创新为王——国外先进食品加工及包装技术在食品工业中的应用

作者:本网编辑 文章来源:PP《现代包装》 发布时间:2011-11-08


发展速度惊人的食品加工及包装领域,是一个复杂的舞台。食品生产商们必须运用战略性的思维,方可确保其在需求持续而旺盛的全球食品加工及包装市场中始终保持强劲的竞争力。

发展速度惊人的食品加工及包装领域,是一个复杂的舞台。食品生产商们必须运用战略性的思维,方可确保其在需求持续而旺盛的全球食品加工及包装市场中始终保持强劲的竞争力。而在食品加工及包装领域中,便有这样的几位食品加工及包装工程师于业界中脱颖而出,且听本文作者慢慢道来。

“我希望美国的食品工业能够持续跻身全球同行业前列,成为高效、优质和安全的代名词以及业界典范。”美国亚特兰大州乔治亚技术研究学院食品加工与包装技术分院院长Craig Wyvill博士如是说。

当前,Craig Wyvill博士正在和他的同事们着力研究可提高食品加工与包装的效率和效果的相关技术,而禽肉加工与包装行业是他们所关注的重点。截止到目前,Craig Wyvill博士所在的团队已开发了一系列连续的筛选系统,该系统可用于监控家禽屠体、肉肠及肉饼等产品。利用计算机视觉技术,Craig Wyvill博士团队的连续式在线筛选和监控系统可用于各种食品加工与包装的应用方向中,而目前这一研究成果在全球同领域内处于绝对的领先水平。

Craig Wyvill博士和相关研究人员还参与了一系列技术开发的任务,包括开发创新的生物加工系统、高级的分割系统、信息技术、机器人技术,以及传感器系统。“我们正在努力地寻找更多的方法,帮助食品生产企业(特别是禽肉产品加工及包装工厂)动态地控制完整的生产加工环节,”Craig Wyvill博士表示,“为了实现这个目标,我们越来越依赖于计算机模拟技术。”

“然而,如果你不能进行动态的测量,那么计算机模型的价值就变得非常有限。通过研究我们发现,具备在线连续式筛选能力的传感器越来越受到食品生产企业的广泛青睐,因为它能够帮助生产企业指出关键参数在加工、包装等生产环节中所发生的任何变化,”Craig Wyvill博士继续表示,“无论鲜肉或是芝麻肉饼,任何食品的生产环节都面临着测量质量参数的挑战。”

先进的传感器理念已然超越了计算机视觉技术,并逐渐被投入到实际的生产应用中。然而,很多筛选理念还只停留在实验室设置阶段,并没有任何在线的生产操作经验。当前,这个现状正在开始改变。Craig Wyvill博士表示:“我们开始看到,在线筛选系统开始检测产品热曲线、脂肪容量和湿度。不仅如此,我们也正在开始取得相关的技术突破,并最终能够在线监测微生物的污染状况及其化学成分的细微变化。”
  
烘焙温度,内外一致

据美国亚特兰大州乔治亚技术研究学院食品加工与包装技术分院传感器及信息技术团队领队Doug Britton博士介绍,利用产品的颜色控制烤箱运作情况的系统将很快问世。这一技术利用图像系统,为烤箱的控制装置提供自动信息回馈功能,以确保产品时刻保持内外温度的一致。在红外相机测量食品的表面温度的同时,立体图像系统将绘出产品外形的曲线数据,高级热模拟技术则可根据这些数据预测产品的内部温度,并最终确保产品的内外温度始终保持一致。据Doug Britton博士介绍,这套系统已在2011年7月中旬接受了某烘焙食品生产商的测试。

研究人员也正在努力寻找能够准确预估食品在成形及加热后的内部温度的有效方法。“如果我们能够找到合适的办法,就可以帮助大产量的食品加工商确保产品的内部温度达到杀死所有病原体细菌的要求。”

Doug Britton博士带领的研究小组也正在尝试利用荧光、X射线、多光谱、三维立体及常规图像等多项技术,解决食品在加工、包装等环节中的各种问题。例如,寻找异物、检测肉类食品中的碎骨、分析整块肌肉产品的构成、检测套标包装的密封度、为机器人手臂指明方位,以及在工厂中为设备和操作人员提供有效的信息反馈等。
  
