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食品工业技术论文 计算机技术在食品工业中的应用研究进展

2018-12-04 10:43:21来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘  要:随着社会科技技术与经济的发展,计算机以迅猛态势进入人们的日常生活中。作为高新技术之一,不断革新的计算机技术以其高效性、智能化、灵敏性的特点给各个领域焕发新生。在食品行业中,计算机技术给食品工厂带来了智能化信息管理,优化了流水线的生产和产品的推广。同时,计算机技术应用于食品检测,减少了检测过程的不客观性,提高了检测的效率。近年来,食品行业最具代表的计算机技术分支之一的视觉技术取得了更大的成就,推动了整个食品行业的发展。

  关键词计算机技术;食品工业;食品安全检测;视觉技术

  进入新世纪后,人们对食品的需求逐渐向“新鲜,营养,健康”方向发展,也为食品行业未来发展奠定了主要方向。随着社会需求的不断提升,社会科技水平不断提高,带动了信息技术的高速发展。在食品工业中,最突出的技术变化反映在计算机的应用上。

  1 计算机技术在食品工厂生产中的应用

  1.1 食品工业的计算机控制

  随着中国经济的高速发展,中国信息化有了显著的发展和进步,有效地提高了社会生产力的水平。社会生产规模的不断转型和扩大,计算机技术在工厂中的地位越显重要,为了提高生产资源利用效率,工厂开始采用计算机优化控制生产流程和工艺,既提高了生产效率,又保证生产活动顺利开展。食品加工企业多为程序式生产制造流程,这种流程的按一定规律性对生产加工过程的某些参数进行自动控制的方式称为工厂控制。过程控制有仪表过程控制和计算机控制两种形式,仪表控制系统已难以满足目前日趋大型化、复杂化的现代工业生产要求。计算机自动控制是在传统的模拟的基础上,用计算机代替模拟控制器,通过计算机软件实现各种控制方案的,可以方便、灵活、快速的实现模拟控制器以达到的控制效果[]。将计算机、计算机编程软件和可编程的机械设备用于传统的工业企业,从而自动化食品工业生产制造及智能化了网络化的工厂,从而计算机编程机械设备将代替大多数的人工操作流程,越来越多的食品企业选择以电子信息和计算机技术来优化产业结构,实现产业架构升级,打造全新的食品加工制造业智能化体系。西门子工业系统调试完成后,采用了上位计算机及数据库系统,生产线的工艺调试和工艺变更非常方便,只需简单的上位计算机按钮操作;同时,由于整个生产线的层级通讯设计,各工艺段之间的数据交汇实时进行,各工艺段的生产工艺参数的修改实时完成,对应的机械部分的调整也通过步进控制系统自动完成,无需人工介入[]。所以,计算机技术的改进和发展将为整个食品工业的架构转型升级带来了源源不断的动力。同时,近年来有一批通过引进新技术实现快速成长的食品制造企业崛起,这为食品机械制造行业注入了新的活力。现今,一些大型食品生产企业已经整改生产车间的工作方式,由智能化自动设备代替不必要的人工制造。由此可见,电子信息与计算机技术只有不断地研发革新,才有可能促使机械制造领域的技术在更多产业得到广泛的应用与实践,并且以机器人为代表的智能机械装备的应用将有效拉动我国传统制造业的转型升级,这对电子信息与计算机技术领域而言无疑是机遇与挑战并存[]。

  1.2 计算机模拟技术在食品工业的应用

  食品加工的模拟技术目前多采用计算机程序模拟生产加工中的物理过程、生物和化学反应、流水线生产等多个方面进行模拟。模拟技术还可用于食品企业中的经营决策、生产管理、质量与控制和风险分析等,以探索各种情况下企业的运行效果减少不确定因素的影响所带来的损失。在食品工厂中,借助计算机模拟技术可以实现食品设计虚拟化,由计算机程序模拟完成整个设计过程,这样可以提高生产工作效率,及时发现各种生产过程的缺陷,能够显著压缩食品设计成本。开发新食品过程中,为了保证食品的安全和合适的口味,需要进行多次研究试验才能够找出最合理的成分和搭配方式。随着计算机信息技术的发展, 应用信息技术来辅助食品企业进行产能规划, 使食品企业能够根须消费人群需求变化来灵活调整相应食品包装、口味及生产量, 并在保证生产力的前提下提高食品质量[]。 如果采用计算机建立食品成分配方模型,则能够压缩试验时间,减少食品试验成本。朱静波等人在咖啡饮料配方设计过程中就采用了人工神经网络分析方法,对29个数据组进行了模拟分析处理,得出了最佳匹配方案,有效压缩了食品开发成本和时间,提高了经济效益[]。

