相變?cè)碓谑称穭?chuàng)新中的應(yīng)用

孫雪菁, 馮 林， 王美霞, 秦姝悅, 孫蕾蕾, 岳喜典, 李明波, 趙玉平

(1.煙臺(tái)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 264005； 2.大連理工大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

發(fā)明問(wèn)題解決理論(TRIZ)是指導(dǎo)人們進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)新創(chuàng)造、解決工程問(wèn)題的系統(tǒng)化的方法學(xué)體系。它是由蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒為首的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)250 萬(wàn)件高水平發(fā)明專(zhuān)利進(jìn)行研究分析和提煉之后總結(jié)得到的[1]。其中最重要、使用最普遍的是40個(gè)發(fā)明原理，目前已經(jīng)作為一種經(jīng)常使用的創(chuàng)新工具應(yīng)用于各行各業(yè)，具有不可忽視的地位和作用。本文詳細(xì)介紹相變?cè)淼亩x內(nèi)容及其在食品行業(yè)中的各類(lèi)應(yīng)用。

1 相變?cè)砀攀?/h2>

1.1 相變?cè)?/h3>

相是在一定條件下(溫度、壓強(qiáng)等)，物質(zhì)將以一種與外界條件相適應(yīng)的聚集狀態(tài)或結(jié)構(gòu)形式存在的狀態(tài)，物體的相有3種，即氣相、液相和固相。相變是指在外界條件發(fā)生變化的過(guò)程中，物相在某一特定的條件下(臨界值)時(shí)發(fā)生突變的現(xiàn)象。

1.2 相變類(lèi)型

相變一般可分6種類(lèi)型，即氣相變液相，如液體低度酒通過(guò)液體變氣體，氣體再變成液體的方法創(chuàng)造了世界上八大蒸餾酒；氣相變固相，如作物利用空氣中的二氧化碳和水在光的作用下形成水果、糧食、蔬菜等；液相變氣相，如啤酒、碳酸飲料、起泡酒；液相變固相，如糖果、冰棒等冷飲、山楂糕、涼粉、水晶肉、冷凍食品等；固相變液相，如酒心巧克力、酒心糖、灌湯包子和餃子等；固相變氣相，如發(fā)酵食品或添加膨松劑食材，加工成為松軟食品如面包、蛋糕和饅頭等，或膨松食品如蘇打餅干、蛋黃派等。當(dāng)然也有一些中間態(tài)，當(dāng)兩個(gè)或三個(gè)相共存的相存在?？傊?，人類(lèi)運(yùn)用自己的智慧，利用相變?cè)砗吞烊皇巢臑槿藗儎?chuàng)造了新穎多樣的食品。

1.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著社會(huì)發(fā)展和科技創(chuàng)新，相變?cè)淼膽?yīng)用已經(jīng)滲透到了人們生活、工作的許多方面，如建筑工程中，利用相變材料可以有效改善高低溫條件下的車(chē)轍、變形、凍裂等道路病害[2]。隨著人工智能領(lǐng)域的興起，相變存儲(chǔ)器滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算的強(qiáng)烈需求[3]。在儲(chǔ)能技術(shù)方面，相變儲(chǔ)熱作為一種發(fā)展成熟、工藝簡(jiǎn)單的儲(chǔ)熱技術(shù)，在解決實(shí)際應(yīng)用中存在的泄漏、腐蝕、過(guò)冷、傳熱性能差等缺陷方面發(fā)揮著重要作用[4]。

與此同時(shí)，在食品原料、食品加工以及包裝和運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)，都可以看到相變?cè)淼拇嬖凇＠?，冰淇淋等冷飲的加工、沙棘果的采摘、酒心巧克力的制作，還有將液體奶通過(guò)冷凍或加工技術(shù)變?yōu)楣虘B(tài)奶粉，不僅可以保留其原有的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值還具有保質(zhì)期延長(zhǎng)、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)；生活中最普通的水變成冰，體積膨脹后有了更多的用途，可以為人們提供清涼的飲品，還能夠保證食物新鮮；食品中的風(fēng)味物質(zhì)都是以液體形態(tài)存在，再以氣態(tài)形式擴(kuò)散到空氣中，人們通過(guò)嗅覺(jué)器官聞到各種各樣的香氣；酒是人們生活和工作中必不可少的一部分，一瓶醇香的白酒需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的蒸餾才能夠得到；食品加工的一個(gè)典型例子是一種利用低溫連續(xù)相變萃取花生粕油的方法，原理是利用萃取劑在不同壓力和溫度下的兩相變化，以及一定壓力下萃取劑的強(qiáng)穿透性，動(dòng)態(tài)、高效地萃取油脂。與普通溶劑萃取法相比較，這種方法得率及純度得到顯著提高，時(shí)間也大大縮短，并且可使用食品級(jí)安全無(wú)毒無(wú)害萃取劑，沒(méi)有有害溶劑殘留[5]。

