摘要：食品工程作为一门新兴学科, 通过各种功能的配置、设计、食品的检测以及最终对其效率、消耗度、可靠性、重要性、安全性进行综合评估,从食品污染物的预测与检测、食品加工技术、食品二次污染的控制技术等方面控制食品安全。进入新时期, 科学的发展与突破使食品工程的范式发生了重要转变, 通过总结食品工程的相关研究, 分析了新时期食品工程不只专注于产品或过程的设计与改进, 而且在建模、虚拟化、开放式创新、工程经济学和社会责任等方面也面临新的机遇与挑战。
关键词 食品工程；工程经济学；创新性大学
食品工程对食品安全具有很大的影响力，整个食品供应链的安全性依赖于工程的创新和设计，来提供最先进的技术，解决生产和加工中出现的问题。该工程应用物理科学与微生物学、工程、教育、食品行业等多学科领域相结合，通过食品工程硬件必要的控制系统食品工厂的空间以及用于食品供应链的其他设施，保证食品供应链既定级别的食品安全技术。
1 食品工程的相关研究
1.1 拉马斯瓦米的观点
按照美国食品科学家拉马斯瓦米的观点，食品工程包括：（1）介入技术（传统的和新兴的低温介入技术、化学介入技术）；（2）控制、监视、识别技术（生物传感器）；（3）包装（活性包装、智能包装、真空包装）；（4）追踪系统。
1.2 康奈尔大学的研究
康奈尔大学的研究生培训计划中所提及的食品工程包括：（1）完成病原体失活的先进加工技术；（2）建立病原体失活模式；（3）抗菌技术；（4）发展先进的病原体检测方法。
1.3 宾夕法尼亚州立大学的研究
在宾夕法尼亚州立大学，食品工程课程以微生物工程为主，包括植物的布局、建筑材料、配备设计、预测的微生物学和建模、传统和先进的检测计算方法、传统和先进的加工方法、应对紧急突发事件的计划以及现行的联邦组织的责任和法律法规等。
1.4 普杜大学的研究普杜大学召开的食品安全工程中心会议，就检测因食源性疾病传播的生物和化学污染物的方法，就“食品工程计划”和美国农业部农业研究局进行了为期5年的合作，这项任务成为检测和阻止化学和微生物污染物的新知识和新技术的核心。
1.5 萨勒诺大学的研究
2014年在萨勒诺大学召开的“食品工程的虚拟化过程”会议，提出来了四个主要议题，即建模、虚拟化、工程经济和食品工程的未来，使物联网、大数据、信息化下的食品工程实现了新突破。
2 食品工程的主要内涵
2.1 食品污染物的预测与检测
2.1.1 预测数学和概率模式
预测数学和概率模式用于应对病原体增长的风险，微生物学的预测作为保护食品材料生产过程安全的工具得到普遍关注，同时也被认为是一种通用及有益的风险评估工具。在近20年中，低温技术、高强度的脉冲电领域、高流体静压力学、脉冲光束等不断发展，已经成功应用于食品工业及食品的保存，微生物学的预测已经成为一个新的应用领域。
2.1.2 检测方法与工具
生物传感器可以将生物学、生物化学和物理信号相联系，构成食品的安全性和质量的指标。利用生物传感器可以衡量许多数据，这些数据涉及到相关危害因素（食品仓储时的温度、毒素、致病微生物和指示性微生物等），在食品安全生产和包装控制中具有重要价值。光学生物传感器在食品传播病原体过敏源的检测中具有很大潜力。这种方法没有破坏性，成本低，应用于食物中微生物的检测。
2.2 食品加工技术
2.2.1 高静压技术（High Hydrostatic Processing）
高静压技术（HHP）是一种冷却巴氏消毒法，需要100～1000MPa之间的压力，通过细胞膜破损的方法来使植物微生物细胞失活。高压流体静力会破坏大分子的第二级和第三级结构。商业性HHP使用最为广泛，对食品营养的保持具有高效作用。例如，日本研制的超高压杀菌机，主要应用于果汁、果酱类食品的杀菌，压力可达304～507MPa，其优越性在于营养成分损失很少。
