功能食品生产新技术

任务二　功能食品生产新技术

课前准备

【学习目标】

掌握功能食品加工中常用的新技术;掌握新技术的原理、加工方法，了解其在功能食品生产中的应用。

【导入案例】

我国功能食品的生产技术与装备水平

传统的食品加工工艺与检测方法已经难以满足功能食品产业发展的技术要求，我国功能食品企业正在积极引进、消化食品加工新技术，不断加强自己的生产技术与装备水平。目前应用较多的生产技术有:膜技术、硬软胶囊制备技术、微波加热技术等。

膜技术目前在功能食品中的应用领域加大，这主要由于膜技术可对热敏性物质起有效的保护作用。我国膜技术在应用方面正处于积极探索之中。如中科院微生物所在年产100吨β－甘露聚糖酶的项目中，采用超滤使产品收率达到70%以上;江苏微生物研究所和山东保龄宝公司将纳滤应用于低聚果糖，一次纯化达到80%，二次纯化可达95%以上，收率比传统工艺高5%～8%，并可回收果糖和葡萄糖，得到75%的果葡糖浆，每生产1吨产品可回收0.8吨糖浆。

软、硬胶囊制备技术主要指将胶囊中添加入各种功能因子及配料的技术。内容物多为超微粉碎型，膜通常用食用级明胶制备。近年应用较多的是软胶囊技术。主要是由于这一技术具有较好的稳定性及功能性，大多企业将富含DHA，EPA的鱼油制成胶囊品。

微波加热技术被广泛用于瓶装口服液及粉剂等产品的灭菌工艺。广东省农业科学院生物技术研究所利用微波灭酶技术对黑米皮进行了处理，明显提高了黑米皮的功能性稳定性。

问题:

1.以上案例给出了哪几种功能食品加工技术，它们分别有什么特点?

2.根据你的生活经验，你还能举出哪些功能食品加工新技术?

教学内容

一、真空冷冻干燥法

(一)真空冷冻干燥法原理

真空冷冻升华干燥法(即真空冷冻干燥法)，是将原料冻结后，先冷却到冻结温度以下，再在低温和真空条件下使原料中冻结成冰的水分直接蒸发成水汽(升华)，并冷凝除水的食品干燥新方法。在升华前由于冻结产品内的冰或其他溶剂要吸收热量，引起产品本身温度的下降而减慢升华速度，为了增加升华速度，缩短干燥时间，必须要对产品进行适当加热。但整个干燥是在较低的温度下进行的。

物料的冷冻干燥是在真空冷冻干燥机(简称冻干机)或冷冻干燥装置中进行的。冻干机按系统分，是由制冷系统、真空系统、加热系统和控制系统四个主要部分组成。按结构分，是由冻干箱或称干燥箱、冷凝器或称水汽凝结器、制冷机、真空泵和阀门、电气控制元件等组成。

(二)特点

(1)冷冻干燥在低温下进行，因此对于许多热敏性的物质特别适用。如蛋白质、微生物之类不会发生变性或失去生物活力。因此在医药上得到广泛的应用。

(2)在低温下干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小，适合一些化学产品、药品和食品干燥。

(3)在冷冻干燥过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持原来的性状。

(4)由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。

(5)干燥后的物质疏松多孔，呈海绵状，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。

(6)由于干燥在真空下进行，氧气极少，因此一些易氧化的物质得到了保护。

(7)干燥能排除95%～99%以上的水分，使干燥后的产品能长期保存而不致变质。

(三)冷冻干燥技术在食品中的应用

真空冷冻干燥技术的应用范围非常广泛，只要是含水、无毒、无腐蚀性的物质都可以运用冻干技术将其制成干品。目前，应用冻干技术最为广泛的是食品行业、生物制药行业、医疗行业、保健品行业等。

冷冻干燥技术广泛应用于食品行业，几乎所有的农副产品，如肉、禽、蛋、水产品、蔬菜、瓜果等都可以制成冻干食品，药品、生物制品等也都使用冻干技术制成脱水制品。

目前，冻干食品正广泛应用于方便食品、汤料加工、速溶饮品、营养保健品以及军需、野外作业、登山、宇航等特殊行业食品的生产制造。目前，冻干技术常用于干燥下列食品:①烹饪食品类，如肉、禽、蛋、蔬菜等;②土特产品类，如蘑菇、魔芋、黄花菜、蕨菜、香椿芽等;③调味品类，如葱、姜、蒜、香料等;④速溶饮品类，如咖啡、果珍、速溶茶等;⑤营养保健品类，如甲鱼粉、花粉、人参、鹿茸、鹿血、羊胎盘、山药及各种中草药等;⑥水果类，如菠萝、香蕉、草莓、哈密瓜、杏、桃、葡萄等。

