食品工程仿生学及其研究框架

马海乐（1963—），男，博士，教授

E-mail：

1 生物的启示

远在古代，人类以食用生兽野果为主。在恐怖的山火过后， 灰烬里散发着烧熟的野兽和坚果的扑鼻焦香， 它强烈地震憾了人类从未苏醒的嗅神经， 这就成了人类结束茹毛饮血时代的第一个信号。经过无数次惊险的尝试和失败，原始人群终于懂得利用自然火，控制火种，走上了熟食的道路。烧、烤、煮、熬，人类光辉的食品加工业从此开始了。 随着时间的推移，人类不断在进化，人们在漫长的与大自然和疾病的斗争中， 不断提高食品加工水平。熟食热食不会致病——人们学会了杀菌；干果干菜能抗腐败——人们学会了脱水； 将食物存入地窖不会变质——人们学会了冷藏。 经过失败的教训和成功的探索，人们创造了破碎、磨粉、制浆、过滤乃至发酵做酒、焙烤制饼等技术。 经过一代代人艰辛的摸索， 才形成了现代食品工业的雏形。随着营养学的问世，对食品品质目标的设计更加清晰；随着生物工程技术、过程控制技术的引入，食品加工在工艺优化、品质提升、成本控制、污染降低等方面取得巨大的成就。然而，人们在辛辛苦苦埋头探索之余可曾想到， 在宇宙间另有一种存在， 一种巨大的最为科学严密的食品加工体系的客观存在，即人体。 不难想象，人体确实是一座典型的最高级的食品加工厂。 要把肉、鱼、谷物和蔬菜从原来的形式变成氨基酸、葡萄糖、果酸、脂肪酸和甘油等各种营养成分， 对现存的食品加工业来说谈何容易，不借助于庞大复杂的机器系统，进行长时间的高温、高压作业，消耗大量能量，产生较多的有可能严重污染环境的废弃物， 是无法完成的。 然而，对人体消化系统来说，此事简直易如反掌，只经过物理和化学的改造即可实现。可谓曲曲九米肠道，功能无与伦比。不仅人体如此，牛、羊、 猪等动物同样有着功能惊人的改造食物的消化系统， 甚至猪笼草等植物也能利用分泌的盐酸和酶分解猎物，具有类似于人胃的功能[1]。 在生命科学已取得巨大成就的当下， 要把食品加工技术推入一个更新的高度， 就必须想到主动地模拟生命进化的这些成就。

其实自古以来，人类就在模仿生物，增加自己劳动的本领[2]。 例如，人们模仿鱼类的形体创造了船只，并以木浆仿鳍。 鲁班在一次上山找树时，手指被茅草划破，受此启发发明了第一把木锯。早在400 多年前， 意大利的达芬奇在仔细观察了鸟类的飞行并研究了鸟体的结构后，设计、制造了一架扑翼飞机，为人类在天空获得自由打下了基础。这些早期的模仿生物的结构和功能的尝试和发明，可以认为是人类仿生的前驱，也是仿生学的萌芽。

随着近代科学技术的发展， 人们才逐渐自觉地把生物界当作设计思想和发明创造的源泉，形成完整的仿生学理论，成功应用于航空、建筑、医学、农业等领域[3-6]。 早在20 世纪90年代初，我国任露泉院士、陈秉聪院士[7]在农业装备研究过程中， 为了克服农机具作业过程中的土壤阻力问题引入了仿生学方法， 开拓了仿生脱附减阻耐磨研究新领域，在土壤粘附机理与规律、生物脱附减阻耐磨原理、地面机械仿生脱附减阻理论与技术、生物表面工程仿生等领域进行开拓性研究， 提出非光滑仿生、电渗仿生、柔性仿生、构形仿生及耦合仿生，初步构建了生物非光滑基础理论、非光滑仿生理论与技术体系， 为我国机械仿生工程理论的建立作出了杰出的贡献[8]。

2 食品工程仿生学的提出

生物界有许多与食品加工密切相关的功能，值得食品科学工作者深入研究。例如，生物膜在物质的输送、浓缩和分离上的能力是令人惊叹的[9-10]。海带能从海水中富集碘， 使其含量比海水中碘浓度高千倍以上，石毛（藻类）能浓缩铀，浓缩率高达750 倍， 大肠杆菌体内外钾离子浓度差达3 000倍， 长在回肠和空肠内壁上的绒毛对营养物质的吸收从来不会因浓度极化现象而降低效率[11]，研究生物膜会对食品高效分离技术的研究发挥巨大的作用。 牛的瘤胃能把饲草纤维转化成用于含乳脂和建造机体的挥发性脂肪酸[12]，白蚁能把吃下去的木质转化成脂肪和蛋白质[13]，对其机理的研究可能对人工合成这些物质， 扩大食品资源有深刻的启示。 响尾蛇两眼之间有一小块厚度只有10～15 μm 的薄膜，这是一个热敏探测器，对外界目标物有0.001 ℃的温差分辨能力[14]，模仿响尾蛇的热敏探测器， 就可以研制出高精度的温度传感器。

文章来源：《生命科学仪器》 网址: http://www.smkxyq.cn/qikandaodu/2021/0112/390.html