食品工程仿生学及其研究框架(2)

基于上述思考，早在1989年作者发表第一篇论文， 提出建立 “食品工程仿生学”（Food Engineering Bionics）的设想[15]，之后发表11 篇论文进一步讨论仿生学在食品加工中应用的价值[16-26]，认为可以通过模拟口腔加工、食物消化、养分吸收、感官评判、肝脏解毒等生命活动，神经元、运动机构、生物材料等生命系统构成，改进传统的食品加工技术，开拓新的食品加工方法。 因此，食品工程仿生学就是从食品加工的角度重新认识和理解生命活动，通过模拟其运行过程，构建食品工程研究新方法的一门新的边缘学科。它不是简单的模仿，而是强调要在模拟自然的基础上胜似自然。

3 食品工程仿生学的学科基础与基本性质

由于化学工程单元操作和装备设计理论的引进引入， 食品加工才逐步走出了漫长的作坊式发展阶段，进入工程化时代，使延续了许多世纪之久的以家庭烹调和手工方式为主的加工方法向大规模、连续化和自动化的生产方向发展。随着揭生命现象中物质、 能量和信息3 个方面运动规律的学科——生物物理学和生物控制论等学科的发展[27-28]，以及基因组学、蛋白组学、代谢组学、转录组学、脂类组学、免疫组学、糖组学、RNA 组学等现代组学的建立[29]，显著增强了人们认识生命现象、揭示生命规律的手段，极大地提高了人们对生命活动的可解释性、可描述性、可模拟性的研究水平。发酵技术、酶工程、细胞工程、分离工程等生物工程学科的发展， 为食品加工和制造产业模拟生物过程提供了重要的方法保障。计算机科学、控制科学、 感知技术和现在分析检测技术等提高了人们模拟生物的智能化水平。 仿生学的问世[2]，及其在军事、 建筑和机械等方面取得的成就更加激励了人们从生命活动中学习生物技术的欲望。因此，生物化学、生物物理学、生物控制论、组学、生物工程、计算机科学、控制科学、仿生学等与食品科学的相互渗透促就了食品工程仿生学的建立， 构成了食品工程仿生学发展的学科基础。

食品工程仿生学具有如下两个基本特性[18-19]：

（1）生命活动的食品加工观。无论是动物还是植物， 其一切生命活动都是进行着用于其机体建造的营养成分的合成、加工、吸收过程。一方面，营养成分本身就是一种“特殊食品”；另一方面，生命活动中（尤其是动物的消化系统）营养成分的合成与处理操作， 在许多方面从功能上讲与目前食品加工中某些单元操作完全一致。因此，从这个意义上讲，生命活动就是一个食品加工过程。在所有生命活动中，动物对食物的消化吸收过程最为典型，它是一个极其完整、科学、高度复杂有序的自组织食品加工过程，如切牙的分块，磨牙的研磨，唾液酶、 各种肠腺及胃液对食物的催化分解与对营养成分的合成， 反刍动物瘤胃对食物的发酵及绒毛对养分的吸收等等， 都完全是一个提供能量的食品加工过程。 植物叶子的光合作用（合成有机物“食品”）、植物根系对土壤养分的吸收和海带对碘的浓缩（类似食品加工中的超滤和反渗析技术）都无不如此。因此，生命科学的许多理论和一些生命现象都可用于食品加工系统的功能、 操作与过程的比较分析， 这正是食品工程仿生学形成的科学依据，它会提升和扩大食品工程分析的方法论，加速对食品加工技术及其有关理论的创新。

目前经典的人体生理学、植物科学、微生物学等对人体代谢、植物生长、微生物繁殖的认识都是出于医学、健康、生长等目标开展的研究。 现在需要我们从制造一个动物、植物、微生物正常生长所需“营养食品”的角度，重新研究生命活动。

（2）食品加工的生命活动化。以单纯的冷热和机械加工为基础并渗入普通化学技术的方法来加工食品，往往会因高温、高压和高速搏击导致大量组分变性而废弃、营养损失加重和能耗升高。通过无数次的失败和漫长的摸索， 人们逐步意识到用类似生命活动的生物系统部分取代高温高压处理和强烈的机械作用在食品加工中将是一种必然的趋势， 即未来的食品加工就是像生物系统那样完全依靠生化过程和轻柔的搓动蠕动来进行。 但是若不建立一套完整的具有食品制造目标的有意识地向生物系统学习的科学体系， 上述目标的实现必将经历一个极其漫长的历程。 它会大大减慢食品工业对生命进化成就的利用速度。然而，食品工程仿生学建立的宗旨正是通过系统地研究和模拟生命现象，为食品工业发展建立完整的仿生思路，加速食品产业的发展进程。 因此，在这个意义上，食品工程仿生学是食品工程快速、系统的“生命活动化”的新生学科分支。

文章来源：《生命科学仪器》 网址: http://www.smkxyq.cn/qikandaodu/2021/0112/390.html