摘要傳統(tǒng)食品加工技術(shù)經(jīng)過長期的發(fā)展在加工效率和產(chǎn)品品質(zhì)等方面面臨愈來愈多的挑戰(zhàn)，現(xiàn)代物理技術(shù)的應(yīng)用成為迎接上述挑戰(zhàn)的重要手段之一。相關(guān)研究的原理創(chuàng)立雖由來已久，但在20世紀(jì)初才廣泛引起國內(nèi)外學(xué)者的重視，發(fā)表的文獻(xiàn)量大幅度增加。2010年之后，我國政府資助的科研項(xiàng)目中相關(guān)項(xiàng)目數(shù)量快速上升。食品物理加工技術(shù)按照物理場可分為熱物理加工、非熱物理加工和物理快速檢測，按照食品加工方法可分為物理場在傳統(tǒng)食品化學(xué)加工、傳統(tǒng)食品生物加工、傳統(tǒng)食品物理加工、食品物理檢測中的應(yīng)用。食品物理加工技術(shù)具有高效、綠色、環(huán)保、智能等優(yōu)勢與特色，非常符合食品產(chǎn)業(yè)未來的國際發(fā)展趨勢。食品物理加工技術(shù)未來發(fā)展需要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)突破，強(qiáng)化“物理-食品”復(fù)合型人才培養(yǎng)體系的建設(shè)，加快食品物理加工技術(shù)的學(xué)科體系建設(shè)，支持具有中國優(yōu)勢的現(xiàn)代食品工業(yè)體系的構(gòu)建，引領(lǐng)食品產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞食品;物理;加工;框架;優(yōu)勢

　　1食品物理加工技術(shù)的興起

　　食品加工進(jìn)入工業(yè)化初期，由于化學(xué)與生物學(xué)的引入，使其在科學(xué)層面找到高水平的研究方法，其技術(shù)開發(fā)也隨之快速發(fā)展。然而，經(jīng)歷了長期的方法研究與參數(shù)優(yōu)化，食品的加工效率、產(chǎn)品得率、產(chǎn)品活性、能量消耗等關(guān)鍵指標(biāo)提升的難度卻越來越大。為此，近年來國內(nèi)外越來越多的學(xué)者從不同角度，探索性地將聲、光、電、磁、力等物理學(xué)方法引入食品加工的各個(gè)環(huán)節(jié)(圖1、圖2)[1-8]。大量研究數(shù)據(jù)證明，物理學(xué)方法的應(yīng)用確實(shí)能夠產(chǎn)生出許多意想不到的效果，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。食品物理加工技術(shù)在國際上正悄然興起，并被越來越多的科學(xué)家認(rèn)為是今后傳統(tǒng)食品加工科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)實(shí)現(xiàn)突破，形成創(chuàng)新性成果的一個(gè)重要的理論源泉[1，9]。

　　2食品物理加工技術(shù)的發(fā)展

　　物理學(xué)方法在食品加工中的應(yīng)用由來已久。1899—1914年間，美國學(xué)者Hite[1]以牛奶、蘋果汁等為研究對象，進(jìn)行超高壓殺菌技術(shù)的研究。Bridgman[10]因發(fā)現(xiàn)靜水壓下蛋白質(zhì)發(fā)生變性、凝固而獲得1946年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。早在1929年，Harway等[1]報(bào)道其開展高頻聲波降解發(fā)光細(xì)菌的研究。1962年Hughes等[1]報(bào)道其開展超聲細(xì)胞裂解的研究。1962年Gerencser[11]報(bào)道磁場對細(xì)菌活性有一定的抑制作用。1947年Moyer等[12]采用75W/150MHz射頻裝置對蔬菜進(jìn)行燙漂試驗(yàn)。20世紀(jì)30年代，美國開始研究大豆和花生的電子分選機(jī)[1]。70年代初，國外學(xué)者開始采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對食品、農(nóng)產(chǎn)品外觀特征進(jìn)行檢測、分級[13-14]。近20年來，隨著相關(guān)基礎(chǔ)理論研究的深入開展，分析儀器和實(shí)驗(yàn)手段突飛猛進(jìn)，整體科學(xué)技術(shù)水平提高，相關(guān)研究工作得到快速發(fā)展[15]。