二、膜分离技术

人们对膜进行科学研究是近几十年来的事。膜分离的发展历史大致为: 20世纪30年代微孔过滤; 40年代透析; 50年代电渗析; 60年代反渗透; 70年代超滤和液膜; 80年代气体分离; 90年代渗透汽化。此外，以膜为基础的其他新型分离过程，以及膜分离与其他分离过程结合的集成过程也日益得到重视和发展。

膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差、温度差等)时，原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离、提纯的目的。不同的膜过程使用不同的膜，推动力也不同。目前已经工业化应用的膜分离过程有微滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、渗析(D)、电渗析(ED)、气体分离(GS)、渗透汽化(PV)、乳化液膜(ELM)等。

由于膜分离过程不需要加热，可防止热敏物质失活、杂菌污染，无相变，集分离、浓缩、提纯、杀菌为一体，分离效果高、操作简单、费用低，特别适合食品工业的应用。

膜分离技术在生物活性成分的提取方面已有广泛应用。如林志华采用超滤膜分离技术作为葛根黄酮及葛根素前提取工艺中浸提液的过滤除杂，大幅缩短了生产周期，提高了产品收率。杨祖金采用卷式超滤膜对灵芝多醣进行分离提纯研究，确定膜截留分子量6000D、超滤温度45℃～50℃、超滤压力0.6MPa、时间45min，制得灵芝多糖的纯度为73.5%，回收率为69.4%，超滤膜技术分离提纯灵芝多糖工艺简单、效果较好，有产业化前景。杨艳等通过低温提取工艺，然后用微滤膜除杂，纳滤膜浓缩麻黄碱，确定最佳提取工艺，解决了麻黄碱生产工艺和废水处理问题，提高了麻黄碱收率，并降低了能耗。

三、超临界流体萃取技术

最早将超临界CO₂萃取技术应用于大规模生产的是美国通用食品公司，之后法、英、德等国也很快将该技术应用于大规模生产中。20世纪90年代初，中国开始了超临界萃取技术的产业化工作，发展速度很快，实现了超临界流体萃取技术从理论研究、中小水平向大规模产业化的转变，使中国在该领域的研究、应用同国际接轨，在某些方面达到国际领先水平。目前，超临界流体萃取已被广泛应用于从石油渣油中回收油品、从咖啡中提取咖啡因、从啤酒花中提取有效成分等工业中。

超临界流体(SCF)是指处于临界温度(Tc)和临界压力(Pc)以上，其物理性质介于气体与液体之间的流体。这种流体(SCF)兼有气液两重性的特点，它既有与气体相当的高渗透能力和低的粘度，又兼有与液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力。溶质在某溶剂中的溶解度与溶剂的密度呈正相关，溶质在SCF中的溶解度也与此类似。因此，通过改变压力和温度，改变SCF的密度，便能溶解许多不同类型的物质，达到选择性地提取各种类型化合物的目的。

SFE的基本流程是:由钢瓶提供高纯液体(CO₂)经高压泵系统，流入保持在一定温度(高于Tc)下的萃取池。在萃取池中可溶于SCF的溶质扩散分配溶解在SCF中，并随SCF一起流出萃取池，经阻尼器减压获升温后进入收集器，多余的SCF排空或循环使用。

超临界流体萃取技术在生物活性成分生产中的应用也已经很广泛，如郝磊研究了超临界CO₂流体从玉米蛋白粉中萃取类胡萝卜素的工艺条件，确定萃取压力25MPa、萃取温度40℃、萃取时间150min、夹带剂用量5%为最佳提取条件。马清香以万寿菊花为原料，对影响超临界CO₂萃取叶黄素的分离参数、原料含水率、粉碎粒径、超临界萃取温度、压力、流速、时间等因素进行了考察，得到较佳的萃取工艺条件为:原料含水率10.92%、粒径40目、萃取温度60℃、压力30MPa、CO₂流速15L/h、分离釜Ⅰ温度40℃、压力6MPa、分离釜Ⅱ温度20℃、时间为6h。卢子扬等利用超临界流体萃取技术从紫苏籽中提取α－亚麻酸，从芹菜、花椒中提取天然香精，与水蒸气蒸馏法、压榨法、溶剂萃取法相比，超临界萃取具有工艺简单、提取时间短、对热不稳定性物质无破坏、萃取率高、产品品质好等特点。

