食品科学与工程最新进展与新技术应用

食品科学与工程最新进展与新技术应用
引言
中国有句古话叫“病从口入”，而人们的生活离不开衣食住行，食品尤其是安全的食品显得尤为重要。

这就更能显示出我们对食品研究的迫切性与实用性。

中国本是农业大国，在工业化的过程中，食品工业崛起的相对较晚，但如今食品工业在整个工业中所占比重不容小觑。

食品行业关系到国民发展，在中国这样一个发展中的人口大国，食品工业及食品科技在取得突破进展及作出重要贡献的同时，也正呈现许多问题和新的发展趋势。

近年来，国家对食品问题高度重视，这也主观上促进了食品科学与工程的研究，并使得很多新技术在食品科学工程中得以应用，使得食品方面的研究得到了快速的发展。

国外很多国家都很重视农业的发展，经济如此发达的美国，各类粮食的出口量大都居于世界前列。

食品工艺有着悠久的历史、丰富的内涵，它深深植根于人们的日常饮食生活中。

如今演变成一个学科，我们需要做到在保持并发扬传统工艺的基础上提高安全保障技术在食品工业中的应用。

本文介绍了食品科学和食品工程方面的研究进展以及食品科学研究中存在的问题，总结新技术在食品科学与工程方面的应用，进而对食品科学与工程未来发展进行展望。

1.食品科学研究进展
1.1食品保藏
1.1.1物理保藏手段
食品保藏中有很多技术，例如无菌保藏：（1）高温灭菌保藏（2）辐照保藏（3）干燥和脱水保藏(4）低温保藏
原理：利用热处理微波照射、过滤等方法处理食品将食品中的腐败菌数量减少或消灭到能够长期储藏所允许的最低限度并且长期维持这种状态以免储藏期内腐败变质。

特点如下：
（1）高温灭菌保藏食品经高温处理后，可杀灭其中绝大部分微生物，同时破坏食品中酶的活性，如配合密封、真空、迅速冷却，可达到长期保存的目的。

高温灭菌保藏食品有两种方法：一是高温灭菌法，它适用于罐头食品的消毒。

常用温度120摄氏度，时间30分钟，有时60分钟，有时甚至90分钟。

二是巴氏消毒法，将食品在60--65摄氏度，加热30分钟，可杀灭一般致病性微生物，近来采用高温瞬间巴氏消毒法，即80--90摄氏度，加热30秒或1分钟。

此法多用于消毒牛奶、酱油、饮料等。

高温灭菌的效果与温度的高低、加热的方式、时间以及食品种类有关，高温处理后的食品仍有再受微生物污染的可能，因此要注意消毒后保存的条件和时间。

（2）辐照保藏又叫激光辐照食品保藏，辐照食品保藏属于高新科技，就是通过照(X射线、γ射线、电子射线照射),抑制食品的新陈代谢，同时杀灭害虫和致病微生物，以改进食品的品质，减少储运损失，延长贮存期和货架期。

该方法是通过除去食品中的水分，如利用太阳晒干食品，使用各种设备，通过控制空气的温度、湿度干燥食物达到阻止霉菌、发酵菌和细菌生长，达到保藏的目的。

（3）低温和冷冻是低温保藏冷藏食品的常用方法，低温可以降低或停止食品中微生物繁殖速度，减慢食品中的一切化学反应速度，减缓食品腐败速度，但不能杀灭微生物，食品在10℃以下保存时可使微生物对食品的作用大为减低，0℃以下微生物对食品的分解作用基本停止。

