食品加工技術(shù)裝備的科技需求

文/劉東紅 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院

我國食品裝備行業(yè)取得了眾多成就，但與發(fā)達(dá)國家相比，不少關(guān)鍵核心技術(shù)還受制于人，不論是基礎(chǔ)研究、共性技術(shù)還是專用技術(shù)領(lǐng)域，目前都有一些亟待攻克的核心技術(shù)。系統(tǒng)化成套化的技術(shù)裝備、高效可靠的智能裝備將是我國食品產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效，提高國際競爭力的有力保障，更是實(shí)現(xiàn)食品產(chǎn)業(yè)“中國制造”的基礎(chǔ)。

近年來，我國食品裝備行業(yè)堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展、立足內(nèi)需市場，增加品種改善質(zhì)量，增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，從以數(shù)量增長向質(zhì)量效益提升轉(zhuǎn)變，從以跟蹤模仿為主向自主創(chuàng)新為主轉(zhuǎn)變，從以注重單項(xiàng)技術(shù)突破向注重技術(shù)集成轉(zhuǎn)變。糧油加工、屠宰及肉制品加工、水產(chǎn)品加工、果品蔬菜加工等食品裝備持續(xù)穩(wěn)定增長，酒類、飲料類、營養(yǎng)保健類、休閑方便類食品和包裝機(jī)械加速發(fā)展。

產(chǎn)業(yè)及科技現(xiàn)狀

隨著我國人均可支配消費(fèi)收入持續(xù)增長，食品工業(yè)相對保持了較為穩(wěn)定的發(fā)展環(huán)境，為食品裝備行業(yè)提供了相對積極和寬松的市場基礎(chǔ)，食品裝備行業(yè)運(yùn)行態(tài)勢保持了高速增長，平均增長率達(dá)14.5%，高于食品行業(yè)整體的增長速度，食品裝備行業(yè)平均利潤率也高于同期機(jī)械工業(yè)10%的平均水平。

在國家出臺的《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《首臺（套）重大技術(shù)裝備保險(xiǎn)補(bǔ)償機(jī)制試點(diǎn)工作》、《國家智能裝備發(fā)展專項(xiàng)資金計(jì)劃》、《關(guān)于實(shí)施主食加工業(yè)提升行動(dòng)》等政策，以及“863計(jì)劃”、“國家科技支撐計(jì)劃”、“國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”等科研項(xiàng)目的推動(dòng)下，食品裝備產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力明顯增強(qiáng)，在重點(diǎn)領(lǐng)域取得豐碩成果，突破了一批共性關(guān)鍵技術(shù)；在食品非熱加工、可降解食品包裝材料、在線品質(zhì)監(jiān)控等方面的研究取得重大突破；掌握和開發(fā)了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)和先進(jìn)裝備，如單模產(chǎn)量2250瓶/時(shí)的第5代吹瓶機(jī)、36000瓶/時(shí)純生啤酒玻璃瓶智能灌裝線、16000包/時(shí)液態(tài)奶無菌包裝線、10000只/時(shí)肉雞自動(dòng)屠宰加工生產(chǎn)線等關(guān)鍵設(shè)備及成套裝備，自主裝備的技術(shù)水平與國際差距逐漸縮小，部分產(chǎn)品性能達(dá)到或超過國外先進(jìn)水平，全面提升了我國食品裝備行業(yè)的整體水平。

在取得眾多成就、充滿信心的同時(shí)，我們也應(yīng)認(rèn)識到，與發(fā)達(dá)國家相比，我國食品領(lǐng)域不少關(guān)鍵核心技術(shù)受制于人，不論是基礎(chǔ)研究、共性技術(shù)還是專用技術(shù)領(lǐng)域，目前都有一些亟待攻克的核心技術(shù)。

