食品物理加工的技术优势、研究进展及其发展背景

食品物理加工的发展历史悠久，自19世纪开始，各个国家便将超高压、超声波等技术应用于食品加工方面。近10年来，高光谱技术在食品农产品无损检测领域崭露头角。它不是一种历史，而是发展的必然。

食品物理加工是指利用现代声学、光学、电学、磁学、力学等一些物理学方法对食品生物大分子结构、食品加工过程等因素的影响，改进传统食品加工效果的一种新方法。在国家倡导工业4.0的大背景下，物理加工技术具有提高加工效率——降低生产成本、提高食品品质——保障食品安全、实现节能减排——促进绿色发展、发展高端制造——引领食品产业升级转型等技术特征及优势。物理学无损快速检测方法：高光谱、红外线、超声波、电子鼻、人工视觉、X射线、射频等技术不断应用于食品制造业。

今年，马海乐院长所在的江苏大学食品与生物工程学院组织召开了食品物理加工技术创新座谈会，主要探讨了将相关技术产业化问题。

世界食品非热加工创始人解读相关领域发展历程

世界食品非热加工的创始人廖晓军教授在该专题报告会上详细介绍非热加工领域的发展现状。食品领域科研人员在探寻食品加工方法过程中，不外乎要研究食品加工储藏保存中的颜色、香气、自卫、营养、功能、安全等问题。传统的热加工方法对食品品质破坏极大，在某些情况下会对食品安全性构成威胁。为解决这些问题，科学家提出将热加工转变为非热加工，既可以解决杀菌问题，又能保证食品安全与良好品质，非热加工概念正是在此背景下应运而生。食品非热加工的发展离不开相关领域科学家的默默耕耘与不断求索。那么，非热加工到底有何用处，使得科学家们为之注入心血？非热加工可以用于食品保藏，质构修饰，加速传质，促进反应。

对于食品非热加工历史的探究过程同样十分漫长：1997年以前，食品非热加工领域就有科学家涉足；1998年由中国农业大学教授廖小军正式提出；2009年，在北京召开了国际非热食品加工会。会议的召开提升了非热加工的系统性与完整性，使业内人士对非热加工概念的理解变得越来越清晰。2013年，成立了中国食品科学技术学会食品非热加工公会。

超声波在食品辅助提取、改性、杀菌与强化特定反应中的应用

超声技术是食品物理加工领域备受关注的一项技术，1929年被发现，1962年被应用到超声提取领域。近几年，科学家对于超声领域的研究，一直在不断深入，但是，超声技术的应用实际上一直面临很多瓶颈。此次专题报告的主题主要针对相关团队将超声波应用在食品辅助提取、改性、杀菌与强化特定反应中时寻求的一些关键技术点。

（一）超声波在食品辅助提取中的应用

超声波技术实际上非常简单。超声波作为机械重波，在非极高频率的拉伸和压缩过程中，会产生空化效应，这种效应会使它产生一种非常极端的效果，在这种效应下，会产生自由基，导致它的波动，根据频率不同，它有一定的空化阈值，空化泡的破碎所产生的能量会随着外部的压力和声能密度的不同而不同。在提取、加工、储藏方面都有广泛的应用。提取的基理非常的简单：通过空化效应的产生，对细胞进行破坏，内壁的机制被释放出来。

在对目标物质提取的过程中，大家关注的主要因素和关键问题一个是超声波的发生器类型以及发生波关键的参数，频率和功率、时间的选择，另一个主要因素是容积选择和提取温度问题。近几年，研究团队致力于探索如何明确目标产物以及最基本的因素和目标产物之间的关系。通过自己开发的模拟平台，可以把声场的分布展示出来。

（二）超声波应用于改性和降解

超声波应用于改性和降解的机理是它的剪切力作用与自由基对它的协同作用。例如，研究人员希望通过降解将柑桔果胶变得更加均匀，将它的分子量变小、尝试实现对它的定向性改造。超声可以明显地降低果胶分子量分布，可以使其分子量变小而且更加均匀。要获得稳定的工业性产品，这是必经的一步。

（三）超声波应用于杀菌技术

超声杀菌技术最好的应用领域是污水处理、生鲜果蔬处理与液态食品杀菌。目前，食品工厂中最难解决的问题是食品机械表面的去污和清洁。利用超声波色流与空化技术使细胞壁破碎，细胞裂解。在杀菌过程中，大家最关注的是效果和对食品品质的影响问题。如果把声、热、压联用，杀菌效果更加显著，大大缩短杀菌时间，风味具有非常好的可比性，这是细胞破碎不可逆转的过程。美国的FDA已经批准可以在生鲜果蔬上应用超声杀菌技术。

