包装酸菜压力辅助微波巴氏杀菌中的模糊压力控制

《Journal of Food Engineering》：Fuzzy Pressure Control in Pressure-Assisted Microwave Pasteurization of Packaged Sauerkraut

　　•提出了一种基于模糊控制的压力辅助微波巴氏杀菌系统。•动态压力调节有效减少了包装酸菜的袋子破裂现象。•压力与温度的协同作用提升了加热均匀性以及产品的结构稳定性。•在保持产品关键质量特性的同时，实现了超过5个对数值级的微生物减少。

引言
发酵蔬菜是中国最古老且种类最多的传统食品之一，其历史可追溯至3000多年前。由于原材料、微生物群落及发酵工艺的不同，形成了多种具有地域特色的产品（Di等人，2013年）。除了文化意义之外，发酵蔬菜因其独特的风味和潜在的健康益处而受到全球越来越多的关注。这些益处包括抗氧化、抗动脉粥样硬化作用，以及调节消化功能等。其中，酸菜因其独特的酸味和功能性优势而尤为受欢迎。然而，酸菜在常温下极易变质。因此，在规模化生产和工业热处理过程中，如何在保证微生物安全的同时维持产品质量仍是一个重大挑战。其高含水量以及活跃的微生物生态系统也使得酸菜在包装内加热时容易遭受过度加热和结构损伤。

传统的热处理技术，如水浴灭菌（Li等人，2023年）、巴氏杀菌（Azizpour等人，2024年）以及微波加热（Luan等人，2023年），均能有效降低微生物负荷并延长产品保质期。其中，微波巴氏杀菌因其快速均匀加热、高效杀灭微生物以及低能耗等优点，被视为一种极具前景的技术（Liu等人，2022年；Xue等人，2023年）。然而，不均匀的温度分布和过高的内部蒸汽压力可能导致局部过热、包装破裂，以及感官和营养特性的下降。这些限制影响了该技术的实际应用和规模化推广（Tian等人，2021年）。这类问题在那些高含水量且结构复杂的包装食品中更为突出。在这些系统中，介质特性和结构上的不均匀性会进一步加剧空间温度差异。

为减少包装破裂并提升加热均匀性，人们已经探索了多种基于包装和工艺的解决方案。这些策略包括材料优化、顶空环境调控以及外部压力控制。其中，压力辅助热处理尤其受到重视。较高的压力可以抑制蒸汽膨胀，提高包装稳定性，进而可能提升高含水量食品的加热均匀性。已有研究探讨了压力辅助热灭菌和微波辅助热灭菌技术在提升包装食品的微生物安全性及产品质量方面的应用（Barbosa-Cánovas等人，2014年）。此外，也有研究致力于通过优化聚合物结构、氧气屏障及托盘设计来提升包装的完整性和加工稳定性（Al-Ghamdi等人，2020年）。不过，这些方法大多属于被动式调控，无法对微波加热过程中快速产生的蒸汽或变化的空间温度梯度做出动态响应。

尽管已有诸多进展，但现有的大多数系统仍然依赖静态或手动调节的压力条件。这类方法无法及时应对微波加热所产生的动态且空间上不均匀的温度场。因此，温度变化与外部压力之间往往存在不匹配，从而导致微生物杀灭效果不佳、产品质量下降或包装损坏。在结构复杂的食品中，确定可重复的高温和低温区域也颇具难度。局部温度极值可能会随着产品结构、水分重新分布以及包装几何形状的变化而改变。红外成像技术可以提供初步的表面温度图，并识别出反复出现的温度模式，但它无法直接测量实时的内部温度场。因此，有限的内部传感器所提供的信息更应视为可参考的操作基准，而非精确的三维高温或低温点位置。这一局限性在利用温度反馈进行过程控制时尤为重要。

模糊控制非常适合用于食品加工领域，因为这类系统通常具有非线性、时变特性，且难以用机械模型进行描述。例如，已有研究将模糊逻辑控制和软感知技术应用于食品饮料加工，以支持复杂生物系统中的实时决策与过程监控（Birle等人，2013年）。此外，模糊概念也被用于食品质量控制，以便整合操作人员的经验知识，提升过程评估的可靠性（Perrot等人，2006年）。其他应用还包括食品制造过程中的褐变过程诊断与控制（Ioannou等人，2004年）。在罐头食品的杀菌过程中，模糊方法也被用于调节加热温度和时长（Chung等人，2016年）。这些研究表明，模糊方法能够在不确定性条件下支持过程控制、软感知、诊断以及以质量为导向的决策制定。然而，目前食品系统中基于模糊控制的应用大多集中在传统热处理过程的调控、过程监控、诊断或质量评估方面。相比之下，将模糊逻辑用于压力辅助微波巴氏杀菌中的腔室压力动态调控，目前还鲜有研究。尤其是微波加热过程中蒸汽产生、温度不均匀性以及包装完整性之间的相互作用，目前尚未在文献中得到充分探讨。因此，本研究构建了一个基于物理原理的模糊压力控制框架。以压力依赖的沸点与选定的内部温度参考区域之间的温差作为实时控制输入。

