食品加工技术装备的科技需求

文/刘东红 浙江大学生物系统工程与食品科学学院

我国食品装备行业取得了众多成就，但与发达国家相比，不少关键核心技术还受制于人，不论是基础研究、共性技术还是专用技术领域，目前都有一些亟待攻克的核心技术。系统化成套化的技术装备、高效可靠的智能装备将是我国食品产业实现转型升级、提质增效，提高国际竞争力的有力保障，更是实现食品产业“中国制造”的基础。

近年来，我国食品装备行业坚持科学发展、立足内需市场，增加品种改善质量，增强自主创新能力，从以数量增长向质量效益提升转变，从以跟踪模仿为主向自主创新为主转变，从以注重单项技术突破向注重技术集成转变。粮油加工、屠宰及肉制品加工、水产品加工、果品蔬菜加工等食品装备持续稳定增长，酒类、饮料类、营养保健类、休闲方便类食品和包装机械加速发展。

产业及科技现状

随着我国人均可支配消费收入持续增长，食品工业相对保持了较为稳定的发展环境，为食品装备行业提供了相对积极和宽松的市场基础，食品装备行业运行态势保持了高速增长，平均增长率达14.5%，高于食品行业整体的增长速度，食品装备行业平均利润率也高于同期机械工业10%的平均水平。

在国家出台的《智能制造装备产业发展规划》、《首台（套）重大技术装备保险补偿机制试点工作》、《国家智能装备发展专项资金计划》、《关于实施主食加工业提升行动》等政策，以及“863计划”、“国家科技支撑计划”、“国家重点研发计划”等科研项目的推动下，食品装备产业的自主创新能力明显增强，在重点领域取得丰硕成果，突破了一批共性关键技术；在食品非热加工、可降解食品包装材料、在线品质监控等方面的研究取得重大突破；掌握和开发了一批具有自主知识产权的核心技术和先进装备，如单模产量2250瓶/时的第5代吹瓶机、36000瓶/时纯生啤酒玻璃瓶智能灌装线、16000包/时液态奶无菌包装线、10000只/时肉鸡自动屠宰加工生产线等关键设备及成套装备，自主装备的技术水平与国际差距逐渐缩小，部分产品性能达到或超过国外先进水平，全面提升了我国食品装备行业的整体水平。

在取得众多成就、充满信心的同时，我们也应认识到，与发达国家相比，我国食品领域不少关键核心技术受制于人，不论是基础研究、共性技术还是专用技术领域，目前都有一些亟待攻克的核心技术。

亟待攻克的核心技术——基础研究

加工过程物性变化机制及表征方法。食用农产品原料为生物原料，形态复杂，多为有细胞结构的生物体及非均相结构。食品物性是指食品和食品原料的物理性质和工程特性，如力学特性、流变学特性、质构、光学特性、介电特性和热特性等。这些特性与食品贮藏、加工、流通等关系密切，是感官品质的决定性因素，也是营养递送的关键因素，对食品物理品质定量评价与控制、加工过程中传热传质、加工工艺及装备的设计、优化及创新等均具有重要意义。此外，表征食品加工过程中的物性变化，实时在线的物性感知也是食品智能制造的基础。

随着超高温、超高压、超低温、超微粉碎、超强光、高压电磁场等食品加工新技术的兴起，食品物料在超常条件的物性研究亟待加强。

食品品质安全与环境的互作及调控机制。食品品质与安全是农产品基因型和环境条件互相作用的综合表现。除与遗传因素有关外，温度、水分、养分、光照等环境条件和生产措施环境决定了食品品质，同时环境污染因素直接通过代谢和累积影响农产品安全，并通过食物链进入人体，产生食品安全危害和风险。

