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低場核磁技術:讓食品中水分研究可視化

低場核磁技術:讓食品中水分研究可視化

——中國農業科學院農產品加工研究所魏益民教授

中國農業科學院農產品加工研究所魏益民教授,曾任西北農林科技大學副校長,中國農業科學院農產品加工研究所所長,主要研究方向涉及穀物化學與小麥加工關鍵技術;植物蛋白擠壓組織化理論與技術;食品產地溯源及確證、食品加工過程安全控製等,主持多項國家科技攻關計劃、現代農業(小麥)產業技術體係建設專項、國家自然科學基金等項目。
從食品水分分析技術平台,到智能物料幹燥分析係統,魏益民教授開展了一係列的研究工作,不僅解了企業的“燃眉之急”,也對儀器設備開發和應用拓展起到了很大的促進作用。其中,與蘇州AG亚游官网分析儀器股份有限公司(簡稱:AG亚游官网分析)以及河北金沙河麵業集團有限責任公司(簡稱:金沙河麵業)的合作就是很好的案例。日前,儀器信息網編輯特別采訪了魏益民教授,聽他講一講學術研究及其背後的精彩故事。

低場核磁技術:讓食品中水分研究可視化

中國農業科學院農產品加工研究所魏益民教授

低場核磁技術:水分狀態及運動軌跡研究的有效手段

水乃萬物之源。在國際上水的研究是一個非常重要的領域,具體到農林產品、食品和能做成食品的所有原料,水分的研究更是必不可少。
采訪伊始,魏益民教授先給我們普及了食品領域與水分有關的一些學問。“在農產品的收獲、安全儲藏、安全運輸、加工和食品製造中,都離不了水這個命題。比如,國標規定小麥安全儲藏的水分含量在12.5%以下,麵粉安全儲藏的水分含量在14.5%以下;另外,種子發芽需要合適的水分條件;食品製作過程中的煎、炸、炒、燴、煮、蒸都離不開水分;果品、蔬菜等的保鮮與水分息息相關;掛麵製作及烘幹的工業過程中,水分更是一個至關重要的因素……”
魏益民教授介紹說:“食品的含水量不僅和食品的口感、新鮮度、脆度等有關,而且在食品工業中,加水量的多少和生產成本和商業利潤有著密切的關係,從這個角度來說,水分的研究在食品領域有著重要的商業意義。”

據介紹,目前關於水分的研究課題,包括含水量、水分存在狀態、運動軌跡和水分活度等。現有對食品中水分的研究主要是絕對含水量的測量,一般采用加熱蒸發至恒重的方法計算得出。但是必須注意的是,蒸發過程中跑掉的除了水分之外,還可能有別的揮發物質。因此,結果往往不是很準確。
“我研究的課題主要圍繞水分和食品的關係。多年的研究發現,核磁分析和成像技術是研究水分存在狀態和運動軌跡的有效手段。”魏益民教授介紹道,從原理上來說,根據氫原子核的弛豫時間,可以判別自由水、弱吸附水和強吸附水的比例,進而可以研究水分在食品中的存在狀態。通過核磁成像,還可以把水分研究從不可視狀態變成可視狀態,從而可以看到水分的擴散軌跡。
其實,早在進行高水分組織化植物蛋白課題研究的時候,魏益民教授課題組就曾嚐試使用AG亚游官网分析的低場核磁設備進行測試,發現高水分和低水分含量食品中水分的存在狀態和分布是不同的。魏益民教授說:“也就是從那個時候開始,我們發現,食品中的水分可以用低場核磁技術來更好地表征。這個思路一直存在我的腦子裏。”而在之後研究“食品水分分析技術平台”時,魏益民教授也成功地將低場核磁技術引入其中。
“核磁技術在食品領域最大的意義就是區分水分存在的狀態,看到水分的運移過程,以此來研究水分的運移規律。” 魏益民教授說,“核磁技術用於食品中水分的研究,能提供的不僅僅是含量,而且能夠在分子水平上觀察水分子的運動規律。這項研究非常有價值。”

