淺談食品包裝機(jī)械發(fā)展
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摘要：本文著重對國內(nèi)食品包裝機(jī)械存在的問題、發(fā)展現(xiàn)狀及其特點(diǎn)進(jìn)行了梳理，從食品包裝機(jī)械控制系統(tǒng)、食品包裝安全和創(chuàng)新技術(shù)的融入三個(gè)發(fā)展方向入手進(jìn)行分析，敘述了我國食品包裝機(jī)械良好的發(fā)展形勢，介紹了新技術(shù)進(jìn)展，總結(jié)了我國食品包裝機(jī)械行業(yè)存在的問題，對食品包裝機(jī)械的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。該項(xiàng)研究對食品包裝機(jī)械的后續(xù)設(shè)計(jì)開發(fā)提供了一定的技術(shù)參考。
關(guān)鍵詞：食品包裝機(jī)械；現(xiàn)狀；存在問題；發(fā)展趨勢
食品機(jī)械行業(yè)在我國擁有巨大發(fā)展?jié)摿?，被譽(yù)為未來食品加工的大型工廠，每年僅水果罐頭的產(chǎn)量約為120萬噸，其中60萬噸出口國外，約占全球市場的1/6[1]。中國近五年來，食品包裝機(jī)械行業(yè)每年以11%～13%[2]的增長速度發(fā)展，高于同期國民經(jīng)濟(jì)增長速度；有關(guān)數(shù)據(jù)顯示：全球食品包裝機(jī)械的市場規(guī)模從2005年的290億美元迅速增長到2020年的6000億美元[3]，呈百倍速度發(fā)展，尤其是中國，近幾年的發(fā)展更為迅猛，但國內(nèi)大多數(shù)包裝機(jī)械仍存在科技含量低、低重復(fù)水平建設(shè)嚴(yán)重、缺乏創(chuàng)新性及安全衛(wèi)生等問題。同時(shí)，我國在大型食品包裝生產(chǎn)線領(lǐng)域比較薄弱。本文就目前迫切的市場需求，針對大型食品包裝機(jī)械生產(chǎn)線的發(fā)展現(xiàn)狀和問題做了一定研究，并對食品包裝機(jī)械未來的發(fā)展方向做了一定預(yù)測。
1食品包裝機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀
1.1食品包裝機(jī)械控制系統(tǒng)的發(fā)展
目前，我國的食品包裝機(jī)械在能滿足國內(nèi)基本生活需求的基礎(chǔ)上，傳動復(fù)雜、技術(shù)含量高的設(shè)備也陸續(xù)涌入市場，得到廣大消費(fèi)者青睞。發(fā)展至今，我國已生產(chǎn)出成套化的食品包裝機(jī)械，即食品分揀、包裝材料制造、食品包裝等一體化的設(shè)備。馬曉宇[4]搭建了以ARMCortex-M3和PIC單片機(jī)為主體的溫度控制系統(tǒng)的熱封機(jī)構(gòu)，用以提高整體包裝機(jī)械在包裝過程中的效率和熱封溫度影響的產(chǎn)品質(zhì)量。袁飛、高雪[5]設(shè)計(jì)了以PLC為控制核心，集自動送料、送膜、封袋等功能為一體的滿足不同尺寸產(chǎn)品的新型食品自動包裝機(jī)，提高了整體流水包裝的效率和多對象性。目前食品包裝機(jī)械的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要以PLC為控制核心，在提高食品包裝效率及包裝質(zhì)量同時(shí)，控制重點(diǎn)主要在食品包裝機(jī)械流水線自動化包裝及自動分揀方面，這些功能模塊的設(shè)計(jì)為我國食品包裝機(jī)械的發(fā)展具有積極的促進(jìn)意義。
1.2食品包裝安全的發(fā)展