由此可見(jiàn)，相變?cè)碓谑称沸袠I(yè)中得到了充分的實(shí)踐。下面將具體說(shuō)明該原理在食品行業(yè)中的案例，期待進(jìn)一步推動(dòng)TRIZ的廣泛應(yīng)用。

2 相變?cè)谌橹破分械膽?yīng)用

隨著社會(huì)和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們從滿(mǎn)足于簡(jiǎn)單的溫飽問(wèn)題發(fā)展到追求自身以及家人的營(yíng)養(yǎng)健康情況，飲食營(yíng)養(yǎng)與安全更成為消費(fèi)者們最關(guān)注的食品問(wèn)題之一。乳品作為蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源之一，受到了廣泛關(guān)注。

乳制品是以牛乳、羊乳等為主要原料加工制成的各種制品。由于乳品的營(yíng)養(yǎng)成分高，口感好，很多人將乳品作為是補(bǔ)鈣的重要食物。乳制品普遍存在保質(zhì)期短、不方便儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)热秉c(diǎn)，于是人們通過(guò)各種加工方法將其由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，將?dòng)物奶除去水分后制成粉末，易于保存，并且可以根據(jù)嬰幼兒、青少年、中老年人的不同需求添加適量的維生素、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以滿(mǎn)足不同人群的營(yíng)養(yǎng)需求。目前市面上已有的速溶姜汁豆奶粉是由豆?jié){、糖、植物油等調(diào)配，經(jīng)過(guò)煮漿、均質(zhì)、預(yù)冷、干燥得到，該產(chǎn)品具有天然、速溶、姜香味、高營(yíng)養(yǎng)、新口味的特點(diǎn)[6]。

除此之外還有發(fā)酵乳、煉乳、干酪、再制乳、奶油、花色乳等，不僅豐富了乳制品的種類(lèi)，解決了存儲(chǔ)問(wèn)題，還滿(mǎn)足了大眾對(duì)乳制品的各項(xiàng)需求。由此可見(jiàn)，相變?cè)淼膽?yīng)用為乳制品的發(fā)展提供了很好的解決辦法，也讓我們意識(shí)到了相變?cè)淼闹匾浴?/p>

Typical failure modes of high-cutting slops and its application on yanwanqiao west slope in

3 相變?cè)诠咧械膽?yīng)用

3.1 新鮮果蔬中的相變

作為世界上最大的果蔬生產(chǎn)國(guó)和果蔬制品加工基地，中國(guó)在新鮮水果、果蔬汁、果蔬罐頭、脫水和速凍果蔬制品中擁有巨大的市場(chǎng)。其中脫水蔬菜經(jīng)由常壓熱風(fēng)干燥、微波干燥、遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)以及自主研發(fā)的真空凍干技術(shù)[7]后，由新鮮蔬菜脫水變?yōu)槭卟烁桑粌H營(yíng)養(yǎng)豐富，食用和攜帶方便，還能有效地調(diào)節(jié)蔬菜生產(chǎn)淡旺季節(jié)[8]，因此備受上班族、學(xué)生群體、健身群體的喜愛(ài)。

鮮切水果是指新鮮水果經(jīng)分級(jí)、清洗、去皮、修整、切分、包裝等處理后, 供消費(fèi)者或餐飲業(yè)立即食用的水果加工產(chǎn)品，滿(mǎn)足了消費(fèi)者的即食需求。鮮切水果具有營(yíng)養(yǎng)豐富、污染小、食用方便快捷等特點(diǎn)深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)， 但是鮮切水果在長(zhǎng)時(shí)間的放置中會(huì)有變質(zhì)和異味的現(xiàn)象，整體品質(zhì)不如新鮮水果[9]。 因此，如何保證鮮切水果的品質(zhì)，有效延長(zhǎng)保質(zhì)期成為重中之重。其中，有效的冷凍-復(fù)溫措施可以保證果蔬良好的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),減少果蔬腐爛損壞現(xiàn)象的發(fā)生，具有十分良好的社會(huì)效益。張哲等[10]利用相變潛熱、控制冷凍-復(fù)溫速率等方法對(duì)果蔬冷凍-復(fù)溫后的品質(zhì)恢復(fù)提供了依據(jù)。

3.2 果蔬營(yíng)養(yǎng)價(jià)值中的相變

在追求高質(zhì)量生活的時(shí)代，從果蔬中分離、提取、濃縮其中功能性成分，制成膠囊或添加到食品、保健品等產(chǎn)品中，已成為當(dāng)前果蔬加工的一個(gè)新趨勢(shì)，其中許多產(chǎn)品都運(yùn)用了相變?cè)怼?/p>

