孫雪菁, 馮 林， 王美霞, 秦姝悅, 孫蕾蕾, 岳喜典, 李明波, 趙玉平

(1.煙臺大學 生命科學學院， 山東 煙臺 264005； 2.大連理工大學 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院， 遼寧 大連 116024)

發(fā)明問題解決理論(TRIZ)是指導人們進行發(fā)明創(chuàng)新創(chuàng)造、解決工程問題的系統(tǒng)化的方法學體系。它是由蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒為首的研究團隊通過對250 萬件高水平發(fā)明專利進行研究分析和提煉之后總結得到的[1]。其中最重要、使用最普遍的是40個發(fā)明原理，目前已經(jīng)作為一種經(jīng)常使用的創(chuàng)新工具應用于各行各業(yè)，具有不可忽視的地位和作用。本文詳細介紹相變原理的定義內(nèi)容及其在食品行業(yè)中的各類應用。

1 相變原理概述

1.1 相變原理

相是在一定條件下(溫度、壓強等)，物質(zhì)將以一種與外界條件相適應的聚集狀態(tài)或結構形式存在的狀態(tài)，物體的相有3種，即氣相、液相和固相。相變是指在外界條件發(fā)生變化的過程中，物相在某一特定的條件下(臨界值)時發(fā)生突變的現(xiàn)象。

1.2 相變類型

相變一般可分6種類型，即氣相變液相，如液體低度酒通過液體變氣體，氣體再變成液體的方法創(chuàng)造了世界上八大蒸餾酒；氣相變固相，如作物利用空氣中的二氧化碳和水在光的作用下形成水果、糧食、蔬菜等；液相變氣相，如啤酒、碳酸飲料、起泡酒；液相變固相，如糖果、冰棒等冷飲、山楂糕、涼粉、水晶肉、冷凍食品等；固相變液相，如酒心巧克力、酒心糖、灌湯包子和餃子等；固相變氣相，如發(fā)酵食品或添加膨松劑食材，加工成為松軟食品如面包、蛋糕和饅頭等，或膨松食品如蘇打餅干、蛋黃派等。當然也有一些中間態(tài)，當兩個或三個相共存的相存在?？傊祟愡\用自己的智慧，利用相變原理和天然食材為人們創(chuàng)造了新穎多樣的食品。

1.3 應用現(xiàn)狀

隨著社會發(fā)展和科技創(chuàng)新，相變原理的應用已經(jīng)滲透到了人們生活、工作的許多方面，如建筑工程中，利用相變材料可以有效改善高低溫條件下的車轍、變形、凍裂等道路病害[2]。隨著人工智能領域的興起，相變存儲器滿足了數(shù)據(jù)存儲和計算的強烈需求[3]。在儲能技術方面，相變儲熱作為一種發(fā)展成熟、工藝簡單的儲熱技術，在解決實際應用中存在的泄漏、腐蝕、過冷、傳熱性能差等缺陷方面發(fā)揮著重要作用[4]。

與此同時，在食品原料、食品加工以及包裝和運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)，都可以看到相變原理的存在。例如，冰淇淋等冷飲的加工、沙棘果的采摘、酒心巧克力的制作，還有將液體奶通過冷凍或加工技術變?yōu)楣虘B(tài)奶粉，不僅可以保留其原有的營養(yǎng)價值還具有保質(zhì)期延長、方便攜帶等優(yōu)點；生活中最普通的水變成冰，體積膨脹后有了更多的用途，可以為人們提供清涼的飲品，還能夠保證食物新鮮；食品中的風味物質(zhì)都是以液體形態(tài)存在，再以氣態(tài)形式擴散到空氣中，人們通過嗅覺器官聞到各種各樣的香氣；酒是人們生活和工作中必不可少的一部分，一瓶醇香的白酒需要經(jīng)過反復的蒸餾才能夠得到；食品加工的一個典型例子是一種利用低溫連續(xù)相變萃取花生粕油的方法，原理是利用萃取劑在不同壓力和溫度下的兩相變化，以及一定壓力下萃取劑的強穿透性，動態(tài)、高效地萃取油脂。與普通溶劑萃取法相比較，這種方法得率及純度得到顯著提高，時間也大大縮短，并且可使用食品級安全無毒無害萃取劑，沒有有害溶劑殘留[5]。

