食品工程仿生学及其研究框架(5)

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马海乐（1963—），男，博士，教授

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1 生物的启示远在古代，人类以食用生兽野果为主。在恐怖的山火过后， 灰烬里散发着烧熟的野兽和坚果的扑鼻焦香， 它强烈地震憾了人类从未苏醒的嗅神经， 这就成了人类结束茹毛饮血时代的第一个信号。经过无数次惊险的尝试和失败，原始人群终于懂得利用自然火，控制火种，走上了熟食的道路。烧、烤、煮、熬，人类光辉的食品加工业从此开始了。 随着时间的推移，人类不断在进化，人们在漫长的与大自然和疾病的斗争中， 不断提高食品加工水平。熟食热食不会致病——人们学会了杀菌；干果干菜能抗腐败——人们学会了脱水； 将食物存入地窖不会变质——人们学会了冷藏。 经过失败的教训和成功的探索，人们创造了破碎、磨粉、制浆、过滤乃至发酵做酒、焙烤制饼等技术。 经过一代代人艰辛的摸索， 才形成了现代食品工业的雏形。随着营养学的问世，对食品品质目标的设计更加清晰；随着生物工程技术、过程控制技术的引入，食品加工在工艺优化、品质提升、成本控制、污染降低等方面取得巨大的成就。然而，人们在辛辛苦苦埋头探索之余可曾想到， 在宇宙间另有一种存在， 一种巨大的最为科学严密的食品加工体系的客观存在，即人体。 不难想象，人体确实是一座典型的最高级的食品加工厂。 要把肉、鱼、谷物和蔬菜从原来的形式变成氨基酸、葡萄糖、果酸、脂肪酸和甘油等各种营养成分， 对现存的食品加工业来说谈何容易，不借助于庞大复杂的机器系统，进行长时间的高温、高压作业，消耗大量能量，产生较多的有可能严重污染环境的废弃物， 是无法完成的。 然而，对人体消化系统来说，此事简直易如反掌，只经过物理和化学的改造即可实现。可谓曲曲九米肠道，功能无与伦比。不仅人体如此，牛、羊、 猪等动物同样有着功能惊人的改造食物的消化系统， 甚至猪笼草等植物也能利用分泌的盐酸和酶分解猎物，具有类似于人胃的功能[1]。 在生命科学已取得巨大成就的当下， 要把食品加工技术推入一个更新的高度， 就必须想到主动地模拟生命进化的这些成就。其实自古以来，人类就在模仿生物，增加自己劳动的本领[2]。 例如，人们模仿鱼类的形体创造了船只，并以木浆仿鳍。 鲁班在一次上山找树时，手指被茅草划破，受此启发发明了第一把木锯。早在400 多年前， 意大利的达芬奇在仔细观察了鸟类的飞行并研究了鸟体的结构后，设计、制造了一架扑翼飞机，为人类在天空获得自由打下了基础。这些早期的模仿生物的结构和功能的尝试和发明，可以认为是人类仿生的前驱，也是仿生学的萌芽。随着近代科学技术的发展， 人们才逐渐自觉地把生物界当作设计思想和发明创造的源泉，形成完整的仿生学理论，成功应用于航空、建筑、医学、农业等领域[3-6]。 早在20 世纪90年代初，我国任露泉院士、陈秉聪院士[7]在农业装备研究过程中， 为了克服农机具作业过程中的土壤阻力问题引入了仿生学方法， 开拓了仿生脱附减阻耐磨研究新领域，在土壤粘附机理与规律、生物脱附减阻耐磨原理、地面机械仿生脱附减阻理论与技术、生物表面工程仿生等领域进行开拓性研究， 提出非光滑仿生、电渗仿生、柔性仿生、构形仿生及耦合仿生，初步构建了生物非光滑基础理论、非光滑仿生理论与技术体系， 为我国机械仿生工程理论的建立作出了杰出的贡献[8]。2 食品工程仿生学的提出生物界有许多与食品加工密切相关的功能，值得食品科学工作者深入研究。例如，生物膜在物质的输送、浓缩和分离上的能力是令人惊叹的[9-10]。海带能从海水中富集碘， 使其含量比海水中碘浓度高千倍以上，石毛（藻类）能浓缩铀，浓缩率高达750 倍， 大肠杆菌体内外钾离子浓度差达3 000倍， 长在回肠和空肠内壁上的绒毛对营养物质的吸收从来不会因浓度极化现象而降低效率[11]，研究生物膜会对食品高效分离技术的研究发挥巨大的作用。 