chǎn)記錄（原料特性、加工設(shè)備、工藝參數(shù)、人員操作等），并與相關(guān)人員進(jìn)一步交流討論，查找每個(gè)異常波動(dòng)點(diǎn)最可能的原因。第3，第13和第21天的水分高于控制上限，可能的原因有：加水過量；加水速度過快；攪拌不均勻；攪拌時(shí)間不足。第6和第25天的水分明顯低于控制圖的控制下限，可能原因有：水箱閥門控制不足，導(dǎo)致加水量少；紅薯淀粉含水量低；攪拌不均勻；沒有達(dá)到最低攪拌時(shí)間。

圖3 糊化工序數(shù)據(jù)變異來源圖

2.3 糊化工序質(zhì)量控制方法

通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變異來源，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程，從原料、設(shè)備、工藝、人員操作4個(gè)方面提出糊化工序質(zhì)量控制方法。

2.3.1 原料

建立專用原料基地，開展訂單農(nóng)業(yè)，控制種植品種。一般要求，瀝干后的淀粉含水量在38%～42%，干燥后的紅薯淀粉灰分含量低于1.0%。采用溫水制芡，制芡時(shí)的水溫在25～30 ℃。

2.3.2 設(shè)備

原有的人工攪拌工序改為機(jī)械攪拌。機(jī)械攪拌可以迅速地將淀粉和水混合均勻，并能控制攪拌速度和時(shí)間。機(jī)械攪拌設(shè)備與糊化工序匹配，制芡后的紅薯淀粉實(shí)現(xiàn)連續(xù)上料連續(xù)糊化。改進(jìn)加水裝置，實(shí)現(xiàn)流速和水溫實(shí)時(shí)檢測(cè)，并定期檢測(cè)供水裝置是否發(fā)生堵塞。

2.3.3 工藝

紅薯淀粉制芡前過0.180 mm（80目）孔徑網(wǎng)篩，使淀粉原料顆粒均勻。制芡工序采用勻速攪拌，攪拌時(shí)間不低于10 min，得到均勻一致的淀粉糊。固定加水量，使淀粉糊最終含水量達(dá)到48%～50%。

2.3.4 人員

對(duì)生產(chǎn)工人、技術(shù)人員和管理人員進(jìn)行上崗培訓(xùn)。生產(chǎn)工人每周進(jìn)行生產(chǎn)檢討及學(xué)習(xí)，熟練掌握生產(chǎn)工藝和關(guān)鍵防控環(huán)節(jié)。制定操作規(guī)程，生產(chǎn)工人必須嚴(yán)格按照規(guī)程參數(shù)工作。關(guān)鍵操作工序配備操作記錄本，并嚴(yán)格執(zhí)行操作記錄核查制度。上崗前進(jìn)行消毒處理，換崗前需要上報(bào)班組長(zhǎng)同意并嚴(yán)格按照崗位操作流程處理。

2.4 控制效果評(píng)估

對(duì)紅薯粉加工的相關(guān)工藝流程進(jìn)行改進(jìn)，并在生產(chǎn)中執(zhí)行、實(shí)施。于2022年2月14日至3月10日進(jìn)行重新監(jiān)測(cè)，重新繪制控制圖（圖4和圖5）。

從圖4的Xbar-R控制圖看，CL=49.39%，中心線比改進(jìn)之前上調(diào)0.45，改進(jìn)后上限從53.83%下調(diào)至49.50%，下限從44.06%上調(diào)至49.28%，上下限收縮明顯。從樣本點(diǎn)的分布來看，改進(jìn)前25 d中有5 d為異常點(diǎn)，改進(jìn)后的水分的檢測(cè)值均位于控制線內(nèi)，且隨機(jī)分布，沒有明顯的規(guī)律和傾向。證明改進(jìn)后的加工過程中糊化工序水分處于受控狀態(tài)。

圖4 改進(jìn)后水分的Xbar-R控制圖

從圖5的I-MR控制圖看，CL=5.06%，中心線比調(diào)整之前下調(diào)2.14，改進(jìn)后控制上限從17.86%下調(diào)至6.37%，控制下線從-3.45%上調(diào)至3.74%，上下限明顯收縮，控制要求水平明顯提高。從樣本點(diǎn)的分布來看，改進(jìn)后的檢測(cè)值均位于控制線內(nèi)，且分布更加穩(wěn)定。證明改進(jìn)后的面團(tuán)水分分布更加均勻，穩(wěn)定性更好。

圖5 改進(jìn)后水分均勻度的I-MR控制圖

對(duì)改進(jìn)前后糊化工序水分和水分均勻度的控制能力進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果見表3。改進(jìn)后的水分和水分均勻度控制圖極差均顯著降低，過程更加穩(wěn)定。水分Cp從0.05升高至1.62，工序能力從四級(jí)升高至二級(jí)，水分均勻度Cp從0.14升高至1.10，工序能力從四級(jí)升高至二級(jí)。改進(jìn)后不合格產(chǎn)品數(shù)量明顯降低，加工過程達(dá)到正常水平。

表3 改進(jìn)前后糊化工序過程能力分析

3 結(jié)論

以貴州神康原生態(tài)食品有限公司紅薯粉絲生產(chǎn)車間為例，對(duì)紅薯粉絲生產(chǎn)過程中糊化工序進(jìn)行SPC監(jiān)控，通過Xbar-R和I-MR控制圖法分析異常波動(dòng)，確定主要影響因素。從原料、設(shè)備、工藝、人員操作4個(gè)方面提出糊化工序的控制方法和控制參數(shù)，并對(duì)控制效果進(jìn)行評(píng)估。SPC作為紅薯粉生產(chǎn)過程的控制工具，糊化后水分和水分均勻度波動(dòng)均明顯降低，過程能力指數(shù)均顯著提高，不合格產(chǎn)品數(shù)量明顯降低。SPC作為紅薯粉絲質(zhì)量控制工具，具有良好的應(yīng)用前景，但紅薯粉絲生產(chǎn)過程中影響因素很多，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)掘更多的加工控制點(diǎn)，建立完善的SPC防控流程，提升產(chǎn)品品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。