亟待攻克的核心技術(shù)——基礎(chǔ)研究

加工過程物性變化機(jī)制及表征方法。食用農(nóng)產(chǎn)品原料為生物原料，形態(tài)復(fù)雜，多為有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物體及非均相結(jié)構(gòu)。食品物性是指食品和食品原料的物理性質(zhì)和工程特性，如力學(xué)特性、流變學(xué)特性、質(zhì)構(gòu)、光學(xué)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(guān)系密切，是感官品質(zhì)的決定性因素，也是營養(yǎng)遞送的關(guān)鍵因素，對食品物理品質(zhì)定量評價(jià)與控制、加工過程中傳熱傳質(zhì)、加工工藝及裝備的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及創(chuàng)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(shí)時(shí)在線的物性感知也是食品智能制造的基礎(chǔ)。

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

食品品質(zhì)安全與環(huán)境的互作及調(diào)控機(jī)制。食品品質(zhì)與安全是農(nóng)產(chǎn)品基因型和環(huán)境條件互相作用的綜合表現(xiàn)。除與遺傳因素有關(guān)外，溫度、水分、養(yǎng)分、光照等環(huán)境條件和生產(chǎn)措施環(huán)境決定了食品品質(zhì)，同時(shí)環(huán)境污染因素直接通過代謝和累積影響農(nóng)產(chǎn)品安全，并通過食物鏈進(jìn)入人體，產(chǎn)生食品安全危害和風(fēng)險(xiǎn)。

通過環(huán)境與食品質(zhì)量安全互作機(jī)制研究，并結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)的環(huán)境監(jiān)測，將為食品品質(zhì)安全的調(diào)控提供理論基礎(chǔ)，并為高品質(zhì)安全食品的生產(chǎn)提供支撐。

〉 現(xiàn)代食品工業(yè)生產(chǎn)線

復(fù)雜食品加工過程仿真模擬及優(yōu)化?；谀Ｐ偷难芯糠椒ㄒ言谠谑称房萍寂c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(yè)發(fā)展的一個(gè)重要工具。模擬仿真技術(shù)在食品領(lǐng)域的發(fā)展相較于機(jī)械、建筑、航空航天等學(xué)科來說相對落后，一個(gè)主要原因是食品體系復(fù)雜度的增長，這種復(fù)雜度體現(xiàn)在物理、化學(xué)、生物性質(zhì)在大范圍的時(shí)間和空間尺度上的不同。

近年來，計(jì)算機(jī)模擬仿真進(jìn)行食品工程設(shè)計(jì)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(chǎn)品速凍、加工過程品質(zhì)變化等方面的建模與參數(shù)調(diào)控仿真。隨著對食品加工過程的逐漸深入理解以及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，模擬仿真技術(shù)開始應(yīng)用于食品品質(zhì)屬性的研究，例如含水量、顏色、粘度、組成成分?，F(xiàn)在，食品結(jié)構(gòu)（粘度、多孔性）也被考慮進(jìn)來，模型可以展示這些結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生過程。同時(shí)，隨著監(jiān)測和分析手段的進(jìn)步（圖形技術(shù)、磁場和電子束），使得我們可以不同尺度下的結(jié)構(gòu)和化學(xué)物質(zhì)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(xiàn)有的食品加工過程模擬仿真中，多數(shù)模型建立在對體系的極度簡化和靜態(tài)的基礎(chǔ)之上，這種模型無法給出暫態(tài)效應(yīng)對設(shè)備性能、質(zhì)量、安全性、環(huán)境影響的影響的可靠估計(jì)。建模和仿真應(yīng)該努力將密度、溫度、熱量、動(dòng)量、能量等表征參數(shù)與化學(xué)反應(yīng)等多場相耦合起來，將食物設(shè)計(jì)成一種“智能”向量，用以解釋目標(biāo)分子對食品營養(yǎng)和感官性質(zhì)的影響。

在食品加工過程優(yōu)化方面，目前絕大多數(shù)的方法是正交試驗(yàn)、響應(yīng)面分析等常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段。人工智能（Artificial Intelligence，AI）是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能的理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，“阿拉法狗”、“無人駕駛汽車”等已經(jīng)取得了非常大的成就。但是人工智能技術(shù)在食品研究的領(lǐng)域卻很少，引入人工智能技術(shù)將是基于模型分析優(yōu)化的一個(gè)有效手段。