2.2.2 电离辐射（Ionizing Radiation）
通过IR的食品辐射指通过介入电磁波或者加速电子束，使食物低温巴氏消毒的方法，辐射源来自伽马射线、电子束和X射线等，辐射加工抑制了如土豆等作物发芽。在生鲜、非加热或非加工的食材中，辐射也是一种重要的控制手段。
2.2.3 高密脉冲电场（High Intensity Pulsed ElectricFields）
HIPEF技术需要短时间和高电磁场脉冲。这项技术通过破坏细胞膜可以使致病原减少5倍。研究中，由HIPEF处理的食物导致微生物细胞减少多达6个周期。斯自曼认为在HIPEF处理后，牛奶中的脂酶活性和抗坏血酸含量减少，维生素和酶不会失活。维加等学者也证实，经过HIPEF处理果汁的风味和颜色未改。HIPEF适用于巴氏杀菌液体产品，它会最大程度帮助食品重获新鲜，保持营养。
2.2.4 强脉冲光
脉冲可见光是指强烈高速的广谱光线，可以通过短时间的照射来抑制微生物的生长和繁殖，这些波长的抗菌效果主要是通过对营养系统中的碳化物的吸收来实现的，短时间的照射可以使大多数微生物钝化。强脉冲光在包装材料的杀菌方面也具有很大贡献。
2.2.5 超声波
超声波指超出人类可听范围（16kHz）之外的波长，超声波利用每秒至少20000次的震动起到抗菌和细胞溶解，产生钝化酶的作用。这种技术在压力和热量结合的环境下效果最佳，可以单独用于水果汁、酱、浓汤和日常食品中。
2.3 控制食品二次污染的先进技术体系
2.3.1 食品安全和保障的技术障碍
早期对于食品安全的担忧是确保合理饮食的权利，后来发展为能够获得健康、对身体健康没有危害、没有污染的食物。2001年，食品安全的概念扩展到防止食物被故意污染，影响人体健康的定义。食品安全和保障的第一个技术保障是防止未授权食物的进口。第二个保障是食品加工厂、生产和包装车间（通过门窗、地下排水道和天花板）的昆虫、动物和工作人员。第三个保障是工厂内隔离带的卫生条件。第四个保障是为了保护食品被人们穿着衣物的污染，创造超净的生产和包装环境。
2.3.2 食品工厂的卫生设计
食品工程提供了众多设计和管理食品加工场地，如厂房卫生设计（墙体、地板、供热和管道）、空气质量标准、员工管理以及使用材料等，以及对整个工厂进行系统的分析和评估来控制危害的规定和知识。
2.3.3 超净无菌的加工、储存和包装
美国颁布控制速食肉类和家禽产品中单核细胞增多性李斯特氏菌的卫生系统和微生物测试相结合的措施，防止加工、切割和包装过程中受到的污染。卫生监测设备和生物测试相结合的模式，用于测试食物表面，测试结果合格的食物便予以保留。
3 新时期食品工程的新变化
长期以来，食品工程主要致力于产品的安全性、稳定性和经营规模。而进入21世纪以来，科学的发展与突破使食品工程的范式发生了重要转变，从以物理实验为基础到食品建模的转变是最重要的表现。这些得益于新的传感器技术和物联网、大数据信息的广泛应用、高级虚拟化和专用软件、云计算等突破，使建模体现了食品的独特性和复杂性。而消费者健康需求和对可持续发展的期望，与创新生态系统的所有利益相关者的合作和伙伴关系，学术界为创新知识产权模式和增加就业能力的贡献，使食品工程的前景得到广泛关注。
3.1 建模