冷加工,技术首选

据美国华盛顿州州立大学冷加工中心的负责人Barbosa-Cánovas博士介绍,冷加工技术是企业确保食品质量、规避过多加工处理工艺的最佳选择。

“采用冷加工技术生产的食品非常安全,营养价值和感官性能极高,”Barbosa-Cánovas博士介绍道,“与传统的热加工技术相比,冷加工的食品成本更低,货架期也有可能更长。”

冷加工技术包括了高压、超声波、紫外线、脉冲电场、超声强化密相CO2以及臭氧技术。果汁、蘸料、蛋类、牡蛎、乳制品、切片火腿及西班牙下酒小菜等食品都非常适用于冷加工技术。

“食品行业对这些冷加工技术的接受速度虽然不快,但该技术却发展稳定,”Barbosa-Cánovas博士表示,“在整个食品行业中,被投入使用的高压设备的数量正在不断增加。为了确保食品的质量,消费者也愿意以略微高昂的价格购买采用冷加工工艺处理的食品。”

微波、电阻加热、无线电杀菌等冷加工技术也正在逐渐被食品行业所接受。Barbosa-Cánovas博士介绍道:“受自身性能所局限,冷加工技术通常都被巴氏杀菌处理工艺所取代。毫无疑问,还有很多未开发的技术领域亟待食品加工商探寻。尽管事实上从目前看来,冷加工技术并不适于对所有食品进行杀菌消毒。”

此外,Barbosa-Cánovas博士提出的“压力辅助热加工”概念颇为引人注目。这一技术巧妙地结合了时间、温度和压力这三大因素,用于完成对食品的杀菌处理。Barbosa-Cánovas博士进一步介绍道:“这项研究被称为‘高压科技两用方案’,由美国防御部发起,食品加工业、学术界和政府有关部门三方努力,花费数年时间共同研究而获得,用这一方案加工的食品具有优异的质量。”
  
紫外线技术,病原体控制

美国亚特兰大州乔治亚技术研究学院食品加工与包装技术分院环境、能量和食品安全团队领队John Pierson博士,正在研究利用紫外线技术对果汁、醋汁和卤水等液体食品进行消毒、杀菌的项目。“紫外线的穿透力并不是很强,因此每次只能对少量液体进行杀菌。即便如此,这项技术还是拥有一定的商业价值,”John Pierson博士介绍道,“由于紫外线杀菌技术无需被加热,食品中的蛋白质也不会因此而发生性质变化。”不久前,一套独特的混料系统成功问世并成功地取得了专利。该系统能将液体按照一定的时间间隔均匀地分配到紫外线装置中。

“我们一直关注的是液体5-log级别的杀菌工艺,而这些液体在杀菌用紫外线看来都是不透明的。这些液体大多数只能传递小于1mm的杀菌强度,因此杀菌系统必须设置更长的曝光时间,或提高液体的表面积与体积比。”

已获得专利的Georgia Tech杀菌系统,通过控制流体力学妥善地解决了上述两个问题。借助计算流体力学,Georgia Tech杀菌系统的基础研究顺利完成。在层流条件下,Georgia Tech杀菌系统中的卤汁和果汁顺利地通过了5-log级别的杀菌测试。当前,John Pierson博士和他的同事们正在努力通过美国食品药品监督管理局的技术认证测试。John Pierson博士还补充道,这项技术在通过授权后便可投入使用。

John Pierson博士同时强调,水的保护、资源再利用和循环协议对于食品安全和卫生而言至关重要。“我们必须重视食品在加工与包装环节中的水的保护和再利用,同时确保不对病原体控制计划的实施带来任何负面影响,”John Pierson博士解释道,“让我们以禽肉加工与包装工业为例,加工后的病原体检测结果已众所周知。创建有效的方法,更好地评估成本效益,能帮助食品生产商调整HACCP计划,并改进水的保护和资源再利用技术的现状。”

食品工厂中水的循环利用,需要引入先进的数据获取途径、传感器技术,以及与病原体控制策略相关的加工信息反馈控制技术。然而,能够实时监控病原体数量并具备独立杀菌能力的传感器尚未问世。食品工厂内的用水数据一般通过流量计、依靠人工进行收集和记录。考虑到这些条件的限制,John Pierson博士的团队已开始着手开发更加具备经济效益的病原体控制技术。

