專利名稱：將手工烹飪操作轉變為自動/半自動烹飪操作的方法
技術領域：
本發明屬于烹飪技術領域，具體地說，屬于機器烹飪技術領域，即自動/半自動烹飪技術領域。
背景技術：
烹飪是中國傳統食品技術的核心內容之一，對中國的國民生活方式、食品工業以及國民經濟有重要影響。烹飪自動化是中國社會經濟發展到目前階段的必然需求。通過對手工烹飪的詳細考察和分析，可以將手工烹飪操作分解為以下不同操作，加熱操作和攪拌操作是自動烹飪的最核心和最關鍵的操作，可以稱之為核心技術，其余操作可稱為外圍操作和輔助操作，具體如下I)加熱操作即熱源向鍋具的傳熱及其控制，手工烹飪中通過調節火力大小和鍋體與熱源的距離來實現對傳熱熱量的控制，在自動烹飪中，通過電氣和機械控制手段，比較容易實現這一操作；2)攪拌操作在手工烹飪中通過兩種完全不同的操作來實現對所烹飪食品物料的攪拌。一種方法是通過對鍋的操作，即手工烹飪中的抖鍋、晃鍋來完成的，對食品物料的進行不同程度的攪拌，即烹飪術語中的“大翻”、“小翻”。抖鍋、晃鍋對烹飪原料的流體力學性質有一定要求，很多狀態下是無法實現抖鍋操作的，如糊狀物料；另一種方法是用炒勺，也稱為鍋鏟來攪拌食品物料，該法在絕大多數情況下都能夠使用，但效率較前者低。在一般的抖鍋、晃鍋過程中，炒勺通常要作配合性的動作，以保證攪拌的均勻和效率，提高傳熱效率，并防止鍋底結焦。當原料中有粘性物料時，抖鍋、晃鍋難以完成攪拌動作，這是炒勺刮鏟翻動即成為主要的攪拌手段，可見在手工烹飪中法的晃鍋、抖鍋和采用炒勺翻鏟是相輔相成的不可缺少的手段。實現食品物料的攪拌操作，是自動烹飪設計的核心技術內容。3)外圍操作包括投料、出鍋、劃散、掮壓、切割、切割等操作。在手工實、飪中的投料、出鍋是非常容易實現的操作，在自動烹飪中卻較為困難，同時還要考慮到手工烹飪中的分次加熱操作帶來的投料除了的復雜性。在手工烹飪中通過炒勺手工操作可以完成很多菜品烹的飪中必不可少的劃散、掮壓、切割等動作，而這些動作通常是與加熱和攪拌過程同時完成的，通過機電設備實現以上動作組合是對自動烹飪設備設計的一個挑戰。其他一些操作，如出鍋、加蓋(燜煮)、漂燙(汆、焯水)、滑油涉及到物料周轉、加蓋去蓋等動作，也不容易實現自動操作；4)輔助操作洗鍋、清潔等輔助操作雖然簡單，但卻是必不可少的，雖然在手工烹飪中極易完成，而在自動烹飪設備中實現有一定難度。如果自動烹飪設備不能夠自動清洗，手工清洗復雜費時，會嚴重影響設備的商業價值。同時，很重要的是以上所有操作要在同一自動烹飪系統中實現，能否全面協調地完成以上操作，和完成以上操作所需要的代價——機構和控制的復雜性、體積重量、運行成本、設備穩定性(運動穩定性、操作可靠性、使用壽命)等很大程度上決定了自動烹飪設備的應用前景和和商業價值。
當上述操作在自動/半自動烹飪中得到技術實現，仍然存在一個關鍵技術問題，即如何控制上述操作，使得自動/半自動烹飪得到的菜品與對象手工烹飪操作得到的菜品之間的品質差異控制在一定范圍內。考察烹飪操作的有關參數，其中加工工序、原料數量等較容易控制，而其中的加熱強度及時間——即火候的控制卻非常困難。火候是烹飪中最重要的概念，可以說火候控制是烹飪自動/半自動化的核心技術。但迄今為止，火候的本質是什么還沒有公認的答案，目前沒有建立在工程理論和食品科學基礎上的合理定義。一些研究者做出了種種解釋，或缺乏理論深度，或是錯誤的(參考文獻1.李斌.火候的概念及數學表達.中國烹飪，1996，3 :27 ;2.劉正順.火候定的重新定位.中國烹飪，1996，3 :18-19 ;3.張建軍.淺談火候及其運用，揚州大學烹飪學報，2000 (3) :32-38 ；4.劉小勇.