食品裝備先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)及平臺。虛擬樣機(jī)技術(shù)是CAx/DFx建模/仿真技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)等集成應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期、全系統(tǒng)，并對它們進(jìn)行綜合管理。虛擬樣機(jī)技術(shù)在美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家已得到廣泛的應(yīng)用。

食品裝備設(shè)計(jì)要在現(xiàn)有CAx/DFx建模/仿真工具的基礎(chǔ)上進(jìn)行深度二次開發(fā)，研發(fā)食品裝備專用先進(jìn)設(shè)計(jì)平臺，建立涵蓋通用食品加工關(guān)鍵部件模塊、專用食品加工部件模塊和通用機(jī)械支撐模塊為一體的食品加工裝備設(shè)計(jì)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(xì)節(jié)特征抑制的方法和基于約束分析的構(gòu)件配合識別方法，實(shí)現(xiàn)由設(shè)計(jì)模型向仿真分析模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并在設(shè)計(jì)優(yōu)化仿真間建立中間件，實(shí)現(xiàn)三者間模型驅(qū)動(dòng)的跨平臺緊密集成。

以食品裝備為實(shí)體模型，集成信息處理、智能推理、預(yù)測、仿真和多媒體技術(shù)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(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)從感官和視覺上使人獲得完全如同真實(shí)的產(chǎn)品感受；構(gòu)建諸如大型工程數(shù)據(jù)管理軟件(PDM)對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化整合，提升食品裝備設(shè)計(jì)優(yōu)化水平。

圖1 食品計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域的論文數(shù)（SCI）來源：ScienceDirect網(wǎng)站檢索數(shù)據(jù)

亟待攻克的關(guān)鍵技術(shù)——共性技術(shù)

食品智能制造技術(shù)。目前大部分食品裝備還處于工業(yè)2.0～3.0水平，即還停留在電氣化與自動(dòng)化時(shí)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(dòng)化、智能化的技術(shù)水平。

食品智能制造技術(shù)包括：食品加工制造過程中的組分、配比、含量、風(fēng)味、品質(zhì)等相關(guān)參數(shù)的原位感知技術(shù)；基于食品加工制造經(jīng)驗(yàn)的智能食品專家系統(tǒng)、人機(jī)交互技術(shù)；食品營養(yǎng)、品質(zhì)、安全性等質(zhì)量無損檢測技術(shù)及問題產(chǎn)品在線剔除技術(shù)；基于視覺、觸覺的產(chǎn)品柔性整理、分列、包裝技術(shù)及機(jī)器人；裝備運(yùn)行過程中故障自診斷、故障自排出的自行維護(hù)技術(shù)等。

食品柔性制造系統(tǒng)技術(shù)。食品的柔性制造系統(tǒng)是在同類食品制造工藝的基礎(chǔ)上，以各種單元加工設(shè)備為主要柔性制造單元，通過自動(dòng)化物流系統(tǒng)將其聯(lián)接，由主控計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件進(jìn)行控制和管理，組成多品種、變批量和混流式生產(chǎn)的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。

食品柔性制造系統(tǒng)技術(shù)包括：基于互聯(lián)網(wǎng)訂單的食品制造生產(chǎn)管理技術(shù)；基于物聯(lián)網(wǎng)的食品原料智能供給、輸送技術(shù)；模塊化的食品制造單位技術(shù)；可重構(gòu)和自組織的食品智能柔性制造技術(shù)；基于物聯(lián)網(wǎng)的食品包裝及倉儲智能物流技術(shù)等。

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

新型食品成型制造技術(shù)包括：適應(yīng)快速成型的食品3D打印技術(shù)、分子食品原料制造技術(shù)；精準(zhǔn)營養(yǎng)供給的分子食品原料調(diào)配技術(shù)；3D打印食品的快速定形、熟化技術(shù)；3D打印食品營養(yǎng)、風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)等品質(zhì)保真復(fù)熱技術(shù)；3D打印食品保鮮、形態(tài)保持、信息化包裝技術(shù)等；

