食品加工技術裝備的科技需求

文/劉東紅 浙江大學生物系統工程與食品科學學院

我國食品裝備行業取得了眾多成就，但與發達國家相比，不少關鍵核心技術還受制于人，不論是基礎研究、共性技術還是專用技術領域，目前都有一些亟待攻克的核心技術。系統化成套化的技術裝備、高效可靠的智能裝備將是我國食品產業實現轉型升級、提質增效，提高國際競爭力的有力保障，更是實現食品產業“中國制造”的基礎。

近年來，我國食品裝備行業堅持科學發展、立足內需市場，增加品種改善質量，增強自主創新能力，從以數量增長向質量效益提升轉變，從以跟蹤模仿為主向自主創新為主轉變，從以注重單項技術突破向注重技術集成轉變。糧油加工、屠宰及肉制品加工、水產品加工、果品蔬菜加工等食品裝備持續穩定增長，酒類、飲料類、營養保健類、休閑方便類食品和包裝機械加速發展。

產業及科技現狀

隨著我國人均可支配消費收入持續增長，食品工業相對保持了較為穩定的發展環境，為食品裝備行業提供了相對積極和寬松的市場基礎，食品裝備行業運行態勢保持了高速增長，平均增長率達14.5%，高于食品行業整體的增長速度，食品裝備行業平均利潤率也高于同期機械工業10%的平均水平。

在國家出臺的《智能制造裝備產業發展規劃》、《首臺（套）重大技術裝備保險補償機制試點工作》、《國家智能裝備發展專項資金計劃》、《關于實施主食加工業提升行動》等政策，以及“863計劃”、“國家科技支撐計劃”、“國家重點研發計劃”等科研項目的推動下，食品裝備產業的自主創新能力明顯增強，在重點領域取得豐碩成果，突破了一批共性關鍵技術；在食品非熱加工、可降解食品包裝材料、在線品質監控等方面的研究取得重大突破；掌握和開發了一批具有自主知識產權的核心技術和先進裝備，如單模產量2250瓶/時的第5代吹瓶機、36000瓶/時純生啤酒玻璃瓶智能灌裝線、16000包/時液態奶無菌包裝線、10000只/時肉雞自動屠宰加工生產線等關鍵設備及成套裝備，自主裝備的技術水平與國際差距逐漸縮小，部分產品性能達到或超過國外先進水平，全面提升了我國食品裝備行業的整體水平。

在取得眾多成就、充滿信心的同時，我們也應認識到，與發達國家相比，我國食品領域不少關鍵核心技術受制于人，不論是基礎研究、共性技術還是專用技術領域，目前都有一些亟待攻克的核心技術。

亟待攻克的核心技術——基礎研究

加工過程物性變化機制及表征方法。食用農產品原料為生物原料，形態復雜，多為有細胞結構的生物體及非均相結構。食品物性是指食品和食品原料的物理性質和工程特性，如力學特性、流變學特性、質構、光學特性、介電特性和熱特性等。這些特性與食品貯藏、加工、流通等關系密切，是感官品質的決定性因素，也是營養遞送的關鍵因素，對食品物理品質定量評價與控制、加工過程中傳熱傳質、加工工藝及裝備的設計、優化及創新等均具有重要意義。此外，表征食品加工過程中的物性變化，實時在線的物性感知也是食品智能制造的基礎。

隨著超高溫、超高壓、超低溫、超微粉碎、超強光、高壓電磁場等食品加工新技術的興起，食品物料在超常條件的物性研究亟待加強。

食品品質安全與環境的互作及調控機制。食品品質與安全是農產品基因型和環境條件互相作用的綜合表現。除與遺傳因素有關外，溫度、水分、養分、光照等環境條件和生產措施環境決定了食品品質，同時環境污染因素直接通過代謝和累積影響農產品安全，并通過食物鏈進入人體，產生食品安全危害和風險。

