食品工程
——化工精英應該關注的領域

陳曉東

（蘇州大學材料與化學化工學部，化工與環境工程學院，蘇州市綠色化工重點實驗室，江蘇 蘇州215123）

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食品工程
——化工精英應該關注的領域

陳曉東

（蘇州大學材料與化學化工學部，化工與環境工程學院，蘇州市綠色化工重點實驗室，江蘇 蘇州215123）

摘要：食品生產與市場是現代經濟與國家安全中的重要一環。本文介紹了食品工程的特殊性：食品工程并非是化工原理的簡單應用，因為食品是種特殊的物質，其主要組分（包括蛋白質、脂肪及碳水化合物）都是大分子，但擁有普通高分子材料不具備的各種特性。并且，食品中發生的物理化學現象是隨時間變化的并且在很大程度上受其水分的影響。本文從食品的微結構特性、水活度及其重要性、食品的分離與純化、“新興”的食品加工技術、食品的營養過程工程、納米技術在食品加工中的應用等方面全面闡述了食品工程與生物工程、化學工程、機械工程、電機工程等學科的交叉與融合。最后通過實例，將化工工程中的噴霧干燥應用于奶粉的生產，指出食品工程今后需解決的問題。作者期望拋磚引玉，有更多的化工精英致力于食品工程的發展。

關鍵詞：食品工程；化學工程；食品特性；營養工程；消化與吸收；新興非熱技術；水活度

作者：陳曉東（1965—），男，教授，博士生導師。國家“千人計劃”引進人才，新西蘭皇家科學院院士，澳大利亞技術科學工程院院士。E-mail xdchen@mail.suda.edu.cn。

借助于高新技術的發展，特別是信息技術領域的發展，人類社會在各個方面都在迅猛地發展。特別是最近的幾十年，有些發展中國家在相對穩定、和平的國際環境下，堅持了開放市場的政策，尤其是中國、印度等國家，在很多方面取得了重大工業技術的成就，在多個方面接近甚至超過了老牌的發達國家。與此同時，眾多的人口帶來了相對低廉的勞動力以及巨大的市場，這些都為國家進一步發展提供了巨大的優勢。有意思的是，雖然物質技術領域的發展迅猛，人的最基本的需求與觀念的變化卻可能相對沒有那么快。哪些是基本的需求與如何滿足這些基本的需求，如何進一步更有效的滿足這些基本的需求，還是人類生存的第一線問題。當然，中國人以“食為天”也正發展到了要吃得更健康，也更加休閑。無論如何，水、食物、能源是最基本的人類生存的要素。在化工產業里，最經常被關注的是如何更快地進行一個過程，提高能源利用率以及生產效率。但與產品工程相結合后，產品的質量、性能與結構狀態等也是最主要的幾個關注點。

在食品加工過程中，食品的質量與安全無疑是最重要的一方面，是保護消費者、維持社會穩定的重大因素。生產率的提高是不該以產品質量與安全為代價的。這一點在制藥業顯得尤為突出，其加工過程的能量轉換效率并不是關注重點，而產品的質量和功效才是最重要的。在工業發達國家里，化工過程工程是一個較為成熟的專業領域。食品加工與生物加工業是化學工程專業畢業生的主要就業選擇，也是化學工程的科研部門所面對的最活躍的工作對象之一。

仔細考察中國的制造業，就會發現食品制造業占總國內生產總值的比重16%～18%，為最大的制造行業。中國，作為最快速發展的工業化國家，擁有如此多的人口，一個高產率、高質量的食品工業是必須的。同時，飲食文化是中國社會最基本的文化，吃得飽吃得好是一切的基礎。隨著收入水平的增加，人們對食品的安全與質量等各方面的要求也迅速提高。在發達國家，食品工程的技術基礎源泉是化工原理。相比之下，我國在食品工業中從業的化工畢業生相對較少，化工科研精英則更少。雖然有些大學培養食品工程師，但在化工的基礎內容要求上，相對較弱。在化工領域的科研部門，包括高校與科研院所，在食品行業的作用與參與是非常薄弱的。

食品工程，是一種結合生物工程、化學工程、機械工程、電機工程等的交叉學科，主要用于生產食品的綜合性工程技術。如前所述，食品工程的范圍包括經典單元操作在食品加工中的應用，液態及固態食品運輸儲存方法，食品加熱、冷卻或冷凍的傳質傳熱過程研究，食品工程中的化學和生物化學方面的問題以及動力學分析，液態食品的濃縮、膜分離和膜在食品加工中的應用，貨架期、電子標簽與電子標簽庫存管理，以及可持續食品加工技術，另外還包括包裝、清洗和食品衛生等。方方面面，內容多樣，錯綜復雜。相對應的科學內容豐富，難度也高。對整個食品加工領域來說，化工基礎的至關重要性顯而易見。