食品高效低耗制造系統(tǒng)技術(shù)。

以強(qiáng)化加工過程中傳質(zhì)傳熱效率、提高生產(chǎn)效率、降低能耗為目標(biāo)的超聲、酶解、膜分離、超臨界萃取等多種高新食品加工技術(shù)耦合的復(fù)合高效提取與分離技術(shù)與裝備；超高壓、超聲、脈沖電場、等離子、強(qiáng)光脈沖等冷殺菌技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化裝備；基于現(xiàn)代分子生物學(xué)，以破壞微生物生長的生態(tài)系統(tǒng)為手段的綠色生物安全防控技術(shù)及裝備。

亟待攻克的核心技術(shù)——專用技術(shù)

食品無菌高速灌裝關(guān)鍵技術(shù)及裝備。無菌灌裝生產(chǎn)線是食品領(lǐng)域的頂級技術(shù)裝備，集成了光機(jī)電一體化、現(xiàn)代物理化學(xué)、微生物學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)通訊等多項(xiàng)高新技術(shù)為一體，是食品裝備技術(shù)水平的代表。

目前該領(lǐng)域德國KRONES、德國KHS壟斷了無菌瓶裝飲料設(shè)備，瑞典利樂、瑞士康美包壟斷了紙塑復(fù)合包無菌飲料設(shè)備，法國ERCA、德國BOSCH壟斷了塑杯無菌灌裝設(shè)備且價(jià)格高昂，國內(nèi)幾乎所有大型飲料集團(tuán)，如蒙牛、伊利、光明等均采用進(jìn)口設(shè)備，國內(nèi)碧海、普利盛等企業(yè)已開發(fā)了無菌磚包裝設(shè)備，產(chǎn)能9000包/時(shí)，遠(yuǎn)落后于國際的最高速度24000包/時(shí)；新美星、中亞等企業(yè)開發(fā)了無菌塑瓶包裝設(shè)備，產(chǎn)能40000瓶/時(shí)，遠(yuǎn)落后于國際的最高速度54000～72000瓶/時(shí)。同時(shí)，由于管閥設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平的影響，CIP/SIP系統(tǒng)24時(shí)就要清洗殺菌一次，而國際同類產(chǎn)品平均時(shí)間為48時(shí)，最高的能達(dá)到72時(shí)；國內(nèi)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(huán)保；由于采用無菌冷灌裝方式，對瓶體強(qiáng)度要求降低，每個(gè)瓶子的PET材料消耗可減少10%～15%。

目前亟需突破高效無焦結(jié)熱交換、電磁加熱/超聲輔助/電子束/脈沖強(qiáng)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(shè)備整機(jī)無菌驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)，從而開發(fā)高端食品無菌高速灌裝設(shè)備。

食品超薄金屬罐高速封口關(guān)鍵技術(shù)及裝備。我國的易拉罐產(chǎn)量已從2012年的399億個(gè)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(chǎn)設(shè)備的全球市場，美國ANGELUS的大容量（120L）高速封罐設(shè)備的生產(chǎn)速度已能達(dá)到800罐/分鐘，法國HAMA的方形罐生產(chǎn)速度已能達(dá)到240罐/分鐘，瑞士FERRUM的 F412型封罐機(jī)的生產(chǎn)速度已能達(dá)到1200罐/分鐘，金屬罐真空封口速度已能達(dá)到250罐/分鐘。

我國目前還缺乏金屬罐高速封口關(guān)鍵技術(shù)，特別是真空高速封罐技術(shù)。汕頭虹橋、廣東新湖、浙江煒馳等國內(nèi)企業(yè)僅能生產(chǎn)中低端的罐頭生產(chǎn)設(shè)備，但最大封罐速度不到300罐/分鐘。國內(nèi)幾乎所有大型易拉罐飲料生產(chǎn)企業(yè)，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(chǎn)企業(yè)，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(chǎn)企業(yè)，廈門銀鷺、達(dá)利園等八寶粥生產(chǎn)企業(yè)，均采用進(jìn)口設(shè)備。