四、微胶囊技术

微胶囊技术起源于20世纪30年代，美国的Wurster用物理方法制备了微胶囊。到20世纪70年代，微胶囊技术的工艺日益成熟，应用范围逐渐扩大，今天它已从最初的药物包覆和无炭复写扩展到了医药、食品、日用化学品、肥料、化工等诸多领域。

微胶囊技术是微量物质包裹在聚合物薄膜中的技术，是一种储存固体、液体、气体的微型包装技术。具体来说是指将某一目的物(芯或内相)用各种天然的或合成的高分子化合物连续薄膜(壁或外相)完全包覆起来，而对目的物的原有化学性质丝毫无损，然后逐渐地通过某些外部刺激或缓释作用使目的物的功能再次在外部呈现出来，或者依靠囊壁的屏蔽作用起到保护芯材的作用，微胶囊的直径一般为1～500μm，壁的厚度为0.5～150μm，目前已开发了粒径在1μm以下的超微胶囊。

目前，食品工业中应用微胶囊技术的领域主要有风味料、挥发性物质、微生物类、脂类物质、饮料和粉末状食品等。微胶囊在食品工业中的应用主要包括食品微胶囊化、食品添加剂微胶囊化、营养素微胶囊化以及酶的微胶囊化。随着生活水平的提高，富含不饱和脂肪酸的油脂为越来越多的人关注，扁杏仁油中油酸和亚油酸等不饱和脂肪酸的含量超过90%对人体有重要的生理作用，但含量高的不饱和脂肪酸也极易氧化变质，利用微胶囊技术可使扁杏仁油与环境中的物质隔离，防止氧化，更好更充分地利用油脂。食品中的甜味剂阿斯巴甜在酸性饮料中易水解，若制成微胶囊则稳定性提高很多，可用于汽水等饮料中，且添加到烘烤食品中，受热分解损失也大大降低。在95℃微胶囊化的维生素C的保存率为95%以上，而同样条件下未微胶囊化的维生素C的保存率仅为42%～49%。柠檬油、薄荷油、姜油等液体香料在加工、贮存过程中极易受光、温度、压力等条件的影响挥发或氧化劣变，如果将其用微胶囊化技术转变为固态，就大大提高了其耐氧、光、热的能力，增强香精贮藏和食用的稳定性。

五、生物工程技术

生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。生物工程是生物技术的总称，它包含所有具备产业化条件的生物技术。二者的着重点有所不同，但在有些情况下，并未对它们进行明显区分。生物工程也译为生物工艺学或生物技术，还可以称之为生物工程技术。早在1978年我国就把生物工程作为国家科技发展八大重点之一，863高科技发展计划把生物工程列为七个重点发展领域的首位。

生物工程技术主要包括发酵工程、酶工程、基因工程和细胞工程技术。这些技术在功能食品的生产中已经有所应用。

基因工程是指外源基因通过体外重组后导入到受体细胞内，使这个基因能在受体内复制、转录、翻译、表达的操作过程。在改造食品原材料方面，基因工程技术得到了广泛应用，主要集中在改良蛋白质、碳水化合物等食品原料的产量和质量上。利用基因导入技术能获得高产蛋白质或高产氨基酸的作物。利用基因工程能调节淀粉合成过程中特定酶的含量或几种酶之间的比例，从而达到增加淀粉含量或获得特性独特、品质优良的新型淀粉。

酶工程是从应用的目的出发研究酶，在一定生物反应装置中利用酶的催化性质，将相应原料转化成有用物质的技术。酶在乳化加工、肉制品工业、焙烤工业、饮料果汁生产、淀粉和糖工业等领域均有所应用。例如，用蛋白酶强化的面粉制作的面包松软、体积大、风味更佳。

细胞工程是应用细胞生物学方法，按照人们预先的设计，有计划地保存、改变和创造遗传物质的技术，也就是在细胞水平研究、开发、利用各类细胞的工程。在食品工业中应用较广泛的细胞工程技术主要是细胞培养技术、细胞融合技术、细胞重建技术及细胞代谢物的生产技术等。例如，利用曲霉生产的酱油，其品质与曲霉菌所产的蛋白酶息息相关。据《日本农芸化学会志》报道，采用原生质体细胞融合技术，在产黄曲霉、总状毛霉等菌的同一种内或种间进行细胞融合，可选育出蛋白酶分泌能力强、繁殖速度快的优良菌株。

