食品制造的过程工程概念与应用

食品工程发展的初期主要侧重于食品的保藏（如防止腐败与致病微生物的生长、酶的破坏），使食物在经过贮藏之后仍然可安全食用并保持营养，保障食品在运输过程中的稳定，这是20世纪中期之前食品工业的主要焦点。食品的加工与保藏是影响食品质量与安全、营养与健康、品质与成本的核心工程过程。法国糖果师尼古拉斯·阿佩特（Nicolas Appert）在1812年发明了加热灭菌技术，即对玻璃罐和玻璃瓶（图1-1）中的食品进行加热处理，实现了食品的长期保藏。这标志着食品加工完成了从手工到工业化的跨越，也是现代食品工程起步的里程碑。后来，阿佩特出版了第一本关于现代食品保藏方法的著作——《肉类和蔬菜保藏法》。路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）在19世纪末证明了细菌和致病微生物的生长会导致食品变质，并发明了巴氏杀菌（Pasteurization）、人造奶油制造工艺等。19世纪中叶至20世纪初商业制冷技术的发展，使食品工程走上了新的征程。

图1-1 阿佩特罐头瓶（左）和第一本关于现代食品加工的书（右）

20世纪下半叶，多种因素促使食品工业的重点转向开发更加多样化的食品。随着全球人口的急剧增长和全球经济的日益繁荣，人们对高质量食品的需求越来越大，同时对营养丰富、感官性能良好的食品也有了更大的需求。因此，食品工程注重于食品加工过程的研究，食品加工的两个根本目标仍然是转化（Transformation）和保藏（Preservation），食品加工过程即将一系列工艺按照一定的顺序组合在一起以实现特定的生产目的，而组成这个加工过程的工艺称为“单元操作”（Unit Operation）。食品制造过程就是利用这些单元操作组合成工艺过程，实现从原材料到终端产品或副产品的制造。大量的单元操作被开发并应用于食品工程中，这些单元操作包含物理、化学或生物化学等层面，这与化学工业过程中相同，因此一些化工单元操作的知识和优势在适应食品原材料特性（特别是易腐烂的天然产品）和加工特殊条件（卫生、清洁等）后，就能够应用于食品工业。食品工程是基于化学工业的相对较新的工程分支，过程工程也由此发展起来。过程工程概念的重要性在于它统一了通常被独立区分开的单元操作技术。因此，尽管所有食品工业的基本原则具有明显的多样性，但它们在逻辑上是统一的。

21世纪以来的近20年里，世界科学技术日新月异，推动了经济快速发展，包括人工智能、生物技术和生命科学在内的新技术飞速发展，并给人类带来一场新的技术革命和生产生活方式的革新。人类对于食品和食品工业的需求和要求有了具备时代特点的新变化，这些新趋势体现在以下几个方面：

①更新鲜（Fresher）：不加工或减少加工强度，以降低加工过程对食品风味、品质和营养的破坏；

②更安全（Safer）：在避免传统的生物性、化学性和物理性等食品安全风险的基础上，进一步关注新型食品加工技术或食品原料导致的食物源慢性代谢性疾病或累积性危害风险、基因危害风险、致敏性风险等；

③更营养健康（Nutritionally Healthier）：食品不能仅满足生存需求或感官需要，我们更应关注食品对于人类健康的积极影响和对于某些疾病的辅助治疗价值，达到“治未病”和“病从口出”的营养健康目的；

④更天然（More Natural）：尽量少用添加剂，注重全食品（Whole Food）和非转基因（Non-GMO）；

⑤质量更高（Higher Quality）：包括风味、质构和外观等，能够满足更高标准、更多元化的需求；

⑥简化包装（Minimally Packaged）：满足人们环境保护意识日益提高所产生的需求，降低食品成本，并提升包装材料的安全性和环保性；

⑦提高方便性（Improved Convenience）：对加工制造、保藏和运输以及消费过程的方便化要求越来越高。(www.xing528.com)

针对消费者的需求趋势，食品科学界和工业界必须进行相应的技术和策略的调整，以满足不断变化的消费需求。这些调整策略包括：

①通过技术创新实现产业的可持续性（Sustainability），不断降低能耗和减少水资源消耗，开发和使用环境友好的包装材料（如生物基可降解材料）；

②开发和采用更温和的加工方式（Milder Processing），如优化热加工技术、低强度加热（Less Intense Heating）、开发和使用非热加工技术（Nonthermal Processes）等；

③减盐、减糖、减油（Reduce Salt，Sugar and Fat），控制盐、糖和脂肪的使用和摄入，降低其引入的慢性营养疾病；

④采用栅栏技术（Hurdle Technology）进行食品保藏、保鲜，避免或减少防腐剂等化学食品添加剂的使用；

⑤不断关注和提升食品的安全性，加强对原料、保藏、运输环节的控制和规范，防止食源性疾病和危害的产生；

⑥利用合成生物学技术（Synthetic Biology）和细胞工程（Cell Engineering）技术制造目标食品原料或食品营养因子，实现原料来源的多样性和可控性，同时也有效避免了饲养、种植等过程中的农药残留或抗生素残留等危害；

⑦通过大数据和人工智能技术（Big Data & Artificial Intelligence），实现食品加工、保藏、贮运过程中的过程工艺参数和品质控制参数的精准设计和控制。

这种消费需求和产业应对的发展，要求对农产品的收获、屠宰、清洗等预处理过程，以及食品加工过程、食品运输和保藏过程等有更高要求的认知、过程监测和描述、过程预测和控制水平，于是，基于过程工程的食品过程工程应运而生。食品过程工程（Food Process Engineering）的实质是一个多系统、多尺度、多参数互作动态过程，可以归结于“传递”（Transportation）和“反应”（Reaction）过程（三传一反）、微生物生长和代谢过程、生物催化和转化过程、物理加工过程等多学科科学技术的集成，强调加工和保藏过程的时变效应（Time-Dependent Effects）和真实过程（Real Processing）的描述、预测和控制（Description，Prediction and Control），注重数学工具（Mathematic Tools）和数学模型（Mathematical Modeling）、信息化（Informatization）和智能化（Intelligentialize）工具的普遍运用，是研究食品过程工程的重要工具，在食品科学与工程发展中具有重要作用。