食品物理加工技术及其基本框架

所属栏目：物理教学论文
发布时间：2018-09-27 11:25:18 更新时间：2018-09-27 11:25:18

　　摘要传统食品加工技术经过长期的发展在加工效率和产品品质等方面面临愈来愈多的挑战，现代物理技术的应用成为迎接上述挑战的重要手段之一。相关研究的原理创立虽由来已久，但在20世纪初才广泛引起国内外学者的重视，发表的文献量大幅度增加。2010年之后，我国政府资助的科研项目中相关项目数量快速上升。食品物理加工技术按照物理场可分为热物理加工、非热物理加工和物理快速检测，按照食品加工方法可分为物理场在传统食品化学加工、传统食品生物加工、传统食品物理加工、食品物理检测中的应用。食品物理加工技术具有高效、绿色、环保、智能等优势与特色，非常符合食品产业未来的国际发展趋势。食品物理加工技术未来发展需要加强基础理论研究和关键技术突破，强化“物理-食品”复合型人才培养体系的建设，加快食品物理加工技术的学科体系建设，支持具有中国优势的现代食品工业体系的构建，引领食品产业可持续健康发展。

　　关键词食品;物理;加工;框架;优势

　　1食品物理加工技术的兴起

　　食品加工进入工业化初期，由于化学与生物学的引入，使其在科学层面找到高水平的研究方法，其技术开发也随之快速发展。然而，经历了长期的方法研究与参数优化，食品的加工效率、产品得率、产品活性、能量消耗等关键指标提升的难度却越来越大。为此，近年来国内外越来越多的学者从不同角度，探索性地将声、光、电、磁、力等物理学方法引入食品加工的各个环节(图1、图2)[1-8]。大量研究数据证明，物理学方法的应用确实能够产生出许多意想不到的效果，展现了广阔的应用前景。食品物理加工技术在国际上正悄然兴起，并被越来越多的科学家认为是今后传统食品加工科学研究和技术研发实现突破，形成创新性成果的一个重要的理论源泉[1，9]。

　　2食品物理加工技术的发展

　　物理学方法在食品加工中的应用由来已久。1899—1914年间，美国学者Hite[1]以牛奶、苹果汁等为研究对象，进行超高压杀菌技术的研究。Bridgman[10]因发现静水压下蛋白质发生变性、凝固而获得1946年的诺贝尔物理奖。早在1929年，Harway等[1]报道其开展高频声波降解发光细菌的研究。1962年Hughes等[1]报道其开展超声细胞裂解的研究。1962年Gerencser[11]报道磁场对细菌活性有一定的抑制作用。1947年Moyer等[12]采用75W/150MHz射频装置对蔬菜进行烫漂试验。20世纪30年代，美国开始研究大豆和花生的电子分选机[1]。70年代初，国外学者开始采用计算机视觉技术对食品、农产品外观特征进行检测、分级[13-14]。近20年来，随着相关基础理论研究的深入开展，分析仪器和实验手段突飞猛进，整体科学技术水平提高，相关研究工作得到快速发展[15]。

　　从图1可看出，上世纪90年代初国际上将物理学方法应用于食品加工中的研究受到高度关注，不过除微波方法外，大约在2006年之后发表其它物理方法的文献量才快速增长，其文献量的顺序为微波(microwave)、超声(ultrasonic)、电场(electricfield)、脉冲强光(pulsedlight)、磁场(magneticfield)、超高压(highhydrostaticpressure)、红外(infraredradiation)、射频(radiofrequency)。我国虽然起步较晚，但在2005年之后与国际上同步进入快速发展阶段，发表文献量位居前三的物理场是微波、超声和超高压(见图2)。通过国家自然学科基金委员会网站，统计出2006—2016年申请代码C20(食品科学)受资助项目中关于物理场在食品加工中应用的项目数如图3所示。可以看出，自2010年起，立项数量大幅度增加，2013年度达到19项，微波、超声、超高压位居资助项目数的前三。在国家“十一五”到“十三五”的各类科研立项中有关食品物理加工的内容也逐步增加，成为食品科学研究领域技术水平提升的重要手段之一。

　　3食品物理加工技术的基本框架

　　食品物理加工技术是指利用现代声学、光学、电学、磁学、力学等物理学方法改进传统食品加工过程的一类新技术。食品物理加工技术研究框架的构建，可以按照物理方法和食品加工方法分为两个方面。根据物理场的性质不同，食品物理加工技术可被分为非热物理加工、热物理加工和物理快速检测3部分(图4)[1，9]。非热物理加工主要采取的物理学手段包括超高压、超声波、紫外线、激光、电场、磁场等。近20年来，非热物理加工应用在食品钝酶[16]、杀菌[17]和分离提取[18]等领域快速发展，在理论研究、方法创新、装备开发、产业化应用等方面取得一系列重大进展。近年来，世界各国大量研究发现非热物理加工技术在酶解反应[19-20]、微生物发酵[21-22]、生物大分子改性修饰[23]、膜分离[24-25]、陈酿[26-27]、菌种诱变[28-29]等加工领域的应用前景广泛，在技术的产业化方面潜力巨大。食品热物理加工主要包括微波、红外、射频、脉冲强光等物理学方法，除了应用于干燥之外，如今在杀菌[30]、灭酶[31]、杀虫[32]、脱皮[33]、杀青[34]等加工领域中应用也日益广泛。近些年，基于物理学手段的食品品质快速检测技术也快速发展，基础理论研究、产业化应用均取得重大突破，由品质检测转向过程参数检测是今后的一个发展方向[35]。

