第一篇：酶處理在果蔬汁加工中的應(yīng)用

1.豆奶的主要質(zhì)量問題是什么？如何控制？ 2.酶處理在果蔬汁加工中的應(yīng)用

3.舉例說明穩(wěn)定劑的作用原理及在果蔬汁飲料中的應(yīng)用 4.舉例說明乳化劑的乳化原理及在豆乳飲料中的應(yīng)用 2.酶處理在果蔬汁加工中的應(yīng)用

摘要：多酚氧化酶帶來的酶促褐變是水果、蔬菜加工成果蔬汁過程中引起營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、外觀品質(zhì)等降低的主要原因之一，直接導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。就酶促褐變的機(jī)理、條件以及抑制方法作一綜述，通過物理、化學(xué)以及生物的處理方法可以有效地抑制果蔬汁加工過程中的酶促褐變。

褐變?cè)诠咧庸?、?chǔ)藏過程中會(huì)經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重影響商品的外觀和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。褐變一般可以分為兩類：一類是有酶參與催化多酚類物質(zhì)氧化的酶促褐變；一類是如美拉德反應(yīng)、焦糖化作用產(chǎn)生的褐變，稱為非酶褐變。果蔬汁加工過程中的褐變主要是由酶引起的酶促褐變，而且以多酚氧化酶引起的酶促褐變最為明顯。本文就酶促褐變的機(jī)理、條件以及抑制方法作一綜述，旨在為果蔬汁加工、儲(chǔ)藏過程中酶促褐變的控制提供依據(jù)。酶促褐變的機(jī)理酶促褐變是果蔬中的多酚類物質(zhì)在多酚氧化酶的作用下被氧化形成醌及其聚合物的反應(yīng)過程。一般認(rèn)為，果蔬的酶促褐變主要是由于果蔬中富含的多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase，簡(jiǎn)稱PPO）催化酚類物質(zhì)的氧化反應(yīng)引起的。PPO 能催化果蔬中游離酚酸的羥基化反應(yīng)以及羥基酚到醌的脫氫反應(yīng)，醌在果蔬體內(nèi)自身縮合或與細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生褐色色素或黑色素。在果蔬體內(nèi)，PPO 主要存在于完整的細(xì)胞質(zhì)體和微體中，而PPO 的底物主要存在于液泡中，處于潛伏狀態(tài)，在完整的細(xì)胞中作為呼吸傳遞物質(zhì)，在酚-醌之間保持著動(dòng)態(tài)平衡，不發(fā)生酶促褐變。當(dāng)新鮮的果蔬在加工過程中組織被損傷，氧大量侵入，酶原被激活，酚類物質(zhì)經(jīng)酶的催化作用氧化為醌類物質(zhì)，從而引起褐變反應(yīng)[1]。酶促褐變的控制2.1 酶促褐變的條件

從酶促褐變的反應(yīng)機(jī)理中可以看出，酶促褐變必須具備4 個(gè)條件：①氧的存在；②酶的作用；③含Cu2+輔基的參與；④酶與底物的結(jié)合[2]。因此對(duì)酶促褐變的抑制就是通過采用物理的、化學(xué)的以及生化手段等方法來切斷或控制其任何一個(gè)環(huán)節(jié)。

2.2 褐變的控制方法 2.2.1 二氧化硫及亞硫酸鹽

二氧化硫及亞硫酸鹽對(duì)果蔬的酶促褐變的抑制效果很好，而且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。它們既可以直接作用于酶本身，降低對(duì)單酚和二酚類的催化反應(yīng)活性，又可與反應(yīng)中生成的醌類物質(zhì)結(jié)合形成無色物質(zhì)。同時(shí)，亞硫酸還有漂白和抑制微生物生長(zhǎng)的作用[3]。雖然二氧化硫和亞硫酸鹽對(duì)果蔬中的褐變有高效的抑制作用，但是亞硫酸鹽用于食品中會(huì)對(duì)人的健康產(chǎn)生影響，已經(jīng)被限制使用，所以人們都致力于研究亞硫酸鹽的替代品。2.2.2 抗壞血酸

抗壞血酸是近年來食品工業(yè)中應(yīng)用最多的褐變抑制劑，它在酶反應(yīng)體系中的作用是相當(dāng)復(fù)雜的。它既是還原劑可以還原醌類物質(zhì)，而且還可以作為銅離子的螯合劑，通過-OH 與多酚氧化酶的輔基Cu2+螯和，也可以直接被多酚氧化酶氧化，起到競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用。抗壞血酸的添加量十分關(guān)鍵，添加量過少，不僅不能抑制褐變，反而易與

氨基酸反應(yīng)促進(jìn)羰氨反應(yīng)造成非酶褐變；添加量過多，成品在貯存期間，特別是在較高溫度下，由于氧化后所形成的酮化合物與氨化合物發(fā)生非酶促褐變反應(yīng)，從而加劇成品的變色[4]。近年來對(duì)抗壞血酸和其他抑制劑聯(lián)合使用效果的研究比較多。2.2.3 L-半胱氨酸

L-半胱氨酸也是一種強(qiáng)效抑制劑，其抑制褐變的機(jī)制歸納起來為：一是醌類物質(zhì)能與半胱氨酸形成無色的復(fù)合物，阻止了醌類物質(zhì)聚合而不能形成的色素物質(zhì)；二是半胱氨酸可通過與PPO活性位點(diǎn)的銅離子不可逆結(jié)合而抑制酶活性，或者替代PPO 活性位點(diǎn)的組氨酸殘基；三是半胱氨酸并非阻止PPO 氧化酚類，而是阻止酚類的聚合[5]。但是L-半胱氨酸會(huì)產(chǎn)生令人不愉快的氣味，破壞產(chǎn)品風(fēng)味，所以近年來致力于研究L-半胱氨酸與其他抑制劑聯(lián)合使用的效果。2.2.4 曲酸

