在食品研發(fā)的專業(yè)領(lǐng)域，HACCP、UHT、質(zhì)構(gòu)分析等詞匯頻繁出現(xiàn)，已然成為日常用語。但當(dāng)我們頻繁使用這些術(shù)語時，是否真正深入理解了其技術(shù)內(nèi)核與不斷演進的發(fā)展方向？
今天我將深入工藝原理核心，直面行業(yè)應(yīng)用痛點，探索跨學(xué)科融合趨勢，助力大家拓寬技術(shù)視野，掌握研發(fā)話語權(quán)！
01、
HACCP 的數(shù)字化躍遷與技術(shù)深水區(qū)
食品安全是食品行業(yè)的生命線，而 HACCP 體系作為保障食品安全的核心框架，其重要性不言而喻。在當(dāng)下數(shù)字化浪潮席卷各行業(yè)的背景下，HACCP 體系也迎來了新的變革與挑戰(zhàn)。接下來，我們將首先剖析 HACCP 體系在數(shù)字化進程中的發(fā)展，以及其背后隱藏的技術(shù)奧秘。
?、龠壿嬒葳迮c工具進化
在傳統(tǒng)的 HACCP 體系實施過程中，CCP（關(guān)鍵控制點）的判定一直是個關(guān)鍵且復(fù)雜的環(huán)節(jié)。隨著食品行業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)工藝日益復(fù)雜，供應(yīng)鏈不斷延伸，傳統(tǒng)的 CCP 判定方式逐漸暴露出諸多問題。
1）痛點
人工判定 CCP 嚴重依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗，這就導(dǎo)致不同人員對同一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的危害分析和關(guān)鍵控制點認定存在較大差異，使得 HACCP 體系在實施過程中難以保持一致性。此外，如今食品供應(yīng)鏈愈發(fā)復(fù)雜多樣，新型生物毒素污染、食品欺詐等新興風(fēng)險不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)判定方法由于其局限性，無法快速、全面地識別這些風(fēng)險，容易出現(xiàn)關(guān)鍵控制點遺漏或誤判，給食品安全埋下隱患。
2）前沿工具
為解決這些問題，科研人員和行業(yè)專家不斷探索，研發(fā)出一系列前沿工具。定量風(fēng)險評估模型，如 FMEA 結(jié)合 Monte Carlo 模擬，能夠量化危害概率與嚴重度。FMEA 可以系統(tǒng)地識別潛在失效模式，而 Monte Carlo 模擬通過大量隨機抽樣，對每個失效模式發(fā)生的概率和可能造成的影響進行量化，幫助研發(fā)人員更精準地確定關(guān)鍵控制點，合理分配資源。
AI 技術(shù)的應(yīng)用也為危害預(yù)測帶來了新的突破，例如 IBM Food Trust 利用區(qū)塊鏈 + AI 追溯污染路徑。區(qū)塊鏈技術(shù)保證了數(shù)據(jù)的不可篡改和可追溯性，AI 則通過分析海量的供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)，能夠快速鎖定污染源。當(dāng)某批次牛奶出現(xiàn)污染事件時，該系統(tǒng)可迅速追溯到奶源地、加工環(huán)節(jié)等，為食品安全問題的解決爭取寶貴時間。
②從合規(guī)到賦能，HACCP 4.0 的三大躍遷
HACCP 體系并非一成不變，隨著技術(shù)的進步和行業(yè)需求的變化，已從最初單純滿足合規(guī)要求，逐漸向為企業(yè)創(chuàng)造價值的方向轉(zhuǎn)變，發(fā)展到如今的 HACCP 4.0 階段，實現(xiàn)了三大重要躍遷。
表1 HACCP 4.0 的三大躍遷
| 維度 | 傳統(tǒng)HACCP | HACCP 4.0 |
| 數(shù)據(jù)基礎(chǔ) | 人工記錄 | IoT傳感器實時監(jiān)控（溫濕度、流速） |
| 決策支持 | 經(jīng)驗判斷 | 大數(shù)據(jù)預(yù)警（如致病菌生長模型） |
| 追溯效率 | 紙質(zhì)追溯（小時級） | 區(qū)塊鏈秒級溯源（如沃爾瑪生鮮案例） |