由此可見，相變原理在食品行業(yè)中得到了充分的實踐。下面將具體說明該原理在食品行業(yè)中的案例，期待進一步推動TRIZ的廣泛應用。

2 相變在乳制品中的應用

隨著社會和市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們從滿足于簡單的溫飽問題發(fā)展到追求自身以及家人的營養(yǎng)健康情況，飲食營養(yǎng)與安全更成為消費者們最關注的食品問題之一。乳品作為蛋白質(zhì)的營養(yǎng)來源之一，受到了廣泛關注。

乳制品是以牛乳、羊乳等為主要原料加工制成的各種制品。由于乳品的營養(yǎng)成分高，口感好，很多人將乳品作為是補鈣的重要食物。乳制品普遍存在保質(zhì)期短、不方便儲存和運輸?shù)热秉c，于是人們通過各種加工方法將其由液相轉變?yōu)楣滔?，將動物奶除去水分后制成粉末，易于保存，并且可以根?jù)嬰幼兒、青少年、中老年人的不同需求添加適量的維生素、礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，以滿足不同人群的營養(yǎng)需求。目前市面上已有的速溶姜汁豆奶粉是由豆?jié){、糖、植物油等調(diào)配，經(jīng)過煮漿、均質(zhì)、預冷、干燥得到，該產(chǎn)品具有天然、速溶、姜香味、高營養(yǎng)、新口味的特點[6]。

除此之外還有發(fā)酵乳、煉乳、干酪、再制乳、奶油、花色乳等，不僅豐富了乳制品的種類，解決了存儲問題，還滿足了大眾對乳制品的各項需求。由此可見，相變原理的應用為乳制品的發(fā)展提供了很好的解決辦法，也讓我們意識到了相變原理的重要性。

Typical failure modes of high-cutting slops and its application on yanwanqiao west slope in

3 相變在果蔬中的應用

3.1 新鮮果蔬中的相變

作為世界上最大的果蔬生產(chǎn)國和果蔬制品加工基地，中國在新鮮水果、果蔬汁、果蔬罐頭、脫水和速凍果蔬制品中擁有巨大的市場。其中脫水蔬菜經(jīng)由常壓熱風干燥、微波干燥、遠紅外干燥技術以及自主研發(fā)的真空凍干技術[7]后，由新鮮蔬菜脫水變?yōu)槭卟烁?，不僅營養(yǎng)豐富，食用和攜帶方便，還能有效地調(diào)節(jié)蔬菜生產(chǎn)淡旺季節(jié)[8]，因此備受上班族、學生群體、健身群體的喜愛。

鮮切水果是指新鮮水果經(jīng)分級、清洗、去皮、修整、切分、包裝等處理后, 供消費者或餐飲業(yè)立即食用的水果加工產(chǎn)品，滿足了消費者的即食需求。鮮切水果具有營養(yǎng)豐富、污染小、食用方便快捷等特點深受廣大消費者的喜愛， 但是鮮切水果在長時間的放置中會有變質(zhì)和異味的現(xiàn)象，整體品質(zhì)不如新鮮水果[9]。 因此，如何保證鮮切水果的品質(zhì)，有效延長保質(zhì)期成為重中之重。其中，有效的冷凍-復溫措施可以保證果蔬良好的營養(yǎng)品質(zhì),減少果蔬腐爛損壞現(xiàn)象的發(fā)生，具有十分良好的社會效益。張哲等[10]利用相變潛熱、控制冷凍-復溫速率等方法對果蔬冷凍-復溫后的品質(zhì)恢復提供了依據(jù)。