但在低温下，食品中脂肪仍不能避免酸败变质，只有在-20℃以下时分解脂肪的酶才基本停止活动。

依靠科技创新振兴我国的食品保藏业。

建立配套的市场流通体系和生产服务体系，组建地区性、全国
性或国际性的专业合作组织或专业协会。

强化食品的商品质量意识，重视产品的质量与安全，实施绿色食品品牌战略，增强其在国内外市场的竞争力。

重视对具有食品生产、贮藏加工、质量检测、市场营销等综合素质的专业人才培养，加大食品保藏科技知识的推广力度[1]。

1.1.2化学保藏手段
食品的化学保藏就是在食品生产和储运过程中使用食品添加剂提高食品的耐藏性和尽可能保持它原来品质的措施。

所谓化学保藏剂，就是指任何添加到食品中用于防止或延迟食品变质的添加物质，但是不包括盐、糖、醋、香料以及熏烟，或者主要功能为杀虫或者草药功能的物质。

1.2食品添加剂
食品添加剂，是指为改善食品品质和色、香、味以及防腐和加工工艺的需要而加入食品中的化学合成或是天然物质。

食品添加剂是一种非营养物质，一般来说，食品添加剂按其来源可分为天然的和化学合成的两大类。

天然食品添加剂是利用动植物或微生物的代谢产物等为原料，经提取所得的天然物质。

化学合成食品添加剂是通过化学手段，使元素或化合物发生氧化、还原、缩合、聚合、成盐等合成反应所得到的物质。

目前使用的大多属于化学合成的食品添加剂。

可以说没有食品添加剂就没有现代食品工业。

食品添加剂的正确、合理的使用将有利于食品工业的技术进步、科技创新，成为食品工业发展的推动力。

总之，食品添加剂的使用给人们的生活带来了极大的方便，方便加工操作的同时也提高食品营养价值。

但食品安全恐惧不消除，将严重影响我国食品行业的发展。

重视食品安全，已成为衡量人民生活质量、社会管理水平和国家法制建设的一个重要方面。

为此，食品加工企业在选用食品添加剂时，首先要充分了解我国政府制定的有关食品添加剂的卫生法规，并严格执行。

其次，选用的食品添加剂必须符合以下原则：（1）添加剂不能破坏食品的营养素，不能影响食品的质量及风味；
（2）不得掩盖腐败变质食品的缺陷；
（3）使用方便安全，符合相应的质量指标，不产生有毒有害物质；
（4）使用于食品中，能分析鉴定出来。

食品添加剂主要体现以下五种优点：
（1）改善食品的感官和风味；
（2）保持和提高食品的营养价值；
（3）有利于食品的加工操作；
（4）提高食品的商品附加值；
（5）增强经济效益促进食品工业的技术创新。

食品添加剂可以促进食品工业向机械化自动化加工的方向发展。

当今世界食品消费的潮流是风味多样化、家庭烹饪方便化、天然保健化。

与此相适应，食品添加剂将随着食品工业的发展而快速发展。

同时，食品添加剂的发展又能促进食品工业的继续进步，两者相辅相成[2]。

1.3食品风味化学
当今，国际食品风味化学领域掀起了以分子感官科学技术对食品及其配料中特征赋予化合物的深入研究[3]。

对食品中关键气味活性化合物准确定性定量及重要性排序，从分子层面揭示食品特征气味的化学本质; 结合感官评定，对样品中滋味活性化合物准确定性定量分析; 在方法上引入"代谢组学技术，探索食品中苦味、酸味、鲜味、浓厚味等分子基础，从分子水平上揭示赋予食品关键气味、滋味物质的化学本质以及其结构与功能的关系，为相关食品生产储藏过程中质量控制提供科学依据，以期掌握及控制食品加工、储藏过程中关键风味物质的形成途径及变化规律。

我国食品风味化学家对中国白酒和中国传统食品( 竹荪、酱牛肉、梅菜扣肉、腊羊肉) 中挥发性成分进行了深入研究[4]。

为中国传统食品工业化打下了坚实基础。

今后，我国食品风味化学领域的研究方向建议如下: 1) 真实再现食品风味的风味成分采集技术;2) 气味活性化合物精确定量技术;3) 风味化合物形成途径及变化规律研究; 4) 以风味为基础的食品生产及储藏过程的品质评价和控制技术。