圖1 食品的主要組成與一些功能[1]

但是，食品工程有其特殊性。食品的主要組分是蛋白質、碳水化合物、脂肪與水、 還有少量的礦物質。圖1展示了食品的基本化學組成。這些組成決定了食品結構與質地。脂肪里溶解了氣味有機分子而水溶解了負責食品味道的分子與離子[1]。食品工程面對的確實是些特殊的生物材料。食品一旦被從它原生長的“根”分開，就開始變質，變質的速度取決于環境條件與其自身特質的相互作用。加工過程本身的作用之一是如何維持這些食物的原始的新鮮質量，作用之二就是有目的的制造食品使其具備特定的形態與功能、有更長的安全存儲期，同時也滿足下一步應用的需求。面對市場顧客的需求，這些性能有的是為了滿足消費者的感觀評價，比如顏色與氣味等；有的是為了滿足營養健康的需求；也有的是為了滿足下一步的加工需求（如與其他食品一起做新的產品）。食品原料也可通過各種分離過程，將食物的一些特殊精華分離純化出來，作為其他營養健康產品的原料。在這些加工過程中，化工原理之中的單元操作與三傳一反的原理是最基本的要素。事實上，化工原理中的經典單元操作并不能完全滿足食品加工的需求，食品加工有其更特別的單元操作[2]。因為食品原料的多樣性、特殊性，食品材料科學本身是非常豐富的，在表征難度方面，要求也很高。這些材料的變化，影響加工過程的調控，影響三傳一反的程度。從分子層次（食物的組成）到產品尺度，食品工程是個多尺度（跨尺度）的復雜問題（表1）。另外，食品工程融入了生命科學的很多方面，如微生物科學、醫學等，所以無疑是個跨學科的領域。在工程設計與優化上，在工廠的自動化程度上，很多食品行業的要求很高。食品安全是個極其復雜的問題。同時，各種數學模型也是必要的。食品工程的主要目的是提供給人類社會更加安全、更加營養、也更好吃的食品。技術上，可以通過對食品材料結構的控制來實現，包括對結構的保持、轉化、創造或破壞[3]。

在這篇文章里，作者將闡述食品工程的一些主要特點，也將展示一些較新的技術成就。特別強調與化工有共性的內容[4]。作者將強調食品工程的發展已創造性地延伸了傳統的化工過程工程的研究范疇。

表1 食品的結構單元與復雜度[3]

1　現代食品工程的特點

1.1 食品的微結構 —— 理解食品工程的基礎

在食物與生物材料之中的主要物理化學現象大都發生在微結構水平，比如，在尺度為100μm以下的現象[5-7]。新產品在很大意義上是制造新的微結構。這些制造過程包括結晶、乳化與交聯、泡沫化等[8]（圖2）。

如圖3所示，頂端考慮的是食品的化學組成及其相應分子層次的功能；左下角考慮的是加工過程的基本原理與技術；右下角是加工產生的微結構。有了結構才談得上一個宏觀產品的質量、性能與功能（如圖3中央所示）。

圖2 食品組成及幾種典型食品的尺度現象；相應的微觀可視技術與相應的數學模擬方法

圖3 食品加工的基本思路——過程工程與產品工程的結合

如圖1所示，從化學組成上看，絕大部分的食物主要是由蛋白質、脂肪、碳水化合物和水組成[3，9-10]。當然還有微量礦物質元素，比如乳化劑。這些都會對組成何種微結構有很大的影響[7]（也參考表1）。新食品的組成與設計起始于分子的組成，接著是生成微結構的過程，然后才能談得上產品的功能/性能/質量等[11-13]（參考圖3）。然而，食品的微結構是可以被破壞或生成和改變的，比如，通過烹調過程，食物從原生態到“煮熟”了的狀態，雖然在營養組成上有了調整（有些因為加熱而被減少），人們更喜歡吃了，也可能更容易消化了。

把有些特別的營養物或是有醫藥特性的組成部分從食物中提取出來的過程，受食物微結構及其變化等很大的影響。這些微結構的變化，從化工原理的角度，改變了傳遞現象的參數（比如傳質系數）。在這些“微尺寸”下，如圖2，在材料科學上常用的光學顯微、X射線顯微、掃描電鏡、透視電鏡、激光共聚焦、原子顯微以及核磁共振等儀器都對食品工程的發展起到了極大的作用。“眼見為實”是研究過程工程的最有效的方式之一。因為食品加工都是隨時間變化的過程（瞬態過程），能夠可視化是不可缺少的一個元素。

