新型熱和非熱食品加工技術的研究進展及影響其工業應用的因素

連文綺

(山西農業大學信息學院,山西晉中 030800)

近年來,消費者對食品的認識和要求越來越高,除了要求口感好,消費者還要求食品低熱量、低成本、品種多樣、包裝便利。食品的品質可通過外觀、質地、味道和營養含量來體現,食品加工的方式可以影響食品的這些特征。為了滿足消費者需求,越來越多的研究開始關注新型技術的發展和其工業的應用[1]。

過去幾十年中,食品產業已經開發了一系列新型加工技術,通過最小化加工來改善食品的物理化學性質。目前已開發幾種新型熱處理技術和非熱處理技術,這些新型加工技術的主要目的是保持食品營養特性,提高生產效率,減少能源損耗。考慮到全球化帶來的挑戰以及消費者對工業應用技術的多樣化需求,新型技術必須具有國際競爭力,保證產品生產質量,滿足消費者喜好并符合環保標準和法規[2]。

歐洲已有調查研究新型技術在市場上的被接受程度,研究結果表明消費者并不總是傾向于具有明顯健康益處的新型技術[3-4]。盡管已有研究調查消費者的消費態度和看法,但至今沒有總結影響新型技術普及的因素有哪些[5]。因此本文深入分析新型食品加工技術的開發、應用以及影響其接受度的因素,這對新型食品加工技術的商業化利用至關重要。

1 新型熱處理技術

熱處理技術是食品加工與保藏中用于改善食品品質,延長食品儲存期的重要處理方式。新型熱處理技術不僅可以殺死致病菌和有害微生物,改善食品的品質特性,提高營養成分的利用率,還可以大大提高生產效率,降低生產成本。

1.1 射頻加熱

射頻加熱或介電加熱是一種熱過程,當電場加載到介質材料時,偶極子轉動,電場的極性每秒鐘變化數百萬次,迫使極性分子每秒鐘也旋轉數百萬次,分子間摩擦從而產生熱量。在兩個電極板之間,因為有不斷變化的電場,帶電粒子就會向帶有相反電荷的電極板移動,移動過程中與其他粒子發生碰撞,產生熱量。每種食品都具有一定的介電性能,這些性能取決于食品的粘度、含水量、化學成分、溫度和其他理化性質[6-7]。這種內源加熱是射頻技術的一個特征,不論食物的導熱性、密度、尺寸如何,一經射頻加熱,食物中心可瞬間均勻精確地產生熱量[8]。因此,與傳統的熱處理相比,射頻加熱只需很少的能量,就能夠快速均勻地加熱食物[9-10]。射頻加熱是一種很有發展前景的技術,在食品工業中應用廣泛,可用于連續加熱和批量加熱。然而,這項技術對連續巴氏滅菌和食品滅菌的作用尚未得到充分研究和認證[11-12]。

1.2 微波加熱

微波加熱是涉及微波電磁輻射(1～100 GHz)或高頻交變電場和熱傳遞的熱過程。被加熱的介電物質中的水分子是極性分子,它在快速變化的高頻電磁場作用下,其極性取向將隨著外電場的變化而變化,造成分子的運動和相互摩擦。此時微波場的場能轉化為介質內的熱能,使物料溫度升高,產生熱化和膨化一系列物化過程從而達到加熱的目的。在微波加熱過程中,電磁波在有效的頻率范圍內振蕩(0.915～2.45 GHz)[13]。微波能量的吸收取決于食物材料的介電性和磁性,隨著微波進入食品,微波強度逐漸減弱,食品表面比內部吸收更多能量,加熱更快,這容易導致較深區域的加熱不均勻和營養物質的損失[14]。食品行業采用該技術進行食品加工是因為其快速均勻的能量轉移,并且加熱過程容易控制[15]。微波加熱可以有效用于食品干燥、餅干面包的烘焙和谷物、肉類和肉制品的烹飪,冷凍食品的解凍和蔬菜的燙漂等[16-18]。目前,微波加熱已成功地與射頻加熱相結合,保留了傳統微波加熱的優勢,還獲得電介質和傳導形式的加熱的優點[19]。