1.4食品酶制剂
食品酶制剂科学研究领域国际食品酶制剂研究涉及分子生物学及下游应用等诸多方面。

基因工程学结合蛋白质结构分析深刻揭示酶催化机理及在生产中的应用规律。

分子生物学结合发酵工程对高效表达载体构建、改造及酶制剂的高效生产进行研究，为高品质特种催化酶的生产及使用成本的降低提供技术层面的支持。

微生物高质量筛选及宏基因组学的应用极大丰富了具有优良催化活性特种酶
的来源，为适应食品产业的应用环境，提高酶使用效率提供了可能。

此外，利用蛋白质工程集合基因工程对现有酶种类进行的修饰和改造进一步延伸了酶的使用范围。

近几十年随着各种工程技术的高速融合，酶固定技术、酶反应器、酶探针技术的出现及革新，在不断改变酶制剂的使用方式的同时，显著提升其使用效率[5]。

我国虽然在酶产量及种类上有了突飞猛进的进步，但相对于国外在研究投入和创新能力、生产核心技术、产品与应用领域的深度接驳等方面尚显不足。

今后，我国酶学和酶工程领域的研究方向建议如下: 1) 针对具体行业需求，进行特种酶筛选及建立行业使用、评价规范; 2) 适合工业化制备的工程菌构建、改造研究; 3) 催化酶在具体生产环境中应用规律及机理层面的阐释; 4) 针对食品行业特点，立足食品安全层面及使用成本方面，加强酶产品安全评价及食源性菌株筛选工程菌株构建方面的研究;5) 食品实际应用领域相对一般生物领域更加纷繁复杂，应加强酶制剂在具体行业中应用规律研究[6]。

2.食品工程研究进展
2.1乳品科学研究领域
在乳业发达国家，有关新技术、新工艺和新方法在乳品加工和质量控制中的应用得到了更深入的研究。

宏基因组学、蛋白质组学和代谢组学的研究进一步揭示了各种发酵乳制品加工和贮藏过程中乳品组分及品质动态变化规律。

乳品流变学性质的深入研究，包括新型功能性配料、稳定剂和乳化剂等的应用及其与乳品组分之间相互作用的研究，为乳品质量控制、获得理想的乳品质构和感官性质提供了新思路。

对于乳酸菌健康功效、乳品组分营养特性和生理活性的研究，为新型功能性乳制品，包括益生菌发酵乳制品和配方乳品等的研制奠定了理论基础。

同时，针对母乳营养成分及其动态变化对婴幼儿健康的影响也进行了大量深入的研究[7]。

膜处理、非热杀菌、清洁生产和在线检测等新技术的研究开发不断地提升了乳品安全加工水平和生产效率[8]。

我国近年来着力于乳酸菌资源的研究开发，通过对乳酸菌生产性能和功能性的评价，研制发酵剂或益生菌制剂。

对于乳酸菌功能性方面做了较深入的研究，涉及菌株的全基因组测序、肠道菌群和免疫调节、菌株的功能性代谢产物如胞外多糖、酶类和其他功能因子等。

但是，我国仍然缺乏具有自主知识产权的乳酸菌
或益生菌菌株。

在干酪加工技术方面，重点研究了凝乳剂包括微生物凝乳酶和基因工程凝乳酶、干酪发酵剂和干酪加工工艺，以及适于我国人群消费特点的干酪产品。

在干乳制品方面，着力于不同种类产品的工艺参数研究及新产品开发，初步开展了婴幼儿奶粉加工相关的母乳成分检测及婴幼儿营养需求等基础工作[9]。

此外，原料乳质量安全快速检测、膜技术的应用、节能降耗技术及装备、乳品配料生产技术等仍有待进一步研究开发。

今后，我国乳品科学领域的研究方向建议如下:1) 原料乳的质量安全控制技术研究，包括原料乳预处理技术及相关设备、储运环节品质变化及控制、原料乳的快速检测技术等的研究;2) 发酵乳制品加工用菌种及发酵剂、酶制剂、功能性配料等的研究开发，重点研究菌株的生产性能及其稳定性、菌株的功能性、微生物发酵生产凝乳酶技术等; 3) 干酪加工技术研究，重点研究原料乳的凝固特性、干酪质构和风味物质的形成、益生菌的应用及不同种类适于我国消费者食用习惯的干酪的研制; 4) 婴幼儿奶粉质量安全控制及功能性评价研究，重点研究不同年龄段婴幼儿的营养需求及产品研制; 5) 新型乳制品和特种乳的加工技术及装备研究，包括在线检测、节能降耗、非热杀菌、特色乳品加工技术及装备等。