  1.3 计算机技术在食品产品推广的应用

  产品推广是企业产品问世后进入市场的必经阶段,也是食品企业获取最大销售量的重要方式。如今食品企业的竞争越来越激烈,要想制造出的食品在市场中取得成功,不仅取决于食品本身的品质,还必须要一定的推广手段,特别是针对尚未打开销量以及不为人知的新食品,重在食品新功能的包装和优点的推广。同时通过信息化的推广,提高了食品企业的品牌,突出了食品企业的核心文化和品牌理念。在信息化的时代,推广手段越来越丰富,现今依托着计算机技术的网站推广、互联网广告设计和企业食品图案设计深受食品企业喜爱,所以大型食品企业已较为普及了企业信息化、电子商务、电子政务、办公及财务自动化等,并建立网站对企业进行宣传、产品展示、供销和人力资源管理。

  2 计算机技术在食品安全检测中的应用

  2.1 计算机技术对于食品安全检验的重要性

  信息化是当今时代发展的大趋势,在这个信息化的时代,人们的衣食住行的生活方式都发生着根本性的变化。近年来食品安全事故频发,从“三鹿奶粉”到毒胶囊、速成鸡等一系列的事件对人民的生命财产安全造成严重的危害,同时也损害了人民对我国食品企业的信心,加强食品安全检测就成了必要的手段。食品检测信息化的利用可以减少效率低下、成本较高的问题,改变传统的食品检验模式,通过计算机进行数据的检验、共享和存储,这样就可以通过信息化手段,将食品药品检验中的每一个环节都精细化,利用信息化手段已经成为了食品药品检验中不可缺少的环节,这是时代发展的基本要求[]。食品安全检测采用计算机技术进行管理,可以快速传递食品检测数据,对相应的环节和过程信息进行有效的管理,减少食品检测过程和标准体系的不良影响。同时,利用计算机技术管理食品安全检测,减少了不必要的人工操作,节省了整个检验时常和检验员的负担,提高了检验效率以及数据公正性,使消费者可以及时观察到食品的检验指数,增强了消费者对食品食用的信心。

  2.2 计算机技术在HACCP的应用

  HACCP是对食品从初级生产至最终消费的过程中,通过对特定危害及其控制措施进行确定和评价,从而确保食品安全的科学性、系统性的方法,它具有较高的经济效益和社会效益,被国际权威机构认可为控制由食品引起的疾病最有效的方法。在食品行业 HACCP 管理体系中应用计算机信息技术主要是根据生产加工环节生成生产流程表, 并在相应关键控制点进行可操作控制。应用于HACCP 的计算机信息技术主要为计划软件和执行软件, 计划软件主要负责进行危害分析和关键控制点确定, 根据实际产品生产操作对可控条件进行完善[]。执行软件主要负责控制每个确定的关键控制点, 收集各个关键点控制的情况并记录保留监测结果, 并及时并自动纠正生产过程出现的问题。应用于HACCP的计算机信息技术在食品企业生产过程中的运作可有效防止食品质量安全问题的发生, 并为生产全程可追溯、信息网络公开透明化提供平台[]。

