摘要：食品工程作為一門新興學科, 通過各種功能的配置、設(shè)計、食品的檢測以及最終對其效率、消耗度、可靠性、重要性、安全性進行綜合評估,從食品污染物的預測與檢測、食品加工技術(shù)、食品二次污染的控制技術(shù)等方面控制食品安全。進入新時期, 科學的發(fā)展與突破使食品工程的范式發(fā)生了重要轉(zhuǎn)變, 通過總結(jié)食品工程的相關(guān)研究, 分析了新時期食品工程不只專注于產(chǎn)品或過程的設(shè)計與改進, 而且在建模、虛擬化、開放式創(chuàng)新、工程經(jīng)濟學和社會責任等方面也面臨新的機遇與挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵詞 食品工程；工程經(jīng)濟學；創(chuàng)新性大學
食品工程對食品安全具有很大的影響力，整個食品供應鏈的安全性依賴于工程的創(chuàng)新和設(shè)計，來提供最先進的技術(shù)，解決生產(chǎn)和加工中出現(xiàn)的問題。該工程應用物理科學與微生物學、工程、教育、食品行業(yè)等多學科領(lǐng)域相結(jié)合，通過食品工程硬件必要的控制系統(tǒng)食品工廠的空間以及用于食品供應鏈的其他設(shè)施，保證食品供應鏈既定級別的食品安全技術(shù)。
1 食品工程的相關(guān)研究
1.1 拉馬斯瓦米的觀點
按照美國食品科學家拉馬斯瓦米的觀點，食品工程包括：（1）介入技術(shù)（傳統(tǒng)的和新興的低溫介入技術(shù)、化學介入技術(shù)）；（2）控制、監(jiān)視、識別技術(shù)（生物傳感器）；（3）包裝（活性包裝、智能包裝、真空包裝）；（4）追蹤系統(tǒng)。
1.2 康奈爾大學的研究
康奈爾大學的研究生培訓計劃中所提及的食品工程包括：（1）完成病原體失活的先進加工技術(shù)；（2）建立病原體失活模式；（3）抗菌技術(shù)；（4）發(fā)展先進的病原體檢測方法。
1.3 賓夕法尼亞州立大學的研究
在賓夕法尼亞州立大學，食品工程課程以微生物工程為主，包括植物的布局、建筑材料、配備設(shè)計、預測的微生物學和建模、傳統(tǒng)和先進的檢測計算方法、傳統(tǒng)和先進的加工方法、應對緊急突發(fā)事件的計劃以及現(xiàn)行的聯(lián)邦組織的責任和法律法規(guī)等。
1.4 普杜大學的研究普杜大學召開的食品安全工程中心會議，就檢測因食源性疾病傳播的生物和化學污染物的方法，就“食品工程計劃”和美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局進行了為期5年的合作，這項任務成為檢測和阻止化學和微生物污染物的新知識和新技術(shù)的核心。
1.5 薩勒諾大學的研究
2014年在薩勒諾大學召開的“食品工程的虛擬化過程”會議，提出來了四個主要議題，即建模、虛擬化、工程經(jīng)濟和食品工程的未來，使物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、信息化下的食品工程實現(xiàn)了新突破。
2 食品工程的主要內(nèi)涵
2.1 食品污染物的預測與檢測
2.1.1 預測數(shù)學和概率模式
預測數(shù)學和概率模式用于應對病原體增長的風險，微生物學的預測作為保護食品材料生產(chǎn)過程安全的工具得到普遍關(guān)注，同時也被認為是一種通用及有益的風險評估工具。在近20年中，低溫技術(shù)、高強度的脈沖電領(lǐng)域、高流體靜壓力學、脈沖光束等不斷發(fā)展，已經(jīng)成功應用于食品工業(yè)及食品的保存，微生物學的預測已經(jīng)成為一個新的應用領(lǐng)域。
2.1.2 檢測方法與工具