2.2肉品科学研究领域
国际肉制品研究更关注营养素与机体健康关系，特别是低盐低脂肉制品和功能性肉制品的研究开发成为未来肉制品发展的重要趋势; 肉制品加工副产物的综合利用实现了原料资源的充分利用和效益最大化; 减菌化技术、在线无损检测技术的研发不断提升肉制品安全控制水平。

我国通过低温肉制品加工关键技术、传统肉制品的工业化及标准化生产和西式发酵肉制品加工关键技术的深入研究，提高了低温肉制品、传统肉制品和西式发酵肉制品产品品质和质量安全水平。

但是，目前我国肉类工业仍以初加工产品居多，精深加工产品比重较低，产品科技含量低，研发能力不足。

在食品加工高新技术的应用、肉制品加工副产物综合利用、传统肉制品风味品质保持和稳定化、加工过程中有害物控制等方面有待进一步研究[10]。

今后，我国肉制品研究发展建议如下：1）制品风味形成机理及其风味保持技术研究和加工工艺和装备的完善，实现传统肉制品加工工程化、标准化，保证肉制品风味品质稳定;2) 肉制品加工中高效安全品质改良剂的研究开发及作用
机理研究，包括绿色高效保水剂、着色剂以及低盐低脂肉制品及其替代品的研究开发; 3) 肉制品中的危害因子和潜在危害因子的产生规律及调控机理研究;4) 肉制品加工副产物的综合开发和利用研究; 5) 肉品减菌化技术和无损检测技术研究。

2.3谷物加工科学研究领域
谷物加工业是农产品加工业的基础产业、食品工业的支柱产业和人类的生命产业。

对谷物的利用已由原来的仅作为口粮转化为深度加工和综合利用，最大限度地发挥谷物的各项功能。

国内外研究者从基本的原料特性( 包括谷物的品种、质量、各种理化成分对其加工品质、食用品质、衍生产品特性影响的研究) 出发，通过谷物组分与结构研究、淀粉的糊化、老化与凝胶化特性研究、谷物的储藏与品质研究等途径，借助超微粉碎、挤压、蒸煮、超高压、烘烤、发酵、微波、速冻等技术手段，开发各种适合本国的谷物食品。

随着生物工程和固定化酶技术的不断进步，在代谢学、营养学、现代医学研究成果基础上，制备、设计出新型改性营养保健产品，使谷物资源的高效利用、延伸谷物加工产业链的目标成为可能。

目前国内，主要开展不同谷物原料的成分构成、协同影响与制品加工特性、品质的关系研究，确定谷物中活性成分的生理功效。

以抗性淀粉为代表的功能性保健食品、以脂肪替代品为代表的食品添加剂及配料等新型、适合市场需求的产品受到青睐; 生物面粉改良剂替代化学改良剂是大势所趋。

由于技术和设备的原因，全谷物食品、主食、工业化食品的生产和加工尚面临着成本高、感官品质不佳等问题。

另外，全谷物中各种抗氧化成分的存在、在体内的协同抗氧化机制以及生理功能有待阐明[11]。

今后，谷物加工科学领域的研究方向建议如下:1) 方便、功能性米制品的研究，营养健康型大米( 食品专用米、蒸谷米、营养强化米、发芽糙米、留胚米等) 及制品生产中涉及的营养、风味、质构等方面研究，为主食工业化提供理论支撑。