曲酸及其衍生物對(duì)酪氨酸酶（或稱多酚氧化酶PPO）有強(qiáng)烈抑制作用，20μg/ml 濃度的曲酸就可抑制不同來源的酪氨酸酶的70%~80%的活力。另外曲酸具有抗氧化性，它的酚羥基可以被還原；它還可與Fe、Cu、Mn 等金屬離子發(fā)生螯合反應(yīng)。劉波[6]發(fā)現(xiàn)曲酸在蘋果汁褐變中的抑制率可以達(dá)到70%~80%。2.2.5 酸化劑

引起酶促褐變最適宜的pH 范圍在4~7 之間。降低介質(zhì)中的pH，可以控制酚酶的活性，抑制其催化作用。一般通過添加酸控制pH 在3 以下，酚酶的活性就幾乎可以完全喪失。常用的酸有檸檬酸、蘋果酸、抗壞血酸及其它有機(jī)酸混合溶液。2.2.6 4-乙基間苯二酚（4-HR）

4-己基間苯二酚（4-HR）是一種新型抗氧化劑，是酪氨酸酶的有效抑制劑，其化學(xué)穩(wěn)定性相當(dāng)好，安全性高，對(duì)酚酶抑制力強(qiáng)，已被推薦用于防治果蔬產(chǎn)品的酶促褐變，具有良好的應(yīng)用前景。Luo等報(bào)道，0.005% 4-己基間苯二酚（4-HR）對(duì)蘋果片的褐變已有明顯的抑制作用[7]。謝紹萍等報(bào)道，當(dāng)4HR 添加量≥0.1%時(shí)，對(duì)香蕉漿液的護(hù)色有較好的效果[8]。4-己基間苯二酚也被證實(shí)能夠有效地抑制蘑菇、鮮切梨、馬鈴薯的酶促褐變。2.2.7 復(fù)合抑制劑

近年來研究最多的就是各種褐變抑制劑的聯(lián)合作用，許多報(bào)導(dǎo)都顯示了復(fù)合抑制劑的效果遠(yuǎn)好于單一抑制劑。H.Ozoglu 等報(bào)道了0.49mM 的抗壞血酸、0.42mM 的L-半胱氨酸和0.05mM 的肉桂酸的抑制劑組合在蘋果汁中的褐變抑制效果遠(yuǎn)好于單一抑制劑的效果[9]。2.2.8 杜仲葉提取物

杜仲作為一味中藥，在我國(guó)應(yīng)用很廣泛。杜仲葉也有很好的保健效果，如鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、降壓、抗炎等作用。Min-Kyung Lee 等報(bào)導(dǎo)了杜仲葉提取物在許多果蔬汁中都有很好的抑制褐變的效果，而且耐酸耐堿，是一種很好的褐變抑制劑[10]。杜仲 葉提取物抑制褐變的機(jī)理還未明確，實(shí)驗(yàn)中杜仲葉提取物經(jīng)過透析以后褐變抑制效果大大降低，表明其中抑制褐變的主要成分應(yīng)該是一些小分子物質(zhì)。2.2.9 洋蔥提取物

洋蔥作為一種蔬菜在我國(guó)食用也很廣泛，具有抗氧化、降血糖、殺菌、抗癌等保健效果。Mi-Jeong Kim 等報(bào)導(dǎo)了洋蔥提取液在梨果汁中具有不錯(cuò)的抑制效果[11]。但是洋蔥的褐變抑制機(jī)理還不明確。洋蔥中含有微量元素硒，是一種很強(qiáng)的抗氧化劑，除此外還含有L-半胱氨酸和類黃酮物質(zhì)，洋蔥提取物中的這些成分可能是褐變抑制效果的主要成分。但是洋蔥提取物有強(qiáng)烈的刺激氣味，用于果汁中會(huì)對(duì)風(fēng)味造成很大的影響。2.2.10 桑樹皮和桑樹枝提取物

中藥中的桑白皮具有降血糖、利尿、抗人艾滋病毒、降血壓、抗菌等作用。李海濤等報(bào)導(dǎo)了桑白皮和桑樹枝條提取物在渾濁蘋果汁中具有很好的抑制效果[12]。從桑白皮中分離提取的桑皮苷A和氧化白藜蘆醇也具有很好的抑制褐變效果，很可能是桑白皮和桑樹枝條提取物抑制褐變的主要成分。但是桑白皮和桑樹枝條提取物的褐變抑制 機(jī)理還不明確。展望

控制果蔬汁在加工、儲(chǔ)藏過程中的酶促褐變，提高果蔬汁產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和外觀品質(zhì)是人們長(zhǎng)期關(guān)注的問題。目前，人們已經(jīng)從原料選擇、酶活性和酶促反應(yīng)的抑制、反應(yīng)產(chǎn)物的改變、氧氣的控制等多方面入手，找到了多種控制果蔬汁中酶促褐變的有效方法。但是因?yàn)楣咧械腜PO 具有特異性，根據(jù)果蔬品種的不同，各種褐變抑制劑的抑制效果也不盡相同，都存在著一定的局限性。同時(shí)，由于過氧化物也會(huì)引起酶促褐變，還應(yīng)結(jié)合過氧化物引起的酶促褐變以及非酶褐變一同加以研究，才能找到控制果蔬汁褐變的理想方法。