发酵工程系指利用生物细胞(或酶)的某种特性，通过现代化工程技术手段进行工业规模化生产的技术，它既是现代生物技术的重要分支学科，又是食品工程的重要组成部分。发酵工程技术是一项比较古老的生物技术，它在食品加工业上得到广泛应用。众所周知的制作面包用的酵母菌便是应用发酵工程技术得到的，还有分别用于啤酒、果汁生产的淀粉酶、果胶酶等。一些由微生物代谢产生的初级代谢产物，如氨基酸、核苷酸等可利用微生物发酵得到。

六、超微粉碎技术

超微粉碎技术是利用各种特殊的粉碎设备，对物料进行碾磨、冲击、剪切等，将粒径在3mm以上的物料粉碎至粒径为10～25μm以下的微细颗粒，从而使产品具有界面活性，呈现出特殊功能的过程。与传统的粉碎、破碎、碾碎等加工技术相比，超微粉碎产品的粒度更加微小。

超微粉碎食品可作为食品原料添加到糕点、糖果、果冻、果酱、冰淇淋、酸奶等多种食品中，增加食品的营养，增进食品的色香味，改善食品的品质，丰富食品的品种。鉴于超微粉碎食品的溶解性、吸附性、分散性好，容易消化吸收，故可作为减肥食品、糖尿病人专用食品、中老年食品、保健食品、强化食品和特殊营养食品。

食品行业采用超微粉碎技术的优势有:提高食品营养价值的利用率，制造新型功能食品或新型添加剂，开发新型软饮料，最大限度地保留食品中的生物活性成分，提高发酵、酶解过程的化学反应速度，有利于机体对食品营养成分的吸收等。例如，超微粉碎可以优化香辛料、调味料的品质，提高巧克力的口感和质量，可以使小麦麸皮、燕麦皮、玉米皮、玉米胚芽渣、豆皮、米糠、甜菜渣和甘蔗渣等含有丰富维生素、微量元素的食品提高口感和吸收性。动物骨、壳、皮等通过超微粉碎后得到的微粉属有机钙，比无机钙容易被人体吸收、利用。植物蛋白饮料生产过程经过磨浆、均质工艺，可使蛋白质固体颗粒、脂肪颗粒变小、粒径达到1～2μm，不仅赋予产品细腻的口感，还可防止蛋白质下沉和脂肪上浮，提高产品的稳定性。

七、分子蒸馏技术

分子蒸馏技术是一种新型的物理法分离技术，是当今分离领域的高新技术。分子蒸馏(molecular distillation)又叫短程蒸馏(short path distillation)，是一种非平衡蒸馏，它依据不同物质分子运动平均自由度的差别在高真空(压强一般小于5Pa)下实现物质间的分离。分子蒸馏过程中。待分离物质组分可在远低于常压沸点的温度下挥发，并且各组分的受热过程很短，因此成为目前分离目的产物最温和的蒸馏方法，特别适合高沸点、粘度大、热敏性的天然物料的分离。目前分子蒸馏技术已成功应用于食品、医药、化妆品、精细化工、香料工业等行业。在食品、药品工业中，分子蒸馏的应用范围很广，如维生素E的分离纯化;中药有效部位和有效成分提取、分离;小麦胚芽油的精制;鱼油中DHA、EPA分离;天然色素的精制;芳香精油的精制等。

八、超声波强化法

超声提取是应用超声波强化提取植物多糖的方法。当超声波振动时能产生并传递强大的能量，引起媒质以大的速度加速进入振动状态。使媒质结构发生变化，促使有效成分进入溶剂中，同时，超声波在液体中还会产生空化作用(即在有相当大破坏应力的作用下，液体内形成空化泡的现象)。空化泡在瞬间涨大并破裂，破裂时吸收的声场能量在极短的时间和极小的空间内释放出来，形成高温和高压的环境，同时伴随有强大的冲击波和微声波，从而破坏细胞壁结构，使其在瞬间破裂，植物细胞内的有效成分得以释放，直接进入溶剂并充分混合，从而提高提取率。此外，超声波还产生许多次级效应，如热效应、乳化、扩散、击碎、化学效应、生物效应、凝聚效应等也能加速植物有效成分在溶剂中的扩散释放，有利于提取。与常规提取法相比，超声波提取可缩短提取时间，提高提取率，所以超声提取在植物多糖的提取中得到广泛应用。