  2.3 计算机技术在追溯食品生产链系统中的应用

  2015年10月1日,新修订的《食品安全法》正式实施,其中第42条规定,“国家建立食品安全全程追溯制度。食品生产经营者应当依照本法的规定,建立食品安全追溯体系,保证食品可追溯。国家鼓励食品生产经营者采用信息化手段采集、留存生产经营信息,建立食品安全追溯体系”[]。计算机技术应用于追溯食品生产链系统中,可以完成对食品原料采用、生产过程、成品检验、包装、贮存、运输、销售等生态链的跟进,在食品出现质量问题后,及时有效地追溯源头。食品质量安全溯源系统主要的功能模块包括:追溯信息采集、追溯信息传输、用户注册、用户登录、追溯信息查询、追溯信息管理和系统管理[]。溯源系统工作具体流程为:通过传感器将食品蔬菜种植地址及情况、生产批次及流通的信息写入,再通过阅读器读取蔬菜中标签上呈现的信息,并传输到互联网中心数据库中;然后通过追溯源信息的查询模块,输入食品标记的信息,在互联网查询系统中即可查询出食品的详细信息。所有的用户都需要注册追溯系统管理模块的用户才能查询相关信息,追溯系统中一般由系统管理模块的管理员负责信息的管理。所以,发生食品质量安全问题后,要对食品进行追溯时, 计算机信息技术提供了有效的信息共享网络平台[]。在当今食品问题不断曝光的严峻和挑战时期下,如何准确以及快速追溯在食品生产中出现问题的环节,进而对食品质量进行有效的控制是我国相关部门和食品生产企业面临的重要问题。而应用计算机技术可以实现对食品过程的监控和检测,进而提高食品质量,对促进食品行业的健康发展具有积极意义[]。

  3 计算机视觉技术在食品中的应用

  3.1 计算机视觉技术的基本介绍

  近年来,计算机分支之一的计算机视觉技术发展迅猛,深受工业、农业、军事、国防等多个领域的青睐,在各个领域扮演了重要的角色并取得了不少的成就。计算机视觉技术又称机器视觉技术,是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等领域的综合性学科。计算机视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能,用图像传感器来代替人的视觉,从客观事物中获取图像信息,进行处理和加工,最终将信息用于实际的分析检测、工业控制。计算机视觉系统主要由硬件和软件两部分组成, 硬件由图像获取设备和图像处理设备组成。计算机视觉的硬件系统主要包括计算机、CCD 摄像头(或扫描仪)、光室、载物平台等几部分组成, 通过摄像头获得所需要的图像信息, 然后利用信号转换将获得的图像信息转变为数字图像以便计算机正确识别[]。将计算机视觉技术运用于食品工业,有效地提高生产加工的效率,减少了人的主观因素的干扰,提高食品安全检测的公正性和分级的效率,保证了食品物流的连续性。

  3.2 计算机视觉技术在检测微生物中的应用

  计算机视觉技术在微生物的检测应用越来越广泛,主要是针对微生物菌落的处理。食品工业中计算机视觉技术在微生物检测方面的研究和应用以研究单个细胞为主,并在个体细胞的研究上取得了一定的进展[]。殷涌光[]等以颜色特征分辨技术为基础,设计了一套应用计算机视觉技术系统,该技术能快速定量检测食品中大肠杆菌,与传统方法的检测结果比较,该系统不仅具有很好的相关性,检测时间可以控制在18h 以内,可以节省5d 时间,并且能够最大化提高产品品质。Lawless等[]人在相等时间段测定培养基上的细胞密度,然后通过计算机技术建立时间和细胞密度之间的动态关联,利用该关联可以预测并自动检测微生物的生长情况,如通过计算机控制自动定量采集检测对象,然后分析菌落的边缘形态,根据菌落的边缘形态计算机可以显示被检测菌落的具体位置,并且根据动态关联计算机视觉系统可以同时处理多个不同的样品。Bayraktar. B 等[]人采用计算机视觉技术、光散射技术(BARDOT)和模式识别技术相结合的方法来快速检测李斯特菌,在获取该菌菌落中的形态特征有对图像进行分析处理达到对该菌的分类识别。殷涌光等[]人综合利用计算机视觉、活体染色、人工神经网络、图像处理等技术,用分辨率为520 万像素的数字摄像机拍摄细菌内部的染色效果,并结合新的图像处理算法,对细菌形态学的8 个特征参数进行检测,检测结果与传统检测结果显著相关(相关系数R=0.9987),和传统检测方法相比该方法具有操作简单、快速、结果准确、适合现场快速检测等特点。