通过环境与食品质量安全互作机制研究，并结合智慧农业的环境监测，将为食品品质安全的调控提供理论基础，并为高品质安全食品的生产提供支撑。

〉 现代食品工业生产线

复杂食品加工过程仿真模拟及优化。基于模型的研究方法已在在食品科技与工程中得到了高度重视，EFLP （European Food for Life platform）将建模视为欧洲食品工业发展的一个重要工具。模拟仿真技术在食品领域的发展相较于机械、建筑、航空航天等学科来说相对落后，一个主要原因是食品体系复杂度的增长，这种复杂度体现在物理、化学、生物性质在大范围的时间和空间尺度上的不同。

近年来，计算机模拟仿真进行食品工程设计的研究越来越热（图1），主要包括各类食品干燥过程、热加工过程、水产品速冻、加工过程品质变化等方面的建模与参数调控仿真。随着对食品加工过程的逐渐深入理解以及计算机计算能力的提高，模拟仿真技术开始应用于食品品质属性的研究，例如含水量、颜色、粘度、组成成分。现在，食品结构（粘度、多孔性）也被考虑进来，模型可以展示这些结构的产生过程。同时，随着监测和分析手段的进步（图形技术、磁场和电子束），使得我们可以不同尺度下的结构和化学物质间的相互作用和影响，特别是大分子和小分子之间的相互作用。

在现有的食品加工过程模拟仿真中，多数模型建立在对体系的极度简化和静态的基础之上，这种模型无法给出暂态效应对设备性能、质量、安全性、环境影响的影响的可靠估计。建模和仿真应该努力将密度、温度、热量、动量、能量等表征参数与化学反应等多场相耦合起来，将食物设计成一种“智能”向量，用以解释目标分子对食品营养和感官性质的影响。

在食品加工过程优化方面，目前绝大多数的方法是正交试验、响应面分析等常规实验手段。人工智能（Artificial Intelligence，AI）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能的理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大，“阿拉法狗”、“无人驾驶汽车”等已经取得了非常大的成就。但是人工智能技术在食品研究的领域却很少，引入人工智能技术将是基于模型分析优化的一个有效手段。

食品装备先进设计技术及平台。虚拟样机技术是CAx/DFx建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术等集成应用于复杂产品全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。虚拟样机技术在美国、德国、日本等发达国家已得到广泛的应用。

食品装备设计要在现有CAx/DFx建模/仿真工具的基础上进行深度二次开发，研发食品装备专用先进设计平台，建立涵盖通用食品加工关键部件模块、专用食品加工部件模块和通用机械支撑模块为一体的食品加工装备设计模型知识库。采用基于虚拟分割和筋特征提取等中面提取方法、基于底层布尔操作的圆角/细节特征抑制的方法和基于约束分析的构件配合识别方法，实现由设计模型向仿真分析模型的自动转换，并在设计优化仿真间建立中间件，实现三者间模型驱动的跨平台紧密集成。

以食品装备为实体模型，集成信息处理、智能推理、预测、仿真和多媒体技术等为一体，建立制造资源的几何模型、功能模型、物理模型，模拟制造过程和未来产品，实现从感官和视觉上使人获得完全如同真实的产品感受；构建诸如大型工程数据管理软件(PDM)对数据进行优化整合，提升食品装备设计优化水平。

图1 食品计算机仿真领域的论文数（SCI）来源：ScienceDirect网站检索数据

亟待攻克的关键技术——共性技术

食品智能制造技术。目前大部分食品装备还处于工业2.0～3.0水平，即还停留在电气化与自动化时代向电子信息化层面的提升，智能化程度较低，需要全面提升食品装备自动化、智能化的技术水平。

食品智能制造技术包括：食品加工制造过程中的组分、配比、含量、风味、品质等相关参数的原位感知技术；基于食品加工制造经验的智能食品专家系统、人机交互技术；食品营养、品质、安全性等质量无损检测技术及问题产品在线剔除技术；基于视觉、触觉的产品柔性整理、分列、包装技术及机器人；装备运行过程中故障自诊断、故障自排出的自行维护技术等。