　　從圖1可看出，上世紀(jì)90年代初國際上將物理學(xué)方法應(yīng)用于食品加工中的研究受到高度關(guān)注，不過除微波方法外，大約在2006年之后發(fā)表其它物理方法的文獻(xiàn)量才快速增長，其文獻(xiàn)量的順序?yàn)槲⒉?microwave)、超聲(ultrasonic)、電場(electricfield)、脈沖強(qiáng)光(pulsedlight)、磁場(magneticfield)、超高壓(highhydrostaticpressure)、紅外(infraredradiation)、射頻(radiofrequency)。我國雖然起步較晚，但在2005年之后與國際上同步進(jìn)入快速發(fā)展階段，發(fā)表文獻(xiàn)量位居前三的物理場是微波、超聲和超高壓(見圖2)。通過國家自然學(xué)科基金委員會(huì)網(wǎng)站，統(tǒng)計(jì)出2006—2016年申請代碼C20(食品科學(xué))受資助項(xiàng)目中關(guān)于物理場在食品加工中應(yīng)用的項(xiàng)目數(shù)如圖3所示�？梢钥闯�，自2010年起，立項(xiàng)數(shù)量大幅度增加，2013年度達(dá)到19項(xiàng)，微波、超聲、超高壓位居資助項(xiàng)目數(shù)的前三。在國家“十一五”到“十三五”的各類科研立項(xiàng)中有關(guān)食品物理加工的內(nèi)容也逐步增加，成為食品科學(xué)研究領(lǐng)域技術(shù)水平提升的重要手段之一。

　　3食品物理加工技術(shù)的基本框架

　　食品物理加工技術(shù)是指利用現(xiàn)代聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)等物理學(xué)方法改進(jìn)傳統(tǒng)食品加工過程的一類新技術(shù)。食品物理加工技術(shù)研究框架的構(gòu)建，可以按照物理方法和食品加工方法分為兩個(gè)方面。根據(jù)物理場的性質(zhì)不同，食品物理加工技術(shù)可被分為非熱物理加工、熱物理加工和物理快速檢測3部分(圖4)[1，9]。非熱物理加工主要采取的物理學(xué)手段包括超高壓、超聲波、紫外線、激光、電場、磁場等。近20年來，非熱物理加工應(yīng)用在食品鈍酶[16]、殺菌[17]和分離提取[18]等領(lǐng)域快速發(fā)展，在理論研究、方法創(chuàng)新、裝備開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面取得一系列重大進(jìn)展。近年來，世界各國大量研究發(fā)現(xiàn)非熱物理加工技術(shù)在酶解反應(yīng)[19-20]、微生物發(fā)酵[21-22]、生物大分子改性修飾[23]、膜分離[24-25]、陳釀[26-27]、菌種誘變[28-29]等加工領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣泛，在技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化方面潛力巨大。食品熱物理加工主要包括微波、紅外、射頻、脈沖強(qiáng)光等物理學(xué)方法，除了應(yīng)用于干燥之外，如今在殺菌[30]、滅酶[31]、殺蟲[32]、脫皮[33]、殺青[34]等加工領(lǐng)域中應(yīng)用也日益廣泛。近些年，基于物理學(xué)手段的食品品質(zhì)快速檢測技術(shù)也快速發(fā)展，基礎(chǔ)理論研究、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用均取得重大突破，由品質(zhì)檢測轉(zhuǎn)向過程參數(shù)檢測是今后的一個(gè)發(fā)展方向[35]。