食品材料的物性是個復雜多變的問題，多數食物為非牛頓流體。在有些方面，食物又是個結構化的流體而具備各向異性的特性。一般來說，熱物性會被籠統的表述為食物水分含量-溫度的函數。由于食物組分的影響、食物微結構的影響，導致了熱物性的不確定性，從而影響了對加工過程準確預測的工程技術能力。可變度可能很大，所以只有在微結構層次量化的方法得以實行，以及宏觀層次的計算機模擬（化工類的數值模擬）也能有效的情況下，物性的變化預測才能準確[8]。當然，這個難度很大。

從以上的角度出發，如何利用（甚至發明創造）顯微技術與工程分析的方法的結合，還是個“藝術”。近年來，核磁共振（特別是低場核磁共振）被用來研究食品加工過程中的傳遞現象，特別是結合了產品結構變化。有一系列的工作聚焦于水分的遷移過程[14-20]。之前的許多模擬蒸發干燥現象用所謂的“蒸發面”移動來描述的方法，在現實里可能并不存在[17]。水分濃度是個過渡型的，也包括水的毛細管作用下的移動[18]。“水分傳遞的各種微觀設備”，比如毛細管（包括細胞群間隙）、微結構中心各種空隙、微流道的網絡結構等，都自然的具備非均勻性，以致食品加工過程的模擬工作變得相對復雜和相對不確定[21]。實際上，在干燥過程中，特別是食物干燥中，蒸發面是個蒸發區域而非是個面，是個過渡區，從很濕到很干的區域[21]。這些認識與理解為更好地生產優質產品提供了很大的機會。比如食品的質地（力學特性，texture）對食品的感官上有極其重要的意義；食物的風味（flavor）及其釋放等等都與結構有很大的關系[22-23]。

1.2 水活度及其重要性

食品中的水分對其特性有極大的影響。圖4顯示了典型食品與其相應的含水量。所以，理解水的影響太重要了。水活性（water activity，又稱水分活度、水活度，aw）指在密閉空間中，某食品的平衡蒸氣壓與相同溫度下純水的飽和蒸氣壓的比值，這個物性跟相對濕度（relative humidity，RH）相關聯：相對濕度（RH）=100×aw。

圖4 典型的食品與其相應的水分含量[3]

從定性上來看，水活性所量度的是食品中自由水分子的多寡。自由水是指可以被微生物所利用，維持正常代謝活性，得以延續生長及繁殖的水，自由水越低的環境對微生物的生存能力要求越為嚴苛。純水的水活性最高為1.0。降低水活性為良好的食品保存方法，食品利用某些加工過程，比如干燥，一般將水活性降低至0.6甚至更低，可以抑制大部分非耐旱微生物生長，避免食品劣變或食品中毒事件發生。因為單一極端保存方法會造成食品嗜好性降低，常會搭配其他保存方法同時使用。再有定性上，食品中的水可分為結合水和自由水兩類，自由水能被微生物所利用，結合水則很難或不能被利用。食品中水分含量，不能說明這些水是否都能被微生物所利用，其對食品的生產和保藏就缺乏科學的量化指導作用。因此，為了表示食品中所含的能被生化指導作用。因此，為了表示食品中所含的能被生物化學反應和微生物生長利用的有效水分，學術界提出了水分活性這一概念。

食品可以根據這個水活度來指導加工過程的目標。比如針對產品的保鮮和安全，圖5顯示了水活度與各種重要反應變化率的關系。這張圖對食品的保鮮與食品安全都有極其重要的意義。食品加工要以此為“目標函數”才能達到好的產品質量。另外，圖6直觀地解讀了食品的力學特性（直接影響口感以及消化過程）受水活度σw的定性影響。

圖7展示了‘工程化’的食品的相圖[1]。這張圖簡單搭建了化工原理與食品工程間的橋梁。當然實際的食品是更加復雜的。

圖5 水活度對食品化學與生物化學變化率的影響[24]

圖6 水活度對食品力學、質構特性的影響[1]

圖7 簡化的（模型）食品相圖

針對食品的加工，這些特性對工程技術的可行性、可操作性及其效率有直接的影響。如果不掌握這些特性的內容，進而改變、創新設備與工作條件，可以斷定相關的食品工程技術水平還是不高的。

1.3 分離與純化

分離工程與純化工程是化工過程科學中最重要的分支之一。在食品工業里，由于消費者多樣化的需求，包括健康（醫學）上的需求，強化或弱化了某些組分在食品產業中的作用正越來越常見。在發展中國家，食品工業更是尋求應用本地區富有的農作物、畜牧業產品作為原材料而提取各種有效成分從而制作更大附加值的精加工產品。在這方面，分離與純化工程是基礎[25]。在乳制品發達的國家，比如新西蘭、澳大利亞、法國與荷蘭，深化牛奶的加工對乳清蛋白的開發與生產擴大化是場“革命”。二十多年前，乳清只是乳業的廢物，僅作為飼料行業的原料。而今，乳清蛋白是乳品市場中最重要的產品之一。這個發展取決于薄膜分離技術與離子交換技術在乳制品行業的大規模應用與提升。在大規模蛋白質分離與純化技術中，膜分離（membrane separation）技術是最普遍的，所有的問題有膜結垢現象[26-28]。因而也產生了一系列的抗垢措施及清洗方法[26，29-31]。