中國專利1314861. 3 ;楊銘鐸.現代中式快餐.北京.中國商業出版社.2001 :43-44)。必須了解烹飪加熱中的熱質傳遞原理，以及溫度對烹飪品質影響的動力學規律，才能夠科學地掌握烹飪火候控制的方法，找到將手工烹飪操作轉變為自動/半自動烹飪操作的方法。總之，只有 深入徹底地了解了中式烹飪中火候的內在科學原理和技術規律，才有可能科學合理的實現烹飪自動/半自動化。已公開的自動/半自動烹飪專利提出了各種火候控制方法，一般都是將溫度傳感器得到的溫度數據一通常是鍋底的溫度數據處理后，反饋給加熱功率控制器，以實現火候的控制。但這些專利都沒有提出具體的控制方案，例如達到多少溫度停止加熱。很多專利也提出了通過儲存在控制系統中烹飪程序來執行自動烹飪。但也沒有提出如何把手工烹飪操作轉化為自動烹飪操作的方法。中國專利200710007835. x全自動/半自動烹飪機器人系統中，在鍋底底部線埋入I 3根溫度傳感器探頭，通過控制溫度，輔以定時定量烹調，按照數字化菜譜操作，實現自動/半自動烹飪。文中也沒有提及如何制定數字化菜譜。中國專利200410015157. 8智能式半自動/半自動烹飪機中的控制裝置還有儲存有溫度數據處理后，反饋給加熱功率控制器，以實現火候的控制。從烹飪技術原理可知，鍋體的溫度與菜品的成熟沒有直接關系，也不可能通過數學方法推測菜品的成熟程度。因此通過測量鍋體溫度來調控火力，掌握火候的方法是不可行的。一部分專利僅把這一閉環控制作為控制火力的手段，而食品的成熟由“專家系統I‘預設程序”來控制。將手工烹飪操作科學地可靠地轉變為自動/半自動烹飪操作并不是一件簡單的事，目前沒有已公開的相關技術方案，本領域內一般專業技術人員也并沒有這種能 力。中國專利03140861. 3的發明人認為鍋體溫度用于的判斷火候是不合理的，從而提出以食品溫度、色澤、蒸汽壓力、PH值、濕度、運動等參數的實時動態傳遞作為依據參數，反饋處理后調控烹飪火力。該方法是該專利發明人主觀思考的結論，缺少科學基礎和邏輯推理。雖然是食品溫度和色澤的測量有一定意義。但是運動顆粒的溫度，尤其是內部溫度的測量是一個世界性的難題(參考文獻1.鄧力.金征宇.液體顆粒食品的無菌工藝的研究進展.農業工程學報.86(5). 2004 ;2.鄧力.固體食品流態化超高溫殺菌技術的研究[D] [博士學位論文].無錫江南大學.2006 :第7章)。同時測定到的溫度和顏色都是食品的表面數據，在一些緩慢加熱的烹飪過程中，內外加熱均勻的情況下有一定意義。但是由于無法反映顆粒中心為冷點的食品化學狀況，因此在多數情況下不能作為火候控制的指標，例如，烹飪中使用較多的爆炒工藝就無法使用。同時在有蒸發情況下的固液混合物的固體表面顏色的在線測量也是一個難以解決的技術難題。雖然從原理上講，可以通過測定食品系某一點的溫度，通過傳熱學控制方程，采用傳熱學方法實時推算食品的總體溫度時間關系，計算出食品的成熟值，從而控制烹飪過程。中國專利9519241. 2被烹飪物體內部溫度推定方法即用了該方法，其加熱烹飪裝置即是這一方法應用實例。但是該方法主要適用于固定位置的固體食品，應用范圍主要是微波爐和烤爐。而在傳統中式烹飪中應用這一方法極為困難，原因在于1)烹飪過程中的傳熱學過程比焙烤和微波加熱要復雜得多，有更為復雜的數學模型，實時求解溫度分布推算烹飪成熟時間非常困難；2)由于烹飪過程中液體-顆粒的混合運動，還伴隨著水分蒸發(影響紅外溫度測定)，要測定食品顆粒溫度無論是內部還是外部溫度都極為困難；3)自動/半自動烹飪過程的操作時間短，溫度變化劇烈(如爆炒)，因此要求溫度測量要有更高的準確度，