食品柔性制造系统技术。食品的柔性制造系统是在同类食品制造工艺的基础上，以各种单元加工设备为主要柔性制造单元，通过自动化物流系统将其联接，由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种、变批量和混流式生产的自动化制造系统。

食品柔性制造系统技术包括：基于互联网订单的食品制造生产管理技术；基于物联网的食品原料智能供给、输送技术；模块化的食品制造单位技术；可重构和自组织的食品智能柔性制造技术；基于物联网的食品包装及仓储智能物流技术等。

新型食品成型制造技术。新型食品成型制造技术是利用增材制造技术，结合传感器、执行器、食料储存器和应用软件，通过整体集成与优化，出可定制的食品/美食或功能性食品。其工作原理表现为对于粉末或者液体食物原材进行层层堆叠，其中可以利用外界物理刺激直接实现三维固化成型或利用粘合技术将粉末有效粘接3D成型。

新型食品成型制造技术包括：适应快速成型的食品3D打印技术、分子食品原料制造技术；精准营养供给的分子食品原料调配技术；3D打印食品的快速定形、熟化技术；3D打印食品营养、风味、质构等品质保真复热技术；3D打印食品保鲜、形态保持、信息化包装技术等；

食品高效低耗制造系统技术。

以强化加工过程中传质传热效率、提高生产效率、降低能耗为目标的超声、酶解、膜分离、超临界萃取等多种高新食品加工技术耦合的复合高效提取与分离技术与装备；超高压、超声、脉冲电场、等离子、强光脉冲等冷杀菌技术的产业化装备；基于现代分子生物学，以破坏微生物生长的生态系统为手段的绿色生物安全防控技术及装备。

亟待攻克的核心技术——专用技术

食品无菌高速灌装关键技术及装备。无菌灌装生产线是食品领域的顶级技术装备，集成了光机电一体化、现代物理化学、微生物学、自动控制、计算机通讯等多项高新技术为一体，是食品装备技术水平的代表。

目前该领域德国KRONES、德国KHS垄断了无菌瓶装饮料设备，瑞典利乐、瑞士康美包垄断了纸塑复合包无菌饮料设备，法国ERCA、德国BOSCH垄断了塑杯无菌灌装设备且价格高昂，国内几乎所有大型饮料集团，如蒙牛、伊利、光明等均采用进口设备，国内碧海、普利盛等企业已开发了无菌砖包装设备，产能9000包/时，远落后于国际的最高速度24000包/时；新美星、中亚等企业开发了无菌塑瓶包装设备，产能40000瓶/时，远落后于国际的最高速度54000～72000瓶/时。同时，由于管阀设计制造技术水平的影响，CIP/SIP系统24时就要清洗杀菌一次，而国际同类产品平均时间为48时，最高的能达到72时；国内对瓶体、瓶盖的杀菌还停留在H2O2浸泡或汽化干法杀菌，国外最新一代无杀菌剂残留的电子束杀菌，更安全环保；由于采用无菌冷灌装方式，对瓶体强度要求降低，每个瓶子的PET材料消耗可减少10%～15%。

目前亟需突破高效无焦结热交换、电磁加热/超声辅助/电子束/脉冲强光新型物理杀菌、热敏物料在线过滤除菌、高速无菌灌装、无死角CIP/SIP、设备整机无菌验证等关键技术，从而开发高端食品无菌高速灌装设备。

食品超薄金属罐高速封口关键技术及装备。我国的易拉罐产量已从2012年的399亿个增长到2016年的600亿只。目前，美国的ANGELUS、意大利的CFT、瑞士的FERRUM、日本的东洋制罐、法国的HAMA等已基本垄断高端金属罐生产设备的全球市场，美国ANGELUS的大容量（120L）高速封罐设备的生产速度已能达到800罐/分钟，法国HAMA的方形罐生产速度已能达到240罐/分钟，瑞士FERRUM的 F412型封罐机的生产速度已能达到1200罐/分钟，金属罐真空封口速度已能达到250罐/分钟。