通过模型可以以物理、数学方式更简单模拟现实。食品建模是一项复杂的工作，以前由于缺乏有关的知识和可靠数据，大多数食品特性的自然变异和不确定性难以体现，通过新的工具、方法、监控设备和可靠准确的数据建立不同空间尺度的互联网模型会缓解这些困难。基于物理的建模可以通过涉及多个物理模型或多个同步的物理现象（如干燥、微波炉）的使用扩展，和微分方程的求解耦合系统，驱动特定的应用创新，在一些食品中已经得到应用。例如，采用回归分析的统计方法，可以优化输入和输出参数之间的关系，为食品的产品、工艺和设备提供重要的设计工具，提高利用基于物理应用程序的实证模型是应对食品系统复杂过程、非线性和自然变异的唯一可行的和实用的方法。利用基于物理方法的模型，可以获得更具成本效益、可靠性和可持续性的好处。
3.2 虚拟化
虚拟化是一种用于隐藏计算资源的物理特性，从其他系统、应用程序或最终用户与这些资源进行交互方式的技术，模型中计算、模拟、预测、优化和过程分析都是虚拟化的一部分，虚拟化广泛应用于设备、服务器、操作系统、应用程序以及网络中。许多制造行业（航空航天、国防和汽车等）已经受益于建模活动和流程虚拟化，明显缩短了设计和验证流程、时间，减少了试验错误。虚拟化的利用可以显著增强工业、学术界、政府和私人企业创新生态系统，有效地测试许多新的设计，减少进入市场的时间，确保从研究到生产、从发明到创新的顺利实现。目前，食品工业利用虚拟化作为工程设计工具还很落后，这个新兴领域的前景很广，物联网、云计算和大数据等科技将推动虚拟化发展，提供新兴和先进的战略工具，在食品行业的创新方面发挥重要作用。
3.3 开放式创新
随着经济压力的日益加剧、环境挑战、资源的减少以及科学技术发展速度的加快，创新为复杂问题的解决提供了重要的驱动力和独特的机会，成为获取竞争优势和创造价值的新途径。大型食品公司与供应商之间合作（称为创新伙伴关系）的范式为发现和发展与外部合作伙伴的所有领域提供了新的协作方式。它加速了高技能人才的培养，缩短了学习曲线，减少了市场的压力。如雀巢的创新伙伴关系，在很短的时间就开拓了超过2亿美元的新业务范围，包括利用大豆新功能性成分开发了更好的豆类饮料和冰淇淋，宠物食品和新营养乳品成分的涂层系统新解决方案等。
3.4 未来的食品工程师和工程经济学
传统的工程师主要致力于系统设计技术，而未来的工程师将从全新的内容和维度承担责任（如创新、合作、创业、可持续发展、经济环境、人口增长和老龄化等方面）。食品工程（性能、组成、新资源、结构设计、材料科学和包装等）、生产（加工、废水、水资源管理、环境和法规等）、消费者（安全性、可接受性、特殊需求和感觉等）、经济环境（食品安全、可持续发展、人口增长、水和土地的稀缺性、伦理和价值观等），使工程经济学成为全面建设食品领域重大主题。“可持续工程”需要动态、全面、综合地分析目前和未来的产品生命周期，以及整个供应链和生态系统的可持续性。因此，未来的工程师们要有更多的创新和创意，积极寻求确保产品、过程、系统设计和使用，提高当前和未来社会的可持续生活方式。应加强协作，使创新和大学相结合为一体，形成真正意义上的创新性大学，进行基础研究的同时，积极适应新需要的转变，支撑和驱动创新突破。
3.5 社会责任
除了为企业创造价值，创新还必须为社会带来价值。创造社会效益应该成为学术界和工业界的一个重要维度，以及每个利益相关者的职责。学术界需要积极参与开发和调整新的指标，以量化其相关性、贡献、性能和实施效果。
4 前景与展望
现代食品工程领域由于激烈的竞争、创新和科学技术的迅猛发展，在发展传统食品工程的同时，也面临着许多重大的挑战，进而发生重大转变，在面临挑战的同时也提供了独特的机会。解决食品行业的特殊需求和中小企业所面临的独特挑战，应重点推动创新中小企业参与的新模式、管理方式和策略，引领新的伙伴关系和合作，利用最先进的科学技术实现突破。食品工程具有广阔的前景和巨大的潜力。