3.2 果蔬營養(yǎng)價值中的相變

在追求高質(zhì)量生活的時代，從果蔬中分離、提取、濃縮其中功能性成分，制成膠囊或添加到食品、保健品等產(chǎn)品中，已成為當前果蔬加工的一個新趨勢，其中許多產(chǎn)品都運用了相變原理。

目前市場上葡萄汁、芹菜汁、復合果蔬汁、果酒、果醋產(chǎn)品琳瑯滿目，受到許多消費者的喜愛。果蔬濃縮汁主要運用旋轉蒸發(fā)濃縮技術、冷凍濃縮技術、膜分離[11]等技術得到，濃縮后的果蔬汁具有營養(yǎng)豐富、方便攜帶等優(yōu)點。精油、香精在人們的日常生活中用處眾多，精油可以護膚、助眠，香精可以豐富食品的風味、節(jié)約生產(chǎn)成本。人們從大自然中具有芳香特點的植物根、水果蔬菜、花葉等部分，通過萃取、濃縮、壓榨的物理方法，以及熱加工技術、生物技術等[12]方法可以得到。人們在食用醋以糧食為原料發(fā)酵的基礎上，將水果進行發(fā)酵得到了具有果香氣[13]、對心血管有保護作用[14]的果醋，收獲了巨大的市場。

可以看出，經(jīng)過相變的果蔬原料，不僅可以降低一些生產(chǎn)成本、提升營養(yǎng)價值，并且對食品行業(yè)有很大的創(chuàng)新和提升，相信在未來還會為人們的生活品質(zhì)、食品質(zhì)量等方面做出更大的貢獻。

4 相變在肉制品中的應用

肉制品種類繁多、加工方式多樣化，在經(jīng)過腌、臘、鹵、醬、蒸、煮、熏、烤、烘焙、干燥、油炸、成型、發(fā)酵以及調(diào)制等相關工藝的加工之后，成為如今消費者們看到的眾多肉類制品。主要包括香腸、火腿、培根、醬鹵肉、燒烤肉、肉干、肉脯、肉丸、肉餅、腌臘肉、水晶肉等[15]。

典型的蘊含相變原理的肉制品有水晶肉、灌湯包等，在固體肉的基礎上經(jīng)過不同加工方式得到了特色食品。除此之外，為了滿足人們對肉類食品的色、香、味的更高要求，肉味香精應運而生。目前，肉味香精集生物工程技術、脂肪氧化技術、烹飪技術、熱反應技術和調(diào)香技術于一體的復合技術[16]，以肉類為原料，經(jīng)過復雜的反應機理及反應過程制備出牛肉、豬肉、雞肉香精。豐富多樣的肉味香精作為調(diào)味劑，豐富和滿足人們對食品的各類需求。

5 相變在食品包裝、運輸中的應用

5.1 相變在食品包裝中的應用

相變材料(PCMs) 按照相變方式一般可分為固-固相變材料、固-液相變材料、固-氣相變材料和液-氣相變材料4類[17]。目前應用到食品包裝中的主要有相變蓄冷材料，可分為無機、有機、復合相變蓄冷材料3種類型。相變蓄冷材料是以低溫方式將冷量存儲起來， 利用相變過程釋放冷量，達到控制系統(tǒng)溫度的目的[18]。

近年來，由于經(jīng)濟快速發(fā)展，人們生活水平日益提高，對于果蔬和水產(chǎn)品等易腐食品的品質(zhì)要求也越來越高。在生鮮食品電商配送領域，相變蓄冷材料以冰袋、冰排或冰盒等形式已經(jīng)得到了廣泛的應用。與此同時，一系列為保證食品新鮮的包裝和運輸措施也應運而生。于黨偉[19]利用相變蓄冷材料制備出具有相變儲能功能的相變膠囊，可以應用于對溫度敏感食品中，保證商品品質(zhì)，滿足了市場上冷鏈運輸?shù)男枨?，并且?jié)約了能源。中國作為農(nóng)業(yè)大國，果蔬種類多且具有地域性。為了滿足人們對各種果蔬的需求，趙曉曉等[20]將相變蓄冷材料用于蓄冷劑中，產(chǎn)生了一系列蓄冷板、蓄冷袋、蓄冷盒以及蓄冷膠囊等包裝類型。良好的蓄冷包裝不僅使易腐產(chǎn)品保持在低溫狀態(tài)，延長其貯藏保鮮時間，還能夠降低成本，節(jié)約運輸過程中的投入。