數據采集要有更高的采樣和傳輸頻率，計算機傳熱學分析計算要有更高的效率。實際上，以現有的技術水平在烹飪中使用這一方法是不可能的。烹飪過程的溫度變化由熱質傳遞過程確定，而溫度變化對烹飪品質的影響由加熱品質變化動力學決定。研究加熱對品質影響這一復雜過程的技術稱為熱處理驗證(Thevalidation of thermal processing)。時間溫度積分器(Time-Temperature Integrators,TTIs)是用于食品熱處理驗證的高科技手段。時間溫度積分器TTIs定義為用于模擬目標質量參數時間-溫度總體變化效果的小型裝置，具體應用時，由作為載體的食品模擬物和TTIs指示劑組合構成。其特點是使用方便、測量準確。具體使用方法是將TTIs指示劑置入作為載體的食品模擬物中，在熱處理前后測定TTIs指示劑的變化。理想的TTIs指示劑應與被驗證的熱處理品質因子的動力學參數相近，如活化能(Ea)值、Z值和D值。TTIs包括生物TTIs、化學TTIs、物理TTIs。例如生物TTI :辣根過氧化物酶(Z值12. 8°C )、α -淀粉酶(Ζ值10°C );化學TTI :硫胺素(Z值18°C )、雙糖水解(Z值=18°C );物理TTI :蒸汽滲透組件(Z值10°C )、電子熱分析單元(Thermal memory cell)等。近來隨著計算機和傳感器技術的快速發展，越來越多的固定的或可移動的溫度傳感器也可以視為物理TTIs。它們的使用使數據的記錄和處理變得更加快捷。時間溫度積分器已在食品熱處理、殺菌等工藝的分析、研究、驗證中得到廣泛應用。本發明的發明人在2006年在我國首次將TTIs技術應用于液體-食品顆粒的熱處理效果分析。TTIs需滿足的條件是造價低，快速容易制備，易于測量。TTIs裝置應該和食品融為一體，以防改變食品的時間溫度曲線。TTIs方法可以準確地測定表面、中心和平均品質動力學變化。由于載體顆粒使用食品模擬物，顆粒外形可準確控制，物理化學參數完全相同，用于測量兩種不同加熱過程之間的動力學品質動力學變化極為理想。由此即可以構建一種具有理論基礎、方法準確可靠的區別分析兩種不同火候的定量手段，從而成為解決將手工烹飪操作轉變為自動/半自動烹飪操作的核心技術問題的一種有力手段。雖然已經有許多的自動/半自動烹飪技術方案，但是，目前尚沒有一種基于科學原理的將手工烹飪操作轉變為自動/半自動烹飪操作的方法，成為當前烹飪自動化發展進程中急需解決的問題
發明內容
本發明提出了一種將手工烹飪操作轉變為自動/半自動烹飪操作的方法，所述烹飪操作包括以下烹飪動作的部分或全部以串聯或/和并聯形式的組合-投料向烹飪容器投入物料；-出料將烹飪容器中物料排出容器；-加熱加熱容器中物料；-攪拌攪拌容器中物料；-翻轉翻轉容器中的物料；-周轉物料將烹飪容器中物料轉入周轉容器，再次轉入烹飪容器； -劃散讓粘接的烹飪原料分散；-碾壓對烹飪物料施加碾壓力；-切割使得整塊物料切為小塊；-固液分離分離固液混合烹飪物料中的固相與液相，保留其中一相；-加蓋使烹飪容器密閉；-去蓋解除烹飪容器密閉；以及-清洗洗凈烹飪容器；包括下列步驟步驟I :執行手工烹飪操作，得到手工烹飪菜品，記錄手工烹飪操作參數，所述烹飪操作參數包括以下參數的部分或全部-烹飪動作起停時間包括手工烹飪所有烹飪動作的起停時間；-每次投料原料的種類、數量和質量；-烹飪全程中加熱功率；以及-烹飪全程中攪拌強度；步驟2 :針對自動烹飪設備，設定在步驟I由手工烹飪獲得的、而在自動烹飪設備上可以直接或經過處理后應用的烹飪參數，并預設無法在自動烹飪設備上實現的未知烹飪參數，在自動烹飪設備上執行所有設定參數，完成操作，烹飪出自動烹飪菜品；步驟3 :采用至少一種測定表征烹飪中物料受熱程度指標的分析方法分別分析手工烹飪菜品和自動烹飪菜品；步驟4 :通過統計學方法判定分析手工烹飪菜品數據和自動烹飪菜品數據之間的是否有顯著區別；步驟5 :如果兩者存在顯著性差異，重新設置所述未知參數，重復步驟2 步驟4 ；步驟6 :如果兩者無顯著性差異，執行步驟2的所有設定參數的自動/半自動烹飪操作即為目標自動/半自動烹飪操作。