　　按照食品加工方法不同，食品物理加工技術(shù)分為物理場在傳統(tǒng)食品化學(xué)加工、傳統(tǒng)食品生物加工、傳統(tǒng)食品物理加工、食品物理檢測中應(yīng)用4個(gè)部分(圖5)。該框架顯示，物理場不僅在有化學(xué)反應(yīng)和生物過程的食品加工中應(yīng)用廣泛，而且在諸如提取、干燥、殺蟲、乳化、膜分離等以物理過程為主的食品加工中，也有非常有價(jià)值的應(yīng)用。例如將超聲波應(yīng)用于加速食品的滲透脫水[36]、熱風(fēng)干燥[37]與均質(zhì)乳化[38]，以及提高結(jié)晶[39]和膜分離[39]的效率。

　　第1種框架構(gòu)建關(guān)注同一種物理場在不同食品加工應(yīng)用中的優(yōu)勢，對物理場的研究更為深入;第2種框架構(gòu)建有利于探討解決同一食品加工問題的不同物理場優(yōu)勢，更有利于比較不同物理場的共性機(jī)制。

　　4食品物理加工技術(shù)的優(yōu)勢與特色

　　1)高效傳統(tǒng)以化學(xué)和生物學(xué)為理論基礎(chǔ)的食品加工制造技術(shù)，經(jīng)過長期的技術(shù)優(yōu)化，加工效率的提升空間越來越小。大量科學(xué)研究證明，現(xiàn)代物理技術(shù)的引入，使提取、反應(yīng)、發(fā)酵、干燥、乳化等食品加工的產(chǎn)品得率和活性顯著提高，時(shí)間顯著縮短，生產(chǎn)效率大幅度提升。

　　2)綠色隨著物理加工方法的引入，不僅可以通過提高反應(yīng)速率，降低化學(xué)溶劑和生物催化劑的使用量，來改善食品的食用安全性，還可以通過降低加工溫度，減小食品中營養(yǎng)成分被破壞的程度，來提高產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值。

　　3)環(huán)保國際上，不少學(xué)者利用紅外、射頻、微波等熱物理場進(jìn)行果蔬干法殺青，可避免傳統(tǒng)熱水漂燙殺青引起的養(yǎng)分流失、廢水排放、耗水量大等問題;利用熱物理場進(jìn)行滅霉殺蟲，取代傳統(tǒng)的硫熏技術(shù)，消除二氧化硫排放對大氣臭氧層的破壞。還有人探索利用紅外進(jìn)行果蔬脫皮，可解決傳統(tǒng)堿液脫皮方法廢液排放引起的水體污染問題。由此說明食品物理加工具有較好的環(huán)境保護(hù)效果。

　　4)智能隨著“工業(yè)4.0”時(shí)代的到來，以及“中國制造2025”的提出，自動(dòng)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化成為食品制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。食品智能制造的技術(shù)瓶頸之一就是制造過程數(shù)據(jù)的快速采集，而以化學(xué)、生物學(xué)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)分析檢測方法難以實(shí)現(xiàn)，必須依賴高光譜、紅外線、超聲波、電子鼻、人工視覺、X射線、射頻等物理學(xué)快速檢測方法，因此物理快速檢測方法在今后食品智能制造過程中必將發(fā)揮重要作用。

　　5結(jié)論與展望

　　綜上所述，食品物理加工技術(shù)是應(yīng)食品制造業(yè)快速發(fā)展之需要而興起，隨著基礎(chǔ)理論研究的深入開展，分析儀器和實(shí)驗(yàn)手段的突飛猛進(jìn)，整體科學(xué)技術(shù)水平的提高而快速發(fā)展。目前，在推進(jìn)食品領(lǐng)域的科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步方面，展現(xiàn)出潛在的、廣闊的發(fā)展前景。為更好地借助食品物理加工的方法進(jìn)行食品工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，積極推進(jìn)具有中國優(yōu)勢的現(xiàn)代食品工業(yè)體系建設(shè)，引領(lǐng)食品產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展，建議加強(qiáng)以下工作：

