肉类菜肴连续翻炒设备的设计与评估

《Journal of Food Engineering》：Design and Evaluation of Continuous Stir-Frying Equipment for Meat Dishes

基于中式肉菜连续翻炒设备研发，通过多参数耦合优化（刮刀角度22.5°时搅拌效果最佳，45°时翻炒时间最短），结合EDEM离散元模拟与正交-响应面分析法验证，开发的新型鼓型设备在保持菜品综合质量（误差<5%）前提下，生产效率较商用设备提升7%。该设备创新采用刮刀式搅拌装置，攻克了传统间歇式设备无法连续生产的技术瓶颈。

　　随着现代生活节奏的加快和双收入家庭数量的增加，即食食品已成为现代食品工业的重要组成部分。根据统计数据，2024年全球即食食品市场规模达到了5446亿美元，其中中国市场以1490亿美元的规模位居全球首位（Huang et al., 2025）。尽管工业化菜肴提供了便利性，但在其加工和生产过程中仍存在诸多问题。例如，加工技术和设备的落后导致当前市场上产品种类繁杂且质量参差不齐，这加深了消费者对工业化菜肴的偏见，限制了其健康快速的发展（Zhang et al., 2022）。因此，如何提升工业化菜肴的加工效率和产品质量，成为当前食品工程领域亟需解决的关键课题。

在中国，炒菜技术可以追溯到汉代（公元前202年 - 公元220年），当时主要使用青铜炊具来炒制谷物。到了宋代（公元960年 - 1279年），炒菜技术得到了广泛应用，许多以“炒”命名的菜肴也相继出现。目前，中国共有超过18000种菜肴，其中70%为炒菜。炒菜的工艺与煎、炸、烤、煮等其他烹饪方式存在显著差异，其菜肴质量受到炒制时间、加热功率以及搅拌频率等多重因素的影响。虽然传统烹饪技艺能够制作出高质量的菜肴，但其过度依赖个人经验，难以实现大规模连续生产。然而，目前市面上的中式烹饪设备主要采用批处理模式，只有在完成当前的烹饪任务后，才能进行下一轮的烹饪。这种模式无法实现菜肴的连续和快速生产，从而无法满足工业化烹饪的生产需求（Zhang et al., 2025）。

当前市场上主要的工业化炒菜设备包括双层锅式炒锅、塔式炒锅以及鼓式旋转炒锅（Fu et al., 2010; Inagawa et al., 2021）。尽管这些设备能够用于大规模的工业化菜肴生产，但它们只能进行简单的旋转操作，容易导致食材与锅底接触不足，抑制美拉德反应，减少风味物质的释放，从而影响菜肴的质量和风味（Khan et al., 2015）。近年来，国内外研究者也尝试开发智能、高质量的烹饪设备。Chapin Roger设计了第一台菜肴烹饪机器人（Chapin, 1985），该设备具备自动搅拌和翻炒等功能，能够在烹饪过程中根据设定程序精确控制温度、搅拌速度和时间。YAN等（2013）以及Liu等（2022）分别开发了一种适合炒制中式菜肴的烹饪机器人，能够独立完成炒菜过程。Adler-Nissen（2006）则开发了一种鼓式连续炒菜设备，用于炒制蔬菜，该设备采用螺旋输送装置，能够在大规模生产的同时确保菜肴的风味。此外，近年来还出现了多种炒菜设备，如Inagawa等（2021）开发的炒菜设备，能够通过操作不同的烹饪工具，利用机械臂自动将在线食谱编码并转换为烹饪程序。

上述学者在炒菜设备的结构、搅拌方式、炒制工艺和加热方式等方面进行了深入研究。然而，在工业化菜肴的连续炒制过程中，仍然存在两个主要挑战：（1）尽管烹饪机器人高度智能化和自动化，但它们只能实现小规模和批处理的炒制，无法满足大规模工业化菜肴的生产需求；（2）螺旋搅拌和输送装置存在搅拌不均和物料堵塞的风险。针对上述问题，基于不同炒制时间对菜肴质量的影响理论，开发了一种适合中式肉类菜肴的连续炒菜设备，以实现工业化炒菜过程的标准化和质量控制。该设备采用了刮板式搅拌和输送装置，能够用于大规模连续炒制。该设备的开发为中式菜肴的连续加工提供了新的思路。