1.3 歐姆加熱

歐姆加熱也稱焦耳加熱、電加熱或導電加熱,是一種先進的熱處理方式。歐姆加熱的基本原理是利用食品本身的介電性質,當電流通過時,在食品物料內部將電能轉化為熱能,引起食品溫度升高,從而達到直接均勻加熱殺菌的目的[20]。與傳統熱處理相比,歐姆加熱可以均勻加熱食品,幾乎不損害營養成分。與微波和射頻加熱相比,歐姆加熱沒有穿透深度的限制,該技術可以使大顆粒食物以相似的速率加熱。因此,加熱含有大顆粒的液體食品,如糖漿和調味汁中的湯、燉菜等,被認為是歐姆加熱在食品工業中最有前景的應用。除此以外,歐姆加熱還可以輕松集成到現有的設備和處理系統中,這對歐姆加熱技術的應用和普及有很深遠的影響[20]。最新研究表明,歐姆加熱可能會產生溫和的非熱細胞損傷,導致食品中的微生物滅活[21],然而,這方面的研究結論需要更多關于溫度、電場與微生物破壞的動力學知識來支持。

1.4 紅外線加熱

紅外線是一種介于紫外和微波能量區域之間的電磁輻射,根據其光譜范圍,紅外輻射分為近紅外(700～1400 nm)、中紅外(1400～3000 nm)和遠紅外(3000～10000 nm)[22]。遠紅外線最適合食品加工,因為大多數食品成分更易吸收遠紅外區域的輻射[23]。紅外加熱是間接加熱模式,電磁能量穿透食物時被食物吸附,然后轉化為熱量。食品的加熱程度取決于食物特征以及食物顏色,因此,紅外輻射通過改變食物的香味和表面顏色來改變食物質量。紅外輻射快速均勻地加熱產品,減少了加工時間和能源成本,此外,空氣不會被紅外線加熱,儀器內部的空氣溫度可以保持恒定,這有助于控制產品的過度過熱[24]。由于其緊湊的設計,高可控性和安全性,紅外加熱已廣泛應用于食品工業中。最新研究顯示,紅外線加熱已經成功地用于滅活脂氧合酶、脂肪酶、α淀粉酶和其他負責產生異味和水果變質的酶[25]。

2 非熱處理技術

2.1 高壓處理

高壓處理,也稱高靜水壓力、超高壓,是一種食品加工方法,已被用于病原體滅活、蛋白質變性、保質期延長和固液體食品的保存等[26]。高壓處理的工作原理是等靜壓和Le Chatelier原理,高壓處理對食品物理性質的影響取決于等靜壓原理,對食品化學和微生物學的影響則由Le Chatelier原理決定。高壓處理過程中,無論食物的形狀大小如何,熱量可瞬間均勻地傳遞到食品內,使食物中微生物與酶失活。與傳統加工方法相比,高壓處理幾乎不改變產品的味道和新鮮度,不會導致大量營養成分的損失,安全節能耗時少,室溫下即可工作[27]。此外,該技術不依賴于產品的尺寸、形狀或組成成分,加工成本較低。高壓滅菌已被用于改善食品安全,該技術在高溫(90～121 ℃)和高壓(高于600 MPa)的共同作用下工作較短時間,就可加速低酸介質中微生物內生孢子的滅活。近年來,食品行業中高壓處理系統的采用顯著增加,制造商通過增加容器尺寸和增壓器數量來增加其容量方面的產品轉型,以滿足市場需求。