首先是數(shù)據(jù)驅(qū)動躍遷，借助物聯(lián)網(wǎng)傳感器、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，企業(yè)能夠?qū)崟r收集生產(chǎn)過程中的各類數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、時間等，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的精準監(jiān)控和風(fēng)險預(yù)警。其次是協(xié)同共享躍遷，這一轉(zhuǎn)變打破了企業(yè)內(nèi)部各部門以及企業(yè)與供應(yīng)商、經(jīng)銷商之間的信息壁壘，實現(xiàn)了信息的實時共享，形成全產(chǎn)業(yè)鏈的食品安全防控體系。最后是智能化決策躍遷，AI 技術(shù)深度融入 HACCP 體系，能夠自動分析數(shù)據(jù)并給出優(yōu)化建議，例如調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)、改進工藝流程等，有效提升企業(yè)的生產(chǎn)效率和食品安全保障能力。
③全球合規(guī)差異與應(yīng)對策略由于不同國家和地區(qū)的食品行業(yè)發(fā)展水平、消費習(xí)慣以及監(jiān)管重點存在差異，HACCP 體系在全球的合規(guī)要求也不盡相同。
歐盟在食品安全監(jiān)管中，特別強調(diào) “食品欺詐預(yù)防”，并將其納入 BRCGS 標準附錄，要求企業(yè)建立完善的溯源體系和風(fēng)險評估機制，防止假冒偽劣產(chǎn)品流入市場。而我國的 GB 14881-2013 標準則強化了過程驗證要求，著重確保企業(yè)的生產(chǎn)操作符合規(guī)范，保障食品質(zhì)量安全。
面對這些全球合規(guī)差異，企業(yè)的破局點在于建立 “模塊化 HACCP 體系”。該體系由核心模塊和區(qū)域插件組成，核心模塊涵蓋 HACCP 的基本原理和關(guān)鍵要素，區(qū)域插件則根據(jù)不同國家和地區(qū)的法規(guī)要求、消費習(xí)慣等進行定制，使企業(yè)能夠高效應(yīng)對不同地區(qū)的合規(guī)要求。
保障食品安全是食品研發(fā)與生產(chǎn)的首要任務(wù)，而高效的滅菌工藝則是在確保食品安全的同時，盡可能保留食品營養(yǎng)與風(fēng)味的關(guān)鍵。接下來，我們將解析UHT 滅菌工藝，探尋其在系統(tǒng)選擇與風(fēng)味優(yōu)化方面的創(chuàng)新之道。
02、UHT 系統(tǒng)選擇與風(fēng)味困局的創(chuàng)新之道？
?、贌峤粨Q系統(tǒng)選型：間接式 vs 直接式在 UHT 滅菌工藝中，熱交換系統(tǒng)的選型至關(guān)重要，不同類型的熱交換系統(tǒng)各有優(yōu)劣。間接式熱交換系統(tǒng)通過熱交換器實現(xiàn)熱量傳遞，產(chǎn)品與加熱介質(zhì)不直接接觸，這種方式具有避免交叉污染、易于清洗等優(yōu)點。但由于熱傳遞需要通過中間介質(zhì)，效率相對較低，可能導(dǎo)致部分營養(yǎng)成分損失。
表2 熱交換系統(tǒng)選型三維決策模型
| 參數(shù) | 板式換熱 | 管式換熱 | 蒸汽直接注入 |
| 熱效率 | 88-92%（ΔT=80℃） | 85-90% | 68-75%（蒸汽冷凝損失） |
| 溫度分布 | 層流導(dǎo)致±3℃梯度 | 湍流±1.5℃ | 瞬時混勻±0.5℃ |
| 結(jié)垢速率 | 乳蛋白28um沉積，CIP間隔6h | 沉積減緩，CIP間隔8h | 無固體接觸面 |
| 粘度適應(yīng)范圍 | ≤300 mPa·s（含果粒受限） | ≤1500 mPa·s | ≤500 mPa·s（氣泡問題） |
| OPEX成本對比 | ￥0.08/L | ¥0.12/L | ¥0.15/L（無菌蒸汽耗能） |
直接式熱交換系統(tǒng)則是產(chǎn)品與蒸汽直接接觸，能夠瞬間達到滅菌溫度，熱傳遞效率高，能更好地保留營養(yǎng)成分。不過，該系統(tǒng)對蒸汽品質(zhì)要求極高，且后續(xù)需要進行閃蒸脫氣處理，以去除產(chǎn)品中多余的水分和異味。
選型黃金法則：當(dāng)產(chǎn)品符合：熱敏感指數(shù)（TSI） = \frac{Δ維生素C_{損失率}}{Δ溫度} > 0.5\%/°C；固形物含量 > 15\%，優(yōu)先管式換熱；否則采用板式方案。