　　1)加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，突破關(guān)鍵共性技術(shù)。通過大量的研究工作，許多加工技術(shù)在關(guān)鍵科學(xué)問題和工程問題上雖然已經(jīng)取得重大突破，并且有不少成果也成功地走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但是深層次的基礎(chǔ)理論研究還很薄弱，例如：物理-化學(xué)效應(yīng)、物理-生物學(xué)效應(yīng)等科學(xué)規(guī)律的揭示，多物理場耦合模型的構(gòu)建，一些真正限制推廣應(yīng)用的瓶頸問題也逐漸顯現(xiàn)出來。由于技術(shù)放大困難、裝備制造成本高昂，因此尚需投入大量的科研力量開展研究工作。

　　2)加強(qiáng)復(fù)合型人才培養(yǎng)，提高跨學(xué)科創(chuàng)新能力。食品領(lǐng)域科研人員的物理學(xué)背景普遍薄弱，缺乏科學(xué)運(yùn)用聲、光、電、磁、力等物理場的基礎(chǔ)知識開展研究工作，以及開發(fā)高水平物理加工裝備的能力。迫切需要培養(yǎng)“物理-食品”復(fù)合型高層次人才，需要在校研究生階段開設(shè)相關(guān)的課程，組織編寫專門的教材，建立高水平的實(shí)驗(yàn)室。

　　3)加強(qiáng)學(xué)科建設(shè)，構(gòu)建理論體系。曾經(jīng)“化學(xué)”在食品科學(xué)中的應(yīng)用形成了“食品化學(xué)”，“生物學(xué)”在食品科學(xué)中的應(yīng)用形成了“食品微生物學(xué)”和“食品酶學(xué)”，那么“物理學(xué)”在食品加工中的應(yīng)用也應(yīng)當(dāng)形成一門新的學(xué)科——食品物理加工學(xué)。雖然在食品科學(xué)與工程現(xiàn)有的學(xué)科體系中有一門“食品物性學(xué)”，但其研究重點(diǎn)是食品的物理特性，而非物理學(xué)方法在食品加工中的應(yīng)用，因此，在食品科學(xué)與工程學(xué)科體系中建立“食品物理加工學(xué)”，構(gòu)建相應(yīng)的理論體系，對于加速食品物理加工的技術(shù)創(chuàng)新具有重要價(jià)值。

　　致謝：在食品物理加工技術(shù)框架與體系的構(gòu)建過程中得到中國農(nóng)村技術(shù)開發(fā)中心賈敬敦研究員、葛毅強(qiáng)研究員等的傾力支持與指導(dǎo)，在此一并表示誠摯的謝意和衷心的感謝!

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]賈敬敦，馬海樂，葛毅強(qiáng)，等.食品物理加工技術(shù)與裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究[M].北京：科學(xué)出版社，2016：1-10.

　　[2]CHANDRAPALAJ，OLIVERC，KENTISHS，etal.Ultrasonicsinfoodprocessing[J].UltrasonicsSonochemistry，2012，19(5)：975-983.

　　[3]WANGMS，WANGLH，BEKHITEDA，etal.Areviewofsublethaleffectsofpulsedelectricfieldoncellsinfoodprocessing[J].JournalofFoodEngineering，2018，223：32-41.

　　[4]PURNELLG，JAMESC，JAMESSJ.Theeffectsofapplyingoscillatingmagneticfieldsduringthefreezingofappleandpotato[J].FoodandBioprocessTechnology，2017，10(12)：2113-2122.

　　[5]WANGB，ZHANGYY，VENKITASAMYC，etal.Effectofpulsedlightonactivityandstructuralchangesofhorseradishperoxidase[J].FoodChemistry，2017，234：20-25.

　　[6]MCHUGHT，PANZL.Innovativeinfraredfoodprocessing[J].FoodTechnology，2015，69(2)：79-81.