目前，超声在提取、降解、杀菌方面都有它独特的优势，但是在定向控制的加工过程中、以及与产物的关系和在均衡能量的传输方面，仍然需要更多的关注和研究。

（四）超声强化海藻钠包埋木瓜蛋白酶活性机制

酶的固定化可以分为两类，一类是化学法，一类是物理法。化学法是通过化学的方法将酶和载体连起来，这样的化学反应可能会对酶的活性产生很大的影响。即便如此，由于它连接得比较牢固，所以从工业化的角度讲，它的潜力依然很大。相对吸附来讲，包埋的方法稳定性更好，应用更广泛，但是，酶的活性会大大降低。研究发现，超声可以强化游离酶。

超声波主要利用三个效应对物质进行强化，一是热、二是机械、三是空化效应。超声可以强化微环境的扩散效应，在提取的过程中，强化溶质在固体的原料中容积的扩散效果非常重要，它的扩散效果是传统扩散方法不可能达到的。

通过实验总结出：超声对于介质的扩散影响非常大，但是也会影响酶的结构，有利有弊。不同频率的超声波对于介质的扩散影响不同。介质也会受到超声的影响，反过来改变对酶的作用，这种酶的作用也会影响到其它酶。对酶本身的影响，有介质的作用，也有超声本身的作用。

（五）食醋超声波催陈技术研究

镇江香醋是我国传统的调味品。传统的方法采用的是自然陈酿，设备的占用率较多，生产周期较长。一般方法有高压静电、红外线、超声波、微波、加臭氧技术、激光技术、超高压技术。各个方法都有它的局限性和优点。臭氧技术难以控制，红外线灯光寿命短，微波的挥发作用会影响成香物质。比较好的方法包括高压脉冲电场，伽玛射线和超声波。超声波基本上集合了前面几种方法的优点。首先它带有高压。同时，它能形成电场和磁场。

最后，通过实验与对比发现超声波确实有促进镇江香醋陈酿的效果，进一步的产业化工作还在开展。

采后农产品射频灭菌新技术与高压电场冷杀菌技术

美国的低水分食品频频发生安全事故，比如婴儿配方奶粉感染；加拿大发生杏仁的沙门氏菌感染以及2009年在美国发生的花生酱沙门氏菌感染等；国内在细菌防控方面也发生过食品安全事故，比如，粽子大肠杆菌超标等。美国FSC每年的数据显示，每年造成经济损失3500亿美元。我国卫生部每年收到的食物中毒报告中微生物生物化食物中毒事件中毒人数最多，占总数的56.1%。

从研究的角度，如何在杀灭微生物的情况下，还要保证食物的品质？如果能够了解微生物所需要的热量和主要的农产品能够忍耐的温度和时间，可以找到一个比较好的加热工艺，既能保证杀灭微生物，又能保证产品的品质和营养成分不发生较大变化。采后农产品射频灭菌新技术很好的解决了上述问题，提升了灭菌效率。

另外的一项新兴杀菌技术是高压电场冷杀菌技术。美国的生鲜食品，尽管有完备的冷链物流储藏，但是微生物繁殖引起的腐败变质频有发生。我国的生鲜包装产品，十一五以来发展迅猛，市场前景稳定向好，但是产品缺乏安全有效的杀菌保障技术，二次污染等问题成为我国产业化发展的主要技术瓶颈，研究开发生鲜食品保鲜技术成为食品加工的一个热点问题。

目前在超市或者物流配送里的包装产品基本上没有杀菌，所以保质期短。冷杀菌技术有很多的局限性，比如超高压杀菌技术，尽管有很好的杀菌效果和性能，但是装备成本比较高，因此在我们国内发展速度非常缓慢，商业化应用开发存在许多问题。

高压电场冷源等离子技术，与MAP气调保鲜包装技术完美结合，是食品冷杀菌保鲜包装技术的重要突破，不会产生二次污染。产生纱巾作用的等离子体来源于包装内部气体，不会产生化学残留，安全性高。尽管使用的电压非常高，仍旧是一项具有非常大的利用空间和良好发展前景的技术。

目前南京农业大学食品与包装工程研究所与美国农业部正在合作研究，也联合企业在进行设备的前期研究开发。

核磁共振技术应用于食品无损快速检测

核磁共振技术是一项源于古代的技术。核磁共振现象是在外磁场的作用下，磁性为零的原子核可以发生分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振也是电磁波的一种，电磁波的频率从高到低，分为可见光、红外等等，每一个频段的电磁波都有相应的技术与之对应。在食品领域中，主要关注低场时域谱，来探讨分子之间的相互作用。目前，设备向高端、高场的核磁发展，需要严格的屏蔽环境才可以进行操作。

核磁共振在食品领域应用十分广泛，在粮油、乳制品、微生物、海洋食品、茶叶、肉制品、果蔬等领域实现快速无损检测，在检测真假方面可以起到良好作用，也可以用于含脂肪与含糖的食物，还可以进行干燥、复水过程的检测。