食品水分分析技術平台:一次突發事件的啟發造就的專利成果

既然低場核磁是研究水分存在狀態及運動軌跡的有效手段,那麽如何介入並進行係統研究呢?其實,魏益民教授一直在關注這方麵的研究,包括進行高水分組織化植物蛋白研究的時候,就已經開始了初步的嚐試。而金沙河麵業冬季大雪降溫危機事件將這件事情正式提上了日程。其中,“食品水分分析技術平台”的建立是第一步,為之後低場核磁技術的引入奠定了基礎。
2004年,魏益民教授就與金沙河麵業開始了接觸,也曾多次被邀約去解決掛麵幹燥能耗的問題,遲遲未果的原因在於魏益民教授“不打無準備之仗”。魏益民教授說:“我不是學這個學科的,之前對烘房沒有研究,為此做了很多準備工作,也找了很多食品幹燥方麵的書籍來進行基本理論的學習,並準備了在線自動溫度濕度自動記錄儀、微型氣象工作站等進口的儀器設備。”
2012年冬天,一場突如其來的大雪導致氣溫驟降,金沙河麵業的鍋爐房溫度不達標準要求,金沙河麵業的生產線麵臨嚴重危機。魏益民教授第一時間趕到現場,並采取了一係列的行動:首先,關好門窗,加蓋布簾,減少能耗浪費;其次,掛上溫濕度儀,監測現有生產線的適宜溫度濕度範圍;第三,安置微型氣象工作站,測排風口的環境要素。“結果顯示,不同車間排風口的差異達40%。這說明烘房的操作工藝是盲目的、憑經驗的,沒有科學依據的。” 最終,在魏益民教授的指導下,他們研究了用能最少生產線烘房的操作參數。之後,所有車間都照此參數執行。第三天中午,鍋爐溫度正常了,危機解除。

“這次事件給了我們很大的啟發:掛麵幹燥的理想模型是什麽?有什麽樣的規律?基於什麽樣的機理?通俗來講,掛麵的水分是怎樣從掛麵裏麵跑出來的?是勻速的?還是梯度的?這是一個非常重要的課題,不僅是節約能源的問題,還可以節約成本、減少汙染、綠色環保。而在此之前,對烘房氣象要素變化及掛麵內部水分動態變化的結果並沒有一個微觀描述,沒有人對此進行過研究。”
“但是,誰來做呢?” 魏益民教授說:“這其中涉及了熱能與動力工程、環境科學、氣象學、食品幹燥技術等學科,這些都不是我的特長。”碰巧的是,在一次國際會議上,魏益民教授偶遇了兩個合適的人才,一個是做微型傳感器的,一個是做糧食幹燥的,並將他們引進到研究所,開始了相關的研究。
為了不造成太大的浪費,他們放棄了建造模擬烘房進行節能試驗的研究,而是選擇先進行微觀模型研究,然後再到車間放大。基於此,該課題組為解決模擬條件,輾轉尋找合適的儀器,並進行自己加工改造。具體來說,在現有的恒溫恒濕箱的基礎上,他們添置了風扇,配置了可以自動記錄重量的天平等,最後將這些儀器組合在恒溫恒濕箱裏,並且集成到電腦裏操作和結果顯示,做成一個由電腦控製的可以自動進行水分含量在線控製的係統,取名為“食品水分分子技術平台”,並申請了發明專利。
“食品水分分析技術平台”將整個幹燥過程和水分檢測過程自動化,實現了過程控製、在線監測、數據記錄、數據輸出一體化,並為其它設備的在線(或準在線)設計了接口,為深入研究和係統地觀察掛麵的幹燥過程提供了可能和相關實驗平台。基於此平台,魏益民教授研究了掛麵在不同溫濕度條件下的幹燥曲線,最終以最短的時間研究了什麽幹燥條件是最節能的幹燥工藝。相對於常規方法,該平台可以自動記錄,自動繪圖,不僅減少了工作量,還實現了動態觀察。據悉,在此平台研究的基礎上,金沙河麵業烘房能耗節約達22%-23%。