近年來，各種食品安全問題層出不窮，各個(gè)國家也對綠色可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行著不同領(lǐng)域的研究，我國也秉持著綠色發(fā)展的理念在食品包裝行業(yè)上進(jìn)行開拓。鄒萍萍[6]利用聚乳酸和納米纖維制備了新型高性能材料，以其優(yōu)良的降解和高強(qiáng)度特性為市場帶來更為綠色、健康的食品包裝。束浩淵等[7]在食品抗菌的新用途方面進(jìn)行了深入研究，對食品中的天然抗菌劑進(jìn)行論述，為包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)提出了新的思考和設(shè)計(jì)理念。郝倩等[8]利用表面等離子共振、毛細(xì)管電泳、色譜質(zhì)譜聯(lián)用以及基于抗體的酶聯(lián)免疫反應(yīng)等方法對食品包裝中的有害物質(zhì)進(jìn)行檢測，論證了食品包裝中有害物質(zhì)的遷移行為對消費(fèi)者健康的影響，為后續(xù)食品包裝機(jī)械設(shè)計(jì)要求的提出做了基礎(chǔ)性研究工作。通過對食品包裝安全的研究，引入多種食品包裝抗菌、毒物檢測等技術(shù)，研究制備新型綠色食品包裝材料，使得我國在食品及材料安全等領(lǐng)域有重大發(fā)展，同時(shí)，也可將這些技術(shù)結(jié)合到目前的食品包裝機(jī)械自動化生產(chǎn)線中，提高整體食品包裝機(jī)械的功能性和檢測水準(zhǔn)。
1.3創(chuàng)新發(fā)展及新技術(shù)的融入
戴宏民等[9]對食品包裝機(jī)械進(jìn)行創(chuàng)新研究，旨在支持發(fā)展包裝機(jī)械智能工廠，在食品包裝機(jī)械設(shè)備中引入了人工智能、機(jī)器視覺、智能物流（AGV）、圖像傳感器等高端技術(shù)，在能滿足食品高效包裝的基礎(chǔ)上，對食品包裝機(jī)械設(shè)計(jì)的智能化和安全性有進(jìn)一步提升要求。喬計(jì)等[10]基于迭代學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)一種智能稱重控制器，稱重誤差不超過2%，稱重耗時(shí)小于5s，大幅縮短了食品包裝分揀時(shí)間，利用智能稱重能更好地避免人工分揀造成的食品質(zhì)量誤差問題，使食品包裝機(jī)械具有更高的工作效率和準(zhǔn)確性。為提高食品分量包裝的速度、降低分量包裝成本、保證分量食品衛(wèi)生，劉歡等[11]設(shè)計(jì)了高速食品分量機(jī)的控制系統(tǒng)，在原有的食品裝盒機(jī)基礎(chǔ)上加入高速脈沖精確控制系統(tǒng)，能高效完成多種食物的準(zhǔn)確分量，大大提高了食品包裝速度。通過將智能化感受器、智能算法等多種新技術(shù)融入食品包裝機(jī)械，有利于生產(chǎn)包裝過程中更精細(xì)化的分揀、質(zhì)量測算及整體包裝速度的提高，對食品包裝機(jī)械智能化發(fā)展以及我國整體機(jī)械行業(yè)的智能化發(fā)展有著重大意義。
2食品包裝機(jī)械行業(yè)面臨的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)
目前我國包裝機(jī)械行業(yè)的年增長率雖因市場激勵(lì)發(fā)展較快，但從包裝效率、包裝的多對象性、安全性考慮，要與國際市場接軌，擴(kuò)大市場占有率，仍需在產(chǎn)品的科技含量、產(chǎn)品建設(shè)規(guī)模和專業(yè)技術(shù)研發(fā)方面進(jìn)行改進(jìn)，在包裝機(jī)械的突破和創(chuàng)新仍存在一定的問題值得思考。
2.1我國食品包裝機(jī)械存在的問題
2.1.1與國際水平差異較大，技術(shù)含量不高我國現(xiàn)有的一些食品包裝機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)含量不高，而國外已將很多先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用在包裝機(jī)械上，如遠(yuǎn)距離遙控技術(shù)（包括監(jiān)控）、自動柔性補(bǔ)償技術(shù)、激光切割技術(shù)、多維信息處理技術(shù)等成套生產(chǎn)線，例如歐洲COLIMATIC品牌，專門針對于食品包裝和醫(yī)藥包裝的自動化包裝機(jī)，呈車間形式多工段成套工作，因此很少單機(jī)銷售。而國內(nèi)大多包裝生產(chǎn)以單機(jī)為主，通用機(jī)型居多，技術(shù)含量低，能滿足特殊要求特殊物料的設(shè)備少、高技術(shù)附加值高生產(chǎn)率的產(chǎn)品少，國內(nèi)很多技術(shù)含量較高或高精細(xì)化的設(shè)備還處于研制或者專利階段。
