文章信息
- 卢中山, 张楠, 杜世伟, 李毅念, 李春保, 陈玉仑
- LU Zhongshan, ZHANG Nan, DU Shiwei, LI Yinian, LI Chunbao, CHEN Yulun
- 基于模糊理论的猪胴体喷淋作业参数优选
- Fuzzy optimization of spray chilling parameters of pig carcass
- 南京农业大学学报, 2017, 40(4): 750-757
- Journal of Nanjing Agricultural University, 2017, 40(4): 750-757.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201612045
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文章历史
- 收稿日期: 2016-12-28
2. 南京农业大学食品科技学院, 江苏 南京 210095;
3. 江苏省食品集团有限公司, 江苏 南京 210031
2. College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
3. Jiangsu Food Group Co., Ltd, Nanjing 210031, China
生猪屠宰后, 为抑制致病、腐败型微生物繁殖[1], 胴体通常会立即移入7 ℃以下的环境中进行风循环预冷处理[2], 胴体与环境的热交换产生1.85%~3.5%的冷却干耗[3], 给企业带来较大的经济损失[4]。2015年我国猪肉生产量为5 487万t[5], 按当年年底均价21.89元·kg-1计算[6], 0.1%的预冷干耗则意味企业产生约12亿元的直接经济损失。为此, 近年来研究人员纷纷采用诸如套袋[7]、控制冷却时间及冷却环境[8]、二段式冷却[9]、涂膜[10]等方法进行冷却降耗研究, 但受各方面条件的限制, 诸类方法目前仍停留在研究阶段, 难以运用于生产实践。
雾化喷淋冷却自1987年在美国和加拿大应用于牛胴体的降耗研究以来[11], 由于效果良好, 现已逐步应用于包括猪胴体在内的多类胴体的降耗研究中[12-14], 相关结果也表明, 对猪胴体表面进行喷淋增湿, 可将其干耗降低至0.6%~0.7%[15-16], 因此该法具有广阔的应用前景。尽管雾化喷淋具有较好的降耗效果, 但仍存在作业时间长(降耗至1%需8~12 h)[3, 15], 喷淋参数选择不当造成的胴体微生物总量上升、货架期缩短[17], 胴体表面过红、变亮或发灰[11, 16], 甚至出现水痕进而影响销售等问题。因此, 若要获得满意的喷淋作业效果, 需在改进喷淋方式的同时, 综合考虑优劣属性具有模糊特性且物理含义不同的干耗、色泽、水痕等指标的综合影响, 以优选出最佳的喷淋参数。为解决不同物理意义指标的综合优化问题, 不少学者通过引入模糊理论, 将不同指标体系合理统一为对应的指标隶属度, 经综合评价分析后获取与实际情况相符的优选参数, 已在包括食品[18]、农业[19]等领域的参数优化研究中获得成效。
本文拟采用前期高频、后期低频的喷淋方式, 选取相应的喷淋参数为试验因素, 以猪胴体的干耗、色泽、水痕等为优化指标, 通过正交试验进行参数优化试验, 运用频数统计法确定指标权重后用模糊数学原理构建其隶属函数, 经模糊运算得各试验的综合评价值后, 通过直观分析获得最佳的喷淋参数, 以期为实际喷淋降耗作业参数选择提供参考。
1 材料与方法 1.1 猪胴体样品春季(2016年3月)在江苏省食品集团有限公司选取饲养和运输等环节相近并按照标准化屠宰工艺[20]进行屠宰的三元杂交[杜洛克父本×(长白父本×大白母本), DYL]猪胴体(未剥皮、去爪), 每组试验40头, 胴体质量(90±10) kg, 置于同一预冷库内进行喷淋冷却处理。