我国目前还缺乏金属罐高速封口关键技术，特别是真空高速封罐技术。汕头虹桥、广东新湖、浙江炜驰等国内企业仅能生产中低端的罐头生产设备，但最大封罐速度不到300罐/分钟。国内几乎所有大型易拉罐饮料生产企业，如可口可乐、青岛啤酒、雪花啤酒、王老吉、加多宝、健力宝等饮料生产企业，上海梅林、厦门古龙、广东甘竹、大连真心等午餐肉与鱼肉罐头生产企业，厦门银鹭、达利园等八宝粥生产企业，均采用进口设备。

食品高压均质粉碎关键技术及装备。高压均质处理可使液料食品发生物理、化学、结构性质等变化，增强食品稳定性、改善食品口感、减少反应时间、节省昂贵添加剂、提高产品附加值、延长食品货架期，该领域国际市场规模超过100亿元。国外商品化均质机已达到150兆帕，德国的GEA、德国APV、意大利Niro Soavi、意大利Bertoli、加拿大Avestin等占据绝大部分的市场份额，我国的高端、高效的高压均质机几乎完全依赖于进口。全世界近1/4 的牛奶、1/3 的速溶咖啡、1/2 的啤酒通过GEA设备或零件处理。日本三和机械的均质机处理量最大能达到22000 升/时，压力达到98兆帕；利乐500型均质机的最高产能达到每小时63600升/时。

目前，我国仅能生产中低压、小流量的均质设备。研发质量好、性能稳定、产能大的大型（特大型）均质机和超高压均质机，替代进口，是均质机行业的一项紧迫任务。

另外，全谷物加工技术可以显著提高粮食利用率、有助于改善居民营养健康，目前全球领先的用于全谷物糙米磨粉的装备主要集中在日本，全麦磨粉的装备主要集中在美国（以通用磨坊为代表）、德国（以GapMill为代表）等欧美国家，国内一直缺乏全谷物磨粉的专用高品质装备，国内通常采用的全谷物磨粉工艺存在加工粉路长、效率低、能耗高等缺陷，不能满足当前的谷物消费需求。

新型食品高效提取分离关键技术、材料及装备。高效提取分离食品中的有效成分、营养因子等已成为现代食品加工的一种趋势。现代食品分离技术主要超临界流体萃取、高速离心提取技术、膜分离技术等。美国ASI、美国SFTD等的超临界流体萃取设备，德国Westfalia、德国Hiller、意大利Flottweg、瑞典Alfa Laval等开发的离心分离装备，美国MTP开发的VaporSep薄膜分离技术、美国Vaperma开发的Siftek聚合物膜法乙醇脱水新技术及材料等，处于世界领先水平。美国ASI的SFE2/4超临界流体萃取装置，可独立控制各釜的流速，平行处理2个或者4个萃取釜，并可在线收集萃取物。美国SFT-1000超临界全自动萃取反应设备实现阀门自动化和节流器自动化。美国Vaperma的Siftek膜为聚合物空心膜，具有高的渗透性和选择性。德国AMST研发的高分子膜及膜材料具有耐高压、抗污染、等特性，并提供耐酸、耐碱的超滤及纳滤膜元件及成套设备。国内已研发系列的离心机，但高转速、高性能工业型离心机的研发还滞后，缺乏集成化特种分离系统。同时，膜材料制备技术及装备与食品需求还存在一定的差距，工业化发展受到制约。

面临人口增加、资源匮乏、城市化的挑战，新型食品加工技术装备成为引领食品产业朝高效利用、新型加工、数字化设计、节能减排、智能制造等方向创新发展的有效手段，更成为解决我国劳动力成本上升、食品产业效益下降、资源逐渐匮乏等问题的重大科技需求。系统化成套化的技术装备、高效可靠的智能装备将是我国食品产业实现转型升级、提质增效，提高国际竞争力的有力保障，更是实现食品产业“中国制造”的基础。