分形理論在食品科學(xué)與工程中的應(yīng)用

文/南博

分形理論在食品科學(xué)與工程中的應(yīng)用

文/南博

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近年來，分形理論在食品科學(xué)與工程中的應(yīng)用問題得到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，研究其相關(guān)課題有著重要意義。本文首先對相關(guān)內(nèi)容做了概述，分析了分形理論在食用和藥用原料選用中的應(yīng)用，并結(jié)合相關(guān)實踐經(jīng)驗，分別從多個角度與方面就其在食品工程單元操作、酶學(xué)研究以及食品和農(nóng)業(yè)物料特性研究等多個角度與方面展開了研究。

分形理論；食品科學(xué)與工程；應(yīng)用；策略

1 分形理論在食用和藥用原料選用中的應(yīng)用

從信息分形和功能分形的觀點(diǎn)出發(fā)，人們對DNA、核酸、蛋白質(zhì)的構(gòu)成、細(xì)胞的產(chǎn)生和細(xì)胞膜離子通道的動力學(xué)進(jìn)行了分形研究。其中涉及的基因、生物大分子和細(xì)胞是較低層次的分形元。事實上，在組織、器官的層次上也表現(xiàn)出分形性。所以，作為食品原料的生物體的分形現(xiàn)象表現(xiàn)在不同的層次和不同的方面。分形生物學(xué)是專門研究生物體分形原理及其應(yīng)用的一門新學(xué)科，其核心概念是“生物分形元”。生物分形原理揭示了相關(guān)的部位在整體及各個分形元上有序的分形分布規(guī)律，如對應(yīng)相似關(guān)系。根據(jù)對應(yīng)相似關(guān)系，分形元上某一部位的生物化學(xué)組成與整體的映射部位的生物化學(xué)組成相似程度較非映射部位要大。這種對應(yīng)關(guān)系在植物中比較突出，對優(yōu)質(zhì)食用、藥用原料的選取有重要意義。植物的枝、葉、果、花、莖、根等，都是生物分形元。

可以利用分形原理來考察高粱中氰酸的含量分布。測試結(jié)果表明，氰酸在整株高粱上部葉中含量較高，下部含量較低;在一片葉子中，上部含量較高，下部的鞘中含量較低;主莖上部的節(jié)間含量較高，則從主莖上部的節(jié)衍生出來的葉子含量在總體上邊也比從主莖下部的節(jié)衍生出來的葉的氰酸含量要高。

根據(jù)同樣的方法，人們研究了人參皂甙在人參中的分布。研究發(fā)現(xiàn)并非根中人參皂甙含量最多。整株人參各器官內(nèi)人參皂甙的含量順序是:花>芽>莖>葉>根。實驗證明，三七中的皂甙在花、果、葉和莖中的含量亦均大于根。人們在生物分形原理的指導(dǎo)下，對2000多種根莖葉類藥材進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)藥用部位不是最佳選擇的幾乎占一半。

2 分形理論在食品工程單元操作中的應(yīng)用

2.1凝聚

凝聚現(xiàn)象普遍地存在于食品工程中的氣力輸送、氣流分級、氣流冷卻、氣流干燥、噴霧干燥、蒸發(fā)及濃縮等操作。凝聚現(xiàn)象具有分形性質(zhì)。在凝聚現(xiàn)象的分形性質(zhì)研究中，人們提出了一些理論模型，其中比較重要的有兩種，即DLA模型和KCA模型。

DLA模型是受限擴(kuò)散凝聚模型的簡稱。該模型一問世，就引起人們的高度重視，特點(diǎn)是概念簡單、代表性強(qiáng)、模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)較吻合。按照這種模型，取一個二維正方形歐氏空間，并分割成方形點(diǎn)陣。在點(diǎn)陣中央附近的格點(diǎn)上，放置一個靜止的種子微粒。在距它較遠(yuǎn)處隨機(jī)地產(chǎn)生一個微粒，令此微粒在各格點(diǎn)上作類似于布朗運(yùn)動的隨機(jī)行走。若與種子微粒相碰，則二者結(jié)合形成凝聚集團(tuán);若行走到點(diǎn)陣邊界，則被吸收而消失。接著再隨機(jī)地產(chǎn)生第二個微粒，如此重復(fù)，不斷進(jìn)行，于是以種子微粒為中心就會形成不斷增長的凝聚集團(tuán)。

