食品物理加工的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、研究進(jìn)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(gè)國(guó)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(cè)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(duì)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(jìn)傳統(tǒng)食品加工效果的一種新方法。在國(guó)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(shí)現(xiàn)節(jié)能減排——促進(jìn)綠色發(fā)展、發(fā)展制造——食品產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型等技術(shù)特征及優(yōu)勢(shì)。物理學(xué)無損快速檢測(cè)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(zhǎng)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(huì),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(qiáng)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(xiàng)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(duì)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(shí)際上一直面臨很多瓶頸。此次專題報(bào)告的主題主要針對(duì)相關(guān)團(tuán)隊(duì)將超聲波應(yīng)用在食品輔助提取、改性、殺菌與強(qiáng)化特定反應(yīng)中時(shí)尋求的一些關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。
(一)超聲波在食品輔助提取中的應(yīng)用
超聲波技術(shù)實(shí)際上非常簡(jiǎn)單。超聲波作為機(jī)械重波,在非*頻率的拉伸和壓縮過程中,會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng),這種效應(yīng)會(huì)使它產(chǎn)生一種非常的效果,在這種效應(yīng)下,會(huì)產(chǎn)生自由基,導(dǎo)致它的波動(dòng),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(huì)隨著外部的壓力和聲能密度的不同而不同。在提取、加工、儲(chǔ)藏方面都有廣泛的應(yīng)用。提取的基理非常的簡(jiǎn)單:通過空化效應(yīng)的產(chǎn)生,對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破壞,內(nèi)壁的機(jī)制被釋放出來。
在對(duì)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(gè)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(shí)間的選擇,另一個(gè)主要因素是容積選擇和提取溫度問題。近幾年,研究團(tuán)隊(duì)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(tái),可以把聲場(chǎng)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(jī)理是它的剪切力作用與自由基對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)械表面的去污和清潔。利用超聲波色流與空化技術(shù)使細(xì)胞壁破碎,細(xì)胞裂解。在殺菌過程中,大家zui關(guān)注的是效果和對(duì)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(shí)間,風(fēng)味具有非常好的可比性,這是細(xì)胞破碎不可逆轉(zhuǎn)的過程。美國(guó)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(shì),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(qiáng)化海藻鈉包埋木瓜蛋白酶活性機(jī)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(huì)對(duì)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(duì)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(huì)大大降低。研究發(fā)現(xiàn),超聲可以強(qiáng)化游離酶。
超聲波主要利用三個(gè)效應(yīng)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)化,一是熱、二是機(jī)械、三是空化效應(yīng)。超聲可以強(qiáng)化微環(huán)境的擴(kuò)散效應(yīng),在提取的過程中,強(qiáng)化溶質(zhì)在固體的原料中容積的擴(kuò)散效果非常重要,它的擴(kuò)散效果是傳統(tǒng)擴(kuò)散方法不可能達(dá)到的。
通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出:超聲對(duì)于介質(zhì)的擴(kuò)散影響非常大,但是也會(huì)影響酶的結(jié)構(gòu),有利有弊。不同頻率的超聲波對(duì)于介質(zhì)的擴(kuò)散影響不同。介質(zhì)也會(huì)受到超聲的影響,反過來改變對(duì)酶的作用,這種酶的作用也會(huì)影響到其它酶。對(duì)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(guó)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(zhǎng)。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(gè)方法都有它的局限性和優(yōu)點(diǎn)。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(huì)影響成香物質(zhì)。比較好的方法包括高壓脈沖電場(chǎng),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(diǎn)。首先它帶有高壓。同時(shí),它能形成電場(chǎng)和磁場(chǎng)。
zui后,通過實(shí)驗(yàn)與對(duì)比發(fā)現(xiàn)超聲波確實(shí)有促進(jìn)鎮(zhèn)江香醋陳釀的效果,進(jìn)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(chǎng)冷殺菌技術(shù)
美國(guó)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(guó)發(fā)生的花生醬沙門氏菌感染等;國(guó)內(nèi)在細(xì)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(guó)FSC每年的數(shù)據(jù)顯示,每年造成經(jīng)濟(jì)損失3500億美元。我國(guó)衛(wèi)生部每年收到的食物中毒報(bào)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(shí)間,可以找到一個(gè)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(yíng)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(xiàng)新興殺菌技術(shù)是高壓電場(chǎng)冷殺菌技術(shù)。美國(guó)的生鮮食品,盡管有完備的冷鏈物流儲(chǔ)藏,但是微生物繁殖引起的變質(zhì)頻有發(fā)生。我國(guó)的生鮮包裝產(chǎn)品,十一五以來發(fā)展迅猛,市場(chǎng)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(guó)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(gè)熱點(diǎn)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(guó)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(chǎng)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(huì)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(huì)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(xiàng)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(guó)*正在合作研究,也聯(lián)合企業(yè)在進(jìn)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(cè)
核磁共振技術(shù)是一項(xiàng)源于古代的技術(shù)。核磁共振現(xiàn)象是在外磁場(chǎng)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(gè)頻段的電磁波都有相應(yīng)的技術(shù)與之對(duì)應(yīng)。在食品領(lǐng)域中,主要關(guān)注低場(chǎng)時(shí)域譜,來探討分子之間的相互作用。目前,設(shè)備向、高場(chǎng)的核磁發(fā)展,需要嚴(yán)格的屏蔽環(huán)境才可以進(jìn)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(cè),在檢測(cè)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(jìn)行干燥、復(fù)水過程的檢測(cè)。