1.2 试验设计传统喷淋通常采用固定频率的方式, 如Jones等[3]和张向前等[15]在整个喷淋过程中分别采用间隔30 min喷淋60 s、间隔15 min喷淋90 s的喷淋方式。为更有效降低冷却干耗, 减少喷淋冷却时间, 根据宰后猪胴体冷却前期温度较高, 水分蒸发速率快, 干耗大(前2 h约占24 h总体干耗的49%)[21], 后期温度低, 蒸发速率慢的特点, 将喷淋过程分为高频段(喷淋前期1~5 h, 后腿中心温度约为42~33 ℃)和低频段(喷淋后期5~13 h, 后腿中心温度约为33~20 ℃), 相应选取高频喷淋总时长(A)、高频喷淋间歇时长(B)、低频喷淋总时长(C)、低频喷淋间隔时长(D)、单次喷淋时长(E)作为试验因素, 选取L25(56)正交表进行正交试验。其中L表示正交表, 25表示试验次数, 5表示因素水平数, 6表示最多可以安排6个因素(本试验为5因素, 空余一列)。
1.3 测定项目与方法在进行喷淋参数优选时首先要确定优化目标。喷淋效果是由关系企业经济效益的干耗, 影响消费者消费热情的胴体表面色泽、水痕等指标相互耦合而成, 故在降低干耗以减少企业经济损失的同时, 还需改善胴体表面感官品质从而更好地迎合消费者的需求, 所以本研究将猪胴体的干耗、色泽和水痕等指标作为优化目标。
1.3.1 干耗宰后胴体在冷却环境中不可逆的蒸发散热带走水分造成冷却干耗。测定方法:宰后猪胴体试样入库前在冷库外的电子单轨称(量程500 kg, 精度0.2 kg, 梅特勒-托利多(中国)公司生产)上称量并记录, 待喷淋冷却24 h后再称取其质量, 按照式(1) 计算各试验的干耗(RL)。
(1) |
式中:WI、WO分别为胴体的入库总质量和出库总质量。
1.3.2 色泽胴体的色泽是消费者最关心的问题, 其好坏直接影响肉品的市场价格[22], 肉品的颜色主要由其表面的L*、a值来表征[23]。测定方法:待喷淋冷却24 h后, 在每组试样中均匀间隔选取10头作为测试样品, 将胴体腹腔中心点作为测定点, 运用便携式色差仪(HP-C200, 上海汉普光电科技有限公司)测定其L*、a值后并分别取平均值。
1.3.3 水痕喷淋不均匀(循环风扰动或胴体相互遮挡等原因造成雾滴不能喷淋至胴体所有部位)会产生水痕(图 1), 目前关于猪胴体水痕的研究尚少, 但它作为一项由雾化喷淋产生的影响胴体整体感官效果的指标, 其存在也影响消费者的接受程度。测定方法:冷却24 h后, 将事先准备好的100 cm×20 cm、10 cm×10 cm、5 cm×5 cm的塑料薄膜紧贴于1.3.2节中选取的猪胴体表面, 测取猪胴体表面积和水痕面积, 按式(2) 计算各试验的水痕(RWT):
(2) |
式中:SWT为水痕面积; SPC为猪胴体表面积。
1.4 试验结果统计根据正交试验设计及各指标测定方法进行正交试验和指标测定。
2 喷淋参数优选模糊参数优选主要有4个环节, 即权重的确定、模糊关系矩阵的确定、算子的选择和综合评价值的直观分析与优选。喷淋参数优选的基本流程如图 2所示。
2.1 评价指标集和对象集的建立以干耗(u1), 色泽中的L*值(u2)、a值(u3), 水痕(u4)为评价指标, 建立指标集U={u1, u2, u3, u4}, 以25组正交试验d1、d2、…、d25为评价对象, 则评价集D={d1, d2, d3, …, d25}。
2.2 权重集的建立采用频数统计法确定指标的权重, 考虑专业结构合理的因素, 邀请江苏省食品集团有限公司具有代表性的60位专家, 包括喷淋技术人员12位和胴体品控及销售人员48位, 让专家在不受外界干扰的情况下写出自己认为最适宜的猪胴体的干耗、色泽、水痕权重, 且满足三者权重之和为1。运用频数统计法确定各指标权重:将得到的各指标权重分为5组, 每组的组距h=(Mi-mi)/5。式中:Mi为该指标权重最大值; mi为最小值。分别统计专家提出的权重落在每个小组内的频数并计算得到频率, 统计结果如表 1。取小组中频率最高组中值为该指标权重, 则得到干耗、色泽、水痕的权重分别为:0.33、0.35、0.2。将色泽的权重再细分为L*、a值的权重, 且认为这2个权重相等, 经归一化处理得干耗、L*、a、水痕的权重集(A)。A=(ω1、ω2、ω3、ω4)T=(0.375 0.199 0.199 0.227)T, ∑ωi=1, i=1、2、3、4。