第二篇：果膠酶在果蔬汁中的應(yīng)用

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)

專業(yè)文獻(xiàn)綜述

題

目:

果膠酶在果蔬汁中的應(yīng)用

姓

名:

韋奇才

學(xué)

院:

食品科學(xué)與藥學(xué)院

專

業(yè):

食品科學(xué)與工程

班

級(jí):

082班

學(xué)

號(hào):

084031266

2010年 12 月 28 日 新 疆 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)

摘要:果膠酶普遍存在于細(xì)菌、真菌和植物中是分解果膠類物質(zhì)的酶的總稱,在果蔬加工、紡織和造紙工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，果膠酶在果蔬飲料中的應(yīng)用也非常廣泛。本文綜合介紹了果膠的組成和結(jié)構(gòu)論述了果膠酶的分類、作用機(jī)制及酶活性測(cè)定方法，討論了果膠酶在果蔬汁的出汁率、澄清、超濾等方面的應(yīng)用，并對(duì)果膠酶在果蔬飲料加工中的應(yīng)用等方面進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞:果膠酶 果蔬汁 出汁率 澄清 超濾 營(yíng)養(yǎng)成分

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，果品成了人類健康不可缺少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。雖然我國(guó)有豐富的果品資源，然而因果品本身營(yíng)養(yǎng)豐富含水量高，很容易受微生物污染故保存期比較短。為了充分利用資源優(yōu)勢(shì)提高我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力，必須大力發(fā)展果品加工業(yè)。但是目前果品加工中存在著不少難題例如果汁和果酒的澄清果實(shí)的脫皮、加工過程中香氣成分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損耗等。解決這些難題僅僅靠改進(jìn)加工工藝或增加設(shè)備投資是很難實(shí)現(xiàn)的。而目前有許多難題已經(jīng)通過酶工程的應(yīng)用得到了很好的解決。

近年來酶工程在果品加工中的應(yīng)用非常廣泛,所用的酶種類越來越多,數(shù)量也越來越大,人類已開發(fā)出應(yīng)用于果蔬汁中的酶類如果膠酶、果膠酯酶、纖維素酶、鼠李糖苷酶、中性蛋白酶、半乳甘露聚糖酶、液化葡萄糖苷酶等,其中使用最多的是果膠酶。1 果膠酶

國(guó)外對(duì)果膠酶的研究始于20世紀(jì)30年待至50年代已工業(yè)化生產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)的研究則始于80年代末才開始工業(yè)化生產(chǎn)。隨著我國(guó)水果種植和水果加工業(yè)的發(fā)展，對(duì)果膠酶的開發(fā)和應(yīng)用也迅速發(fā)展。在果汁生產(chǎn)過程中果膠酶可以快速?gòu)氐椎孛摮z，降低果汁黏度利于果汁過濾澄清濾液且澄清度穩(wěn)定;減少化學(xué)澄清劑的用量改善果汁質(zhì)量;果膠酶利于壓榨可以有效地提高水果的出汁率，在沉降、過濾、離心分離過程中改善果汁的過濾效率，利于沉淀分離，加速和增強(qiáng)果汁的澄清作用。經(jīng)果膠酶處理的果汁穩(wěn)定性好，可防止存放過程中產(chǎn)生渾濁，沉淀和絮凝現(xiàn)象。1.1 果膠酶的定義

果膠酶是指能夠分解果膠物質(zhì)的酶的總稱，是果汁生產(chǎn)中最重要的酶制劑之一，已被廣泛應(yīng)用于果汁的提取和澄清、改善果汁的質(zhì)量以及植物組織的浸漬和提取。

1.2 果膠酶的分類及作用機(jī)制

果膠酶可以分為3類:原果膠酶、解聚酶和果膠酯酶(PE)。原果膠酶將不溶性的原果膠水解為水溶性果膠，根據(jù)其作用方式不同又可分為外切酶和內(nèi)切酶。一般用苯酚-硫酸法測(cè)定溶液中由原果膠釋放出果膠物質(zhì)的量，來確定原果膠酶的活力。

聚半乳糖醛酸酶(PG)分為外切酶和內(nèi)切酶。PG內(nèi)切酶廣泛存在于真菌、細(xì)菌和很多酵母中高等植物中也發(fā)現(xiàn)有內(nèi)切酶的存在。內(nèi)切酶作用于聚半乳糖醛酸時(shí)隨機(jī)水解其中的半乳糖醛酸單位可使其溶液的粘度下降但還原力增加不大。聚半乳糖醛酸酶的活力可以通過測(cè)定反應(yīng)中還原能力的增加或者底物溶液粘度的降低來確定。聚半乳糖醛酸裂解酶(PGL)和聚甲基半乳糖醛酸裂解酶(PMGL)分別通過反式消去作用切斷果膠酸分子和果膠分子的α-14糖苷鍵，生成β-45不飽和半乳糖醛酸。這兩種裂解酶都分為外切酶和內(nèi)切酶兩種，一些植物軟腐病菌、食品腐敗菌以及霉菌均能產(chǎn)生外切聚半乳糖醛酸酶。裂解酶的活力可以通過測(cè)定其釋放的不飽和糖醛酸數(shù)量來計(jì)算。2 果膠酶在果蔬飲料生產(chǎn)中的應(yīng)用