在其他方面，比如有些產品的水溶液有令人不愉快的氣味，在產品中一定要去除。澳大利亞悉尼大學研究發展了旋轉錐蒸發蒸餾技術（spining cone distillation column）[32-36]。這項技術已在食品行業里得到了廣泛的應用。

1.4 具有“醫藥”特性的食品

近年來，國內人們在食品極大豐富的條件下，開始更加關注吃什么更健康。吃的東西更具選擇性。在這方面，在亞洲，有藥性的食物已有千年的傳統（李時珍《本草綱目》）；在西方，近年來的發展帶來了功能食品（nutraceutical）的概念。這個概念對食品工業創造附加值帶來巨大的影響。在2004年，在臺灣超過50%的家庭的食品消費被用在購買“更健康”的產品上，包括水果、蔬菜、茶、維生素、谷類產品，還有酸奶與各種液體奶產品（www.foodproductiondaily.com/news2005）。

“nutraceutical”產品不同于原始的食物的那種“健康”元素。它是一種有目的性的食品組成設計，通過食品加工過程而實現“可食”的產品，達到預防疾病的效果。nutraceutical產品是需要從一些原生食品或生物混合物中提取并純化。有許多組分已被認定能預防一些重要的疾病，比如心臟病、癌癥或骨質增生等；有些是能提高身體對這些疾病的抵抗力。最常見的是各種維生素，礦物元素（如鈣和鋅等）、纖維、益生菌（如obiyidis和acidophiplus）、omege-3脂肪酸、蛋白質等具有特殊功能的組分。食品工業近年來對這個領域的興趣不斷提升。無論如何，現代社會已經離不開這類產品，相應的工業需求必將繼續存在。

1.5 “新興”的食品加工技術

雖然是“新興”，其中的一些技術已經被建立研究了二十多年。最令人矚目的加工過程包括高頻脈沖電場（PEF）、超高壓過程（HHP或UHP）、微波加熱過程（MH）、超聲波過程（UP）、紫外線滅菌過程（UV）等。

其實以上的過程技術常常是針對食品安全，提高食品保質期而建立發展的技術。有些過程不僅滅了菌，同時還減少了營養成分的流失。

傳統的食品加工多采用加熱的方式，使食品內的細菌受熱而被消滅，與此同時，原有的好的成分也通常是對熱很敏感的，所以以上這些過程更好地保持了食品的風味、質地與顏色。以PEF和HHP為例。PEF一般可以在兩個電極之間產生幾千伏/厘米的電壓梯度，而被處理的液體食品（比如果汁）連續從兩個電極之間流過。PEF過程一般在環境溫度下操作，有時可能會有一點超過環境溫度。在液體上作用的時間不超過1s。這也被稱做一種非加熱的滅菌方法。其基本原理是在細菌的一邊迅速的堆積大量的一種電荷，細菌的薄膜在很短的時間內遭到很大的破壞。細菌內部的物質會泄漏出來，從而實現了滅菌的作用。在保持食品質量方面，PEF的表現超越了傳統的熱處理技術。它不影響食品的感官品質與物性。不過，PEF在化學分子層次上或營養成分分子層次上是否有不好的影響，還是需得到充分的證明的（U.S. Food and Drug Administration Centre for Food Safety and Applied Nutition，June 2，2000）。超高壓技術（HHP）是指將食品密封在柔性容器里，以水或油作為傳壓介質，在常溫（25～60℃）條件下進行100MPa以上的加壓處理，維持一定的時間后能殺滅微生物，最大限度地保持食品原有的品質[37]。有時候這個過程也與適當地加熱過程耦合以達到更好的滅菌效果。這個過程還可以用來調整產品的性質，比如改善產品的附水特性、顏色等[38]。從化工角度，所謂的溫度－時間軌跡是需要科學的考慮的[39-40]。HHP是可以很好的保持食品的質量、自然的新鮮程度，大大延長了保鮮期。目前，低酸類產品比如蔬菜、牛奶或各種菜湯類產品，在沒有補充上加熱方式的話，HHP的效果沒那么好。在生產上，從幾升到幾百升的裝備都已商業化。用HHP處理的產品，消費者的接受度是很高的。這與PEF方法成了一定的鮮明對比。