为克服上述局限，本研究提出了一种集成自适应模糊控制策略的压力辅助微波巴氏杀菌系统。该系统通过选定内部的高温和低温参考点与压力依赖的沸点之间的温差，实现腔室压力的实时调节。这些参考点的选择旨在捕捉与相变及不均匀加热相关的关键温度梯度，从而为控制提供具有物理意义的输入信号。

本研究以包装酸菜作为模型食品。通过检测不同压力条件下的乳酸、维生素C、颜色、质地等理化指标，以及包装完整性和微生物减少程度，对系统性能进行了评估。酸菜属于高含水量、结构复杂且经过发酵处理的食品，特别容易受到微波加热不均匀、蒸汽产生以及包装破裂的影响。

本研究所测试的条件相当于旨在实现显著微生物减少的巴氏杀菌处理水平。所提出的方法也可能适用于其他类似的高含水量包装食品，如其他发酵蔬菜和即食产品。在这些产品中，相变行为以及压力与温度的相互作用起着重要作用。

与传统静态压力调控方法不同，所提出的方法能够动态协调腔室压力与温度变化。压力调节并非围绕某个单一的直接测量设定值进行，而是由控制器根据选定高温区域与压力依赖的沸点之间的温度差来决定。同时，控制器还会考虑选定内部区域之间的温度不均匀性。这些变量反映了在抑制蒸汽产生、保障包装完整性以及保持产品质量之间的权衡。在这种条件下，压力响应具有非线性、时变性，很难用可靠的机械模型来表示，从而难以实现实时控制。正因如此，本研究采用了基于过程内在关系的规则型自适应策略——模糊控制。不过，本研究并未与传统的动态压力控制器（如开关控制或PID控制方案）进行直接比较。因此，当前的结果应被视为实验室层面的可行性验证，而非证明该方法优于其他控制策略的定量证据。未来的研究还需要进一步的对比验证。

这些研究结果为微波加工过程中的自适应压力调控提供了新的见解，也为实现高含水量包装食品更稳定、更可控的加工过程提供了可能的路径。虽然本研究是在实验室规模下进行的，但所提出的控制理念或许能为开发更先进的微波加工平台提供有益的指导。不过，仍需在工业规模条件下进行进一步验证。这些控制规则是基于蒸汽产生、温度不均匀性、包装完整性以及产品质量保持之间的关系推导出来的，而非仅通过经验调整得出。

实验材料
未经过巴氏杀菌处理的东北酸菜购自中国东北地方特色有限公司。其初始湿基含水量是通过在105°C下干燥至恒重后测得的，值为93.94 ± 1.00%。随后，酸菜被手工切割成长度为6.0毫米、宽度为1.0毫米、平均厚度为1.0 ± 0.2毫米的条状，然后放入耐高温、透微波的多层聚合物复合包装袋中密封。

常压微波巴氏杀菌条件下的温度与质量变化
在常压条件下（作为无压力调控的参考），包装酸菜在加热阶段末期以及整个等温保持期间，其温度曲线表现出明显的不稳定性（见图2a）。这种波动可能是由于微波能量在包装顶空中的分布不均，以及水分的快速相变所致。这种不稳定性反映出在维持均匀温度条件方面的固有困难。

结论
在本研究中，针对包装酸菜，开发了一种集成模糊压力控制的压力辅助微波巴氏杀菌系统。该系统能够实现对温度和腔室压力的协同调控，在实现巴氏杀菌级别的微生物减少的同时，提升了产品品质、包装完整性与过程稳定性之间的平衡。

研究结果表明，在微波巴氏杀菌处理高含水量包装食品时，存在一个关键的权衡问题。

作者贡献声明
刘本英：监督、概念设计。宋春芳：项目管理、资金筹集。李振峰：项目管理、方法设计。李静：写作——审稿与编辑、可视化分析、验证、监督。金光远：监督、形式分析。宋飞虎：写作——审稿与编辑、项目管理、资金筹集、概念设计。李润杰：写作——初稿撰写、项目管理、资金筹集。刘旭东：写作——初稿撰写。

参考文献
De Oliveira等人，2020年；Di Cagno等人，2013年；Green和Storey，2016年；Ioannou等人，2004b年；Liu等人，2022年；Swanson，2023年。

伦理声明
所有参与者或其法定代理人均已签署书面知情同意书，同意参与本研究并发表相关文章。参与者的隐私权也得到了妥善保护。本研究是在遵守相关法律法规及研究所在地相关准则的前提下开展的。根据相关法律法规及机构规定，无需获得伦理委员会的批准。本研究涉及对市售食品的感官评价。

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢江苏省科技项目——现代农业项目（BE2022319）的财政支持。

刘旭东|宋飞虎|李润杰|李静|金光远|宋春芳|李振峰|刘本英