食品高壓均質(zhì)粉碎關(guān)鍵技術(shù)及裝備。高壓均質(zhì)處理可使液料食品發(fā)生物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)等變化，增強(qiáng)食品穩(wěn)定性、改善食品口感、減少反應(yīng)時(shí)間、節(jié)省昂貴添加劑、提高產(chǎn)品附加值、延長食品貨架期，該領(lǐng)域國際市場規(guī)模超過100億元。國外商品化均質(zhì)機(jī)已達(dá)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(jù)絕大部分的市場份額，我國的高端、高效的高壓均質(zhì)機(jī)幾乎完全依賴于進(jìn)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(shè)備或零件處理。日本三和機(jī)械的均質(zhì)機(jī)處理量最大能達(dá)到22000 升/時(shí)，壓力達(dá)到98兆帕；利樂500型均質(zhì)機(jī)的最高產(chǎn)能達(dá)到每小時(shí)63600升/時(shí)。

目前，我國僅能生產(chǎn)中低壓、小流量的均質(zhì)設(shè)備。研發(fā)質(zhì)量好、性能穩(wěn)定、產(chǎn)能大的大型（特大型）均質(zhì)機(jī)和超高壓均質(zhì)機(jī)，替代進(jìn)口，是均質(zhì)機(jī)行業(yè)的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

另外，全谷物加工技術(shù)可以顯著提高糧食利用率、有助于改善居民營養(yǎng)健康，目前全球領(lǐng)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(nèi)一直缺乏全谷物磨粉的專用高品質(zhì)裝備，國內(nèi)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(dāng)前的谷物消費(fèi)需求。

新型食品高效提取分離關(guān)鍵技術(shù)、材料及裝備。高效提取分離食品中的有效成分、營養(yǎng)因子等已成為現(xiàn)代食品加工的一種趨勢?，F(xiàn)代食品分離技術(shù)主要超臨界流體萃取、高速離心提取技術(shù)、膜分離技術(shù)等。美國ASI、美國SFTD等的超臨界流體萃取設(shè)備，德國Westfalia、德國Hiller、意大利Flottweg、瑞典Alfa Laval等開發(fā)的離心分離裝備，美國MTP開發(fā)的VaporSep薄膜分離技術(shù)、美國Vaperma開發(fā)的Siftek聚合物膜法乙醇脫水新技術(shù)及材料等，處于世界領(lǐng)先水平。美國ASI的SFE2/4超臨界流體萃取裝置，可獨(dú)立控制各釜的流速，平行處理2個(gè)或者4個(gè)萃取釜，并可在線收集萃取物。美國SFT-1000超臨界全自動(dòng)萃取反應(yīng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)閥門自動(dòng)化和節(jié)流器自動(dòng)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(fā)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(shè)備。國內(nèi)已研發(fā)系列的離心機(jī)，但高轉(zhuǎn)速、高性能工業(yè)型離心機(jī)的研發(fā)還滯后，缺乏集成化特種分離系統(tǒng)。同時(shí)，膜材料制備技術(shù)及裝備與食品需求還存在一定的差距，工業(yè)化發(fā)展受到制約。

面臨人口增加、資源匱乏、城市化的挑戰(zhàn)，新型食品加工技術(shù)裝備成為引領(lǐng)食品產(chǎn)業(yè)朝高效利用、新型加工、數(shù)字化設(shè)計(jì)、節(jié)能減排、智能制造等方向創(chuàng)新發(fā)展的有效手段，更成為解決我國勞動(dòng)力成本上升、食品產(chǎn)業(yè)效益下降、資源逐漸匱乏等問題的重大科技需求。系統(tǒng)化成套化的技術(shù)裝備、高效可靠的智能裝備將是我國食品產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效，提高國際競爭力的有力保障，更是實(shí)現(xiàn)食品產(chǎn)業(yè)“中國制造”的基礎(chǔ)。