如何減少細胞芽胞（bacterial spores）的成活率是近年來這些HHP加工方式的研究焦點。這些芽胞在化學與物理結構上非常強悍，很難在滅掉他們的同時不對食品的質量有負面影響。HHP在這方面還需走一段較長的路。HHP與其他加工技術的耦合或許是比較好的“中庸”之道。

“體”加熱的方式，比如電阻歐姆加熱法和微波加熱法，都具有其他優點，它們一般不易生成所謂的“熱壁”現象[41]。在常規加熱方式中，加工表面比產品熱得多的現象是常見的熱壁現象。這個熱壁現象一般會導致比較嚴重的結垢現象。這些垢有生物的或礦物質的，取決于熱壁溫度[42]。電阻加熱法需要電極，電極的電化學變化對加工食品可能有不利的影響。微波加熱是較理想的方法。但用電量可能較大。

1.6 營養過程工程

雖然在國外，化學工程師與化工科學家們在食品工程以及食品包裝工程、農作物加工等方向都做出了重要的貢獻。食物在人體內的消化吸收過程、代謝過程等，仍然存在未理清的（生物）化學反應工程問題。食品的化學組成在體內會經歷一系列的傳輸與反應，或可想象對這一系列的過程進行實驗與數學模擬。在細胞層次上，這方面已有優秀的先例，比如SHULER[43]的單細胞模型。食品消化是營養吸收中的關鍵步驟。由于消化道的結構與功能復雜（生化反應器），不同個體的消化情況差異較大，使用臨床或活體動物進行消化研究的成本高、周期長、工作量大，使得目前臨床實驗只能得到籠統的消化結果，對于固體食品具體消化過程的理解仍有所欠缺，相關消化機理尚未得到明確闡釋。因此，建立可靠的消化道體外仿生系統，對于深入研究固體食物在上消化道內的食糜形成及其消化過程是十分必要的。這是個復雜的化工過程，是仿生化工的重要組成部分[13]。這里，每個‘化工設備’都是很特別的。在實驗層面上，有效真實反應現實的體外實驗系統是個“夢想”。難度在于，一個優秀的消化道仿生系統應完整的還原人或動物的消化系統的形態、結構及其消化環境，模擬消化道內流體的流動狀態，重現消化器官內食物的消化行為；這樣的體外仿生系統可大大降低消化過程研究的實驗成本，提高實驗的可重復性與精確度，還可對局部消化道內的反應進行特異性研究。至今，消化道體外仿生系統的搭建與研究已成為國內外多個課題組的研究重點[44-46]。只是，文獻中報道的絕大部分體外仿生系統，其消化過程都與實際消化過程有一定差距，不能很好地解釋真實的消化行為。

從化工角度出發，消化系統可看作是由一個或多個柔軟的反應器所組成的動態系統，其動力狀況與傳統的剛性反應器有較大不同。建立可真實模擬體內環境的消化道體外仿生系統，是體外消化過程的研究重點與研究關鍵。

在消化時，固體食物經由牙齒咀嚼由食道轉運至胃部，在胃竇中研磨破碎成糊狀食糜，與消化液混合并被其中的消化酶軟化分解，釋放出所含的營養物質以利于小腸（十二指腸、空腸、回腸）的吸收。由口腔、食道、胃和十二指腸四個消化道（器官）組成的上消化道系統及食品在其中的消化程度，對于后期營養成分的吸收利用起到至關重要的作用。現階段針對上消化道建立的體外仿生系統，仍以單反應器分批加入消化液的形式為主[47-50]。這種系統多使用剛性反應器（如燒杯、試管、發酵罐等），在消化酶的最適反應溫度下分批加入消化液，利用簡單的攪拌或震蕩的方式與固體食物進行混合。該系統的實驗裝置相對簡單，已在營養成分生物利用率的提高[49-52]、食物致敏成分的消化穩定性研究[47，53]益生菌對食物中難消化成分的輔助降解研究[54]以及有毒物質在上消化道內的代謝過程研究等方面得到廣泛應用[44，49]。這些研究成果證實了一套體外仿生消化系統對于食品科研的重要性。然而，所使用的剛性單反應器裝置從消化道形態、消化液的流加方式[55]到消化道中固體液體的混合方式與研磨能力[56]，都與真實的消化系統有較大區別，限制了對于消化行為的深入研究。

臨床常采用核磁共振、回波成像、放射性掃描等技術對真胃的消化過程進行研究。促使食團在胃竇內分散、混合、研磨和排空的驅動力可歸結為三方面：①胃竇壁面環形收縮直接作用于固體顆粒上的壓力；②被蠕動波推進的食糜到達閉合的幽門而形成的回退力；③來源于胃壁的斜度構型對胃腔內流體作用所產生的剪切力[57-59]。然而，3種驅動力對于固體破碎的影響大小及彼此相互作用的程度，目前仍未能明確。為研究上消化道壁面運動對消化過程的影響，研究者們利用乳膠或硅膠等軟材料制作出軟性體外仿生上消化道，在保溫和流加的基礎上，運用機械或水力的擠壓模擬消化道壁面的運動。