果膠酶作為果蔬汁生產(chǎn)中最重要的酶制劑之一，已被廣泛應(yīng)用于果蔬汁的提取和澄清、改善果蔬汁的可過濾性以及植物組織的浸漬和提取。

目前大部分原果汁、濃縮果汁的生產(chǎn)過程中都在使用果膠酶，但由于各種水果中果膠含量差別較大，而且果膠質(zhì)的成分也有差異，因此應(yīng)根據(jù)水果的不同品種、不同加工目的來確定合適組成的果膠酶。2.1 果汁的提取

目前果汁的提取方法主要是加壓榨出和過濾果汁，加工時(shí)首先將植物細(xì)胞壁破壞。大多數(shù)植物細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素和果膠物質(zhì)等組成細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)較緊密，單純依靠機(jī)械或化學(xué)方法難以將其充分破碎。另外果膠隨成熟度的增加酯化程度較高，也是影響出汁率的主要因素之一。

用果膠酶處理可以破壞果實(shí)細(xì)胞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高果實(shí)的破碎程度，有效降低其黏度改善壓榨性能，提高出汁率和可溶性固形物含量，從而就能在壓榨時(shí)達(dá)到提高出汁效率并縮短壓榨時(shí)間的目的，同時(shí)把大分子的果膠物質(zhì)降解后有利于后續(xù)的澄清、過濾和濃縮工序。例如在蘋果汁生產(chǎn)中蘋果要先經(jīng)機(jī)械壓榨然后離心獲得果汁但果汁中仍然含有較多的不溶性果膠而呈渾濁狀。直接將果膠酶加到蘋果汁中處理后經(jīng)加熱殺菌、滅酶、過濾得到澄清的果汁。2.2 果膠酶能提高果蔬汁的出汁率

果膠酶是應(yīng)用于果蔬飲料生產(chǎn)中最主要的酶類，它能較大幅度地提高果蔬飲料的出汁率，改善其過濾速度和保證產(chǎn)品貯存穩(wěn)定性等。若添加果膠酶制劑則可降低葡萄汁液的黏稠度，提高出汁率，縮短加工時(shí)間，獲得色澤清亮、汁液清澈的葡萄汁。

在蘋果濃縮汁生產(chǎn)中為了避免液化技術(shù)的缺點(diǎn)，很多廠商采用兩階段液化技術(shù)或者稱為果渣液化技術(shù):首先在果漿中添加果膠酶浸漬后壓榨或者不加果膠酶直接壓榨;接著將壓榨后的果渣加水之后加入果膠酶和纖維素酶進(jìn)行酶解然后壓榨從而大大提高蘋果的出汁率。2.3 果膠酶能使果蔬飲料澄清

果膠酶作用于果蔬汁時(shí)除降低粘度外還可產(chǎn)生絮凝作用使果蔬汁澄清。澄清機(jī)理的實(shí)質(zhì)包括果膠的酶促水解和非酶的靜電絮凝兩部分。果汁中有很多物質(zhì)如纖維素、蛋白質(zhì)、淀粉、果膠物質(zhì)等，影響澄清且果膠物質(zhì)是造成果汁混濁的主要因素。在櫻桃汁的加工過程中添加果膠酶使果膠水解從而使櫻桃汁黏度降低過濾阻力減小，過濾速度加快;同時(shí)由于櫻桃汁中的懸浮果粒失去高分子果膠的保護(hù)，很容易發(fā)生沉降而使上層汁液清亮，在以后的澄清過程中明膠澄清劑的加入量便可大大減少。

果膠酶還可以用于蘋果汁、甘蔗汁、蟠桃汁、桃杏李果汁等的澄清。添加果膠酶時(shí)應(yīng)使酶與果漿混合均勻根據(jù)原料品種控制酶制劑的用量并控制作用的溫度和時(shí)間。若果膠酶與明膠結(jié)合使用效果更佳。有時(shí)采用復(fù)合酶法澄清如在澄清棗汁時(shí)使用果膠酶和α-淀粉酶。2.4 果膠酶能提高超濾時(shí)的膜通量

利用超濾技術(shù)生產(chǎn)清汁及濃縮清汁在果蔬汁加工業(yè)中越來越流行。超濾比傳統(tǒng)的過濾速度快、效果好但它的主要缺點(diǎn)是由于果蔬汁中大量糖的存在，在超濾過程中會(huì)使超濾系統(tǒng)產(chǎn)生次生覆膜降低了超濾通量。加入分解多糖物質(zhì)的商品果膠酶可減少次生覆膜的產(chǎn)生，提高超濾通量增加了產(chǎn)量。因此脫膠對(duì)于獲得較高的膜通量和濃縮比非常關(guān)鍵。除了可以提高膜通量果膠酶還可用于超濾膜的清洗。

與化學(xué)方法相比利用果膠酶清洗超濾膜，能100%地進(jìn)行生物降解而且可以在最佳pH、溫度下作用從而可以縮短清洗時(shí)間、增加超濾膜的通透量和使用壽命、增加產(chǎn)量、節(jié)省能源。因此將超濾技術(shù)與酶技術(shù)聯(lián)用對(duì)發(fā)揮超濾作用至關(guān)重要。

2.5 果膠酶能改善果蔬飲料的營(yíng)養(yǎng)成分

利用果膠酶生產(chǎn)果蔬汁不僅提高了出汁率而且保留了果蔬汁中的營(yíng)養(yǎng)成分。首先果蔬汁的可溶性固形物含量明顯提高，而這些可溶性固形物由可溶性蛋白質(zhì)和多糖類物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分組成。果蔬汁中的胡蘿卜素的保存率也明顯提高。