三方共合作,助力食品幹燥模型的建立

由經驗到理論,從現象到機理,魏益民教授的研究在不斷深入。“解決怎麽幹燥最合理之後,下一步就要研究水分是怎樣跑出來的過程問題。” 魏益民教授談道,低場核磁技術是研究食品中水分存在狀態及運動軌跡的有效手段,而要開展更進一步的研究,首先要解決的便是儀器的問題。
講到這兒的時候,魏益民教授給我們講述了一個非常精彩的三方合作共贏的故事。在這個故事中,AG亚游官网分析和金沙河麵業都非常積極,給予了很大的支持。據介紹,鑒於當時研究的需要,魏益民教授需要一台一百多萬的低場核磁儀器,於是找到了AG亚游官网分析的負責人楊培強。最終,魏益民教授、AG亚游官网分析以及金沙河麵業在技術、儀器及經費等方麵達成合作,三方按照一定的比例共同為這台低場核磁儀器“買單”。這件事情中,令魏益民教授沒想到的是,AG亚游官网分析不僅提供了儀器,還提供了一定的研發經費。這也是他對AG亚游官网分析特別“點讚”的地方。魏益民教授說:“我不僅籌到了儀器和科研經費,更重要的是獲得了一個捷足先登的學術平台。”
將低場核磁技術引入到食品水分分析技術平台後,魏益民教授開始了係統的研究。首先,根據研究的需要,魏益民教授在AG亚游官网分析的幫助下對儀器進行了改造。“我們要做成在線儀器,稱之為‘on-line’,首先要解決的就是把環境引到探頭裏麵,同時保證遇冷空氣時不結露。此外,還要在恒濕箱側麵做了微型取樣洞等。”

基於此,魏益民教授開展了多方麵的研究:掛麵在幹燥過程不同階段的水分狀態;掛麵幹燥過程中的水分運移規律;還進一步研究了不同形狀(圓和方)麵條的水分遷移規律等。這其中,最令其自豪的一件事情就是碩士生在J. of Food Engineering上發表的文章《Study on the Water State and Distribution of Chinese Dried Noodles during the Drying Process.》。改論文投稿不到兩周即被接受,一個月即發表,並被編輯點評具有數個亮點:方法學上創新,包括申請專利的食品水分分析技術平台以及核磁技術的應用;采用油脂包被的方法有效減少噪音、增加信號強度,利用低場核磁成像技術可以清楚地研究掛麵的收縮界麵;研究了直徑2-3mm掛麵中水分的遷移規律;將掃描灰度圖的信號數字化,趨勢和規律更清晰,更有利於工業應用等。

通過低場核磁技術的應用,魏益民教授課題組不僅揭示了掛麵幹燥過程中水分的遷移規律,還探究了在工業上的應用。“工業應用的前提是尋找理想的幹燥曲線,而理想的幹燥曲線即是在保證質量、產量、能耗三者平衡的前提下的一種幹燥模型,是工業化的科學依據,且最經濟、最環保、最有效。這也是我們最終的目的。”談到這,魏益民教授還特別強調,“隻有得到數學模型才能智能化。”
基於“食品中水分分析技術平台”,魏益民教授與AG亚游官网分析的合作項目“智能物料幹燥分析係統”就特別體現了智能化。據介紹,智能物料幹燥分析係統由低場核磁共振成像及分析係統,溫度、濕度、風速動力控製係統,自動重力測定係統,遷移觀察係統,顯示和運算係統組成,具有自動繪製物料幹燥、揮發、吸附等過程特性曲線等功能,極大提高了研究效率。據悉,該平台也在為未來近紅外監測模塊開發做準備。
最後,魏益民教授還特別指出,“當前,中國大多數食品製造業的工藝考控製還停留在經驗層麵,我們建立的這個‘食品水分技術分析平台’不僅可以對接核磁,還可以對接氣質;不隻是針對食品領域,還能夠進行中藥材、木材、揮發物、種子等多領域的研究。”

後記:采訪中我們得知,魏益民教授先後上過四所大學,專業涉及了農學、質量分析控製,甚至項目管理,其研究方向更是橫跨了多個學科。為了專心科研,他毅然辭掉西北農林科技大學副校長職務,一手創建中國農業科學院農產品加工研究所。魏益民教授自定義為開拓者,他說,“我最大的功勞就是留下了近100個學生,建立了中國唯一一個小麥和小麥製品的研究的全方位平台。”
對國產儀器,魏益民教授也有著自己的情懷。在研究過程中,其課題組不僅親自進行儀器的改造和集成,而且及時地把對儀器的建議反饋給合作夥伴。魏益民教授還特別提到,外國的儀器設備往往不是某一個儀器設備企業研究出來的,很多都是某一科學家在研究過程中的成果,隻是由他們及時地產業化了。這種機製值得我們學習。

文章來源:儀器信息網

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