生物傳感器可以將生物學、生物化學和物理信號相聯(lián)系，構(gòu)成食品的安全性和質(zhì)量的指標。利用生物傳感器可以衡量許多數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)涉及到相關(guān)危害因素（食品倉儲時的溫度、毒素、致病微生物和指示性微生物等），在食品安全生產(chǎn)和包裝控制中具有重要價值。光學生物傳感器在食品傳播病原體過敏源的檢測中具有很大潛力。這種方法沒有破壞性，成本低，應用于食物中微生物的檢測。
2.2 食品加工技術(shù)
2.2.1 高靜壓技術(shù)（High Hydrostatic Processing）
高靜壓技術(shù)（HHP）是一種冷卻巴氏消毒法，需要100～1000MPa之間的壓力，通過細胞膜破損的方法來使植物微生物細胞失活。高壓流體靜力會破壞大分子的第二級和第三級結(jié)構(gòu)。商業(yè)性HHP使用最為廣泛，對食品營養(yǎng)的保持具有高效作用。例如，日本研制的超高壓殺菌機，主要應用于果汁、果醬類食品的殺菌，壓力可達304～507MPa，其優(yōu)越性在于營養(yǎng)成分損失很少。
2.2.2 電離輻射（Ionizing Radiation）
通過IR的食品輻射指通過介入電磁波或者加速電子束，使食物低溫巴氏消毒的方法，輻射源來自伽馬射線、電子束和X射線等，輻射加工抑制了如土豆等作物發(fā)芽。在生鮮、非加熱或非加工的食材中，輻射也是一種重要的控制手段。
2.2.3 高密脈沖電場（High Intensity Pulsed ElectricFields）
HIPEF技術(shù)需要短時間和高電磁場脈沖。這項技術(shù)通過破壞細胞膜可以使致病原減少5倍。研究中，由HIPEF處理的食物導致微生物細胞減少多達6個周期。斯自曼認為在HIPEF處理后，牛奶中的脂酶活性和抗壞血酸含量減少，維生素和酶不會失活。維加等學者也證實，經(jīng)過HIPEF處理果汁的風味和顏色未改。HIPEF適用于巴氏殺菌液體產(chǎn)品，它會最大程度幫助食品重獲新鮮，保持營養(yǎng)。
2.2.4 強脈沖光
脈沖可見光是指強烈高速的廣譜光線，可以通過短時間的照射來抑制微生物的生長和繁殖，這些波長的抗菌效果主要是通過對營養(yǎng)系統(tǒng)中的碳化物的吸收來實現(xiàn)的，短時間的照射可以使大多數(shù)微生物鈍化。強脈沖光在包裝材料的殺菌方面也具有很大貢獻。
2.2.5 超聲波
超聲波指超出人類可聽范圍（16kHz）之外的波長，超聲波利用每秒至少20000次的震動起到抗菌和細胞溶解，產(chǎn)生鈍化酶的作用。這種技術(shù)在壓力和熱量結(jié)合的環(huán)境下效果最佳，可以單獨用于水果汁、醬、濃湯和日常食品中。
2.3 控制食品二次污染的先進技術(shù)體系
2.3.1 食品安全和保障的技術(shù)障礙
早期對于食品安全的擔憂是確保合理飲食的權(quán)利，后來發(fā)展為能夠獲得健康、對身體健康沒有危害、沒有污染的食物。2001年，食品安全的概念擴展到防止食物被故意污染，影響人體健康的定義。食品安全和保障的第一個技術(shù)保障是防止未授權(quán)食物的進口。第二個保障是食品加工廠、生產(chǎn)和包裝車間（通過門窗、地下排水道和天花板）的昆蟲、動物和工作人員。第三個保障是工廠內(nèi)隔離帶的衛(wèi)生條件。第四個保障是為了保護食品被人們穿著衣物的污染，創(chuàng)造超凈的生產(chǎn)和包裝環(huán)境。
2.3.2 食品工廠的衛(wèi)生設(shè)計
食品工程提供了眾多設(shè)計和管理食品加工場地，如廠房衛(wèi)生設(shè)計（墻體、地板、供熱和管道）、空氣質(zhì)量標準、員工管理以及使用材料等，以及對整個工廠進行系統(tǒng)的分析和評估來控制危害的規(guī)定和知識。
2.3.3 超凈無菌的加工、儲存和包裝