通過環境與食品質量安全互作機制研究，并結合智慧農業的環境監測，將為食品品質安全的調控提供理論基礎，并為高品質安全食品的生產提供支撐。

〉 現代食品工業生產線

復雜食品加工過程仿真模擬及優化。基于模型的研究方法已在在食品科技與工程中得到了高度重視，EFLP （European Food for Life platform）將建模視為歐洲食品工業發展的一個重要工具。模擬仿真技術在食品領域的發展相較于機械、建筑、航空航天等學科來說相對落后，一個主要原因是食品體系復雜度的增長，這種復雜度體現在物理、化學、生物性質在大范圍的時間和空間尺度上的不同。

近年來，計算機模擬仿真進行食品工程設計的研究越來越熱（圖1），主要包括各類食品干燥過程、熱加工過程、水產品速凍、加工過程品質變化等方面的建模與參數調控仿真。隨著對食品加工過程的逐漸深入理解以及計算機計算能力的提高，模擬仿真技術開始應用于食品品質屬性的研究，例如含水量、顏色、粘度、組成成分。現在，食品結構（粘度、多孔性）也被考慮進來，模型可以展示這些結構的產生過程。同時，隨著監測和分析手段的進步（圖形技術、磁場和電子束），使得我們可以不同尺度下的結構和化學物質間的相互作用和影響，特別是大分子和小分子之間的相互作用。

在現有的食品加工過程模擬仿真中，多數模型建立在對體系的極度簡化和靜態的基礎之上，這種模型無法給出暫態效應對設備性能、質量、安全性、環境影響的影響的可靠估計。建模和仿真應該努力將密度、溫度、熱量、動量、能量等表征參數與化學反應等多場相耦合起來，將食物設計成一種“智能”向量，用以解釋目標分子對食品營養和感官性質的影響。

在食品加工過程優化方面，目前絕大多數的方法是正交試驗、響應面分析等常規實驗手段。人工智能（Artificial Intelligence，AI）是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。人工智能的理論和技術日益成熟，應用領域也不斷擴大，“阿拉法狗”、“無人駕駛汽車”等已經取得了非常大的成就。但是人工智能技術在食品研究的領域卻很少，引入人工智能技術將是基于模型分析優化的一個有效手段。

食品裝備先進設計技術及平臺。虛擬樣機技術是CAx/DFx建模/仿真技術、現代信息技術、先進設計制造技術和現代管理技術等集成應用于復雜產品全生命周期、全系統，并對它們進行綜合管理。虛擬樣機技術在美國、德國、日本等發達國家已得到廣泛的應用。

食品裝備設計要在現有CAx/DFx建模/仿真工具的基礎上進行深度二次開發，研發食品裝備專用先進設計平臺，建立涵蓋通用食品加工關鍵部件模塊、專用食品加工部件模塊和通用機械支撐模塊為一體的食品加工裝備設計模型知識庫。采用基于虛擬分割和筋特征提取等中面提取方法、基于底層布爾操作的圓角/細節特征抑制的方法和基于約束分析的構件配合識別方法，實現由設計模型向仿真分析模型的自動轉換，并在設計優化仿真間建立中間件，實現三者間模型驅動的跨平臺緊密集成。

以食品裝備為實體模型，集成信息處理、智能推理、預測、仿真和多媒體技術等為一體，建立制造資源的幾何模型、功能模型、物理模型，模擬制造過程和未來產品，實現從感官和視覺上使人獲得完全如同真實的產品感受；構建諸如大型工程數據管理軟件(PDM)對數據進行優化整合，提升食品裝備設計優化水平。

圖1 食品計算機仿真領域的論文數（SCI）來源：ScienceDirect網站檢索數據

亟待攻克的關鍵技術——共性技術

食品智能制造技術。目前大部分食品裝備還處于工業2.0～3.0水平，即還停留在電氣化與自動化時代向電子信息化層面的提升，智能化程度較低，需要全面提升食品裝備自動化、智能化的技術水平。

食品智能制造技術包括：食品加工制造過程中的組分、配比、含量、風味、品質等相關參數的原位感知技術；基于食品加工制造經驗的智能食品專家系統、人機交互技術；食品營養、品質、安全性等質量無損檢測技術及問題產品在線剔除技術；基于視覺、觸覺的產品柔性整理、分列、包裝技術及機器人；裝備運行過程中故障自診斷、故障自排出的自行維護技術等。