2) 谷物品质改良技术的研究，小麦品质与面粉的流变学特性，以小麦面筋、非面筋凝胶和添加品质改良剂的研究为基础，研究面团、冷冻面团的加工特性，开发各种新型的面粉品质改良剂。

3) 谷物精深加工及传统发酵食品的高效生物转化，利用生物工程、酶工程技术开发不同功能性的米淀粉、米蛋白、高果糖、低聚糖、脂肪替代品; 解决工业化生产的米粉( 米线)、方便面、米饭、馒头、挂面、
鲜湿面条等米面制品的保鲜问题;确定传统发酵食品。

使其具有保健疗效中间产物的功能因子。

4) 谷物加工副产物的综合利用，研究谷物油脂的营养保健机理; 利用超细粉碎、复合酶解、高压均质等技术，研究谷物蛋白、活性多肽、抗性糊精、低聚糖、膳食纤维等功能性产品的保健功效。

5) 谷物食品安全性的研究，谷物中危害物( 如农药残留、重金属、微生物等) 污染情况及迁移机理; 制修订符合国情的谷物加工产品标准、生产技术规范和检测方法标准; 研究、建立具有溯源、监测、预警、关键点控制的评估方法和监控技术及系统。

2.4果蔬贮藏与加工科学研究领域
近年来，国外利用番茄作为模式生物，以突变体为材料，采用分子生物学的手段，研究了影响果蔬在成熟过程中品质形成的关键因子及其调控网络。

对在果蔬衰老过程中发挥重要作用的乙烯等植物激素的合成和信号转导进行了深入研究，鉴定了乙烯合成的关键基因、信号转导途径中的大多数转录因子、乙烯受体蛋白和下游靶基因。

研究了病原菌和果蔬之间的互作效应，得到了果蔬防卫反应的相关基因和信号分子。

对果蔬在逆境条件下的生理反应进行了研究，发现了与果蔬抗冷性相关的膜蛋白[12]。

发达国家在果蔬采后商品化处理方面技术成熟，冷链物流设施齐全。

果蔬采后工业化程度高，经切分加工后可直接食用。

果蔬加工新技术应用广泛，例如超高压、高密度二氧化碳等非热杀菌技术的应用最大程度保持了果蔬的固有品质。

经过多年的研究，我国已经基本掌握了大宗水果贮藏的适宜条件。

开发了一些新型植物源和微生物源防腐保鲜剂，然而要实现产业化应用，需要解决防病成本高，效果不稳定等一系列问题。

果蔬中功能因子的提取及体外抗氧化活性的研究有大量报道，却仍缺乏对果蔬功能因子在体内的作用靶点及其相关信号通路的深入究，尤其是果蔬品质与功能因子之间的关系还不明确。

我国果蔬冷链物流的系统研究才刚刚起步，果蔬采后商品化处理还比较薄弱。

今后，果蔬贮藏与加工科学领域的研究方向建议如下:1）应该进一步加强果蔬采后品质形成和成熟衰老规律的基础研究，利用基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等系统生物学技术研究各调控因子之间的互作效应，为果蔬保鲜新技术的开发奠定基础; 2) 利用生物统计学的方法，建立果蔬质量评价标准; 3) 研究减压、细胞间水结构化气调保鲜、负氧离子保鲜等贮藏保鲜新技术的作用机理及应用条件; 4) 继续开发低毒高效的绿色植物源和微生物源防腐保鲜剂，深入
研究其作用机制; 5) 建立果蔬精准贮藏体系及技术规程; 6) 构建果蔬贮藏冷链物流的标准化和信息化操作体系; 7) 发展控制鲜切果蔬褐变和微生物污染的新技术，加强果蔬采后商品化处理和加工装备开发。

