孙大文院士：“僵尸肉”照一下就现形

科普小知识2022-07-21 20:13:07

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孙大文院士：“僵尸肉”照一下就现形

利用高光谱成像检测设备，可以看出随着腌制时间的增加，肉的含盐量逐渐增加，颜色由黄绿色变为蓝色(图低)。肉的含水量下降，颜色逐渐从红色变为黄绿色(图●)。

孙大文院士：“僵尸肉”照一下就现形

孙大文院士。

孙大文院士：“僵尸肉”照一下就现形

孙大文院士冷冻荔枝壳一年前还是红色的。

孙大文院士：“僵尸肉”照一下就现形

超光谱成像无损检测设备扫描一个梨。

助教是谁

孙大文院士团队

●华南理工大学现代食品工程研究所成立于2012年。团队成员包括孙大文院士、曾馨安教授、高副教授、博士、博士、韩忠博士、蒲宏斌博士。主要研究方向包括高光谱无损检测、新型冷冻技术、农产品加工和贮藏、果酒和食醋的非热加工技术和酿造技术。

在华南理工大学现代食品工程研究所，一串荔枝的旅程可以是这样的:它们一个接一个地排队通过一条小型无损检测生产线，那些有“内伤”的被剔除，那些健康的被留下。超高压冷冻后，它们被放入冰箱，一年后壳仍然是红色的。冬天吃红壳荔枝已经成为这里的现实。

上述过程说起来很简单，实际上包括许多研究，如高光谱成像食品无损快速检测、新型食品冷冻等。由中国现代食品工程研究所主办。类似的旅程不仅发生在荔枝上，也发生在鱼、肉、蔬菜、水果上……这些常见的食物是它们的主题。对于“食客”，这里的研究是为了让食物更安全、更美味。

至于最近引起公众关注的“僵尸肉”，它将通过无损检测设备和高光谱成像设备显示出它原来的形状。即使一块肉已经解冻一两次，它也可以通过高光谱成像设备来识别。

为什么冰淇淋融化冷冻后不好吃

2015年7月30日下午，欧洲人文与自然科学院和爱尔兰皇家科学院的成员孙大文从实验室的普通冰箱里拿出两袋真空包装的冷冻虾，“看看它们有什么不同？”

"红色的袋子是煮熟并冷冻的，灰色的袋子是新鲜的虾."“是的，红色的虾通常在超市里见到，浅灰色的虾通常不见，因为传统的冷冻技术不能长时间保存冷冻虾。”

孙大文拿出另一袋真空包装的荔枝。“一年前它被冻住了，还没有变成棕色。贝壳仍然是红色的。”

早在爱尔兰都柏林大学任职期间，中国工程专业的毕业生孙大文就开始研究新的制冷技术。他开创的超声波制冷技术逐渐成熟。现在，他带领同样是“归国人员”的朱志威和其他人研究超高压、超声波、磁场和电场制冷技术。这四项技术的研究难度逐渐增加。不同的技术适用于不同形式的食物，最终目标是控制冰晶的形成。

你可以在超市里找到冷冻食品，通常是冷冻虾、冷冻饺子或冷冻青豆，它们都是小颗粒食品孙大文团队研究了利用新技术冷冻食物，并试图保持食物的质地不被破坏，从而尽可能保持食物的味道和韧性。关键是控制食物中冰晶的大小、大小和分布。

什么是冰晶？大多数食物的主要成分是水，冷冻过程是将食物中的水变成冰。冰以冰晶的形式存在，首先形成于细胞之间的间隙。然而，细胞内也有水。如果细胞内没有冰晶形成，细胞内的水将通过细胞膜和细胞壁缓慢迁移到细胞外，因此细胞外冰晶越长越大，细胞将失去水分，导致细胞结构在冷冻过程中被破坏。

冰晶会刺破细胞壁和细胞膜，导致汁液流出，不仅影响食物的味道，还会减少其营养成分。用传统冷冻方法加工的冷冻食品在解冻时会有大量汁液流出，这就是原因。孙大文说，这也是为什么许多人认为冷冻食品不如新鲜食品有营养。