通過前期對消化道體外仿生系統的研究，已經提出了上消化道的固有生理形態應對其內消化物的分布、消化、排空和轉運行為具有較大影響。一個理想的體外仿生系統不僅需從器官運動及生化環境上實現仿生，還應當在形態上接近真實的消化道系統，即應該實現形態仿生，才能構建出與體內消化過程高度相似的體外過程。在食物消化時，吞咽后的食團按照其攝入順序在近端胃里依次堆疊儲存，被胃壁的蠕動波推入胃竇后才被打散、研磨；包裹于食團內的中性唾液酶不會過早地接觸到胃酸，保證了一定的原位消化時間。VAN KEMPEN等[60]通過對比體內外實驗結果發現，過早破碎的食團將會與胃液混合得更均勻，使得食團中的唾液淀粉酶更早失活，造成體外葡萄糖的釋放量低于體內血糖提升量[60]。可見，研究食品消化過程與相關消化機理，首先必須理解可吞咽食團狀態及其產生機理對于消化過程的影響。而可吞咽食團的產生，除了與傳統研究的牙齒咀嚼和唾液潤濕外，與軟舌、上下顎與咽喉的共同作用也有重要的聯系[61-62]。而食團在胃中消化時，胃的形態和結構對于消化過程也有重要影響。以胃液分泌為例，在真胃中胃腺廣泛分布在胃內壁上，即是說，胃液是以浸潤的方式注入胃腔的；而在已有的體外仿生胃系統中，消化液則是以單管或多管[62]形式注入的。體外仿生胃內，消化物與消化液的接觸情況與真胃不同，也是造成其消化過程不夠真實化的可能原因之一。其次，真實胃的“胃袋”形態不僅能長時間保留食團完整性，還具有限制排空顆粒尺寸的功能，而現有的體外仿生胃多采用柱形、橫管或倒錐形形態，均不能重現這些重要的生理功能。最后，臨床研究中發現，食糜在消化中受蠕動波推動到達幽門又回退形成回退流，并提出這種現象可能對胃和十二指腸內固體消化物的破碎和混合具有重要影響，但這種理論尚缺乏體外實驗證據。而回退流的形成與幽門的自發性運動息息相關，同樣幽門在目前的上消化道體外仿生化工研究中也尚未獲得關注。

作者前期在Monash大學、廈門大學與蘇州大學的工作部分證明了上消化道的固有生理形態對于實現仿生消化過程的重要性。單胃動物的胃是一個袋狀的不對稱構型，而胃壁收縮會造成胃的形態改變，使得胃內的流場十分多變而復雜。在作者制作的第一代大鼠胃的體外仿生系統中，對胃的外部形態進行了仿生，卻無法得到可重復的消化結果[63-64]。而后，往體外仿生的胃壁上添加了褶皺以摸擬真實內壁特征，使用升級系統對蛋白質和淀粉食物進行消化時，發現其消化過程不再受胃壁擠壓位置影響，顯示出很好的重復性[64-65]。而在另一項開發體外仿生人胃系統的工作中，證實了真胃構型影響固形物排空延遲的假設，所構建的體外仿生胃能很好地重現真實消化過程中大的固體顆粒在胃大彎處保留而液體部分首先排空的現象。在消化機理研究方面，作者發現，即便使用遠高于臨床檢測結果的收縮力來模擬胃竇壁面收縮，但該體外仿生系統對于固體食物顆粒的破碎能力卻無法匹敵真實消化過程。由此，通過體外仿生化工系統的研究，排除了胃壁運動直接剪切和由胃竇形態產生的渦流剪切兩種作用力對于固體食物的強烈破碎功能，使得第三種作用力——回退流的研究對于胃部消化過程的理解變得極為重要。當然，胃液的輸送、與食物的混合都是不能忽略的重要過程。目前，這部分工作正在蘇州大學的實驗室里進行。

由于消化道系統的復雜性，目前對于食品消化行為的理解與機理研究仍有許多空白；在消化道的固有生理形態、流加方式及消化道內流體運動對于固體食物消化過程的影響方面，未能建立起深入認識；現有的消化道體外仿生系統尚不能實現對于實際消化過程的高度還原，距離食品消化研究的需求仍有一定差距。化工科研可在運動仿生、生化仿生上加入形態仿生的方法，結合在線檢測技術，開發一套可實現大鼠上消化道全面仿生的體外系統，包括口腔、食道、胃與十二指腸的完整結構。蘇州大學的系統引入軟舌混合、浸潤性消化液流加、消化道壁面蠕動、幽門收縮等多種生理功能。通過比較體外系統的消化實驗結果與大鼠的動物實驗結果，進行系統優化，實現對于體內消化過程的更真實的還原。通過在線系統監控食團的消化過程，深入理解固體食物的消化行為，開展消化機理研究。至此，除了消化過程外，其實吸收系統也至關重要，也需要開展與化工類似的數學模型工作。總之，至今為止，相關的過程工程研究極其有限，研究本身難度也很大。