计算流体力学

据位于爱尔兰都柏林的爱尔兰国立大学食品冷藏及计算机食品技术学院院长Da-WenSun博士介绍,以计算流体力学为首的早期模拟工具的使用,是一种风靡全球的跨学科趋势。工程师们正在试图借助计算机测试方法,对某种加工工艺或某套系统进行模拟测试。

“随着计算机技术的发展及计算流体力学的诞生,计算流体力学被食品行业所广泛采用,特别是在全面分析及新工艺、模拟工业流程、提升新系统的效率,以及成本效益优化方面。” Da-WenSun博士介绍道。他还出版过相关书籍——《食品加工中的计算流体力学》。

利用计算机网格,计算流体力学可计算出控制方程,对液体流经的每个网格进行描述,以预计液体的流速、温度、压力,以及其它各项参数。计算流体力学提高了各行业对热量、质量、动量传递和工业流程优化设计的评估能力。目前,投入到食品加工与包装领域中的计算流体力学应用方向包括了食品的干燥、杀菌、冷藏,以及混料工艺。

美国威斯康辛州州立大学麦迪逊分校的食品专家Robin Connelly博士,正在利用计算流体力学分析工业混料机的流动和混合动作,这项研究对于小麦面团的影响很大。“模拟过程并不能够代替试验,但它相比试验有着更为不可替代的优势,”Robin Connelly博士解释道,“你不需要创建原型,便可以对新设备的设计进行测试。有些设备很难通过设计试验而完成检测,但模拟进程却可以帮助你对它进行深入的了解。”

此外,科学家们不需要设置任何不安全的试验环境,通过模拟就可以完成安全性研究或故障分析,他们可以利用具体参数分析或优化设备的性能。不仅如此,科学家们还可以获取最为详细的测试结果,并将之通过后处理工序、轻松地转换为多项相关结果。

“正如其它新生事物一样,利用计算流体力学模拟技术完成测试,必须在被严格控制的条件下进行,这样才能得到可靠的测试结果,”Robin Connelly博士补充道,“随着计算机技术和计算能力继续以惊人的速度实现发展,一旦计算流体力学建立了其可靠性,它将更多地参与到设备设计、加工模型及创新方案的测试中,并最终为食品工程师带来彻底的技术革新。”

机电一体化

美国亚特兰大州乔治亚技术研究学院食品加工与包装技术分院自动化团队的领队Gary McMurray博士的研究重点是机电一体化方向。所谓机电一体化技术,就是机械设计、电子系统与软件技术的整合。

Gary McMurray博士介绍道:“图像加工技术和自动化技术对于食品加工及包装业有着深远的影响。传感器技术可以为机器人提供视觉图像,帮助它准确地完成各种动作。”

Gary McMurray博士带领的团队目前正在设计一款食品加工、包装行业专用的机器人,它能够在高压冲洗和化学清洁剂存在的苛刻环境下精准运作。该机器人的第一个任务是将原料肉送至托盘中。同时,Gary McMurray博士带领的团队还正在研究如何让机器人做出精确的、分割禽类翅膀的高难度动作,以最大可能地提高禽类产品的加工效率。

Gary McMurray博士手中还有一个项目,那便是开发能够自动检测禽类冷藏机中冷却液氯含量的原型传感器。在禽类产品初加工的末端环节,去除内脏并完成脱毛后的屠体被放入浸泡冷藏机中,屠体的温度迅速降至40°F以下。为了进一步确保产品的微生物安全,禽类食品加工商通常会在冷藏机的冷却液中添加一定量的液氯,以加强消毒杀菌效果。在加强杀菌效果的同时,液态氯会影响肉类的质量和味道,因此食品加工商必须严格监控冷却液中的液氯含量。每年,美国禽类市场共加工约200亿磅的鸡肉,因而这个项目的商业价值和重要程度可见一斑。

“图像加工技术和自动化技术对于食品工业的影响是巨大的,”Gary McMurray博士介绍道,“食品行业中的领头羊们应时刻关注各种潜在机会,放远目光,寻找高效的加工与包装设备。只有高效率的工厂才能够减少员工人数,并降低废品率。”

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