因为细胞结构已经被破坏，质地已经改变，新鲜食物可能具有的脆、韧、耐嚼的味道将不复存在。为什么冰淇淋融化后再冷冻时会变得又硬又不好吃？这是因为冰晶生长不好。

冰水晶冷冻食品味道更好。

控制冰晶的大小，让细小、均匀分布的冰晶在食物中生长，可以使冷冻食物的质地接近新鲜食物。“如果我们想尽一切办法形成许多晶体起始点，让冰晶在细胞内外同时形成，在这种情况下冰晶不会长得很大。”

我们怎样才能形成许多水晶斑点？孙大文团队使用的方法有超声波、超高压、电场和磁场冷冻。

上述荔枝采用超高压冷冻法冷冻。研究人员将荔枝放入超高压设备中，先加压冷却至-20℃左右，然后迅速释放压力至常压，此时会瞬间产生大量细小均匀的冰晶。一旦荔枝形成了这种理想的冰晶，它可以被冷冻并保存在传统的冰箱或冰柜中，当解冻时，荔枝的细胞状态可以接近新鲜荔枝。

队员朱志威说，电场和磁场冷冻技术比超高压冷冻技术更先进，但目前还不是特别成熟，只能冷冻小块食物。

已经在国外生活了20多年的孙大文说，国外一些超市的食品柜台几乎有三分之一被冷冻食品占据。中国人不容易接受冷冻食品，部分是因为误解，部分是因为冷冻食品在中国起步较晚。事实上，当技术条件成熟时，冷冻食品的质量不会比新鲜食品差。

他进一步解释说，在运输和储存过程中，食品的新鲜度一直在下降，就在它被采摘或宰杀之后。冷冻食品可以在采摘或屠宰后立即冷冻，这相当于凝固食品的新鲜度。在低温条件下，食物的质量几乎不变。如果食物长时间冷冻，食物的质量不会受到很大影响。当它到达消费者手中时，在食用前解冻食物相当于“释放”先前凝固的新鲜度。

那么，用新冷冻技术保藏的冷冻食品能在多年后食用吗？孙大文说，食物的质量在冷冻过程中不会腐烂，但腐烂过程非常缓慢。食物通常可以在-40℃下储存几年，但不应储存太久。储存几十年的冷冻食品可能含有许多微生物。

能够“看穿”食物成分的超光谱成像

既然“僵尸肉”不能吃，我们怎么区分它呢？在孙大文团队的实验室里，不用通过无损检测设备切割肉就可以识别“僵尸肉”。在实验过程中，要测试的内容比判断一块肉是否“嫩”要复杂得多。此外，不同的食物需要建立不同的数据模型，区分一块肉和一块荔枝的难度系数也不同。团队成员可以为他们征服的每种食物写一篇学术论文。

无损检测是指不损伤样品，不需要与食品直接接触的检测方法，因此可以直接用于生产过程中，并在生产线上进行在线检测。在华工大学城校区的实验室里，一条小型生产线可以自动识别食品是否符合质量要求。它不仅能鉴别荔枝的品质，还能对不同类型的大米进行分类。

该技术的核心是“高光谱成像”，是传统二维成像技术和光谱技术相结合的新技术。SCI收录了400多篇与该技术相关的论文，孙大文院士团队贡献了100多篇。

孙大文举例说明了传统成像技术与高光谱成像技术的区别。“手机摄影等传统成像技术可以拍摄显示颜色、尺寸和形状等信息的照片。然而，不能从照片中直接知道物体的内部结构。例如，当我给你拍照时，我可以知道你穿着一件蓝色的裙子，但我不知道这件裙子是用什么材料做的。”利用传统的成像方法检测食品外观已经得到了广泛的应用，但是不可能知道食品的具体成分，并且存在局限性。然而，传统的光谱检测方法只能检测“同质”物体，例如一瓶饮料。如果一个异类对象，如荔枝或苹果，它必须被一点一点地检测，这需要时间和精力。高光谱成像技术将光谱技术与成像技术“融合”，不仅可以检测外观，还可以理解成分。

