食品工程仿生学及其研究框架(3)

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。

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