3.新技术在食品科学与工程中应用进展
食品工业是国民经济的重要支柱之一，是保障国家粮食和食物安全的基础，同时也是承载着国民营养健康的民生产业。

随着当前全球一体化趋势、自然资源短缺与环境压力、国际金融危机和人们对食品营养质量与安全的广泛关注，食品工业将面临巨大的挑战，高新技术在食品工业中的应用可以有效提高食品资源利用率和增值加工程度，实现食品工业的可持续发展，满足人民群众日益增长的物质生活需求。

3.1临界萃取技术
超临界CO2流体萃取（SFE）分离过程的原理是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。

在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。

当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，所以超临界CO2流体萃取过程是由萃取和分离过程组合而成的[13]。

超临界CO2萃取的特点决定了其应用范围十分广阔。

如在医药工业中，可用于中草药有效成份的提取，热敏性生物制品药物的精制，及脂质类混合物的分离；在食品工业中，啤酒花的提取，色素的提取等；在香料工业中，天然及合成香料的精制；化学工业中混合物的分离等[14]。

具体应用可以分为以下几个方面：
1）从药用植物中萃取生物活性分子，生物碱萃取和分离；2）来自不同微生物的类脂脂类，或用于类脂脂类回收，或从配糖和蛋白质中去除类脂脂类；3）从多种植物中萃取抗癌物质，特别是从红豆杉树皮和枝叶中获得紫杉醇防治癌症；4）维生素，主要是维生素E的萃取；5）对各种活性物质（天然的或合成的）进行提纯，除去不需要分子（比如从蔬菜提取物中除掉杀虫剂）或“渣物”以获得提
纯产品；6）对各种天然抗菌或抗氧化萃取物的加工，如罗勒、串红、百里香、蒜、洋葱、春黄菊、辣椒粉、甘草和茴香子等[15]。

3.2包接络合法
包接络合法又称分子包埋法，利用具有特殊分子结构的壁材进行包埋而成。

如常用的β-环糊精进行分子包埋取得了令人满意的效果。

β-环糊精是由7个吡喃型葡萄糖分子以α-1，4-糖苷键连接成环状化合物，其外形成圆台状，亲水性基团分布在表面而形成亲水区，内部的中空部位则分布着疏水性基团(疏水中心)，疏水中心可与许多物质形成包接络合物将外来分子置于中心部位而完成包埋过程。

包接络合法的方法较简单，一般将环糊精配制成饱和溶液，加入等摩尔量的心材，混合后充分搅拌30min，即得到所需络合物。

对一些溶解度大的心材分子，其络合物在水中的溶解度也比较大，可加入有机溶剂促使析出沉淀，对不溶于水的固体心材，需先用少量溶剂溶解后，再混入环糊精的饱和溶液中[16]。

3.3膜分离技术
微滤、超滤、纳滤、反渗透大致的分离范围及在食品工业中应用膜（membrane separation）：利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化，是人类最早应用的分离技术之一膜分离技术包含着非常丰富的内容，在生物分离领域应用的膜分离技术主要包括：透析（Dialysis，DS）、微滤（Micro-filtration，MF）、超滤（Ultrafiltration，UF）、纳滤（Nanofiltration，NF）反渗透（Reverse osmosis，RO）、电渗析（Electrodialysis，ED）和渗透汽化（Pervaporation，PV）等方法，而应用最广泛的是超滤和反渗透。

超滤：超滤膜的孔径为1nm到200nm（或更大），主要用于过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子从溶液中分的过程叫超滤。

超滤的推动力是压差，一般操作压力0.1-1.0MPa，在溶液侧加压，使溶剂透过膜，同时小分子的溶质也可透过。

不同孔径的超滤膜可以分离不同相对分子质量和形状的大分子物质，能截留蛋白质、脂肪、葡萄糖、色素、果胶体、病毒等物质。

纯水的透过速度一般为1m3/（㎡·h）。

在生物与生化产品分离研究中十分活跃[17]。

反渗透：利用反渗透膜对溶液施加压力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜从溶液中分离出来的过程称之为反渗透。

与超滤不同，在反渗透过程中反渗透膜选择性的只能透过溶剂（通常2是水）而不使溶质透过，截留所有可溶物。