食品柔性制造系統技術。食品的柔性制造系統是在同類食品制造工藝的基礎上，以各種單元加工設備為主要柔性制造單元，通過自動化物流系統將其聯接，由主控計算機和相關軟件進行控制和管理，組成多品種、變批量和混流式生產的自動化制造系統。

食品柔性制造系統技術包括：基于互聯網訂單的食品制造生產管理技術；基于物聯網的食品原料智能供給、輸送技術；模塊化的食品制造單位技術；可重構和自組織的食品智能柔性制造技術；基于物聯網的食品包裝及倉儲智能物流技術等。

新型食品成型制造技術。新型食品成型制造技術是利用增材制造技術，結合傳感器、執行器、食料儲存器和應用軟件，通過整體集成與優化，出可定制的食品/美食或功能性食品。其工作原理表現為對于粉末或者液體食物原材進行層層堆疊，其中可以利用外界物理刺激直接實現三維固化成型或利用粘合技術將粉末有效粘接3D成型。

新型食品成型制造技術包括：適應快速成型的食品3D打印技術、分子食品原料制造技術；精準營養供給的分子食品原料調配技術；3D打印食品的快速定形、熟化技術；3D打印食品營養、風味、質構等品質保真復熱技術；3D打印食品保鮮、形態保持、信息化包裝技術等；

食品高效低耗制造系統技術。

以強化加工過程中傳質傳熱效率、提高生產效率、降低能耗為目標的超聲、酶解、膜分離、超臨界萃取等多種高新食品加工技術耦合的復合高效提取與分離技術與裝備；超高壓、超聲、脈沖電場、等離子、強光脈沖等冷殺菌技術的產業化裝備；基于現代分子生物學，以破壞微生物生長的生態系統為手段的綠色生物安全防控技術及裝備。

亟待攻克的核心技術——專用技術

食品無菌高速灌裝關鍵技術及裝備。無菌灌裝生產線是食品領域的頂級技術裝備，集成了光機電一體化、現代物理化學、微生物學、自動控制、計算機通訊等多項高新技術為一體，是食品裝備技術水平的代表。

目前該領域德國KRONES、德國KHS壟斷了無菌瓶裝飲料設備，瑞典利樂、瑞士康美包壟斷了紙塑復合包無菌飲料設備，法國ERCA、德國BOSCH壟斷了塑杯無菌灌裝設備且價格高昂，國內幾乎所有大型飲料集團，如蒙牛、伊利、光明等均采用進口設備，國內碧海、普利盛等企業已開發了無菌磚包裝設備，產能9000包/時，遠落后于國際的最高速度24000包/時；新美星、中亞等企業開發了無菌塑瓶包裝設備，產能40000瓶/時，遠落后于國際的最高速度54000～72000瓶/時。同時，由于管閥設計制造技術水平的影響，CIP/SIP系統24時就要清洗殺菌一次，而國際同類產品平均時間為48時，最高的能達到72時；國內對瓶體、瓶蓋的殺菌還停留在H2O2浸泡或汽化干法殺菌，國外最新一代無殺菌劑殘留的電子束殺菌，更安全環保；由于采用無菌冷灌裝方式，對瓶體強度要求降低，每個瓶子的PET材料消耗可減少10%～15%。

目前亟需突破高效無焦結熱交換、電磁加熱/超聲輔助/電子束/脈沖強光新型物理殺菌、熱敏物料在線過濾除菌、高速無菌灌裝、無死角CIP/SIP、設備整機無菌驗證等關鍵技術，從而開發高端食品無菌高速灌裝設備。

食品超薄金屬罐高速封口關鍵技術及裝備。我國的易拉罐產量已從2012年的399億個增長到2016年的600億只。目前，美國的ANGELUS、意大利的CFT、瑞士的FERRUM、日本的東洋制罐、法國的HAMA等已基本壟斷高端金屬罐生產設備的全球市場，美國ANGELUS的大容量（120L）高速封罐設備的生產速度已能達到800罐/分鐘，法國HAMA的方形罐生產速度已能達到240罐/分鐘，瑞士FERRUM的 F412型封罐機的生產速度已能達到1200罐/分鐘，金屬罐真空封口速度已能達到250罐/分鐘。

