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食品物理加工的技術(shù)優(yōu)勢、研究進展及其發(fā)展背景

  食品物理加工的發(fā)展歷史悠久，自19世紀(jì)開始，各個國家便將超高壓、超聲波等技術(shù)應(yīng)用于食品加工方面。近10年來，高光譜技術(shù)在食品農(nóng)產(chǎn)品無損檢測領(lǐng)域嶄露頭角。它不是一種歷史，而是發(fā)展的必然。

  食品物理加工是指利用現(xiàn)代聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)等一些物理學(xué)方法對食品生物大分子結(jié)構(gòu)、食品加工過程等因素的影響，改進傳統(tǒng)食品加工效果的一種新方法。在國家倡導(dǎo)工業(yè)4.0的大背景下，物理加工技術(shù)具有提高加工效率——降低生產(chǎn)成本、提高食品品質(zhì)——保障食品安全、實現(xiàn)節(jié)能減排——促進綠色發(fā)展、發(fā)展制造——食品產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型等技術(shù)特征及優(yōu)勢。物理學(xué)無損快速檢測方法：高光譜、紅外線、超聲波、電子鼻、人工視覺、X射線、射頻等技術(shù)不斷應(yīng)用于食品制造業(yè)。

  今年，馬海樂院長所在的江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院組織召開了食品物理加工技術(shù)創(chuàng)新座談會，主要探討了將相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化問題。

 超聲波在食品輔助提取、改性、殺菌與強化特定反應(yīng)中的應(yīng)用

  超聲技術(shù)是食品物理加工領(lǐng)域備受關(guān)注的一項技術(shù)，1929年被發(fā)現(xiàn)，1962年被應(yīng)用到超聲提取領(lǐng)域。近幾年，科學(xué)家對于超聲領(lǐng)域的研究，一直在不斷深入，但是，超聲技術(shù)的應(yīng)用實際上一直面臨很多瓶頸。此次專題報告的主題主要針對相關(guān)團隊將超聲波應(yīng)用在食品輔助提取、改性、殺菌與強化特定反應(yīng)中時尋求的一些關(guān)鍵技術(shù)點。
 

  （一）超聲波在食品輔助提取中的應(yīng)用

  超聲波技術(shù)實際上非常簡單。超聲波作為機械重波，在非*頻率的拉伸和壓縮過程中，會產(chǎn)生空化效應(yīng)，這種效應(yīng)會使它產(chǎn)生一種非常的效果，在這種效應(yīng)下，會產(chǎn)生自由基，導(dǎo)致它的波動，根據(jù)頻率不同，它有一定的空化閾值，空化泡的破碎所產(chǎn)生的能量會隨著外部的壓力和聲能密度的不同而不同。在提取、加工、儲藏方面都有廣泛的應(yīng)用。提取的基理非常的簡單：通過空化效應(yīng)的產(chǎn)生，對細胞進行破壞，內(nèi)壁的機制被釋放出來。

  在對目標(biāo)物質(zhì)提取的過程中，大家關(guān)注的主要因素和關(guān)鍵問題一個是超聲波的發(fā)生器類型以及發(fā)生波關(guān)鍵的參數(shù)，頻率和功率、時間的選擇，另一個主要因素是容積選擇和提取溫度問題。近幾年，研究團隊致力于探索如何明確目標(biāo)產(chǎn)物以及zui基本的因素和目標(biāo)產(chǎn)物之間的關(guān)系。通過自己開發(fā)的模擬平臺，可以把聲場的分布展示出來。

  （二）超聲波應(yīng)用于改性和降解

  超聲波應(yīng)用于改性和降解的機理是它的剪切力作用與自由基對它的協(xié)同作用。例如，研究人員希望通過降解將柑桔果膠變得更加均勻，將它的分子量變小、嘗試實現(xiàn)對它的定向性改造。超聲可以明顯地降低果膠分子量分布，可以使其分子量變小而且更加均勻。要獲得穩(wěn)定的工業(yè)性產(chǎn)品，這是必經(jīng)的一步。

  （三）超聲波應(yīng)用于殺菌技術(shù)

  超聲殺菌技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域是污水處理、生鮮果蔬處理與液態(tài)食品殺菌。目前，食品工廠中zui難解決的問題是食品機械表面的去污和清潔。利用超聲波色流與空化技術(shù)使細胞壁破碎，細胞裂解。在殺菌過程中，大家zui關(guān)注的是效果和對食品品質(zhì)的影響問題。如果把聲、熱、壓聯(lián)用，殺菌效果更加顯著，大大縮短殺菌時間，風(fēng)味具有非常好的可比性，這是細胞破碎不可逆轉(zhuǎn)的過程。美國的FDA已經(jīng)批準(zhǔn)可以在生鮮果蔬上應(yīng)用超聲殺菌技術(shù)。

  目前，超聲在提取、降解、殺菌方面都有它*的優(yōu)勢，但是在定向控制的加工過程中、以及與產(chǎn)物的關(guān)系和在均衡能量的傳輸方面，仍然需要更多的關(guān)注和研究。

  （四）超聲強化海藻鈉包埋木瓜蛋白酶活性機制

  酶的固定化可以分為兩類，一類是化學(xué)法，一類是物理法。化學(xué)法是通過化學(xué)的方法將酶和載體連起來，這樣的化學(xué)反應(yīng)可能會對酶的活性產(chǎn)生很大的影響。即便如此，由于它連接得比較牢固，所以從工業(yè)化的角度講，它的潛力依然很大。相對吸附來講，包埋的方法穩(wěn)定性更好，應(yīng)用更廣泛，但是，酶的活性會大大降低。研究發(fā)現(xiàn)，超聲可以強化游離酶。