　　按照食品加工方法不同，食品物理加工技术分为物理场在传统食品化学加工、传统食品生物加工、传统食品物理加工、食品物理检测中应用4个部分(图5)。该框架显示，物理场不仅在有化学反应和生物过程的食品加工中应用广泛，而且在诸如提取、干燥、杀虫、乳化、膜分离等以物理过程为主的食品加工中，也有非常有价值的应用。例如将超声波应用于加速食品的渗透脱水[36]、热风干燥[37]与均质乳化[38]，以及提高结晶[39]和膜分离[39]的效率。

　　第1种框架构建关注同一种物理场在不同食品加工应用中的优势，对物理场的研究更为深入;第2种框架构建有利于探讨解决同一食品加工问题的不同物理场优势，更有利于比较不同物理场的共性机制。

　　4食品物理加工技术的优势与特色

　　1)高效传统以化学和生物学为理论基础的食品加工制造技术，经过长期的技术优化，加工效率的提升空间越来越小。大量科学研究证明，现代物理技术的引入，使提取、反应、发酵、干燥、乳化等食品加工的产品得率和活性显著提高，时间显著缩短，生产效率大幅度提升。

　　2)绿色随着物理加工方法的引入，不仅可以通过提高反应速率，降低化学溶剂和生物催化剂的使用量，来改善食品的食用安全性，还可以通过降低加工温度，减小食品中营养成分被破坏的程度，来提高产品的营养价值。

　　3)环保国际上，不少学者利用红外、射频、微波等热物理场进行果蔬干法杀青，可避免传统热水漂烫杀青引起的养分流失、废水排放、耗水量大等问题;利用热物理场进行灭霉杀虫，取代传统的硫熏技术，消除二氧化硫排放对大气臭氧层的破坏。还有人探索利用红外进行果蔬脱皮，可解决传统碱液脱皮方法废液排放引起的水体污染问题。由此说明食品物理加工具有较好的环境保护效果。

　　4)智能随着“工业4.0”时代的到来，以及“中国制造2025”的提出，自动化、信息化、网络化与智能化成为食品制造业发展的必然趋势。食品智能制造的技术瓶颈之一就是制造过程数据的快速采集，而以化学、生物学为基础的传统分析检测方法难以实现，必须依赖高光谱、红外线、超声波、电子鼻、人工视觉、X射线、射频等物理学快速检测方法，因此物理快速检测方法在今后食品智能制造过程中必将发挥重要作用。

　　5结论与展望

　　综上所述，食品物理加工技术是应食品制造业快速发展之需要而兴起，随着基础理论研究的深入开展，分析仪器和实验手段的突飞猛进，整体科学技术水平的提高而快速发展。目前，在推进食品领域的科学研究和产业技术进步方面，展现出潜在的、广阔的发展前景。为更好地借助食品物理加工的方法进行食品工业技术创新，积极推进具有中国优势的现代食品工业体系建设，引领食品产业可持续健康发展，建议加强以下工作：

　　1)加强基础理论研究，突破关键共性技术。通过大量的研究工作，许多加工技术在关键科学问题和工程问题上虽然已经取得重大突破，并且有不少成果也成功地走向产业化应用，但是深层次的基础理论研究还很薄弱，例如：物理-化学效应、物理-生物学效应等科学规律的揭示，多物理场耦合模型的构建，一些真正限制推广应用的瓶颈问题也逐渐显现出来。由于技术放大困难、装备制造成本高昂，因此尚需投入大量的科研力量开展研究工作。

　　2)加强复合型人才培养，提高跨学科创新能力。食品领域科研人员的物理学背景普遍薄弱，缺乏科学运用声、光、电、磁、力等物理场的基础知识开展研究工作，以及开发高水平物理加工装备的能力。迫切需要培养“物理-食品”复合型高层次人才，需要在校研究生阶段开设相关的课程，组织编写专门的教材，建立高水平的实验室。

　　3)加强学科建设，构建理论体系。曾经“化学”在食品科学中的应用形成了“食品化学”，“生物学”在食品科学中的应用形成了“食品微生物学”和“食品酶学”，那么“物理学”在食品加工中的应用也应当形成一门新的学科——食品物理加工学。虽然在食品科学与工程现有的学科体系中有一门“食品物性学”，但其研究重点是食品的物理特性，而非物理学方法在食品加工中的应用，因此，在食品科学与工程学科体系中建立“食品物理加工学”，构建相应的理论体系，对于加速食品物理加工的技术创新具有重要价值。

　　致谢：在食品物理加工技术框架与体系的构建过程中得到中国农村技术开发中心贾敬敦研究员、葛毅强研究员等的倾力支持与指导，在此一并表示诚挚的谢意和衷心的感谢!

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