美國頒布控制速食肉類和家禽產(chǎn)品中單核細胞增多性李斯特氏菌的衛(wèi)生系統(tǒng)和微生物測試相結(jié)合的措施，防止加工、切割和包裝過程中受到的污染。衛(wèi)生監(jiān)測設(shè)備和生物測試相結(jié)合的模式，用于測試食物表面，測試結(jié)果合格的食物便予以保留。
3 新時期食品工程的新變化
長期以來，食品工程主要致力于產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)營規(guī)模。而進入21世紀以來，科學的發(fā)展與突破使食品工程的范式發(fā)生了重要轉(zhuǎn)變，從以物理實驗為基礎(chǔ)到食品建模的轉(zhuǎn)變是最重要的表現(xiàn)。這些得益于新的傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)信息的廣泛應用、高級虛擬化和專用軟件、云計算等突破，使建模體現(xiàn)了食品的獨特性和復雜性。而消費者健康需求和對可持續(xù)發(fā)展的期望，與創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)的所有利益相關(guān)者的合作和伙伴關(guān)系，學術(shù)界為創(chuàng)新知識產(chǎn)權(quán)模式和增加就業(yè)能力的貢獻，使食品工程的前景得到廣泛關(guān)注。
3.1 建模
通過模型可以以物理、數(shù)學方式更簡單模擬現(xiàn)實。食品建模是一項復雜的工作，以前由于缺乏有關(guān)的知識和可靠數(shù)據(jù)，大多數(shù)食品特性的自然變異和不確定性難以體現(xiàn)，通過新的工具、方法、監(jiān)控設(shè)備和可靠準確的數(shù)據(jù)建立不同空間尺度的互聯(lián)網(wǎng)模型會緩解這些困難?；谖锢淼慕？梢酝ㄟ^涉及多個物理模型或多個同步的物理現(xiàn)象（如干燥、微波爐）的使用擴展，和微分方程的求解耦合系統(tǒng)，驅(qū)動特定的應用創(chuàng)新，在一些食品中已經(jīng)得到應用。例如，采用回歸分析的統(tǒng)計方法，可以優(yōu)化輸入和輸出參數(shù)之間的關(guān)系，為食品的產(chǎn)品、工藝和設(shè)備提供重要的設(shè)計工具，提高利用基于物理應用程序的實證模型是應對食品系統(tǒng)復雜過程、非線性和自然變異的唯一可行的和實用的方法。利用基于物理方法的模型，可以獲得更具成本效益、可靠性和可持續(xù)性的好處。
3.2 虛擬化
虛擬化是一種用于隱藏計算資源的物理特性，從其他系統(tǒng)、應用程序或最終用戶與這些資源進行交互方式的技術(shù)，模型中計算、模擬、預測、優(yōu)化和過程分析都是虛擬化的一部分，虛擬化廣泛應用于設(shè)備、服務器、操作系統(tǒng)、應用程序以及網(wǎng)絡(luò)中。許多制造行業(yè)（航空航天、國防和汽車等）已經(jīng)受益于建模活動和流程虛擬化，明顯縮短了設(shè)計和驗證流程、時間，減少了試驗錯誤。虛擬化的利用可以顯著增強工業(yè)、學術(shù)界、政府和私人企業(yè)創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，有效地測試許多新的設(shè)計，減少進入市場的時間，確保從研究到生產(chǎn)、從發(fā)明到創(chuàng)新的順利實現(xiàn)。目前，食品工業(yè)利用虛擬化作為工程設(shè)計工具還很落后，這個新興領(lǐng)域的前景很廣，物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等科技將推動虛擬化發(fā)展，提供新興和先進的戰(zhàn)略工具，在食品行業(yè)的創(chuàng)新方面發(fā)揮重要作用。
3.3 開放式創(chuàng)新