我國目前還缺乏金屬罐高速封口關鍵技術，特別是真空高速封罐技術。汕頭虹橋、廣東新湖、浙江煒馳等國內企業僅能生產中低端的罐頭生產設備，但最大封罐速度不到300罐/分鐘。國內幾乎所有大型易拉罐飲料生產企業，如可口可樂、青島啤酒、雪花啤酒、王老吉、加多寶、健力寶等飲料生產企業，上海梅林、廈門古龍、廣東甘竹、大連真心等午餐肉與魚肉罐頭生產企業，廈門銀鷺、達利園等八寶粥生產企業，均采用進口設備。

食品高壓均質粉碎關鍵技術及裝備。高壓均質處理可使液料食品發生物理、化學、結構性質等變化，增強食品穩定性、改善食品口感、減少反應時間、節省昂貴添加劑、提高產品附加值、延長食品貨架期，該領域國際市場規模超過100億元。國外商品化均質機已達到150兆帕，德國的GEA、德國APV、意大利Niro Soavi、意大利Bertoli、加拿大Avestin等占據絕大部分的市場份額，我國的高端、高效的高壓均質機幾乎完全依賴于進口。全世界近1/4 的牛奶、1/3 的速溶咖啡、1/2 的啤酒通過GEA設備或零件處理。日本三和機械的均質機處理量最大能達到22000 升/時，壓力達到98兆帕；利樂500型均質機的最高產能達到每小時63600升/時。

目前，我國僅能生產中低壓、小流量的均質設備。研發質量好、性能穩定、產能大的大型（特大型）均質機和超高壓均質機，替代進口，是均質機行業的一項緊迫任務。

另外，全谷物加工技術可以顯著提高糧食利用率、有助于改善居民營養健康，目前全球領先的用于全谷物糙米磨粉的裝備主要集中在日本，全麥磨粉的裝備主要集中在美國（以通用磨坊為代表）、德國（以GapMill為代表）等歐美國家，國內一直缺乏全谷物磨粉的專用高品質裝備，國內通常采用的全谷物磨粉工藝存在加工粉路長、效率低、能耗高等缺陷，不能滿足當前的谷物消費需求。

新型食品高效提取分離關鍵技術、材料及裝備。高效提取分離食品中的有效成分、營養因子等已成為現代食品加工的一種趨勢。現代食品分離技術主要超臨界流體萃取、高速離心提取技術、膜分離技術等。美國ASI、美國SFTD等的超臨界流體萃取設備，德國Westfalia、德國Hiller、意大利Flottweg、瑞典Alfa Laval等開發的離心分離裝備，美國MTP開發的VaporSep薄膜分離技術、美國Vaperma開發的Siftek聚合物膜法乙醇脫水新技術及材料等，處于世界領先水平。美國ASI的SFE2/4超臨界流體萃取裝置，可獨立控制各釜的流速，平行處理2個或者4個萃取釜，并可在線收集萃取物。美國SFT-1000超臨界全自動萃取反應設備實現閥門自動化和節流器自動化。美國Vaperma的Siftek膜為聚合物空心膜，具有高的滲透性和選擇性。德國AMST研發的高分子膜及膜材料具有耐高壓、抗污染、等特性，并提供耐酸、耐堿的超濾及納濾膜元件及成套設備。國內已研發系列的離心機，但高轉速、高性能工業型離心機的研發還滯后，缺乏集成化特種分離系統。同時，膜材料制備技術及裝備與食品需求還存在一定的差距，工業化發展受到制約。

面臨人口增加、資源匱乏、城市化的挑戰，新型食品加工技術裝備成為引領食品產業朝高效利用、新型加工、數字化設計、節能減排、智能制造等方向創新發展的有效手段，更成為解決我國勞動力成本上升、食品產業效益下降、資源逐漸匱乏等問題的重大科技需求。系統化成套化的技術裝備、高效可靠的智能裝備將是我國食品產業實現轉型升級、提質增效，提高國際競爭力的有力保障，更是實現食品產業“中國制造”的基礎。