②蒸煮味（Cooked Flavor）的成因與抑制技術(shù)采用 UHT 工藝處理的食品，有時會產(chǎn)生令人不悅的蒸煮味，這一問題困擾著眾多食品研發(fā)人員。要解決這一問題，首先需要了解其產(chǎn)生的化學(xué)機制。
1）化學(xué)機制在 UHT 滅菌過程中，高溫會使 β- 乳球蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致其變性并釋放出硫化物（H?S），同時美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的呋喃類物質(zhì)，兩者共同形成了蒸煮味。
圖1 異味化合物生成路徑
2）創(chuàng)新解決方案為抑制蒸煮味，科研人員不斷探索創(chuàng)新解決方案。酶法鈍化是一種有效的方法，通過乳過氧化物酶預(yù)處理，能夠抑制 β- 乳球蛋白的變性，從而減少硫化物的釋放，可降低硫化物 60%，但該方法可能會增加一定的生產(chǎn)成本。
脫氣工藝利用真空脫氣機移除揮發(fā)性異味，能夠有效改善產(chǎn)品風(fēng)味，但設(shè)備投資和運行成本較高，成本大約會增加 8%。
風(fēng)味掩蔽技術(shù)則是利用微膠囊技術(shù)將天然香精包裹起來，如 Lallemand 酵母提取物，在產(chǎn)品中緩慢釋放，掩蓋蒸煮味的同時，賦予產(chǎn)品獨特的風(fēng)味。
表3 三級風(fēng)味修復(fù)技術(shù)矩陣
| 干預(yù)層級 | 技術(shù)方案 | 效果 |
| 源頭控制 | 乳過氧化物酶處理(0.1-0.3LPU/L) | 降低H?S 60-80% |
| 原料奶脫氣(真空度≤50mbar) | 移除揮發(fā)性硫化物40% | |
| 過程阻斷 | 添加半胱氨酸(50-100mg/kg) | 競爭性抑制美拉德反應(yīng) |
| 快速冷卻(Δt<2s至40°C) | 阻止后期反應(yīng) | |
| 終點掩蔽 | 酵母抽提物+香蘭素微膠囊 | DMS閾值提升至15ppb(原3ppb) |
?、跡SL（超長保質(zhì)期）技術(shù)的崛起邏輯在滅菌工藝不斷發(fā)展的過程中，ESL（超長保質(zhì)期）技術(shù)逐漸嶄露頭角。ESL 技術(shù)的定位介于巴氏殺菌與 UHT 之間，采用 125°C/2s 的殺菌條件，并結(jié)合超潔凈灌裝技術(shù)。這種技術(shù)在保證一定殺菌效果的同時，降低了殺菌溫度和時間，能夠在延長產(chǎn)品保質(zhì)期的同時，最大程度保留產(chǎn)品風(fēng)味。
從市場角度來看，ESL 技術(shù)具有顯著的價值。其產(chǎn)品保質(zhì)期可達 45-90 天，風(fēng)味接近鮮奶，能夠滿足消費者對高品質(zhì)、長保質(zhì)期食品的需求，為企業(yè)帶來了更高的毛利率，提升幅度可達 15-20%。某知名品牌鮮乳產(chǎn)品就是成功應(yīng)用 ESL 技術(shù)的典型案例，通過該技術(shù)，產(chǎn)品在市場上獲得了消費者的青睞，實現(xiàn)了較高的利潤增長。
食品的風(fēng)味是吸引消費者的重要因素之一，而美拉德反應(yīng)作為影響食品風(fēng)味和色澤的關(guān)鍵反應(yīng)，在食品研發(fā)中扮演著舉足輕重的角色。然而，美拉德反應(yīng)在帶來美好風(fēng)味和色澤的同時，也會產(chǎn)生一些有害物。如何在利用美拉德反應(yīng)的優(yōu)勢時，有效抑制其負面影響，成為食品研發(fā)人員關(guān)注的焦點。
03、美拉德反應(yīng)的控制藝術(shù)與未來酶工程？
①關(guān)鍵控制參數(shù)的三維模型美拉德反應(yīng)受溫度、時間和反應(yīng)物濃度三個關(guān)鍵參數(shù)的影響。為了更直觀地了解這些參數(shù)對反應(yīng)的影響，科研人員構(gòu)建了三維模型。在實際應(yīng)用中，研發(fā)人員可以根據(jù)這個模型精準調(diào)控反應(yīng)條件。在較低溫度和較短時間下，美拉德反應(yīng)緩慢進行，有利于控制丙烯酰胺的產(chǎn)生，但可能需要調(diào)整反應(yīng)物濃度來達到所需的風(fēng)味效果。通過這種方式，實現(xiàn)色澤、風(fēng)味生成與有害物抑制之間的平衡。
?、跍p害增香的前沿技術(shù)為了在美拉德反應(yīng)中實現(xiàn)減害增香的目標，科研人員在生物法、物理法和原料工程等方面開展了大量研究，取得了一系列前沿技術(shù)成果。