  3.3 计算机技术在食品分级中的应用

  食品分级中的计算机视觉技术主要是利用食品的颜色不同、形状差异及有无缺陷等进行辨别。与传统人工分级相比,计算机视觉技术分级具有客观性强,结果标准稳定、一致性好、效率高的特点,而且全程是由机械操作,不接触食品,不会对人体或食品造成伤害,是有效替代人工分级的有效方法之一,计算机视觉技术已经成为农业应用一个研究热点。

  3.3.1 颜色检测

  颜色模型是图像处理的基础,常用的有RGB、HSL模型两种。[]在RGB颜色模型中,由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种基本颜色按一定的比例可以表示任何一种颜色。RGB颜色模型是一种面向设备的模型,并不符合人类的视觉心理学,颜色信息和亮度信息分布在RGB 3个分量中。理论分析和试验结果都表明,对于同一颜色属性对象,在光源类型、照度、物体反射等不同条件下,测得的RGB颜色值分布非常分散,且三者相互关联。HSL颜色模型可用于通过色调(H),饱和度(S)和亮度(L)来描述颜色,这与人眼对颜色的感知关系更密切。色调和饱和度H一般由原料的光吸收和物体反射性能来决定,反应颜色的变化更加准确多样,对外界光线条件的变化敏感度低。所以HSL颜色模型比RGB颜色模型更适合于图像处理。

  牛肉等级主要根据牛肉的大理石花纹来评价,目前我国农业部的《牛肉等级标准》按大理石花纹的等级,把牛肉分为7个等级:1级、1.5级、2级、2.5级、3级、3.5级、4级。多采用肉眼进行分级,有比较大的主观性和任意性。牛肉的红色和白色可以通过图像处理转换成黑白图像,然后,可以使用基于计算机的图像识别方法来区分红色和白色比例,并且可以相应地判断牛肉中瘦肉与脂肪的比例。图像预处理后进行量化分析,用C++统计图片中的白色像素,并用阈值分割的方法检测出牛肉中总的大理石花纹白色(脂肪)的分布情况[]。

  3.3.2 形状检测

  在对果实形状进行综合分析的基础上,采用6个特征参数来表征果实形状,并用人工神经网络对果实形状进行识别和分类。这6个特征参数分别是半径指数,连续性指数,曲率指数和半径指标对称性,连续性指数对称性,曲率指数对称性。结果表明,利用提取的特征参数和果形识别技术,计算机视觉技术与人工分类的平均符合率在93%以上。刘刚[]等取得的苹果图像主要由垂直和水平两个方向获得,并且计算机对图像数据的自动分析被执行以处理诸如苹果的外径,体积和圆形的参数。与手工检测相比,计算机视觉技术具有较高的检测效率、良好的测试结果等优点。

  3.3.3 缺陷检测

  用计算机扫描水平和垂直方向,找到与苹果边界相交的点,以确定是否存在果梗。与果实相比,苹果果梗明显窄小,与果实相比,苹果果梗明显变窄,一维线形扫描法能够成功区分果实是否具有果梗从灰度空间的角度来看,标准球的灰度表面完全隐藏了水果的灰度表面,各点灰度差基本接近,但如果水果表面有缺陷点,则发生比较大的灰度差异。因此,缺陷可以用给定的阈值分割。Blasco. J[]通过计算机视觉技术分析柑橘果皮的缺陷,进而对其在线分级,正确率约为 95%。计算机视觉技术在检测食品单一指标或者以一个指标作为分级标准进行分级时具有理想效果,但以同一食品的多个指标共同作为分级标准进行检测分级,则分级结果误差较大[]。

  4 展望

  计算机技术已经使现代食品科学和科技呈现出全新面貌。只要我们认真观察一下食品科学,就会发现计算机技术已经影响了整个食品行业。食品科技的革命是计算机在工艺策划、组织及逻辑分析中发挥重要作用而得以进行的。只有将食品科学研究成果与实际生产相结合,将电子计算机应用于生产过程的在线控制,食品加工业才能跨入电子化、自动化的新时代。

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