2.3 指标隶属函数的构建隶属函数是对模糊现象、模糊概念所具有客观性的一种定量刻画, 根据模糊数学原理建立评价指标的隶属函数后, 可将多指标正交试验中量纲和物理意义完全不同的指标体系合理统一为指标隶属度, 使不同指标在隶属度大小上具有可比性。得到隶属函数后, 可将实测指标值转换为范围为0~1的隶属度值, 0表示对该指标值极不满意, 1则表示十分满意。建立隶属函数的方法包括模糊统计法、指派方法、专家法、二元对比排序法等, 本文根据不同指标的优劣性质选取与之相适应的隶属函数构建方法。
2.3.1 干耗隶属函数的构建干耗偏大或偏小均会对生产造成不利影响, 偏大会产生较大经济损失, 偏小则使得胴体含水量大, 不利于延长其货架期, 甚至造成更大损失, 因此, 干耗属于中间型指标。模糊统计法能较好地得到中间型指标隶属函数, 本文运用该法确定干耗隶属函数A1(x)。具体方法:请上述60位专家写出各自认为最适宜的干耗(%)范围, 经统计, 得到专家提出的范围均落在[0.45%, 1.75%]的范围中。取每组组距为0.1, 可再对每位专家提出的范围进行统计, 例如某位专家认为满意的干耗范围是[0.9%, 1.1%], 则该专家提出的意见落在[0.85%, 0.95%)、[0.95%, 1.05%)、[1.05%, 1.15%)小组里, 对应小组频数也分别加1。汇总所有专家意见得到表 2所示的干耗隶属度频率表并运用Origin 8.0画出对应的直方图, 通过取各小组的中值点并连续描出曲线得到A1(x)函数图(图 3-a)。
2.3.2 色泽隶属函数的构建色泽偏红或偏白均不利于销售, 也属于中间型指标, 本文通过让每位专家选取2头各自认为较优色泽的胴体, 并用色差计测取所选胴体测量点的L*、a值, 例如某专家选取胴体的L*值为70.79、77.69, a值为-0.15、3.2, 则认为该专家提出的满意的L*范围为[70.79, 77.69], a范围为[-0.15, 3.2], 同理, 运用模糊统计法可得到L*、a隶属函数, 如图 3-b、3-c所示。
2.3.3 水痕隶属函数的构建水痕属于越小越好型指标, 根据小而优的原则采用指派法建立水痕隶属函数A4(x)。
(3) |
式中:x为猪胴体水痕实际的测定值; xmax和xmin分别为水痕实测值中的最大值和最小值。通过该公式可将实测的水痕转换为对应的隶属度值。
2.4 模糊评价矩阵的建立由隶属度值构成模糊关系矩阵。干耗、L*、a的隶属度可通过在Origin 8.0中打开A1(x)~A3(x)函数图并使用其上的screen reader功能, 以获取与试验指标值对应的隶属度值。由式(3) 可将试验得到的水痕值转化为对应的水痕隶属度, 由得到的所有试验指标的隶属度可构建模糊关系矩阵R:
式中:ri, j表示第i组试验的第j个指标的隶属度, i表示正交试验号, 取值为1~25;j为1、2、3、4时分别表示干耗、L*、a、水痕。以矩阵R的第1行为例, 0.584、1、1、0.886分别表示第1组试验中干耗为1.22%、L*为76.32、a为2.33、水痕为2.15%时对应的隶属度。该组试验的L*、a隶属度为1表示该组胴体表面色泽极好, R的其他行依此类推。
2.5 模糊综合评价值的计算在得到权重集A和模糊评价矩阵R后, 需选取适当的模糊算子将A与R进行合成, 得到各被评事物的模糊综合评价结果向量B。
常见的模糊算子包括:1) Zadeh算子(∧, ∨)又称主因素决定型算子, 其决策结果主要是由数值最大的因素决定, 其他因素不影响评价结果。2) 广义算子(∨, ∙)和(⊕, ∧)又被称为主因素突出型, 它们与Zadeh算子接近, 但区别在于比算子更精细一点, 且得到的决策结果可以在一定程度上反映非主要指标。3) 广义算子(⊕, ∙)又被称为加权平均型, 其在评判中体现了整体特性, 因为其对所有因素依权重大小均衡兼顾。
比较而言, 广义算子(⊕, ∙)既考虑了各因素的权重大小, 也在结果中体现了被评价对象的整体特征, 所以本研究采用该算子进行模糊综合评价。由2.2和2.5节中得到的权重集A与模糊矩阵R按照广义算子(⊕, ∙)对应的公式B=R∘A, 得:
计算得到模糊评价集B={0.852, 0.575, 0.654, 0.550, 0.534, 0.621, 0.678, 0.590, 0.674, 0.664, 0.716, 0.724, 0.648, 0.407, 0.566, 0.716, 0.586, 0.498, 0.574, 0.569, 0.331, 0.436, 0.362, 0.206}T。各试验综合评价结果见表 3。
2.6 综合评价结果直观分析及参数优选在将各试验得到的指标值进行模糊综合评价得到综合评价值后, 还需对综合评价值进行直观分析[24], 才能得到理论优选参数。对表 3的综合评价值进行直观分析得到的结果如表 4所示, 其中, Ki(i=1, 2, 3, 4, 5) 表示某个因素第i个水平的所有评价指标结果之和, i为因素的水平数。由分析结果可知因素A、B、C、D、E分别在水平2、5、1、4、1时对应的综合评价值最大, 故理论优选喷淋参数为:A取2 h, B取9 min, C取4 h, D取40 min, E取10 s。
2.7 优选参数验证理论优选参数还需进行试验验证后才能判定为最优参数[25], 由于优选参数不在所设计的正交试验中, 故还需再进行试验验证其喷淋效果。选取80头同类型的猪胴体进行喷淋验证试验, 结果见表 5, 优选参数的干耗为1.07%、L*为77.95、a为-0.05、水痕为2.16%, 综合评价值为0.883, 优于表 3中25组试验的综合评价值, 说明理论优选参数符合预期效果。
3 讨论传统的喷淋参数选择方式是通过工作人员将干耗作为目标, 根据经验确定喷淋参数进行喷淋作业, 没有综合考虑猪胴体表面感官及品质, 存在较大的随意性和主观性, 本文在改进传统喷淋冷却工艺的基础上, 运用模糊数学法将模糊的指标值进行量化, 转化为对应的隶属度后, 使不同物理意义的指标值具有可比性, 能对多个目标进行精确优化, 具有优化目标明确、全面、客观的特点, 依据专家经验得到的优选方案更符合生产需求。
优选参数只需在喷淋前期2 h进行高频作业, 后期4 h低频喷淋即可将24 h冷却干耗降低至1.07%, 喷淋效果优于套袋的1.42%[7]、二段式冷却的1.40%[9]、涂膜的1.6%[10], 说明雾化喷淋确实能有效降低干耗, 干耗1.07%对应的隶属度为1, 表明喷淋降耗效果完全满足企业需求。从节省喷淋时间的角度而言, 相比于Jones等[3]、张向前等[15]采用固定频率喷淋工艺需8~12 h才能将干耗降低至1%左右, 优选方案只需约6 h即可达到相同目的, 这是因为胴体前期温度高, 水分蒸发快, 使用前期高频喷淋的方法可及时补充其表面水分, 后期温度低, 水分蒸发慢, 进行低频喷淋作业即可; 相比于张向前等[15]、李红民等[26]单次喷淋时长60~90 s, 优选方案单次喷淋时长可缩短至10 s, 这表明在每次喷淋过程中喷淋量不必过多, 只需在胴体表面喷上一层薄水膜即可, 大量的喷淋不仅对降耗影响不明显, 且在增加生产成本的同时, 造成冷库湿度过大从而使胴体受微生物污染的可能性变大。
就胴体色泽而言, 优选方案验证试验得到L*为77.95, a为-0.05, 与之对应的隶属度分别为0.692、0.852。虽然L*的隶属度偏低, 但猪胴体整体的表面色泽红润、效果较佳, 可以被企业接受, 这也说明模糊优选方法不可能将所有指标达到最满意的状态, 而只能使各指标达到综合较优。最终的水痕为2.16%, 其隶属度为0.884, 对表面感官影响不大, 对企业销售影响也不明显。此外, 在后续研究中还可以通过提高喷淋装置的喷淋均匀性来减少水痕, 以更好地改善胴体表面感官品质。由于不同的猪品种表面色泽也存在较大差异, 企业对其色泽满意的标准也不同, 对干耗的需求也可能存在差异, 故最优喷淋参数还需根据不同生产企业具体情况进行修正以获得满意的喷淋效果。同时, 猪的性别也可能会对试验结果产生影响, 而由于所在企业生产实际限制, 还无法将公母猪进行区分冷却, 故在本文中未进行讨论, 其影响可在后续工作中展开研究。
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