  超聲波主要利用三個效應(yīng)對物質(zhì)進行強化，一是熱、二是機械、三是空化效應(yīng)。超聲可以強化微環(huán)境的擴散效應(yīng)，在提取的過程中，強化溶質(zhì)在固體的原料中容積的擴散效果非常重要，它的擴散效果是傳統(tǒng)擴散方法不可能達到的。

  通過實驗總結(jié)出：超聲對于介質(zhì)的擴散影響非常大，但是也會影響酶的結(jié)構(gòu)，有利有弊。不同頻率的超聲波對于介質(zhì)的擴散影響不同。介質(zhì)也會受到超聲的影響，反過來改變對酶的作用，這種酶的作用也會影響到其它酶。對酶本身的影響，有介質(zhì)的作用，也有超聲本身的作用。

  （五）食醋超聲波催陳技術(shù)研究
  
  鎮(zhèn)江香醋是我國傳統(tǒng)的調(diào)味品。傳統(tǒng)的方法采用的是自然陳釀，設(shè)備的占用率較多，生產(chǎn)周期較長。一般方法有高壓靜電、紅外線、超聲波、微波、加臭氧技術(shù)、激光技術(shù)、超高壓技術(shù)。各個方法都有它的局限性和優(yōu)點。臭氧技術(shù)難以控制，紅外線燈光壽命短，微波的揮發(fā)作用會影響成香物質(zhì)。比較好的方法包括高壓脈沖電場，伽瑪射線和超聲波。超聲波基本上集合了前面幾種方法的優(yōu)點。首先它帶有高壓。同時，它能形成電場和磁場。

  zui后，通過實驗與對比發(fā)現(xiàn)超聲波確實有促進鎮(zhèn)江香醋陳釀的效果，進一步的產(chǎn)業(yè)化工作還在開展。
 
  采后農(nóng)產(chǎn)品射頻滅菌新技術(shù)與高壓電場冷殺菌技術(shù)

  美國的低水分食品頻頻發(fā)生安全事故，比如嬰兒配方奶粉感染；加拿大發(fā)生杏仁的沙門氏菌感染以及2009年在美國發(fā)生的花生醬沙門氏菌感染等；國內(nèi)在細菌防控方面也發(fā)生過食品安全事故，比如，粽子大腸桿菌超標(biāo)等。美國FSC每年的數(shù)據(jù)顯示，每年造成經(jīng)濟損失3500億美元。我國衛(wèi)生部每年收到的食物中毒報告中微生物生物化食物中毒事件中毒人數(shù)zui多，占總數(shù)的56.1%。

  從研究的角度，如何在殺滅微生物的情況下，還要保證食物的品質(zhì)？如果能夠了解微生物所需要的熱量和主要的農(nóng)產(chǎn)品能夠忍耐的溫度和時間，可以找到一個比較好的加熱工藝，既能保證殺滅微生物，又能保證產(chǎn)品的品質(zhì)和營養(yǎng)成分不發(fā)生較大變化。采后農(nóng)產(chǎn)品射頻滅菌新技術(shù)很好的解決了上述問題，提升了滅菌效率。

  另外的一項新興殺菌技術(shù)是高壓電場冷殺菌技術(shù)。美國的生鮮食品，盡管有完備的冷鏈物流儲藏，但是微生物繁殖引起的變質(zhì)頻有發(fā)生。我國的生鮮包裝產(chǎn)品，十一五以來發(fā)展迅猛，市場前景穩(wěn)定向好，但是產(chǎn)品缺乏安全有效的殺菌保障技術(shù)，二次污染等問題成為我國產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸，研究開發(fā)生鮮食品保鮮技術(shù)成為食品加工的一個熱點問題。

  目前在超市或者物流配送里的包裝產(chǎn)品基本上沒有殺菌，所以保質(zhì)期短。冷殺菌技術(shù)有很多的局限性，比如超高壓殺菌技術(shù)，盡管有很好的殺菌效果和性能，但是裝備成本比較高，因此在我們國內(nèi)發(fā)展速度非常緩慢，商業(yè)化應(yīng)用開發(fā)存在許多問題。

  高壓電場冷源等離子技術(shù)，與MAP氣調(diào)保鮮包裝技術(shù)結(jié)合，是食品冷殺菌保鮮包裝技術(shù)的重要突破，不會產(chǎn)生二次污染。產(chǎn)生紗巾作用的等離子體來源于包裝內(nèi)部氣體，不會產(chǎn)生化學(xué)殘留，安全性高。盡管使用的電壓非常高，仍舊是一項具有非常大的利用空間和良好發(fā)展前景的技術(shù)。

  目前南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品與包裝工程研究所與美國*正在合作研究，也聯(lián)合企業(yè)在進行設(shè)備的前期研究開發(fā)。
 
  核磁共振技術(shù)應(yīng)用于食品無損快速檢測

  核磁共振技術(shù)是一項源于古代的技術(shù)。核磁共振現(xiàn)象是在外磁場的作用下，磁性為零的原子核可以發(fā)生分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。核磁共振也是電磁波的一種，電磁波的頻率從高到低，分為可見光、紅外等等，每一個頻段的電磁波都有相應(yīng)的技術(shù)與之對應(yīng)。在食品領(lǐng)域中，主要關(guān)注低場時域譜，來探討分子之間的相互作用。目前，設(shè)備向、高場的核磁發(fā)展，需要嚴(yán)格的屏蔽環(huán)境才可以進行操作。

  核磁共振在食品領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，在糧油、乳制品、微生物、海洋食品、茶葉、肉制品、果蔬等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速無損檢測，在檢測真假方面可以起到良好作用，也可以用于含脂肪與含糖的食物，還可以進行干燥、復(fù)水過程的檢測。