九、微波法

微波是频率介于300MHz～300GHz之间的电磁波，微波提取的原理是微波射线辐射于溶剂并透过细胞壁到达细胞内部，由于溶剂及细胞液吸收微波能，细胞内部温度升高，压力增大，当压力超过细胞壁的承受能力时，细胞壁破裂，位于细胞内部的有效成分从细胞中释放出来，传递转移到溶剂周围被溶剂溶解。此法提取时间短，提取率高，是强化固液提取过程颇具发展潜力的一项新型辅助提取技术。

课后训练

关键术语

生产新技术　冷冻干燥　膜分离　超临界流体萃取　超声波强化法　微波法　微胶囊　超微粉碎　生物工程　分子蒸馏

学以致用

一、讨论分析题

1.功能食品生产中常采用的新技术有哪些，各有何特点?

2.什么是冷冻干燥，简述冷冻干燥技术在功能食品中的应用。

3.什么是膜分离技术?简述膜分离的种类及区别。

4.简述超临界流体萃取的原理及其在功能食品生产中的应用。

5.什么是微胶囊技术，微胶囊化的作用是什么?

6.什么叫超微粉碎，超微粉碎的食品与普通粉碎方法粉碎的食品有何不同?

7.简述生物工程在功能食品生产中的应用。

二、案例分析题

我国茶叶资源十分丰富，但由于各种原因，每年都有大量的茶叶浪费，尤其是那些低档茶叶，大部分都被弃用，造成资源的严重浪费。随着食品加工技术的进步，如今从茶叶中可以提取到多种具有功能性的食品添加剂，如茶多酚、茶色素、茶氨酸等，特别是从低档茶中提取天然的食品添加剂意义重大，已引起国内外食品、化工、医药等行业的关注。

我国南方某茶叶厂为了综合利用低档次茶叶，现决定利用现代功能食品生产新技术提取其中的功能性成分，如果你是此厂的一名技术员，厂领导给你提出以下问题，你会怎么处理?

1.请你设计出茶多酚、茶色素和茶氨酸的提取方案。

2.茶多酚、茶色素和茶氨酸都有什么样的功效?

3.请你设计出茶多酚在功能食品生产中的应用方案。

知识拓展

新型功能食品原料西兰花

西兰花是蔬菜王国中极罕见的以花蕾供人们食用的一种蔬菜，有蔬菜极品之称。西兰花花球营养极其丰富而全面，是名副其实的高营养食品。主要成分包括蛋白质、碳水化合物、脂肪、矿物质、维生素C和胡萝卜素等。据分析，每100克新鲜西兰花的花球中，含蛋白质3.5克～4.5克，是菜花的3倍、番茄的4倍。含维生素C达110毫克，是白菜花的1倍，番茄的4倍。同时维生素A的含量是白菜花的100倍。

西兰花中矿物质成分比其他蔬菜更全面，钙、磷、铁、钾、锌、锰等含量都很丰富，比同属于十字花科的白菜花高出很多。西兰花可能最显著的就是具有防癌抗癌的功效，菜花含维生素C较多，比大白菜、番茄、芹菜都高，尤其是在防治胃癌、乳腺癌方面效果尤佳。研究表明，患胃癌时人体血清硒的水平明显下降，胃液中的维生素C浓度也显著低于正常人，而菜花不但能给人补充一定量的硒和维生素C，同时也能供给丰富的胡萝卜素，起到阻止癌前病变细胞形成的作用，抑制癌细胞生长。据美国营养学家研究，菜花内还有多种吲哚衍生物，此化合物有降低人体内雌激素水平的作用，可预防乳腺癌的发生。此外，研究表明，菜花中提取的一种酶能预防癌症，这种物质叫萝卜子素，有提高致癌物解毒酶活性的作用。

除了抗癌以外，西兰花还含有丰富的抗坏血酸，能增强肝脏的解毒能力，提高机体免疫力。而其中一定量的类黄酮物质，则对高血压、心脏病有调节和预防的功用。同时，西兰花属于高纤维蔬菜，能有效降低肠胃对葡萄糖的吸收，进而降低血糖，有效控制糖尿病的病情。西兰花营养丰富，具有抗癌作用，是开发功能食品的好原料。

我国很多地方大规模面积种植西兰花，西兰花资源丰富，为开发西兰花功能食品提供了充足的原料资源。