對(duì)果膠酶處理果汁的研究表明酶處理后的果汁的葡萄糖、山梨糖和果糖含量顯著提高，蔗糖含量下降總糖含量上升。此外由于果膠的脫酯化和半乳糖醛酸的大量生成，造成果汁的可滴定酸度上升pH下降。芳香物質(zhì)含量也有明顯提高，經(jīng)果膠酶處理后的葡萄汁各種酯類、萜類、醇類和揮發(fā)性酚類含量提高葡萄汁的風(fēng)味更佳。由于細(xì)胞壁的破裂，類胡蘿卜素、華色苷等大量色素溶出大大提高了果蔬汁的外觀品質(zhì)。K、Na、Ca、Zn 等礦物質(zhì)元素含量也有較大提高。2.6 果膠酶能改善濃縮果汁品質(zhì)

果汁濃縮后不僅流動(dòng)性差而且穩(wěn)定性也差，因此果汁的濃縮也需先澄清和脫果膠，以避免濃縮時(shí)產(chǎn)生膠凝。果汁經(jīng)酶處理去除果膠后，再濃縮所得濃縮汁有較好的流動(dòng)性并且重新稀釋后仍是穩(wěn)定的。尤其適用于柑橘類濃縮汁的生產(chǎn)。

目前果膠酶在果品加工中的應(yīng)用還有脫苦和去除異味等，不同活性比例的果膠酶制劑已在許多國(guó)家成為標(biāo)準(zhǔn)加工作業(yè)。隨著酶技術(shù)本身的發(fā)展，果膠酶在食品工業(yè)尤其在果品加工業(yè)中的應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊。2.7 果膠酶還可用于果實(shí)脫皮——脫除及凈化果皮

含有纖維素和半纖維素的粗果膠酶制劑能夠作用于果實(shí)皮層使之細(xì)胞分離、結(jié)構(gòu)破壞而脫落。如柑桔囊衣、蓮子肉皮和大蒜膜層經(jīng)粗果膠酶處理后可以很快地脫落。此外果膠酶對(duì)杏仁也有一定的脫皮作用。

目前不同活性比例的果膠酶制劑已是降解果蔬細(xì)胞壁改善壓榨性能、降低粘度、增加出汁率和提高營(yíng)養(yǎng)成分不可省略的部分。在許多國(guó)家添加果膠酶已是制造澄清或者濃縮的草莓汁、葡萄汁、蘋果汁及梨汁的標(biāo)準(zhǔn)加工作業(yè)。隨著酶技術(shù)本身的發(fā)展果膠酶在果蔬汁中的應(yīng)用前景會(huì)更加光明。

小結(jié)

目前在果蔬汁加工業(yè)中已廣泛采用果膠酶降解果蔬細(xì)胞壁以改善壓榨性能、降低粘度、增加出汁率和提高營(yíng)養(yǎng)成分。在食品加工中酶的一個(gè)重要用途是使原料更易于處理，增加產(chǎn)品的得率。使用果膠酶、纖維素酶和半纖維素酶可促進(jìn)細(xì)胞分離細(xì)胞壁變軟，這特別適于水果和蔬菜。果膠酶作用于果膠質(zhì)中D-半乳糖醛酸殘基之間的糖苷鍵使高分子的聚半乳糖醛酸降為小分子物質(zhì)。因此它在食品工業(yè)有重要的應(yīng)用價(jià)值。果膠酶是應(yīng)用于果蔬汁生產(chǎn)中且主要的酶類它可以較大幅度地提高果蔬品種的出汁率，改善其過濾速度和保證產(chǎn)品貯存穩(wěn)定性。隨著軟飲料行業(yè)的快速發(fā)展果膠酶的需求和應(yīng)用前景將極為廣泛。

我國(guó)對(duì)果膠酶的工業(yè)化應(yīng)用還處于相對(duì)滯后的狀態(tài)，為提高果膠酶的使用率簡(jiǎn)化產(chǎn)品提純工藝并達(dá)到連續(xù)化生產(chǎn)的目的，將果膠酶固定于廉價(jià)載體上已成為國(guó)際上研究的一項(xiàng)重要課題。

參考文獻(xiàn)

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第三篇：固定化酶在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用

固定化酶在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用

姓名：胡艷芬 學(xué)號(hào)：2008132106 指導(dǎo)教師：張孟

摘要

酶是一類有催化功能的蛋白質(zhì),具有反應(yīng)條件溫和, 底物專一性強(qiáng), 可在水溶液和中性pH 下操作等優(yōu)點(diǎn)。與游離酶相比，固定化酶在保持其高效專一及溫和的酶催化反應(yīng)特性的同時(shí)，又克服了游離酶的不足之處。本文簡(jiǎn)要介紹了固定化酶的概念、制備方法及其在生物、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)等方面的廣泛應(yīng)用。重點(diǎn)介紹一些固定化酶在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞

固定化酶 制備 工業(yè) 應(yīng)用 前景

酶是一類由活細(xì)胞產(chǎn)生的具有生物催化功能的分子量適中的蛋白質(zhì),具有極高的催化效率、高度的特異性及控制的靈敏性。大多數(shù)酶是水溶性的。由于酶催化反應(yīng)具有底物專一性、催化高效性、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn),符合綠色化學(xué)的要求,從而被大家高度重視,已在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。酶的最大缺點(diǎn)是其不穩(wěn)定性,在酸、堿、熱及有機(jī)溶劑中易發(fā)生變性,活性降低或喪失;而且酶反應(yīng)后,會(huì)在溶液中殘留,造成酶反應(yīng)難以連續(xù)化、自動(dòng)化,同時(shí)也不利于終產(chǎn)品的分離提純,這些都大大阻礙了酶工業(yè)的發(fā)展,所以有必要采取酶工程技術(shù)改善這些缺點(diǎn)。酶工程技術(shù)措施較多,其中酶的固定化技術(shù)是重要舉措之一。酶的固定化是用人工方法把從生物體內(nèi)提取出來的酶固定在特定的載體上或使酶與酶相交聯(lián),酶被限定在一定區(qū)域內(nèi),但仍保持原有高效、專

一、條件溫和的催化功能。

已固定化的酶像化學(xué)反應(yīng)所用的固體催化劑那樣, 既能發(fā)揮它們的催化特性, 又能回收, 并能多次反復(fù)使用, 使整個(gè)生產(chǎn)工藝可以連續(xù)化、自動(dòng)化。近年來, 國(guó)內(nèi)外科技工作者在固定化酶在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用做了大量研究，并得到了廣泛的發(fā)展，本文將對(duì)這些成就做具體介紹。固定化酶的概念

1916 年Nelson 和Griffin 最先發(fā)現(xiàn)了酶的固定化現(xiàn)象后, 科學(xué)家就開始了固定化酶的研究工作。1969 年日本一家制藥公司第1 次將固定化的?；被崴饷赣脕韽幕旌习被嶂猩a(chǎn)L-氨基酸, 開辟了固定化酶工業(yè)化應(yīng)用的新紀(jì)元。酶的固定化是用人工方法把從生物體內(nèi)提取出來的酶固定在特定的載體上或使酶與酶相交聯(lián),酶被限定在一定區(qū)域內(nèi),但仍保持原有高效、專

一、條件溫和的催化功能。通常酶是游離的,而經(jīng)過固定化以后,酶被束縛在一定區(qū)域內(nèi),因而這樣的酶被稱為固定化酶

[ 3, 4 ]

[2][1]

。與游離酶相比, 固定化酶在保持其高效專一及溫和的酶催化反應(yīng)特性的同時(shí), 又克服了游離酶的不足, 呈現(xiàn)貯存穩(wěn)定性高、分離回收容易、可多次重復(fù)使用、操作連續(xù)可控、工藝簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)。固定化酶的制備

酶的固定化(enzyme immob ilization)是指采用有機(jī)或無機(jī)固體材料作為載體(carrier or support),將酶包埋起來或束縛、限制于載體的表面和微孔中, 使其仍具有催化活性, 并可回收及重復(fù)使用的酶化學(xué)方法與技術(shù)。固定化酶的制備方法有物理法和化學(xué)法兩大類。物理方法包括物理吸附法、包埋法等。物理法固定酶的優(yōu)點(diǎn)在于酶不參加化學(xué)反應(yīng),整體結(jié)構(gòu)保持不變,酶的催化活性得到很好保留。化學(xué)法是將酶通過化學(xué)鍵連接到天然的或合成的高分子載體上,使用偶聯(lián)劑通過酶表面的基團(tuán)將酶交聯(lián)起來,而形成相對(duì)分子量更大、不溶性的固定化酶的方法。

2.1 傳統(tǒng)的酶固定化方法

傳統(tǒng)的酶固定化方法大致可分為4 類: 吸附法、交聯(lián)法、包埋法、共價(jià)結(jié)合法。吸附法是最早出現(xiàn)的酶固定化方法, 包括物理吸附和離子交換吸附。該法條件溫和, 酶的構(gòu)象變化較小或基本不變, 因此對(duì)酶的催化活性影響小, 但酶和載體之間結(jié)合力弱, 在不適pH、高鹽濃度、高溫等條件下, 酶易從載體脫落并污染催化反應(yīng)產(chǎn)物等。交聯(lián)法是利用雙功能或多功能交聯(lián)試劑, 在酶分子和交聯(lián)試劑之間形成共價(jià)鍵, 采用不同的交聯(lián)條件和在交聯(lián)體系中添加不同的材料, 可以產(chǎn)生物理性質(zhì)各異的固定化酶。交聯(lián)法一般作為其它固定化方法的輔助手段。包埋法的基本原理是載體與酶溶液混合后, 借助引發(fā)劑進(jìn)行聚合反應(yīng), 通過物理作用將酶限定在載體的網(wǎng)格中, 從而實(shí)現(xiàn)酶固定化的方法。該法不涉及酶的構(gòu)象及酶分子的化學(xué)變化, 反應(yīng)條件溫和, 因而酶活力回收率較高。包埋法固定化酶易漏失, 常存在擴(kuò)散限制等問題, 催化反應(yīng)受傳質(zhì)阻力的影響, 不宜催化大分子底物的反應(yīng)。載體偶聯(lián)法是指酶分子的非必須基團(tuán)與載體表面的活性功能基團(tuán)通過形成化學(xué)共價(jià)健實(shí)現(xiàn)不可逆結(jié)合的酶固定方法, 又稱共價(jià)結(jié)合法。載體偶聯(lián)法所得的固定化酶與載體連接牢固, 有良好的穩(wěn)定性及重復(fù)使用性,成為目前研究最為活躍的一類酶固定化方法。但該法較其它固定方法反應(yīng)劇烈, 固定化酶活性損失更加嚴(yán)重。2.2 傳統(tǒng)固定化技術(shù)的改進(jìn)