目前市場(chǎng)上葡萄汁、芹菜汁、復(fù)合果蔬汁、果酒、果醋產(chǎn)品琳瑯滿(mǎn)目，受到許多消費(fèi)者的喜愛(ài)。果蔬濃縮汁主要運(yùn)用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮技術(shù)、冷凍濃縮技術(shù)、膜分離[11]等技術(shù)得到，濃縮后的果蔬汁具有營(yíng)養(yǎng)豐富、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)。精油、香精在人們的日常生活中用處眾多，精油可以護(hù)膚、助眠，香精可以豐富食品的風(fēng)味、節(jié)約生產(chǎn)成本。人們從大自然中具有芳香特點(diǎn)的植物根、水果蔬菜、花葉等部分，通過(guò)萃取、濃縮、壓榨的物理方法，以及熱加工技術(shù)、生物技術(shù)等[12]方法可以得到。人們?cè)谑秤么滓约Z食為原料發(fā)酵的基礎(chǔ)上，將水果進(jìn)行發(fā)酵得到了具有果香氣[13]、對(duì)心血管有保護(hù)作用[14]的果醋，收獲了巨大的市場(chǎng)。

可以看出，經(jīng)過(guò)相變的果蔬原料，不僅可以降低一些生產(chǎn)成本、提升營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，并且對(duì)食品行業(yè)有很大的創(chuàng)新和提升，相信在未來(lái)還會(huì)為人們的生活品質(zhì)、食品質(zhì)量等方面做出更大的貢獻(xiàn)。

4 相變?cè)谌庵破分械膽?yīng)用

肉制品種類(lèi)繁多、加工方式多樣化，在經(jīng)過(guò)腌、臘、鹵、醬、蒸、煮、熏、烤、烘焙、干燥、油炸、成型、發(fā)酵以及調(diào)制等相關(guān)工藝的加工之后，成為如今消費(fèi)者們看到的眾多肉類(lèi)制品。主要包括香腸、火腿、培根、醬鹵肉、燒烤肉、肉干、肉脯、肉丸、肉餅、腌臘肉、水晶肉等[15]。

典型的蘊(yùn)含相變?cè)淼娜庵破酚兴狻⒐鄿?，在固體肉的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)不同加工方式得到了特色食品。除此之外，為了滿(mǎn)足人們對(duì)肉類(lèi)食品的色、香、味的更高要求，肉味香精應(yīng)運(yùn)而生。目前，肉味香精集生物工程技術(shù)、脂肪氧化技術(shù)、烹飪技術(shù)、熱反應(yīng)技術(shù)和調(diào)香技術(shù)于一體的復(fù)合技術(shù)[16]，以肉類(lèi)為原料，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理及反應(yīng)過(guò)程制備出牛肉、豬肉、雞肉香精。豐富多樣的肉味香精作為調(diào)味劑，豐富和滿(mǎn)足人們對(duì)食品的各類(lèi)需求。

5 相變?cè)谑称钒b、運(yùn)輸中的應(yīng)用

5.1 相變?cè)谑称钒b中的應(yīng)用

相變材料(PCMs) 按照相變方式一般可分為固-固相變材料、固-液相變材料、固-氣相變材料和液-氣相變材料4類(lèi)[17]。目前應(yīng)用到食品包裝中的主要有相變蓄冷材料，可分為無(wú)機(jī)、有機(jī)、復(fù)合相變蓄冷材料3種類(lèi)型。相變蓄冷材料是以低溫方式將冷量存儲(chǔ)起來(lái)， 利用相變過(guò)程釋放冷量，達(dá)到控制系統(tǒng)溫度的目的[18]。

近年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們生活水平日益提高，對(duì)于果蔬和水產(chǎn)品等易腐食品的品質(zhì)要求也越來(lái)越高。在生鮮食品電商配送領(lǐng)域，相變蓄冷材料以冰袋、冰排或冰盒等形式已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，一系列為保證食品新鮮的包裝和運(yùn)輸措施也應(yīng)運(yùn)而生。于黨偉[19]利用相變蓄冷材料制備出具有相變儲(chǔ)能功能的相變膠囊，可以應(yīng)用于對(duì)溫度敏感食品中，保證商品品質(zhì)，滿(mǎn)足了市場(chǎng)上冷鏈運(yùn)輸?shù)男枨?，并且?jié)約了能源。中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，果蔬種類(lèi)多且具有地域性。為了滿(mǎn)足人們對(duì)各種果蔬的需求，趙曉曉等[20]將相變蓄冷材料用于蓄冷劑中，產(chǎn)生了一系列蓄冷板、蓄冷袋、蓄冷盒以及蓄冷膠囊等包裝類(lèi)型。良好的蓄冷包裝不僅使易腐產(chǎn)品保持在低溫狀態(tài)，延長(zhǎng)其貯藏保鮮時(shí)間，還能夠降低成本，節(jié)約運(yùn)輸過(guò)程中的投入。