2.2 脈沖電場處理

脈沖電場是一種新型技術,其電滲透機理已被用于食品加工和生物加工。脈沖電場的工作原理是脈沖電場產生磁場,這種脈沖電場和脈沖磁場交替作用,使細胞膜透性增加,振蕩加劇,膜強度減弱,因而膜被破壞,膜內物質容易流出,膜外物質容易滲入,細胞膜的保護作用減弱甚至消失。該技術適用于液體和半固體食品的加工和保存,如果汁、牛奶、酸奶、湯、熟肉、液體蛋和其他可泵送食品[28]。有氣泡的固體食品導電率較低,不適合用脈沖電場加工[29]。除食品加工外,該技術還可作為生物加工領域的一項新型提取技術,它增強了來自各種植物、蔬菜、藻類等的潛在生物活性化合物,在廢水污泥治理方面發揮了重要作用。在商業上,脈沖電場已成功地用于各種果汁的生產,改善果汁的質地屬性,延長保質期。脈沖電場技術具有成本效益高、節能、容易普及等優點,目前只有少數商業脈沖電場制造商,如PurePulse Technologies(荷蘭)、KEA-Tec GmbH(德國)、Elea GmbH(德國)、Energy Pulse Systems(葡萄牙)、Montena Technology(瑞士)、Diversified Technologies、Inc(美國)等銷售商用脈沖電場系統,市場急需更多供應商來設計和構建可靠的脈沖電場裝置。

2.3 冷等離子體處理

冷等離子體技術是一種新型的非熱處理技術,它使用高能反應氣體來滅活致病微生物和腐敗微生物。等離子體是一種電離氣體,是由大量的帶電正粒子、負粒子(其中包括正離子、負離子、電子、自由基和各種活性基團等)組成的集合體[30]。該技術最初開發用于增強聚合物的表面能和醫院醫療設備的滅菌[31],目前,它成為食品工業里強大的消毒工具。微生物暴露于猛烈轟擊的帶電物質中,細菌細胞壁會損傷、破裂,因此冷等離子體處理為食品和食品包裝材料的表面去污提供了許多潛在的優勢。一些活性物質引發含有高脂質的食品氧化,這些食品會產生引起酸敗風味的化合物,因此,肉類產品不是等離子體處理的理想基質。

2.4 超聲波處理

超聲波已被廣泛研究并越來越多地用于食品工業中,超聲波可在其通過的介質分子上引起一系列壓縮和稀疏循環,這些機械波穿過材料時,可導致空化氣泡。在高超聲功率下,這些氣泡分布在整個液體中,并且在高聲壓下,它們在幾個周期內生長到臨界尺寸并猛烈塌陷,這種現象導致熱點中的能量積聚,產生極高的壓力(高達100 MPa)和溫度(高達5000 K),隨后在空化區產生剪切能量沖擊波和湍流。超聲波處理廣泛用于食品加工和保存,包括食品的干燥、均質化、結晶、消泡、分散、乳化、溶解和質地增強。該技術現已被歐洲和美國的商業運營所采用,美國食品藥品監督管理局批準該技術作為傳統保溫方法的潛在替代方法。雖然,超聲波輔助加工,保存和提取提供了許多優點,但研究報告顯示在高振幅超聲波處理過程中,食物的風味、顏色或營養價值有所改變[32-33],因此,更好地了解超聲波的復雜機制對食品特性的影響將促進該技術在工業上的應用。

2.5 輻射處理

輻射是指由場源發出的電磁能量部分脫離場源控制向遠處傳播的現象,它是一種非熱食品加工過程,可以抑制微生物繁殖。在某些條件下,輻射是安全的,目前已被歐家、美國和中國在內的55個國家批準和采用。國際原子能機構負責相關的安全與應用指導工作,根據食品藥品監督管理局的批準,食品通過以下輻射方法,則認為食品是安全可靠的:從放射性元素鈷60或銫137發射的γ射線;重金屬物質或電子束反射高能電子流產生的X射線[34]。γ或X射線比微波爐發出的光線頻率高,功率大,能迅速滲透食物,滅活微生物,因此食物的性質保持完整。在處理過程中,食物不與輻射源接觸,僅暴露于輻射源一段時間,該過程在不增加食品溫度的情況下,只需要消耗很少的能量就能滅活微生物,而且幾乎不改變食物的顏色和食品質量。然而,食品質量是否改變與使用的原材料和輻射源的類型及劑量水平有關,輻射并不適用于所有食物類型,例如牛奶、高脂質和高維生素含量的食物就不適合用輻射加熱,這是因為多不飽和脂肪酸(特別是ω3,C22.5脂肪酸和C22.6脂肪酸)中存在的不飽和鍵,過氧化會增加牛奶和高脂類食物中氧化酸的生成[35]。