2.1.2低水平重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重目前，市場上低水平重復(fù)生產(chǎn)現(xiàn)象的主要原因有：產(chǎn)品的科技含量不高，制造工藝簡單，投入資金少；企業(yè)在投入產(chǎn)出比的影響下不樂意采購高質(zhì)量的食品包裝機(jī)；相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)的科研創(chuàng)新能力嚴(yán)重不足，更新?lián)Q代速度太慢。如技術(shù)比較初級的自動封口機(jī)僅溫州一地就有100多家[12]，而在上海曼億公司已完成車間化包裝，大幅提高生產(chǎn)效率和包裝質(zhì)量；工藝簡陋、衛(wèi)生堪憂的初級塑料包裝機(jī)在家庭式作坊中屢見不鮮，而大型企業(yè)或品牌下的產(chǎn)品已集生產(chǎn)、包裝、檢測、物流為一體的流水線作業(yè)模式，真空包裝機(jī)已普遍投入市場。中國食品包裝機(jī)械市場上充斥著低水平重復(fù)建設(shè)的低檔產(chǎn)品，市場環(huán)境長期得不到改善，不利于整個(gè)行業(yè)產(chǎn)品的升級換代。
2.1.3知識產(chǎn)權(quán)意識淡薄，缺乏行業(yè)規(guī)范我國食品和包裝機(jī)械行業(yè)缺乏知識產(chǎn)權(quán)意識，企業(yè)對自己開發(fā)出來的新產(chǎn)品沒有專利保護(hù)意識而被粗糙仿制，往往某個(gè)產(chǎn)品剛投放市場不久，因市場大規(guī)模需求的利益誘惑，仿制品短周期內(nèi)就會在市場內(nèi)貼有各種品牌的大批量涌現(xiàn)，伴隨著的產(chǎn)品質(zhì)量也層次不齊，到最后誰是該設(shè)備產(chǎn)品的開發(fā)者都搞不清；當(dāng)然，這和專利申請的周期也有直接關(guān)系，一個(gè)實(shí)用新型專利申請受理到授權(quán)周期一般在6～12個(gè)月，而發(fā)明專利周期甚至在兩年以上，長周期的受理實(shí)審讓公司出于市場利益最大化和對產(chǎn)品時(shí)效性的考慮，不得不選擇直接投產(chǎn)銷售而放棄專利的申請。同時(shí)，缺少國家一定的扶持和激勵(lì)政策來敦促相關(guān)行業(yè)內(nèi)規(guī)的生成和完善，我國食品包裝機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化也因此進(jìn)展緩慢。目前通過調(diào)研，目前所能查到的還是我國于1997年《食品機(jī)械安全衛(wèi)生》制定的食品機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，并未對食品包裝機(jī)械制定完整標(biāo)準(zhǔn)，后期再沒進(jìn)行系統(tǒng)的完善和改進(jìn)，導(dǎo)致了我國食品包裝機(jī)械行業(yè)企業(yè)產(chǎn)品層次不齊，缺乏統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響整個(gè)行業(yè)的綜合發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。
2.1.4缺乏專業(yè)技術(shù)研發(fā)我國食品包裝機(jī)械在新技術(shù)、新工藝、新材料方面應(yīng)用較少，相對國際市場，生產(chǎn)手段落后，大部分沿用陳舊的通用設(shè)備加工，新產(chǎn)品開發(fā)數(shù)量少且開發(fā)周期長，沒有經(jīng)過完整系統(tǒng)的探索開發(fā)過程，多數(shù)通過仿制，甚至在要求食品高品質(zhì)安全的基礎(chǔ)上，不得不花費(fèi)大量的資金從國外引進(jìn)安全性高、生產(chǎn)效率高、包裝精度高的成套食品包裝生產(chǎn)線，缺乏創(chuàng)新和核心技術(shù)優(yōu)勢，導(dǎo)致很大一部分國內(nèi)市場份額被國外品牌所占領(lǐng)。因此培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人才變得至關(guān)重要，這也是整個(gè)機(jī)械行業(yè)發(fā)展的根本所在。