在本研究中，选择了猪里脊肉作为研究对象，并以炒制后的综合质量作为优化指标。通过正交实验和响应面分析方法，对不同参数组合下的炒制效果进行了系统研究。实验结果表明，在最优加工条件下（具体为刮板角度22.5°，电磁功率29.2 kW，搅拌速度29.6 rpm），猪里脊肉切片的综合质量达到了最大值。验证实验进一步表明，实验值与预测值之间的误差小于5%。比较实验结果显示，该设备炒制的猪里脊肉综合质量是传统工艺的54%，但其生产效率比同规格的商用炒菜设备提高了7%。该设备在提高加工效率的同时，也保持了一定的质量水平，为工业化炒菜提供了一种可行的解决方案。

为了验证该设备的性能，使用了离散元模拟软件EDEM对炒制过程进行了仿真。通过对比不同刮板角度下的搅拌效果和炒制时间，发现当刮板角度为22.5°时，搅拌效果最佳，食材分布最为均匀。而在45°和67.5°的情况下，大部分食材在达到一定高度后随刮板掉落，导致搅拌效果不佳。从模拟结果来看，刮板角度为45°时，物料的输送速度最快，但此时食材的分布不够均匀，可能影响最终的菜肴质量。而当刮板角度为22.5°时，虽然输送速度较慢，但搅拌效果最佳，能够实现更均匀的受热和风味物质的释放，从而提高菜肴的整体质量。

此外，该设备的结构设计也考虑了如何实现连续生产。与传统的批处理模式不同，该设备能够在不间断运行的情况下完成整个炒制过程，从而提高生产效率。通过实验和模拟的结合，研究人员能够对不同参数组合下的设备性能进行全面评估，为设备的优化提供科学依据。同时，该设备还能够实现对炒制过程的精确控制，确保每一批次的菜肴质量稳定。这不仅有助于提高生产效率，也能够降低人工操作的误差，提高产品的标准化程度。

在实际应用中，该设备的性能得到了验证。实验结果表明，该设备炒制的猪里脊肉在综合质量上优于传统工艺，但在生产效率上则比商用设备有所提升。这表明，该设备在保持菜肴质量的同时，也能够满足工业化生产的需求。此外，该设备还具备良好的适应性，能够根据不同类型的菜肴调整参数，以实现最佳的炒制效果。这种灵活性使得该设备能够应用于更广泛的中式菜肴生产中，而不仅仅是猪里脊肉。

综上所述，本研究通过系统的实验和模拟分析，开发了一种适合中式肉类菜肴的连续炒菜设备。该设备不仅能够实现大规模连续生产，还能够在保持菜肴质量的同时提高生产效率。实验和模拟结果表明，刮板角度为22.5°时，搅拌效果最佳，能够实现更均匀的受热和风味物质的释放，从而提高菜肴的整体质量。而当刮板角度为45°时，虽然输送速度最快，但此时搅拌效果较差，可能影响最终的菜肴质量。因此，在实际应用中，需要根据具体的菜肴类型和加工需求，选择合适的刮板角度，以实现最佳的炒制效果。

此外，该设备的开发还为中式菜肴的工业化生产提供了新的思路。传统的中式菜肴加工方式主要依赖人工操作，难以实现标准化和大规模生产。而该设备通过自动化和智能化的手段，能够实现对炒制过程的精确控制，提高生产效率和产品质量。这种设备的出现，不仅有助于推动中式菜肴的工业化发展，也能够满足现代消费者对高质量、便捷性食品的需求。随着食品工业的不断进步，类似的连续加工设备有望在更多类型的中式菜肴中得到应用，从而进一步提升中式菜肴的生产效率和产品质量。

在研究过程中，研究人员还探讨了不同参数组合对炒制效果的影响。通过正交实验和响应面分析，研究人员能够系统地评估不同参数组合下的设备性能，并找到最优的加工条件。实验结果表明，在最优加工条件下，猪里脊肉的综合质量达到了最大值，而设备的运行效率也得到了显著提升。这种优化方法不仅适用于猪里脊肉的炒制，也能够推广到其他类型的中式菜肴中，从而实现更广泛的工业化应用。

最后，该设备的开发还得到了多项科研基金的支持，包括国家重点研发计划（2023YFD2100702）、国家自然科学基金（32201952）、中国非物质文化遗产烹饪技术传承重点实验室开放研究项目基金（WLB2402）等。这些资金的投入为设备的研发和优化提供了有力保障，也体现了科研界对中式菜肴工业化生产的重视。随着相关研究的不断深入，该设备有望在更多类型的中式菜肴中得到应用，为中式菜肴的连续加工提供更加高效和科学的解决方案。