牛的瘤胃能把饲草纤维转化成用于含乳脂和建造机体的挥发性脂肪酸[12]，白蚁能把吃下去的木质转化成脂肪和蛋白质[13]，对其机理的研究可能对人工合成这些物质， 扩大食品资源有深刻的启示。 响尾蛇两眼之间有一小块厚度只有10～15 μm 的薄膜，这是一个热敏探测器，对外界目标物有0.001 ℃的温差分辨能力[14]，模仿响尾蛇的热敏探测器， 就可以研制出高精度的温度传感器。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。众所周知，生命活动本身的综合性、智能化程度极高，是一个高度的自组织系统[11]。 在食品加工中对生命现象的模拟， 最理想的也应是对主要模拟对象所在系统的整体模拟。因此，对生命活动中用于营养成分合成与吸收过程监测与控制等信息加工系统的模拟，自然也是实现“食品加工生命活动化”的重要内容，它是进行食品智能制造方法创新的源泉。当然，生命活动的多元性、非线性、大量性与复杂性等特点对真正的实现整体模拟增加了极大的难度。不过，伴随着利用现代传感技术和控制理论的发展，一些不完全的整体模拟成果，同样对食品智能制造系统的设计有极其重要的参考价值。4 食品工程仿生学的研究方法食品工程仿生学的基本研究方法是提出模型和进行模拟。 研究程序大概分3 步[8]：1）首先建立“生物模型”：从生命活动的食品加工观出发，站在食品加工的角度，重新研究生命活动中营养成分合成、 加工和吸收等每一个重要的“单元操作”。 在将其和实际的食品加工相应的技术作系统地对比之后， 选择出研究对象（称为“仿生元”）。将所得的研究对象的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容，取消与生产技术要求无关的因素，得到一个“生物模型”。2）其次建立“理论模型”：将生物模型提供的资料进行数学、化学、生物学等分析，并使其内在联系抽象化，用数学、化学、生物学等语言把生物模型“翻译”成为有一般意义的数学、化学、生物学等“理论模型”。3）最后建立“实物模型”：采用电子、机械、化学、生物等工程技术手段，根据“理论模型”设计出可在工程上实现的“实物模型”，完成某个食品加工过程的仿生设计。食品工程仿生学研究的特点包括：1）功能仿生：目前关于仿生学研究，主要集中在对生物体形态、结构、功能、色彩、表面质感、意象等内容的模拟，但是，食品加工技术创新的目标是建立一些在功能上更为科学、 高效的加工新技术，因此，就食品工程仿生学而言，功能仿生是重点。2）耦合仿生： 生物体对一个功能的实现，一般是多个途径或者手段同步执行的结果。例如，对一个桃子成熟度的识别，是通过观其色、闻其味、触其皮之后，做出综合判断。人体对食物加工是一个极其复杂的系统，因此，食品工程仿生学中对某一功能的模拟， 绝大多数是通过对多个途径或者手段的耦合仿生去完成的。3）创新仿生：在模拟一个生物过程时，切忌简单不走样的照搬照抄，僵化的为了仿生而仿生。重要的是应当从生物界获得一些启迪， 将其应用于食品加工的方法设计， 发挥工业机器系统的优势， 使得最终建成的食品加工系统思路源于生物系统，功能有可能超过生物原型。5 食品工程仿生学主要研究任务生命过程、生物系统经历了20 多亿年的“物竞天择”，具有最佳结构、功能、控制和信息处理系统， 食品工程仿生学的目的就在于从中寻求新原理、新材料、新技术、新结构，通过分析研究，用于食品工业新装备、新仪器的设计，新技术和新型食品的开发，是一个取之不尽、学之不完的宝藏。 食品工程仿生学拟开展的主要研究工作包括：1）模拟食物消化，进行食品分解技术的仿生设计[30]。 胃与肠是食物分解的重要场所，食物中的蛋白质在胃黏膜分泌胃酸和胃蛋白酶原的共同作用下，被初步分解消化；经过小肠化学性消化及小肠运动的机械性消化后， 被进一步分解成为人体容易吸收的营养物。 