1）生物法天冬酰胺酶預(yù)處理是生物法的典型應(yīng)用，它能夠分解天冬酰胺，減少丙烯酰胺的前體物質(zhì)，從而顯著降低薯條中丙烯酰胺的含量，降幅可達 80%。雖然每千克原料會增加 1.2 元成本，但從食品安全和市場競爭力角度來看，具有重要意義。
2）物理法脈沖電場（PEF）技術(shù)是物理法的創(chuàng)新應(yīng)用，該技術(shù)在較低溫度下即可引發(fā)美拉德反應(yīng)，避免了高溫帶來的營養(yǎng)損失和有害物生成，同時使醬料等食品具有獨特的風(fēng)味和色澤，提升產(chǎn)品品質(zhì)。
3）原料工程通過基因編輯技術(shù)培育低天冬酰胺馬鈴薯品種，從源頭上減少丙烯酰胺的生成。如 Simplot 基因編輯品種，為薯條等馬鈴薯制品的生產(chǎn)提供了更安全的原料選擇。
?、勖览庐a(chǎn)物（MRPs）的功能化應(yīng)用美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物（MRPs）不僅在風(fēng)味和色澤方面具有重要作用，還具有多種功能化應(yīng)用價值。
在乳制品中，MRPs 產(chǎn)生的抗氧化肽具有良好的抗氧化性能，其清除自由基能力約為 0.8×VC，可應(yīng)用于乳制品中，延長產(chǎn)品保質(zhì)期，同時為消費者提供額外的健康益處。
利用酵母提取物 + 還原糖的美拉德產(chǎn)物制備鮮味增強劑，能夠替代傳統(tǒng)的味精（MSG），為食品增添自然鮮味，滿足消費者對健康、天然食品的需求。
食品的風(fēng)味固然重要，而質(zhì)構(gòu)則直接影響著消費者的口感體驗。在食品研發(fā)實驗室中，質(zhì)構(gòu)分析（TPA）儀器是常用的檢測設(shè)備，它能夠模擬口腔咀嚼的力學(xué)過程，量化食品的硬度、彈性等參數(shù)。然而，這些儀器數(shù)據(jù)與消費者實際的感官體驗之間，往往存在著一道需要跨越的鴻溝。我們需要深入理解 TPA 測試，找到將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為感官體驗的方法。
04、從質(zhì)構(gòu)儀器數(shù)據(jù)到感官體驗的翻譯邏輯
?、賂PA 測試的三大認知誤區(qū)在使用 TPA 測試評估食品質(zhì)構(gòu)時，存在一些常見的認知誤區(qū)，這些誤區(qū)可能導(dǎo)致對食品質(zhì)構(gòu)的錯誤判斷。
對于薯片等脆性食品，不能簡單地認為 “硬度峰值 = 咀嚼難度”，因為斷裂能才是影響咀嚼感受的關(guān)鍵因素，單純依據(jù)硬度峰值判斷咀嚼難度并不準確。
在凝膠類食品中，“彈性高 = 口感好” 也是一個錯誤認知。實際上，凝膠類食品彈性＞1.2 時易產(chǎn)生橡膠感，過高的彈性會使口感變得生硬，失去柔軟細膩的質(zhì)感。
此外，標準 TPA 測試忽略了口腔溫變效應(yīng)，例如巧克力在口腔中會因溫度升高而融化，其熔融特性對口感體驗至關(guān)重要，但這一因素并未納入標準 TPA 測試，導(dǎo)致測試結(jié)果與實際感官體驗存在偏差。
?、诹髯儗W(xué) + 感官的跨界映射模型為了更準確地將儀器測試的客觀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為消費者可感知的感官描述，科研人員將流變學(xué)測試得到的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)與感官評價結(jié)果相結(jié)合，建立了跨界映射模型。
通過這個模型，能夠?qū)?fù)雜的儀器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為如 “柔軟”“Q 彈” 等消費者熟悉的感官描述詞，為產(chǎn)品研發(fā)提供更直觀的指導(dǎo)，使研發(fā)人員能夠根據(jù)消費者需求精準調(diào)整產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)。