1.7 納米科技

近十幾年，在任何工程領域，納米科技是個避不開的話題。那么，在食品工程領域，納米科技有前途么？起碼，在一個重要領域之一——食品包裝工程，納米科技已開始顯現了重大的影響。在食品安全方面，納米級測量方法也有了初步的進展。納米層次的化學過程的理解，也為創造新的食品提供了創造性的思路。納米結構組成的包裝材料更堅實、更輕、更耐熱或更耐光，更有效地阻礙氧氣的傳輸，阻礙二氧化碳的傳輸，也控制了水分與氣味組分的傳輸，可以有效幫助保持原來液體的風味[66]。這些作用還在繼續[67]。至今，在設計與生產可生物降解的、對環境保護有利的、用來包裝新鮮或經歷最少加工的產品方面，科研與實踐還是遠遠不夠的。納米銀顆粒可以比傳統方法更好地保鮮蔬菜[68]。納米探頭技術可以用來檢測食品加工過程中可能出現的有毒物質（www.ap-foodtechnology.com/news）。當然，納米顆粒技術如果被用來直接做食品，還有一些安全問題需要進行基礎的研究。因為食品材料分子層次的變化或納米顆粒可能會帶來對吸收過程的負面影響，納米顆粒也可能停留在不利于活化器官健康的位置上。在這方面，公眾有權利在理解深層次上接受科學的發展。難題是有些負面影響可能短期難以發現，需要更為長期的觀察。

2　化工學科被用于食品工程的一個典型例子

噴霧干燥是工業中一種把液體干燥成粉末產品的重要技術[69-71]，其主要由4部分組成：①通過霧化器將料液分散成小液滴，噴射入干燥塔內；②空氣或惰性氣體加熱后，通入干燥塔內；③液滴與熱氣混合蒸發干燥；④干粉收集。由于該技術具有干燥速率高、生產能力大（液體千克級～100噸級/小時）、操作自動化程度高等優勢，已被廣泛應用于各個加工和生產領域，例如醫藥、食品、染料、洗衣粉、肥料、吸附劑、催化劑、天然提取物等。與醫藥、化工產業類似，食品工業是確保社會持續發展與人類健康生存的基礎產業。顆粒形式的產物或產品在存儲，包裝及運輸上都有優勢，同時也益于下游的綜合利用。比如多種顆粒可以較均勻的混合起來從而形成另一生產過程的理想原材料等。通過噴霧干燥，顆粒表面能在約0.1s以內迅速形成。如對于奶粉，單個噴霧干燥塔每小時干顆粒產量可高達幾十噸。由于該技術具有干燥速率高、生產能力大、操作自動化程度高等優勢，已被廣泛應用于食品顆粒的生產加工領域[69-74]。

一直以來，噴霧干燥過程被認為是個簡單的通過去除溶劑以“析出”固體顆粒的單元操作。顆粒表面與內部微結構的形成及功能特性的建立的科學研究常被忽略[69-74]。為順應現代社會的需求，產業界和消費者都對顆粒產品的質量和功能化提出了更高的要求。對顆粒產品的“設計”能力與顆粒生產技術含量的要求也在急劇提升。在先進材料科學的發展中，實驗室級的噴霧干燥設備也被作為新技術平臺制造高技術材料顆粒[75-76]。

以牛奶、馬奶、羊奶的全部或部分組分為基礎的顆粒，以其他蛋白質為基礎的顆粒，以微藻油或以益生菌等為包埋保護對象的顆粒產品，被用來滿足嬰幼兒、懷孕母親、病人、老年人等的多種個性化需求。對顆粒的著濕性、分散性、溶解度、存儲期及消化吸收等都有了嚴格的要求。產品的檔次也以此為標準而定義[71，77-78]。乳制品行業的大型奶粉噴霧干燥設備可單塔每小時生產約30t干粉。食品顆粒行業附加值較高、耗能也大、產品質量與產量直接影響產品的價格，也影響消費者的生活水平[79-82]。奶粉是由噴霧干燥技術生產，國內嬰兒奶粉市場一年銷售額就達44億美元、其他奶粉的市場也達幾十億美元[83]。