“如果你用这种高光谱成像技术拍照，你不仅可以知道你穿的是蓝色衣服，还可以知道这种衣服是用什么材料制成的，甚至可以知道你脸上的水分含量。”孙大文说，这种检测方法对食品非常安全，是世界上最先进的技术。

采摘慢褐荔枝，运输到远方

在中国，孙大文团队建立了一条无损检测示范测试线，可以进行实时在线测试。荔枝内部品质(可溶性固形物、酸碱度)的高光谱预测显示相关性超过90%。例如，为了解决荔枝容易褐变的问题，该系统可以分析荔枝褐变的“潜力”，并将褐变较慢的荔枝运输到远处销售。

该检测技术还可以区分解冻后的“冻肉”和“冷却肉”。实验室图片显示解冻一次和两次的肉的光谱指纹信息是不同的。

高光谱成像检测技术在食品成分的分析和研究方面已经相对成熟，孙大文团队一直致力于扩大其应用范围。例如，它可以用来检测食品的新鲜度，微生物的分类，甚至农药残留或食品添加剂。理论上，这些目标是可以实现的。然而，由于每幅图像都包含大量的信息，如何从混杂的信息中提取有效的信息需要强大的数据库和科学的算法支持。

因此，本研究的难点在于数据挖掘和分析，因为高光谱图像中的大量数据是无效的。如何建立抗干扰能力强的分析模型是该技术在实际工业生产中应用的关键。“这就像在寻找金矿。在大多数情况下，石头是挖出来的，黄金是稀有的。数据挖掘和分析的过程就像寻找金矿一样，”孙大文说。

无损检测也是孙大文团队中劳动最密集的研究部分，有近20人。蒲宏斌博士透露，该团队正在开发一种手持式无损检测仪器。将来，有可能制造手持式无损检测仪器。消费者可以带着仪器去超市实时检测食物。“到时候，甚至连土鸡都可以为你检测到，”他解释道，因为土鸡和饲料鸡的光谱指纹信息不同，检测器有识别的能力。

计算从种子到餐桌的碳排放

在孙大文的团队中，不同的组合解决不同的技术问题。无损检测技术应该研究和建立各种食品的数据模型，以检测食品的质量。冷冻技术侧重于食品的储存和保存，而真空冷却技术可以延长食品的保质期。微波烹饪技术试图将微波炉变成“小厨房”，生产美味的饭菜。一些技术已经应用于市场。

长期以来，国内消费者对微波食品心存疑虑，认为它们不安全。孙大文团队做了大量实验来测试微波食品的致癌性，并把微波加热到不同温度的猪里脊肉样品送到第三方检测9种杂环胺。中国广州分析测试中心的测试结果表明，在相同的温度条件下，微波加热产生的杂环胺含量远低于烧烤和烘烤加热方法。

然而，传统的微波炉解冻方法确实存在加热不均匀的问题。针对这种情况，孙大文团队开发了-1℃解冻技术，将解冻温度精确锁定在-1℃左右，保证了解冻的均匀性。在这种技术下解冻的肉虽然仍然很硬，但可以很容易地切好，并切成漂亮的薄片孙大文说，这实际上是新制冷技术的延伸。

该团队还进行了一项由孙大文提出的名为“神秘”的研究:食品低碳项目，该项目是指在食品的所有主要环节，包括生产、加工、包装和消费，建立一个温室气体排放量最小的系统。孙大文说，整个食品生产链占全球碳排放的1/3。现在每一个电器，如冰箱，在出厂时都会在显眼的地方显示其能耗。这一系统将来也可能在食品领域建立。

孙大文在这一领域的研究处于世界领先地位。他发表了第一篇关于低碳食品体系的系统论文。他说，目前，该小组主要研究食品在冷冻过程中的碳排放。理想情况下，团队应该计算从播种到去餐桌的碳排放量。