2.2食品包裝機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求
我國食品和包裝機(jī)械形成行業(yè)已有20多年，這段時(shí)間也是世界技術(shù)發(fā)展最快的時(shí)期，行業(yè)中新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，而國內(nèi)行業(yè)的基礎(chǔ)薄弱，技術(shù)及科研力量在這方便的投入不足，致使其發(fā)展相對滯后。因此，我國需要對食品包裝機(jī)械產(chǎn)業(yè)做出發(fā)展要求，要加強(qiáng)自身硬實(shí)力以對抗國外品牌對我國市場的沖擊。
2.2.1加大產(chǎn)品的柔性化制造因產(chǎn)品的生命周期遠(yuǎn)短于設(shè)備使用壽命，變更產(chǎn)品及包裝不至于更換昂貴的包裝生產(chǎn)線，包裝機(jī)械要具有很高的柔性和靈活性，生產(chǎn)線允許在一定的尺寸范圍內(nèi)包裝物大小、種類的變化。
2.2.2流水線生產(chǎn)作業(yè)流水線生產(chǎn)作業(yè)很大程度上集多道工序于一體進(jìn)行作業(yè)，要求與前道工序有相關(guān)銜接性，盡量去除搬運(yùn)環(huán)節(jié)，包括控制銜接，整個(gè)生產(chǎn)線按生產(chǎn)及包裝工序排列要做到倒序啟動，順序停機(jī)。流水線作業(yè)在提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，能將食品安全在包裝環(huán)節(jié)盡量做到可控，來提高整體的食品安全。當(dāng)然這在一定程度上也提高了各類產(chǎn)品的集約型制造，有利于提高產(chǎn)出和產(chǎn)品功能化的劃分。
2.2.3設(shè)備可維護(hù)性高設(shè)備必須使用壽命長，方便維護(hù)，也可使用自動化維護(hù)程序進(jìn)行簡單自控、自檢，解決方案預(yù)先輸入電腦，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)常見的故障時(shí)可以自行診斷，亦可實(shí)行遠(yuǎn)程診斷來提高排除故障效率。
2.2.4加入新技術(shù)，強(qiáng)調(diào)綠色生產(chǎn)在滿足基礎(chǔ)包裝功能的基礎(chǔ)上，要求減少噪聲、粉塵污染，提高產(chǎn)品的高值化利用并盡量減少廢棄物；同時(shí)包裝機(jī)械中加入機(jī)器視覺、無損檢測等技術(shù)，來提高對包裝材料的厚度硬度、有害物質(zhì)遷移等的自動識別，分對象的進(jìn)行包裝，從而提高包裝效率及質(zhì)量。
3食品包裝機(jī)械發(fā)展趨勢
當(dāng)前，要求在滿足國內(nèi)包裝需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的國際輸出，能讓“中國制造”滿足快速增長的市場需求和競爭，要從以下幾點(diǎn)出發(fā)：
3.1向自動化、智能化發(fā)展
食品包裝機(jī)械應(yīng)適用于多對象、多規(guī)格的一體式自動加工、分揀、包裝過程，以最大化的節(jié)省勞力的基礎(chǔ)上提高分揀、包裝效率和提高機(jī)械利用率。在整體的食品包裝機(jī)械的應(yīng)用中，柔性化、人性化、智能化手段的運(yùn)用能更有效地保障食品質(zhì)量，如直接顯示食品是否新鮮，使消費(fèi)者不必拆開包裝后再判斷食物是否變質(zhì)，目前普遍的做法是在包裝里面放小包鐵粉，或在包裝紙里加上一層“吸”氧材料，消耗包裝內(nèi)的氧氣；保鮮食品需要在低溫下保存，否則會因內(nèi)部菌群活躍導(dǎo)致食品變質(zhì)，可在包裝上貼有指示時(shí)間和溫度的新型標(biāo)簽，在溫度升高時(shí)因內(nèi)置無害的化學(xué)成分發(fā)生聚合作用使標(biāo)簽的顏色隨即變化，顧客可憑標(biāo)簽顏色對比來判斷食品的儲存溫度、時(shí)間和新鮮程度；對于生鮮肉類食品的檢測，可以通過檢測魚、肉類腐爛所釋放的氣體，判斷新鮮程度，針對這一特性的包裝技術(shù)也在研發(fā)之中。