相關的科學問題將圍繞以下幾個層面而產生：單個顆粒是如何形成的？顆粒表面是如何形成的？顆粒形狀是如何形成的？顆粒內部結構又是如何形成的？顆粒干燥形成后的處理機制是什么？顆粒的終端實用過程的關鍵因素是什么？加深理解這一系列的問題并將過程參數對這些問題的影響進行量化：比如前驅液的組成、預處理（導致表面張力與黏度的變化），霧化（液滴大小）與干燥條件（溫度／濕度／相對流速等）對以上過程的影響，對終端應用的影響等。通過不斷完善的單顆粒干燥與微觀可視化技術揭示顆粒形成過程中的“秘密”——包括傳遞現象、相變現象、微結構形成現象等，并加以量化（時間常數約100s）（圖8）[84-106]。顆粒表面的黏度過高對于干燥操作是個不利的因素，因為由此引起的粘壁現象會導致產品變質，引發自燃甚至爆炸[107-110]。

為了深入理解干燥過程里的變化機制，作者帶領的蘇州大學研究團隊通過單粒徑液滴發生器及噴霧干燥的結合[100，111]，管理與確定顆粒軌跡，在尚未全干的顆粒飛行過程中捕捉顆粒樣品并進行材料科學上的形貌剖析、表面組成分析[112-124]。從而獲得顆粒形成的第一手資料（時間常數約0.1～10s）單顆粒與單粒徑噴霧干燥過程研究還包括過程中形成的性能的檢測。顆粒干燥過程后處理的微觀可視研究。建立并完善現有的顆粒形成（大小，形狀，表面／內部結構形成），噴霧干燥過程（流場與顆粒形成的耦合）的理論模型（圖9）。只有通過實驗與理論相結合的研究，特別是作為化工領域的一個應用，才能建立較為完善的相關顆粒工程科學基礎。

圖8 “雙溶質”系統（如蛋白質與乳糖）液滴的干燥與顆粒成型過程

圖9 噴霧干燥模擬的全過程、多尺度動態實時模型

3　結 論

現代食品工程的研究范疇包含了原材料的生長與加工前的預處理，這是上游。下游包括了對食物廢料的再利用、食品廠排放的處理等。加工的同時，加工設備的化學清洗與液體排放，是環保的一個重要內容。食品加工的可持續發展問題也是個尚未得到充分開發的領域。關注食品工程與醫學的連接以揭示食品與健康更加深刻的聯系，也是不能忽略的科學內容。另外，在人類對宇宙的探索過程中，宇航員如何在航行、登陸、居住等更加長期的任務中存活下來，且活得好、工作與精神上保持積極，也是食品工程與安全的科技發展的新挑戰。這篇文章沒可能完全囊括這些內容。總而言之，在現代社會里，食品工程不可或缺。食品工程是個典型的多學科交叉的領域，需要引入最高水平的工程科學內容與實踐。這個發展趨勢，在國外已是常態。作者也希望通過本文，引起國內的化學工程精英們對食品工程的重視。能源、環境、水與安全的食品是人們生存（活得好）的基礎。現代化建設需要更多為人們生活品質所考慮的內容，優秀的食品工程科學與應用無疑是最重要的內容之一。

致謝 本文作者在此感謝蘇州大學的同事——肖杰教授、陳利丁博士、張慧女士、博士生黃松與張露同學對本文寫作的支持與幫助。

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Food engineering ——chemical engineering elite should pay attention to the field

CHEN Xiaodong
（Key Laboratory of Green Chemical Industry in Suzhou， School of Chemical and Environmental Engineering，College of Chemistry，Chemical Engineering and Material Science，Soochow University，Suzhou 215123，Jiangsu，China）

Abstract：Food production and its market economy are the most important sector in national economy and security. Here the characteristics are introduced：food engineering is not a simple application of the chemical engineering principles. Food is a unique material consisting of mostly protein，fat and carbohydrate，which are all large polymeric molecules yet possessing characteristics that are more complex than those usually encountered. Most importantly，all food related phenomena are time-dependent，which are influenced significantly by their water contents. Here，the author has through some examples，e.g. food microstructure characteristics，water activity and its importance，separation and purification technologies in food industry，new emerging food processing technologies，food nutrition engineering，and nano technology applied to food industry，described the nature of food engineering as a multidisciplinary subject linked with biological engineering，chemical engineering，mechanical engineering and electrical and electronic engineering. A typical example，spray drying to make milk powder，is given with a futurd prospect suggested. There is no doubt that the current article reflects only a small part of area of food engineering. Nevertheless，it would make a good read for someone who is interested in food processing.

Key words：food engineering；chemical engineering；food characteristics；nutrition engineering；digestion and absorption；emerging non-thermal processing technologies；water activity

中圖分類號：TS 201.1

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）06–1852–13

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.06.027

收稿日期：2016-02-03；修改稿日期：2016-03-22。