　　[7]SANTOSLMR，OLIVEIRAFA，F(xiàn)ERREIRAEHR，etal.Applicationandpossiblebenefitsofhighhydrostaticpressureorhigh-pressurehomogenizationonbeerprocessing：Areview[J].FoodScienceandTechnologyInternational，2017，23(7)：561-581.

　　[8]XUJ，LIUSX，TANGJM，etal.Applicationoffreeze-driedEnterococcusfaeciuinNRRLB-2354inradio-frequencypasteurizationofwheatflour[J].LWT-FoodScienceandTechnology，2018，90：124-131

　　.[9]馬海樂，周存山，曲文娟，等.食品物理加工技術(shù)研究進(jìn)展[J].食品科學(xué)，2011，33(suppl1)：103-109.

　　[10]BRIDGMANPW.Thephysicsofhighpressure[M].Britain：StrangewaysPress，1931：450.

　　[11]GERENCSERVF，BARNOTHYMF，BARNOTHYJM.Inhibitionofbacterialgrowthbymagneticfields[J].Nature，1962，196：539-541.

　　[12]MOYERJC，STOTZE.Theblanchingofvegetablesbyelectronics[J].FoodTechnology，1947(1)：252-257.

　　[13]方如明，蔡健榮，許俐，等.計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999：104-107.

　　[14]LEEMANSV，MAGEINH，DESTAINMF.Defectssegmentationon‘GoldenDelicious’applesbyusingcolourmachinevision[J].ComputersandElectronicsinAgriculture，1998，20：117-130.

　　[15]魏珣，賈敬敦，王振斌，等.基于文獻(xiàn)計(jì)量的世界食品物理加工研究發(fā)展態(tài)勢分析[J].中國食品學(xué)報(bào)，2017，17(6)：152-160.

　　[16]BANGWS，CHUNGHJ.EffectofhighhydrostaticpressureontheenzymeactivitiesinSaccharomycescerevisiaeandEscherichiacoli[J].NewBiotechnology，2010，27(4)：440-444.

　　[17]MAHL，HUANGLR，ZHUCM.Theeffectofpulsedmagneticfieldonhorseradishperoxidase[J].JournalofFoodProcessEngineering，2011，34(5)：1609-1622.

　　[18]HUANGLR，DINGXN，DAICH，etal.Changesinthestructureanddissociationofsoybeanproteinisolateinducedbyultrasound-assistedacidpretreatment[J].FoodChemistry，2017，232：727-732.

　　[19]MAHL，HUANGLR，JIAJQ，etal.Effectofenergy-gatheredultrasoundonalcalase[J].UltrasonicsSonochemistry，2011，18(1)：419-424.

　　[20]YANGX，LIYL，LISY，etal.Effectsoflowpowerdensitymuti-frequencyultrasoundpretreatmentontheenzymolysisandthestructurecharacterizationofdefattedwheatgermprotein[J].UltrasonicsSonochemistry，2017，38：410-420.

　　[21]DAICH，XIONGF，HERH，etal.Effectsoflow-intensityultrasoundonthegrowth，cellmembranepermeabilityandethanoltoleranceofSaccharomycescerevisiae[J].UltrasonicsSonochemistry，2017，36：191-197.

　　[22]李心怡，葉曉非，馬海樂，等.低強(qiáng)交變磁場促進(jìn)灰樹花液體發(fā)酵及其生物學(xué)窗效應(yīng)研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2017，43(8)：53-58.

　　[23]ZHOUCS，YUXJ，ZHANGYZ，etal.Ultrasonicdegradation，purificationandanalysisofstructureandantioxidantactivityofpolysaccharidefromPorphyrayezoensisUdea[J].CarbohydratePolymers，2012，87(3)：2046-2051.

　　[24]MUTHUKUMARANS，KENTISHSE，STEVENSGW，etal.Theapplicationofultrasoundtodairyultrafiltration：Theinfluenceofoperatingconditions[J].JournalofFoodEngineering，2007，81(2)：364-373.