3.2向求精求專發(fā)展
我國食品包裝機(jī)械業(yè)的發(fā)展要有所突破必須求精求專?？亢唵沃貜?fù)，擴(kuò)大生產(chǎn)數(shù)量，向上下游延伸的方法不可取，走專業(yè)化生產(chǎn)道路，發(fā)展中高檔設(shè)備，提高技術(shù)含量，把產(chǎn)品做精做細(xì)做專做強(qiáng)，靠技術(shù)進(jìn)步來推動行業(yè)的發(fā)展才是出路。世界各國對包裝機(jī)械發(fā)展十分重視，集機(jī)、電、氣、光、生、磁為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，生產(chǎn)高效率化、資源高利用化、產(chǎn)品節(jié)能化、高新技術(shù)實(shí)用化、科研成果商業(yè)化已成為世界各國包裝機(jī)械發(fā)展的趨勢，也是我國包裝機(jī)械業(yè)的發(fā)展方向。
3.3零部件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化
我國目前包裝行業(yè)“小而全”“大而全”的格局應(yīng)盡快調(diào)整，很多零部件不再由包裝機(jī)械廠生產(chǎn)，而是由一些通用的標(biāo)準(zhǔn)件廠生產(chǎn)，某些特殊的零部件由高度專業(yè)化的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，控制部件或結(jié)構(gòu)部件與通用設(shè)備相同，可以借用。包裝需要重視提高食品包裝機(jī)械加工及整個(gè)包裝系統(tǒng)的通用能力，所以食品包裝機(jī)械零部件生產(chǎn)專業(yè)化是發(fā)展的必然趨勢。
3.4走品牌化發(fā)展戰(zhàn)略
我國包裝機(jī)械行業(yè)應(yīng)走品牌戰(zhàn)略，從初期的大部分國外品牌市場份額中轉(zhuǎn)變市場占有率，堅(jiān)持“質(zhì)量第一”，在競爭中不斷立異，高新技術(shù)的應(yīng)用和前沿工藝的探索，對傳統(tǒng)包裝機(jī)械進(jìn)行改良，以適用于國內(nèi)外的食品包裝機(jī)械市場，著名企業(yè)、著名產(chǎn)品逐漸脫穎而出。例如，飲料類灌裝生產(chǎn)線、新材料復(fù)膜機(jī)、大規(guī)格桶裝吹塑機(jī)、均質(zhì)機(jī)等固然出產(chǎn)企業(yè)不少,但著名度高、銷售額大的企業(yè)也已呈顯著集中趨勢，著名企業(yè)、著名品牌正在逐漸形成。
4結(jié)語
本文通過對目前食品包裝機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀和市場環(huán)境進(jìn)行分析，對近年來食品包裝機(jī)械的三個(gè)板塊進(jìn)行總結(jié)。無論是在控制系統(tǒng)、機(jī)械安全還是創(chuàng)新投入方面，我國食品包裝機(jī)械都具有相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化。同時(shí)，本文針對現(xiàn)如今食品包裝機(jī)械還存在的一些問題及其發(fā)展趨勢進(jìn)行詳細(xì)闡述，結(jié)合我國“中國制造”大局勢下的發(fā)展趨勢，食品包裝機(jī)械必定會朝著高柔性化、自動化、智能化的綠色方向發(fā)展。
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作者：費(fèi)葉琦 劉雨浩 馬竹樵 趙建平 王吉平 單位：南京理工大學(xué)紫金學(xué)院智能制造學(xué)院