5.2 相變在食品運輸過程中的應用

在食品運輸中，大多數(shù)食品由于其季節(jié)性、區(qū)域性、易腐性等原因難以保證新鮮度，使得每年的果蔬、肉類產(chǎn)品和水產(chǎn)品損耗巨大，必須采取高效的冷藏保鮮技術來進行運輸，以保證產(chǎn)品的新鮮度、食用價值和營養(yǎng)價值。目前，冷鏈運輸主要分為3種模式：冷藏車制冷低溫運輸模式、以干冰作為冷源的低溫運輸模式、相變蓄冷材料的低溫運輸模式[21]。目前，運用相變蓄冷材料的冷鏈運輸多使用蓄冷式冷藏設備，因其設備具有冷藏效能好、環(huán)保節(jié)能和性價比高等優(yōu)點，逐漸取代了傳統(tǒng)的機械式壓縮制冷設備。設備中使用的相變蓄冷材料是以低溫方式將冷量存儲起來，利用相變過程釋放冷量，達到控制系統(tǒng)溫度的目。如今，該材料已經(jīng)運用到冷藏車、冷藏運輸箱等冷鏈運輸中。

6 相變在食品設備中的應用

根據(jù)相變原理結合人類飲食的需求，創(chuàng)造了大量的食品機械與設備。結合相變原理可以分為以下6類相關設備。

1)氣相變液相類設備。氣相變液相設備，如冷凝器、冷卻塔、蒸餾水機等。在設備工作過程中，將蒸汽冷凝以達到制冷等效果。韋如其等[22]研究噴射霧化式冷凝器，其具有獨特的冷凝方式，減輕了上水壓力，且汽液充分混合冷凝，在使用時可達到節(jié)約用水、穩(wěn)定煮糖真空、提高煮煉質(zhì)量和收回的目的。

2)氣相變固相類設備。氣相變固相設備，如從空氣中獲得固體水，自然現(xiàn)象中雪、霧凇、冰雹，可以通過機械設備制造。

3)液相變氣相類設備。液相變氣相設備，如各種各樣的發(fā)酵設備和酵母菌將葡萄糖通過EMP途徑，生成乙醇和二氧化碳，形成汽酒等。

4)液相變固相類設備。液相變固相設備，如所有的冷飲食品加工設備都是將液體變成固體。

5)固相變液相類設備。固相變液相設備，如加熱設備，鍋加熱形成灌湯包，酶將固體的大分子物質(zhì)變成小分子液體物質(zhì)。

6)固相變氣相類設備。固相變氣相設備，如現(xiàn)代食品加工技術中二氧化碳超臨界萃取設備等，乳制品中的多效均質(zhì)機。

7 結語

綜上所述，相變原理已經(jīng)被廣泛使用于食品原料加工、食品包裝、運輸以及生產(chǎn)食品的設備中。相變原理在食品行業(yè)中已經(jīng)為人們解決了許多食品保鮮、食品安全、食品生產(chǎn)等問題。作為地幅遼闊、人口眾多的國家，中國是當之無愧的食品大國，未來的食品行業(yè)更是任重道遠，食品市場也已經(jīng)從國內(nèi)擴展到了國外市場。相變原理作為創(chuàng)新工具的40個發(fā)明原理之一，目前已經(jīng)逐漸被人們應用到各行各業(yè)，相信在今后的研究當中，更多的發(fā)明原理能夠應用于食品行業(yè)當中，以解決更多的食品問題，創(chuàng)造更多的新型食品，更好地推動食品行業(yè)蓬勃發(fā)展。