?、跘I 驅(qū)動的質(zhì)構(gòu)逆向設(shè)計隨著 AI 技術(shù)的發(fā)展，其在質(zhì)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域也展現(xiàn)出了巨大潛力。AI 驅(qū)動的質(zhì)構(gòu)逆向設(shè)計路徑是從收集消費者喜好數(shù)據(jù)開始，構(gòu)建感官描述詞庫，然后利用機器學(xué)習(xí)模型分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，反推出符合消費者偏好的理想 TPA 參數(shù)，從而指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)。
IBM Food Cognitive 計算平臺就是這一技術(shù)應(yīng)用的典型案例。聯(lián)合利華借助該平臺，成功開發(fā)出多款滿足消費者質(zhì)構(gòu)需求的產(chǎn)品，提升了產(chǎn)品市場競爭力。
在食品行業(yè)，人工感官評價一直是評估食品風(fēng)味和質(zhì)量的重要方式，但這種方式存在主觀性強、效率低等問題。隨著科技的發(fā)展，電子舌 / 鼻等電子感官技術(shù)應(yīng)運而生，為食品風(fēng)味和質(zhì)量評估提供了新的途徑。當(dāng)電子感官技術(shù)與 AI 技術(shù)相結(jié)合，更是引發(fā)了食品研發(fā)決策模式的變革。
05、未來戰(zhàn)場：電子感官與 AI 融合的決策革命？
①技術(shù)局限性的破局點盡管電子感官技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，但目前仍存在檢測精度有限、對復(fù)雜風(fēng)味識別能力不足等局限性。
表4 電子感官技術(shù)的局限性與解決方案
| 挑戰(zhàn) | 解決方案 |
| 無法感知風(fēng)味和諧度 | 耦合GC-MS+機器學(xué)習(xí)建立“風(fēng)味指紋” |
| 忽略三叉神經(jīng)刺激（辣/涼） | 添加生物傳感器（如TRPV1受體） |
| 儀器漂移導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏移 | 區(qū)塊鏈校準記錄（XX工廠應(yīng)用） |
為突破這些局限，科研人員致力于開發(fā)新型傳感器材料，以提高傳感器的靈敏度和選擇性；同時結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，增強對復(fù)雜風(fēng)味的分析和識別能力。此外，建立標準化的檢測方法和數(shù)據(jù)處理流程也至關(guān)重要，這能夠確保檢測結(jié)果的準確性和可靠性。
?、贏I 感官決策系統(tǒng)的四層架構(gòu)AI 感官決策系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)預(yù)處理層、模型分析層和決策輸出層四層架構(gòu)組成。電子感官 → 基礎(chǔ)味/香氣強度GC-MS/O → 關(guān)鍵化合物定量消費者大數(shù)據(jù) → 喜好度標簽深度學(xué)習(xí) → 預(yù)測最佳風(fēng)味組合
數(shù)據(jù)采集層通過電子舌 / 鼻等設(shè)備收集產(chǎn)品風(fēng)味和氣味數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)預(yù)處理層對原始數(shù)據(jù)進行清洗、降噪和歸一化處理，為后續(xù)分析提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)；模型分析層利用機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)模型對數(shù)據(jù)進行分析，提取特征并建立預(yù)測模型；決策輸出層根據(jù)模型分析結(jié)果，為產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量控制等提供決策建議，如調(diào)整配方、優(yōu)化工藝等。
06、術(shù)語是路標，技術(shù)演進是征程？
從 HACCP 與區(qū)塊鏈的結(jié)合，到美拉德反應(yīng)嫁接基因編輯技術(shù)，再到質(zhì)構(gòu)分析融合神經(jīng)常微分方程，食品研發(fā)的底層邏輯正在不斷重構(gòu)。本文所探討的這些食品研發(fā) “行話”，就像是一個個路標，指引著我們探索技術(shù)發(fā)展的方向。但技術(shù)的演進永無止境，真正的技術(shù)密碼，永遠藏在下一場技術(shù)革命中。