5.2 相變?cè)谑称愤\(yùn)輸過(guò)程中的應(yīng)用

在食品運(yùn)輸中，大多數(shù)食品由于其季節(jié)性、區(qū)域性、易腐性等原因難以保證新鮮度，使得每年的果蔬、肉類(lèi)產(chǎn)品和水產(chǎn)品損耗巨大，必須采取高效的冷藏保鮮技術(shù)來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸，以保證產(chǎn)品的新鮮度、食用價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。目前，冷鏈運(yùn)輸主要分為3種模式：冷藏車(chē)制冷低溫運(yùn)輸模式、以干冰作為冷源的低溫運(yùn)輸模式、相變蓄冷材料的低溫運(yùn)輸模式[21]。目前，運(yùn)用相變蓄冷材料的冷鏈運(yùn)輸多使用蓄冷式冷藏設(shè)備，因其設(shè)備具有冷藏效能好、環(huán)保節(jié)能和性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式壓縮制冷設(shè)備。設(shè)備中使用的相變蓄冷材料是以低溫方式將冷量存儲(chǔ)起來(lái)，利用相變過(guò)程釋放冷量，達(dá)到控制系統(tǒng)溫度的目。如今，該材料已經(jīng)運(yùn)用到冷藏車(chē)、冷藏運(yùn)輸箱等冷鏈運(yùn)輸中。

6 相變?cè)谑称吩O(shè)備中的應(yīng)用

根據(jù)相變?cè)斫Y(jié)合人類(lèi)飲食的需求，創(chuàng)造了大量的食品機(jī)械與設(shè)備。結(jié)合相變?cè)砜梢苑譃橐韵?類(lèi)相關(guān)設(shè)備。

1)氣相變液相類(lèi)設(shè)備。氣相變液相設(shè)備，如冷凝器、冷卻塔、蒸餾水機(jī)等。在設(shè)備工作過(guò)程中，將蒸汽冷凝以達(dá)到制冷等效果。韋如其等[22]研究噴射霧化式冷凝器，其具有獨(dú)特的冷凝方式，減輕了上水壓力，且汽液充分混合冷凝，在使用時(shí)可達(dá)到節(jié)約用水、穩(wěn)定煮糖真空、提高煮煉質(zhì)量和收回的目的。

2)氣相變固相類(lèi)設(shè)備。氣相變固相設(shè)備，如從空氣中獲得固體水，自然現(xiàn)象中雪、霧凇、冰雹，可以通過(guò)機(jī)械設(shè)備制造。

3)液相變氣相類(lèi)設(shè)備。液相變氣相設(shè)備，如各種各樣的發(fā)酵設(shè)備和酵母菌將葡萄糖通過(guò)EMP途徑，生成乙醇和二氧化碳，形成汽酒等。

4)液相變固相類(lèi)設(shè)備。液相變固相設(shè)備，如所有的冷飲食品加工設(shè)備都是將液體變成固體。

5)固相變液相類(lèi)設(shè)備。固相變液相設(shè)備，如加熱設(shè)備，鍋加熱形成灌湯包，酶將固體的大分子物質(zhì)變成小分子液體物質(zhì)。

6)固相變氣相類(lèi)設(shè)備。固相變氣相設(shè)備，如現(xiàn)代食品加工技術(shù)中二氧化碳超臨界萃取設(shè)備等，乳制品中的多效均質(zhì)機(jī)。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，相變?cè)硪呀?jīng)被廣泛使用于食品原料加工、食品包裝、運(yùn)輸以及生產(chǎn)食品的設(shè)備中。相變?cè)碓谑称沸袠I(yè)中已經(jīng)為人們解決了許多食品保鮮、食品安全、食品生產(chǎn)等問(wèn)題。作為地幅遼闊、人口眾多的國(guó)家，中國(guó)是當(dāng)之無(wú)愧的食品大國(guó)，未來(lái)的食品行業(yè)更是任重道遠(yuǎn)，食品市場(chǎng)也已經(jīng)從國(guó)內(nèi)擴(kuò)展到了國(guó)外市場(chǎng)。相變?cè)碜鳛閯?chuàng)新工具的40個(gè)發(fā)明原理之一，目前已經(jīng)逐漸被人們應(yīng)用到各行各業(yè)，相信在今后的研究當(dāng)中，更多的發(fā)明原理能夠應(yīng)用于食品行業(yè)當(dāng)中，以解決更多的食品問(wèn)題，創(chuàng)造更多的新型食品，更好地推動(dòng)食品行業(yè)蓬勃發(fā)展。