2.6 紫外線和脈沖光處理

紫外線和脈沖光等技術可提高食品的安全性,保持其外觀和營養成分,同時延長保質期。紫外線技術利用較短波長光(100～380 nm),而脈沖光利用廣譜光(180～1100 nm)。紫外線和脈沖光處理后,微生物細胞壁受到嚴重破壞,其DNA修復系統受到損害,酶功能受到影響,細胞膜通透性增加,細胞結構崩塌[36]。紫外線技術最初在歐洲被開發利用,最初用于飲用水消毒,美國食品藥品監督管理局已批準使用紫外線作為新鮮果汁熱巴氏滅菌的替代處理方法。紫外線系統維護成本低,環保,可以安裝在系統中任何位置,對工廠的干擾最小。在商業上,紫外線已成為制藥生產中完善的消毒方法,現已獲得食品和飲料行業的認可,它既不會增加產品的溫度也不會引起食品表觀的變化。相應地,脈沖光技術也是一種新型的非熱技術,是傳統熱加工的最佳替代品之一,用于食物表面和食品包裝的凈化。該技術可以滅菌去污,主要用于滅活食品、包裝材料和設備上的表面微生物[37]。脈沖光可誘導細胞死亡,雖然目前其機制尚不清楚,但普遍認為是廣譜脈沖光中的紫外區域通過化學修飾和切割其DNA來滅活微生物[38]。

3 食品產業對新型技術的采用

新技術的采用可被視為影響工業技術和社會系統組織變革的過程,它由兩個主要階段組成:啟動階段和實施階段,啟動階段可以進一步分為三個子階段:對新技術的認識;對新技術的態度;對新技術的評估利用。Rollin等[5]表明采用新型技術的決定標志著實施階段的開始,也分為兩個子階段:試驗實施階段和持續實施階段。新型技術的工業實施需要資金的投入和專業員工的培訓,因此,除非新型技術比現有技術更具成本優勢和性能優勢,否則不太可能被行業采用。在考慮采用新型技術時,公司會評估潛在利益和潛在風險,Patist等[39-40]概述了公司應用新型加工技術通常考慮的因素:技術的貨幣吸引力和知識產權吸引力;行業的經濟需求和回收計劃;新型技術的可擴展性和可靠性;技術采用所需的成本,時間和資源投入。

4 影響食品產業對新型技術采用的因素

成本和收益是決定新型技術是否被行業采用的最重要的影響因素,其他因素還包括消費者接受度、監管問題、道德問題、收益風險的差異累積以及社會文化差異等。因此,總的來說,這些因素可以歸類為社會因素、技術因素、環境因素和經濟因素四類。

4.1 經濟因素和技術因素

4.1.1 資源和補充技能的可用性 高技能勞動力對于新型技術的實施至關重要,如果新型技術的實施成本高,所需儀器設備要求苛刻,員工的技能素質不達標,則行業采用新型技術將是一個艱難而緩慢的過程。因此,技術知識,相關技能以及開發技術所需的資源是行業采用新型技術的重要決定因素,例如,雖然射頻加熱已應用于工業生產,但由于其高運行成本和其他技術挑戰(包括介電擊穿和熱失控加熱),它的商業價值依舊難以普及。Nemoto等[41]強調,新型技術的工業應用也取決于一個行業已有的技術能力,如果新型技術相對于該行業的技術能力而言過于先進,那么實施該技術將是一個更長且更復雜的過程。

4.1.2 公司規模和市場份額 公司規模和市場份額對于新型技術是否普及有著非常重要的影響[42]。規模大、利潤高的公司有足夠的財政資源,滿足購買和安裝新型技術所需的要求;同樣,市場份額較大的公司因資金充足,盈利能力強大,也更有可能采用新型技術。這些具有足夠市場力量的公司除了具備資本條件外,更能清晰地認識到采用新型技術所帶來的巨大商業價值。然而,對此有人持相反的意見,他們認為規模大和市場力量強反而是阻礙新型技術在各個行業普及的原因。首先,大公司的多層次官僚主義可能會阻礙相關新概念的引入和所需技能和資源的決策過程。其次,由于當前資源和人力資本的沉沒成本較高,較老的和較大的公司可能會發現采用新技術的成本相對較高。