以下證明上述方法是科學合理的。首先，通過烹飪加熱的品質變化動力學和傳熱學分析，得到烹飪過程的完整數學模型，并得到影響烹飪品質的全部因素。—、確定烹飪加熱過程的技術特征中國烹飪技術具有原料廣泛、刀法繁多、調味豐富、烹法多樣的特點。烹飪的原意就是加熱食品至成熟。所謂“烹”，是加熱食品的手段，技法包括“煮”、“燜”、“爆”、“炒”、“鹵”、“煨”、“涮”、“汆”、“燴”、“炸”、“熘”、“燒”、“煸”、“煽”、“烤”、“O ’’、“煎”、“貼”、“扒”、“煨”等等。由化工過程原理分析傳統中式烹飪過程1)原料首先，中式烹飪有“食不厭精，膾不厭細”的傳統，烹飪過程中的刀工有重要地位，固體食物通常切割后烹飪，因此，可以認為中式烹飪的原料是廣義顆粒，包括片、絲、條、丁、末、塊、團、丸等形狀，在顆粒學上屬于Geldart分類D類顆粒(參見金涌等.流態化工程原理，北京，清華大學出版社，2001 :36-37)。其次，中式烹飪的另一個原料特征是，液體在烹飪中起到重要作用，不但作為烹飪成品組分，還起到輔助傳熱、傳質的重要作用。可以認為，典型中式烹飪的原料是液體-顆粒混合物；2)反應過程烹飪的目的是加熱食品使之完成成熟所需要的食品化學、物理和食品微生物變化，包括風味、色澤、毒理、質構、微生物、營養等食用品質變化；3)熱量傳遞從熱源向食品的熱量傳遞；4)質量傳遞烹飪中各種物質的傳質過程，對調味影響較大。烹飪過程中的水分的相變和傳遞對傳熱有重要影響；5)動量傳遞中式烹飪分靜態烹飪和動態烹飪兩者，前者如“蒸”、“燉”等沒有人工施加運動的操作，后者如“爆”、“炒”等操作，烹飪過程中通過“晃鍋”、炒勺攪拌的措施施加物料運動，形成動量傳遞，其目的是強化傳熱和傳質；6)反應器熱源、鍋、炒勺構成了烹飪反應器，其特征是開放的，即便使用鍋蓋也只能夠在蒸汽不斷產生時隔絕空氣的進入，而對壓力內部影響很小，容器仍然是開放的。通過以上分析認為典型中式烹飪的過程特征是開放容器中被攪拌液體-顆粒食品的傳熱、傳質和品質變化過程。二、分析烹飪品質變化的數學模型及影響因素現有的一些傳統的食品品質變化動力學函數可以表達烹飪加熱過程中食品品質的變化，這些品質可以是物理的、化學的、微生物的。具體包括I)基本動力學函數及非穩態傳熱對動力學函數的影響品質變化C值(蒸煮值,cooked value),是品質破壞的等效時間，即食品在經歷某一溫度歷史后的品質破壞相當于參考溫度下的加熱時間
權利要求
1.一種將手工烹飪操作轉變為自動/半自動烹飪操作的方法，所述烹飪操作包括以下烹飪動作的部分或全部以串聯或/和并聯形式的組合 -投料向烹飪容器投入物料； -出料將烹飪容器中物料排出容器； -加熱加熱容器中物料； -攪拌攪拌容器中物料； -翻轉翻轉容器中的物料； -周轉物料將烹飪容器中物料轉入周轉容器，再次轉入烹飪容器； -劃散讓粘接的烹飪原料分散； -碾壓對烹飪物料施加碾壓力； -切割使得整塊物料切為小塊； -固液分離分離固液混合烹飪物料中的固相與液相，保留其中一相； -加蓋使烹飪容器密閉； -去蓋解除烹飪容器密閉；以及 -清洗洗凈烹飪容器； 包括下列步驟 步驟I:執行手工烹飪操作，得到手工烹飪菜品，記錄手工烹飪操作參數，所述烹飪操作參數包括以下參數的部分或全部 -烹飪動作起停時間包括手工烹飪所有烹飪動作的起停時間； -每次投料原料的種類、數量和質量； -烹飪全程中加熱功率；以及 -念飪全程中攪拌強度； 步驟2 :針對自動烹飪設備，設定在步驟I由手工烹飪獲得的、而在自動烹飪設備上可以直接或經過處理后應用的烹飪參數，并預設無法在自動烹飪設備上實現的未知烹飪參數，在自動烹飪設備上執行所有設定參數，完成操作，烹飪出自動烹飪菜品； 步驟3 :采用至少一種測定表征烹飪中物料加熱程度指標的分析方法分別分析手工烹飪菜品和自動烹飪菜品； 步驟4 :通過統計學方法判定分析手工烹飪菜品數據和自動烹飪菜品數據之間的是否有顯著區別； 步驟5 :如果兩者存在顯著性差異，重新設置所述未知參數，重復步驟2 步驟4 ; 步驟6 :如果兩者無顯著性差異，執行步驟2的所有設定參數的自動/半自動烹飪操作即為目標自動/半自動烹飪操作。
2.如權利要求I所述將手工烹飪操作轉變為自動/半自動烹飪操作的方法，其中步驟3所述的分析方法為針對烹飪成熟指標的感官檢驗方法。
3.如權利要求I所述將手工烹飪操作轉變為自動/半自動烹飪操作的方法，其中步驟3所述的分析方法為食品理化方法，對于固體，在兩種方法得到的菜品中分別選取顆粒外形最為一致的兩個顆粒，對于液體，對兩種方法得到的菜品分別取樣，然后選擇至少一種表征烹飪品質的食品理化指標進行測定。
4.如權利要求I所述將手工烹飪操作轉變為自動/半自動烹飪操作的方法，其中步驟3所述的分析方法為TTIs方法，即時間溫度積分器方法，適用于含固體顆粒的烹飪，首先制作并使用TTIs組合，具體包括下列步驟 步驟A :制作出分別以由外形尺寸、熱物理性質和流體動力學性質與手工烹飪操作中的原料主料食品顆粒相近并且不與TTIs發生反應的材料制成的食品模擬物； 步驟B :選擇熱處理化學反應動力學參數與表征食品加熱成熟及過熱的品質的熱處理化學反應動力學參數相同或接近的TTIs指示劑； 步驟C :將TTIs指示劑與食品模擬物以下列形式中至少一種組合 -TTIs指示劑位于食品模擬物幾何中心，構成中心TTIs組合； -TTIs指示劑位于食品模擬物表面，構成表面TTIs組合；以及 -TTIs指示劑均勻分布于食品模擬物，構成平均TTIs組合； TTIs組合的應用包括下列步驟； 步驟D :在權利要求I所述步驟I和步驟2中以一種TTIs組合顆粒分別以取代同樣數量原料主料食品顆粒的形式加入手工烹飪操作與自動/半自動烹飪工藝中； 步驟E :分別對采用手工烹飪操作操作加工得到的菜品中的TTIs進行檢測。
5.如權利要求I所述將手工烹飪操作轉變為自動/半自動烹飪操作的方法，其中步驟.3所述的分析方法采用權利要求2、3、4的方法任意組合使用。
全文摘要
本發明公開了一種將手工烹飪操作轉變為自動/半自動烹飪操作的方法。即對手工烹飪與自動/半自動烹飪菜品品質通過感官評價、理化分析、TTIs(時間溫度積分器)方法進行比較和統計分析，參照取得的結果調節自動/半自動烹飪操作，逐次縮小手工烹飪與自動/半自動烹飪菜品品質差距，最終獲得能夠確保自動/半自動烹飪菜品的烹飪品質與手工烹飪相同的自動/半自動烹飪操作。通過傳統中式烹飪過程的品質變化動力學、傳熱學、傳質學原理的深入解析，構建了烹飪過程的完整數學模型，證明本發明是合理、科學的客觀方法。本發明在自動/半自動烹飪中將產生重要作用，具有實際應用價值。
文檔編號A47J36/00GK102657482SQ20121007079
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月16日 優先權日2012年3月16日
發明者鄧力 申請人:鄧力