　　[25]LAMMINENMO，WALKERHW，WEAVERSLK.Mechanismsandfactorsinfluencingtheultrasoniccleaningofparticle-fouledceramicmembranes[J].JournalofMembraneScience，2004，237(1/2)：213-223.

　　[26]張斌.電場對橡木桶陳釀白蘭地酒的影響及其作用機(jī)理研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

　　[27]WANGZB，LITT，LIUFY，etal.EffectsofultrasonictreatmentonthematurationofZhenjiangvinegar[J].UltrasonicsSonochemistry，2017，39：272-280.

　　[28]祝子坪，馬海樂，曲文娟.激光誘變桑黃菌原生質(zhì)體的研究[J].激光雜志，2008，29(3)：70-71.

　　[29]祝子坪，馬海樂，曲文娟.He-Ne激光與紫外線復(fù)合誘變桑黃菌原生質(zhì)體的研究[J].應(yīng)用激光，2007，27(3)：220-222.

　　[30]WANGB，KHIRR，PANZL，etal.Effectivedisinfectionofroughriceusinginfraredradiationheating[J].JournalofFoodProtection，2014，77(9)：1538-1545.

　　[31]WANGB，MAHONEYNE，PANZL，etal.EffectivenessofpulsedlighttreatmentfordegradationanddetoxificationofaflatoxinB1andB2inroughriceandricebran[J].FoodControl，2016，59：461-467.

　　[32]WANGS，YUEJ，CHENB，etal.Treatmentdesignofradiofrequencyheatingbasedoninsectcontrolandproductquality[J].PostharvestBiologyandTechnology，2008，49(3)：417-423.

　　[33]WANGBC，VENKITASAMYF，ZHANGL，etal.Feasibilityofjujubepeelingusingnovelinfraredradiationheatingtechnology[J].LWT-FoodScienceandTechnology，2016，69：458-467.

　　[34]WUBG，PANZL，QUWJ，etal.Effectofsimultaneousinfrareddry-blanchinganddehydrationonqualitycharacteristicsofcarrotslices[J].LWT-FoodScienceandTechnology，2014，57(1)：90-98.

　　[35]ZHANGYY，LIJ，QUWJ，etal.In-situandreal-timemonitoringofenzymaticprocessofwheatglutenbyminiaturefiberNIRspectrometer[J].FoodResearchInternational，2017，99(1)：147-154.

　　[36]OLADEJOAO，MAHL，QUW，etal.Effectsofultrasoundpretreatmentsonthekineticsofmoisturelossandoiluptakeduringdeepfatfryingofsweetpotato(Ipomeabatatas)[J].InnovativeFoodScience&EmergingTechnologies，2017，43：7-17.

　　[37]TUFEKCIS，OZKALSG.Enhancementofdryingandrehydrationcharacteristicsofokrabyultrasoundpre-treatmentapplication[J].HeatandMassTransfer，2017，53(7)：2279-2286.

　　[38]JULIANOP，KUTTERA，CHENGLJ，etal.Enhancedcreamingofmilkfatglobulesinmilkemulsionsbytheapplicationofultrasoundanddetectionbymeansofopticalmethods[J].UltrasonicsSonochemistry，2011，18(5)：963-973.

　　[39]SANCHEZ-GARCIAYI，GARCIA-VEGAKS，LEAL-RAMOSMY，etal.Ultrasound-assistedcrystallizationoflactoseinthepresenceofwheyproteinsandkappa-carrageenan[J].UltrasonicsSonochemistry，2018，42：714-722.

　　[40]MUTHUKUMARANS，KENTISHSE，STEVENSGW，etal.Theapplicationofultrasoundtodairyultrafiltration：Theinfluenceofoperatingconditions[J].JournalofFoodEngineering，2007，81(2)：364-373.

---

轉(zhuǎn)載請注明來自：http://www.jinnzone.com/wulilw/67595.html