4.1.3 行業競爭環境 競爭對手也會影響新型技術的發展和壯大[43],例如,愛爾蘭海洋生物技術公司Little Samphire Island公司通過使用獨特的生物煉油廠/集成制造工藝來制造一系列優于競爭對手的高價值產品,新型技術的使用讓愛爾蘭海洋生物技術公司在市場上更具競爭力。因此,新型技術的應用極大地受到行業競爭對手的影響,這些競爭的模式包括行業集中程度,具有競爭力的價格強度,需求不確定性和供應商-客戶協調程度。

4.2 環境因素

新型技術的采用往往受到監管環境的影響,新型技術實施之前,需要評估實施該技術帶來的食品安全問題,包括滅活病原微生物,加工誘導化學品,以及其包裝和產品之間的相互作用。例如,冷等離子體加工可以改變生物細胞的形態和調節功能[44],經過輻射的食品存在安全風險,它與包裝材料發生反應,可能會污染食品,因此需要對新技術進行安全評估。然而,安全評估和法律法規審核所需的高資金成本和高時間成本通常會減緩或阻礙新型技術的商業化,從而降低新型加工技術在行業中的應用。Golembiewski等[45]表明新型技術采用率取決于新行業制定的相關規定。在歐洲,政府通過稅收激勵措施來鼓勵行業采用新型技術,以此來推動工業投資的發展;另一種鼓勵方式是通過國家對相關基礎設施的投資來支持這些行業的興起。

4.3 社會因素

4.3.1 消費者接受程度 一系列不斷發展的新型技術有望為消費者提供品質優異的食品,同時,新型技術的工業采用率也受到消費者接受程度的制約。影響消費者接受度的影響因素還有社會人口統計特征,認知水平和對信息來源的信任[46]。與幾十年前相比,如今的消費者更加關注自身健康,對食品的生產要求也更加嚴格,因此,消費者的態度可以強烈影響到新型技術的實施。一項針對挪威、丹麥、匈牙利和斯洛伐克的609名消費者調研顯示,如果價格合適,歐洲消費者更青睞于高壓處理和脈沖電場處理過的巴氏殺菌果汁[46];同樣,另一項研究顯示來自澳大利亞和美國的消費者對新的食品加工技術也感興趣,并愿意購買新技術處理過的食品。與男性相比,女性消費者更關注技術的安全性,并且她們的預期喜好更容易受到產品外觀的影響[3]。

4.3.2 行業客戶關系 擁有安全穩定的客戶群是影響行業采用新技術的另一個重要因素,公司的決策受到其客戶群穩定性的影響[5]。在某些情況下,即使某項技術具有提高生產率或產品質量的潛力,但由于潛在的高成本,公司也可能不會采用新型技術,但是,如果有固定的客戶群,就可能會影響到公司的決策。

5 結語

本文對新型食品加工技術的發展進行了回顧和討論,并探索總結影響工業采用新型技術的各類因素。食品行業需要新型技術來應對日益激烈的行業競,與傳統技術相比,這些新型技術尚未完全被工業或消費者所接受,除技術本身的特征外,社會因素、技術因素、環境因素和經濟因素對新型技術的普及也有重要影響。這些新型技術不僅為食品的開發提供了機會,而且通過較溫和的加工,還可以提高傳統食品的安全性和質量品質。此外,這些技術利用的不同物理現象可能會減少能源和水的消耗,有助于減少食品原材料,從而實現環境的可持續性發展。這與我國的健康中國戰略思想是一致的,人民對健康、疾病醫療、食品安全、環境污染等方面的關注,也在不斷促進食品安全和食品工業的進步。本文介紹了新型食品加工技術在機械應用和商業方面的優勢,并深入分析了新型食品加工技術在食品安全性、環境友好性等方面的價值,這對新型食品加工技術的商業化利用至關重要。