人体的食物消化与工业的食品酶解方法完全一样， 但是就合理性而言远远优于工业食品酶解，因此有可能通过模拟，形成全新的食品分解技术。2）模拟养分吸收，进行食品分离技术的仿生设计[10]。 人体肠道通过转运细胞将食物中降解得到的小分子营养成分高效快速地吸收进入血液，食品工业与之对应的微滤、超滤、纳滤、电渗析、反渗透等膜分离技术，却长期以来为膜污染、浓度极化等影响分离效率的难题不得其解， 因此有可能通过模拟，找到突破口。3）模拟口腔加工，进行食品预加工技术的仿生设计[31]。 食物进入口腔后，经过牙齿切分、研磨，唾液酶的预分解、杀菌，为进入胃之后能够迅速酶解做好了准备。因此可以受其启发，进行相应的食品加工温和预处理技术的创新。4）模拟感官评判，进行食品品质评价技术的仿生设计[32]。 人类通过五官进行食物品质优劣的识别，因此近些年来，用于食品品质无损检测的电子眼、电子鼻、电子舌发展迅速，通过多技术联用，进行耦合仿生的研究也越来越多。5）模拟肝脏解毒，进行食品有害物降解技术的仿生设计。 肝脏对来自体内和体外的许多非营养性物质如各种药物、 毒物以及体内某些代谢产物，具有生物转化作用。通过新陈代谢将它们彻底分解或以原形排出体外，这种作用也被称作“解毒功能”。因此，对于肝脏解毒的模拟，有可能会形成食品有害物降解技术的创新设计。6）模拟肠道儒动，进行食品成型技术的仿生设计。羊粪的大小与形状如此一致，牛粪的造型精致至极， 而其在如此短的结肠中实现如此复杂的均衡分割、精致成型、完美包衣，是目前食品工业和制药工业遥不可及之事， 应当对食品成型技术的创新有启迪作用。7）模拟生物机构， 进行食品机械的仿生设计。 许多昆虫动物， 由于其结构独特的非光滑表面，呈现出非常好的自洁特性。 在农业机械中，有学者为了减小潮湿土壤对犁铧造成的吸附阻力，模拟昆虫的非光滑表面， 设计出一系列减粘脱附新技术[8]。在食品装备或者厨房器具设计中也可以产生更多新的设计思想。8）模拟生物材料构成， 进行食品机械材料的仿生设计。例如，模拟胃黏膜（液）抗盐酸及消化液其它成分腐蚀的机理，进行防腐材料的开发；模拟荷叶的表面结构， 进行食品装备内壁自洁涂层的设计。9）模拟神经元， 进行食品制造过程智能控制技术的仿生设计。 研究神经元对营养成分的合成、加工与吸收等过程的识别、判断、控制技术，建立新的算法，设计更为精巧的控制系统，对于加速食品智能制造产业的发展有很好的价值。10）食品和食品原料的模拟合成研究[23，33]。所有生物都直接或间接地从光合作用中获得能量和养料。 仿生学的发展对人工模拟这个过程合成食物资源有很大的意义。 另外，海味食品、甜味剂等的模拟合成已逐渐得到重视。6 结论与展望“食品工程仿生学”的建立是生命科学以新的视角支撑工程技术发展的又一范例， 对食品工业的创新与发展会产生深远的、变革性的影响，同时也会使人们对生命活动产生新的认识。 由于这是一个别开生面的新课题，其内涵极其丰富，笔者谨希望此文对于该学科的形成与发展起到一个抛砖引玉的作用。在人才培养上，作为一个交叉学科，针对研究生开设“食品工程仿生学”课程或者专题讲座，培养研究生利用生命科学的研究成果、 仿生学的研究思路，进行食品工程技术创新的意识和能力。在科学研究上， 需要强化食品工程仿生学研究的试验平台建设， 支撑开展食物消化、 养分吸收、口腔加工、感官评判、肝脏解毒、神经元、运动机构、 生物材料等生命活动及其系统构成模拟的研究工作，促进食品工程的技术创新。参 考 文 献[1] MILNE M A， WALLER D A. 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文章来源：《生命科学仪器》 网址: http://www.smkxyq.cn/qikandaodu/2021/0112/390.html