保持各種傳統(tǒng)固定化方法的優(yōu)點(diǎn)并改進(jìn)其不足一直是固定化酶方面研究的重要內(nèi)容。改善酶固定化效果的途徑有: 改善表面積以及孔徑等物理結(jié)構(gòu),如采用分子篩或納米纖維微孔膜;改善化學(xué)交聯(lián)的反應(yīng)及方式, 如輻照, 引發(fā)劑引發(fā)等;改善結(jié)合的方向選擇性, 如采用定向固定化的方法;其他手段, 如利用長(zhǎng)臂使酶遠(yuǎn)離載體表面, 使載體-酶體系的溶解度隨溫度、pH 值等條件的改變而改變, 以便于產(chǎn)物的分離及酶的回收。針對(duì)不同的酶有不[5]同的策略, 對(duì)于某些酶可能取向很重要, 而對(duì)于其他酶可能載體造成的環(huán)境重要一些, 因此, 每種酶固定的最佳條件目前還是特異的, 沒有統(tǒng)一的理論, 其原因可能是相互間的影響因素太多, 而酶又多由具有復(fù)雜組成和空間構(gòu)型的蛋白質(zhì)構(gòu)成, 不存在明顯的因果聯(lián)系。今后可望建立起適用的模型, 使用計(jì)算機(jī)得到最優(yōu)的固定策略。2.3 新型酶固定化方法

開發(fā)新型酶固定化方法的原則是: 實(shí)現(xiàn)在較為溫和的條件下進(jìn)行酶的固定化, 盡量減少或避免酶活力的損失。通過輻射、光、等離子體、電子等新方法均可制備高活性固定化酶。Mohy 等[ 6] 以137 Cs 為輻射源,通過C2射線引發(fā)將甲基丙烯酸甲酯接枝共聚于尼龍膜表面, 經(jīng)進(jìn)一步活化, 用于青霉素?；傅墓潭?。光偶聯(lián)法是以光敏性單體聚合物包埋固定化酶或帶光敏性基團(tuán)的載體共價(jià)固定化酶, 由于條件溫和, 可獲得酶活力較高的固定化酶。Li等 利用含芳香疊氮基的光活性酯, 在遠(yuǎn)紫外光輻照下, 疊氮基光解生成氮烯與PES 膜表面的C-H 鍵間發(fā)生插入反應(yīng)形成仲胺, 將脲酶共價(jià)鍵合到PES 膜的表面。等離子體是高度激發(fā)的原子、分子、離子以及自由基的聚集體, 大量的等離子體常在室溫下存在。載體材料表面可以由等離子體進(jìn)行有用修飾

[ 8, 9]

[ 7]

, 從而引入活性基團(tuán)。Puleo 等將鈦合金T i26Al24V 表面用丙烯酸胺等離子體處理引入氨基, 然后將含碳硝化甘油接枝于鈦合金表面, 或者將等離子體處理的鈦合金先由琥珀酸酐處理, 再用含碳硝化甘油接枝, 進(jìn)而將溶菌酶和骨形態(tài)蛋白進(jìn)行固定, 實(shí)現(xiàn)了生物分子在生物惰性金屬上的固定化。固定化酶在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 酶蛋白工程在工業(yè)酶中的應(yīng)用

目前酶蛋白質(zhì)工程主要集中在工業(yè)用酶的改造, 因?yàn)楣I(yè)用酶有較好的酶學(xué)和晶體學(xué)研究基礎(chǔ), 酶的發(fā)酵技術(shù)(包括誘變技術(shù)和篩選方法)也比較成熟, 而且其微生物的遺傳工程發(fā)展較好, 其次工業(yè)酶無須進(jìn)行醫(yī)學(xué)鑒定, 能很快地投入使用.如用作洗衣粉添加酶的枯草桿菌蛋白酶, 是一種天然的絲氨酸蛋白酶, 它能夠分解蛋白質(zhì), 使衣服上的血跡和汗?jié)n等很容易洗掉.但這種酶一般比較脆弱, 在漂白劑的作用下容易被破壞而失去活性, 原因是222位的甲硫氨酸容易被氧化成砜或亞砜.現(xiàn)在利用蛋白質(zhì)工程技術(shù), 用絲氨酸或丙氨酸替代后, 酶的抗氧化能力大大提高, 可在0.5mol/L 的過氧化氫溶液中停留1小時(shí)而活性絲毫未損, 這樣便可與漂白劑混合使用.可以預(yù)見生物工程技術(shù)的發(fā)展和酶固定化技術(shù)可以相互補(bǔ)充, 共同發(fā)展對(duì)酶在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用必將起到更大的推動(dòng)作用。3.2 固定化酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用

酶固定化在食品工業(yè)中的應(yīng)用是早期發(fā)展起來的一個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域.其中最有名的, 也是規(guī)模最大的過程, 就是采用固定化葡萄糖異構(gòu)酶, 從葡萄糖生產(chǎn)高果糖漿.其它還包括采用固定化乳糖酶去除牛乳中的乳糖、采用固定化脂肪酶通過轉(zhuǎn)酶反應(yīng)生產(chǎn)可可油替代品、采用固定化耐熱蛋白酶制造甜味劑2天冬甜精, 以及應(yīng)用固定化L2天冬酶從富馬酸銨生產(chǎn)天冬氨酸等[ 7]。1973 年,日本用聚丙烯酸酰胺為載體,用包埋法制成固定化天冬氨酸酶,用于工業(yè)化生產(chǎn)。固定化乳糖酶和固定化天門冬氨酸-β-脫羧酶分別于1977 年和1982 年用于工業(yè)化生產(chǎn)。