2.2結(jié)晶

小分子結(jié)晶相當(dāng)于凝聚過程。國內(nèi)學(xué)者采用先進(jìn)的實驗手段對小分子結(jié)晶操作中晶體生長過程進(jìn)行了實測，也發(fā)現(xiàn)與DLA模型的模擬結(jié)果吻合。大分子的結(jié)晶受到多種復(fù)雜因素的影響，主要還是受到大分子結(jié)構(gòu)特征的制約。由于M.Aurami處理結(jié)晶的方法很類似廣義DLA模型或稱NPW模型，因此可以借用推廣的HTM公式來計算。

2.3過濾

濾餅過濾操作中的濾餅是由不同幾何形狀、不同尺寸的固體顆粒堆積而成，具有分形客體不規(guī)則、支離破碎的典型特征。東北大學(xué)徐新陽等人對濾餅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分形研究。結(jié)果表明，雖然不同物料、不同條件下形成的濾餅具有不同的結(jié)構(gòu)，但其孔隙尺寸均滿足分形標(biāo)度律，具有隨機(jī)自相似性，是一種分形結(jié)構(gòu)，可用分形理論去描述濾餅結(jié)構(gòu)。

3 分形理論在酶學(xué)研究中的應(yīng)用

酶的催化性與選擇性等宏觀性質(zhì)與其表面結(jié)構(gòu)有緊密的關(guān)系。酶表面是不規(guī)則和粗糙的，有各種“洞穴”、“縫隙”、“折皺”，凹凸不平，因此可以用分形理論描述。胰蛋白酶的整體分維為2.62，活性中心的分維為2.80，因此認(rèn)為活性中心比酶本體表面更“粗糙”。李后強(qiáng)認(rèn)為酶表面“凹凸性”分布不是均勻的，有胖分形和多分形的特征。他還求出溶菌酶和胰凝乳蛋白酶的多分維譜，較好地說明了酶表面活性中心的分維和本體分維的大小問題。李后強(qiáng)等人也成功地將分形理論用于酶模型的設(shè)計、酶動力學(xué)的研究和酶變構(gòu)效應(yīng)的探索之中。

4 分形理論在食品和農(nóng)業(yè)物料特性研究中的應(yīng)用

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系包含了材料質(zhì)構(gòu)的重要信息，通過對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的分析研究，來獲取某些評定和刻劃食品和農(nóng)業(yè)物料的質(zhì)構(gòu)特性的力學(xué)參數(shù)一直是食品科學(xué)工作者和農(nóng)業(yè)物料研究者所感興趣的問題之一。多孔脆性食品和農(nóng)業(yè)物料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出極不規(guī)則的“鋸齒”狀振蕩形貌。Barrett等選擇玉米粉和玉米-稻谷混合粉，在一定的擠壓膨化條件下分別制成了兩類食品，前者為具有較大孔隙結(jié)構(gòu)的食品，后者孔隙較小且相對較軟。對其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用分維可以有效地表現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線的不規(guī)則程度。不同含水量試樣的試驗表明，擠壓食品越干燥，其應(yīng)力應(yīng)變曲線就越不規(guī)則，因而其分維值就越高;而食品的濕潤程度越大，其應(yīng)力，應(yīng)變曲線就越趨于光滑，因而其分維值就越低。它意味著分維有可能作為刻劃食品或物料力學(xué)性能的一個特征參數(shù)。應(yīng)力應(yīng)變曲線的分維值還可被用來研究反映食品或農(nóng)業(yè)物料質(zhì)構(gòu)的另一重要特性——“可破碎性”。

5 結(jié)束語

綜上所述，加強(qiáng)對分形理論在食品科學(xué)與工程中應(yīng)用的研究分析，對于其良好實踐效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的分形理論應(yīng)用實施過程中，應(yīng)該加強(qiáng)對其關(guān)鍵環(huán)節(jié)與重點(diǎn)要素的重視程度，并注重其具體實施措施與方法的科學(xué)性。

[1]徐新陽等.一種研究濾餅結(jié)構(gòu)的新方法[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.2017.

[2]宋韜.應(yīng)用計算機(jī)視覺進(jìn)行作物籽粒形態(tài)識別的研究[J].北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué).2017.