隨著經(jīng)濟壓力的日益加劇、環(huán)境挑戰(zhàn)、資源的減少以及科學技術(shù)發(fā)展速度的加快，創(chuàng)新為復雜問題的解決提供了重要的驅(qū)動力和獨特的機會，成為獲取競爭優(yōu)勢和創(chuàng)造價值的新途徑。大型食品公司與供應商之間合作（稱為創(chuàng)新伙伴關(guān)系）的范式為發(fā)現(xiàn)和發(fā)展與外部合作伙伴的所有領(lǐng)域提供了新的協(xié)作方式。它加速了高技能人才的培養(yǎng)，縮短了學習曲線，減少了市場的壓力。如雀巢的創(chuàng)新伙伴關(guān)系，在很短的時間就開拓了超過2億美元的新業(yè)務范圍，包括利用大豆新功能性成分開發(fā)了更好的豆類飲料和冰淇淋，寵物食品和新營養(yǎng)乳品成分的涂層系統(tǒng)新解決方案等。
3.4 未來的食品工程師和工程經(jīng)濟學
傳統(tǒng)的工程師主要致力于系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，而未來的工程師將從全新的內(nèi)容和維度承擔責任（如創(chuàng)新、合作、創(chuàng)業(yè)、可持續(xù)發(fā)展、經(jīng)濟環(huán)境、人口增長和老齡化等方面）。食品工程（性能、組成、新資源、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料科學和包裝等）、生產(chǎn)（加工、廢水、水資源管理、環(huán)境和法規(guī)等）、消費者（安全性、可接受性、特殊需求和感覺等）、經(jīng)濟環(huán)境（食品安全、可持續(xù)發(fā)展、人口增長、水和土地的稀缺性、倫理和價值觀等），使工程經(jīng)濟學成為全面建設(shè)食品領(lǐng)域重大主題。“可持續(xù)工程”需要動態(tài)、全面、綜合地分析目前和未來的產(chǎn)品生命周期，以及整個供應鏈和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。因此，未來的工程師們要有更多的創(chuàng)新和創(chuàng)意，積極尋求確保產(chǎn)品、過程、系統(tǒng)設(shè)計和使用，提高當前和未來社會的可持續(xù)生活方式。應加強協(xié)作，使創(chuàng)新和大學相結(jié)合為一體，形成真正意義上的創(chuàng)新性大學，進行基礎(chǔ)研究的同時，積極適應新需要的轉(zhuǎn)變，支撐和驅(qū)動創(chuàng)新突破。
3.5 社會責任
除了為企業(yè)創(chuàng)造價值，創(chuàng)新還必須為社會帶來價值。創(chuàng)造社會效益應該成為學術(shù)界和工業(yè)界的一個重要維度，以及每個利益相關(guān)者的職責。學術(shù)界需要積極參與開發(fā)和調(diào)整新的指標，以量化其相關(guān)性、貢獻、性能和實施效果。
4 前景與展望
現(xiàn)代食品工程領(lǐng)域由于激烈的競爭、創(chuàng)新和科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，在發(fā)展傳統(tǒng)食品工程的同時，也面臨著許多重大的挑戰(zhàn)，進而發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，在面臨挑戰(zhàn)的同時也提供了獨特的機會。解決食品行業(yè)的特殊需求和中小企業(yè)所面臨的獨特挑戰(zhàn)，應重點推動創(chuàng)新中小企業(yè)參與的新模式、管理方式和策略，引領(lǐng)新的伙伴關(guān)系和合作，利用最先進的科學技術(shù)實現(xiàn)突破。食品工程具有廣闊的前景和巨大的潛力。