3.2.1 固定化酶在乳制品生產(chǎn)中的應(yīng)用

牛奶中含有一定量的乳糖,有些人體內(nèi)缺乏乳糖酶,在飲用牛奶后常出現(xiàn)腹瀉、腹脹等癥狀;另外,由于乳糖難溶于水,常在煉乳、冰淇淋中呈沙樣結(jié)晶析出,影響風(fēng)味。乳糖酶可將乳糖分解為半乳糖和葡萄糖,如將牛奶用乳糖酶處理則可解決上述問題。Fernandes等[ 6 ]研究用瓊脂糖作載體,固定來源于南極的冷適應(yīng)菌Pseudoalterom onas sp的β-半乳糖苷酶,并應(yīng)用于牛奶中乳糖的降解,生產(chǎn)低乳糖牛奶;Caterina等[ 7 ]運(yùn)用固定化技術(shù),研究牛奶中堿性磷酸酶的耐熱性;Mona等[ 8 ]研究用離子吸附法固定來源于B acillus licheniform is 5A1的牛奶凝結(jié)酶,并用于干酪生產(chǎn)。

3.2.2 固定化酶在啤酒生產(chǎn)中應(yīng)用

在啤酒生產(chǎn)中,需添加外源性的淀粉酶來補(bǔ)充天然酶的不足。此外,長(zhǎng)期放置的啤酒會(huì)由于多肽和多酚物質(zhì)發(fā)生聚合反應(yīng)而變得混濁,為防止出現(xiàn)混濁,目前主要采用添加蛋白酶來水解啤酒中的蛋白質(zhì)和多肽。溫燕梅等以化學(xué)共沉淀法制得的磁性聚乙二醇膠體粒子為載體,固定胰蛋白酶,該磁性酶對(duì)啤酒澄清、防止冷渾濁有明顯效果;Stepanova等研究用DEAE-纖維素固定β-葡萄糖苷酶和多聚半乳糖醛酸酶,用于櫻桃、李子的果酒生產(chǎn)。3.2.3 固定化酶在茶飲料生產(chǎn)中的應(yīng)用

將固定化酶法應(yīng)用于茶飲料生產(chǎn)中,可去除異味,提高適口性,提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。李平等

[ 9 ]

研究從黑曲霉(Aspergillus niger)發(fā)酵液中提取β-葡萄糖苷酶酶液,用絲素蛋白將其固定,此固定化酶可應(yīng)用于茶汁的風(fēng)味改良;蘇二正

[10 ]

等以海藻酸鈉為載體,采用交聯(lián)-包埋-交聯(lián)的方法共固定化了單寧酶和β-葡萄糖苷酶,可應(yīng)用于茶飲料的除渾和增香處理。3.3 固定化酶在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用。

水解蛋白酶固定化后可用于肽及有機(jī)化合物的酶促合成,如硅藻土固定化木瓜蛋白酶可在乙酸乙酯介質(zhì)中催化合成LeuPhe-LeuLL231 [ 3 ] 彭志英1 食品酶學(xué)導(dǎo)論[M ] 1 北京: 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 20021 [ 4 ] 羅貴民,曹淑桂,張今1酶工程[M ] 1北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002 [ 5 ] 楊昌英, 潘家榮, 鐘珩等.醋酸纖維素固定化脂肪酶催化豬油合成單甘酯[ J ].湖北化工, 2002,(6): 20 21.[ 6 ] Mohy M Y, Ben civenga U, Rossi S, et al.Charact erizat ion theact ivity of pen icillin G acyl as e immobilized on to nylon membranesgraft ed with different acrylic monomers by means of C2radiation[ J].J ou rnal of Molecular Cat alysis B: E nzymat ic, 2000: 2332 244.[ 7 ]吳國(guó)琪,凌達(dá)仁,王忱,等.固定化谷氨酸脫羧酶性能的研究[J ].離子交換與吸 附,1999 ,15(1):71.[ 8 ] Mona A E, Yannick C B1 Immobilization of Bacilluslicheniformis 5A1 milk-clotting enzyme and characterization of itsenzyme p roperties [ J ] 1 World Journal of Microbiology andBiotechnology, 2006, 22(3): 197～2001 [ 9 ] Kalia V , Goyal L , Pundir C S.烷基胺玻璃固定化葡萄糖氧化酶測(cè)定血糖[J ].生物工程學(xué)報(bào), 1998 , 14(3): 336.[ 10 ] 徐暉,王燕,魏密蘇.環(huán)境工程中固定化酶與固定化微生物的應(yīng)用[J ].滄州師范?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2002 ,18(3):42.[ 11 ] Dinelli D.Process Biochem [ J ].Process Bio chem, 1972, 7(8): 9 14.[ 12 ] 岳振峰, 彭志英, 徐建祥等.殼聚糖固定化葡萄糖苷酶的研究[ J ].食品與發(fā)酵工業(yè), 2001, 27(4): 20 24.[ 13 ] 陳雄.固定化糖化酶的研究[ J ].中國(guó)釀造, 2001,(2):19 20.[ 14 ] 唐芳瓊, 孟憲偉, 陳東, 冉均國(guó), 茍立, 鄭昌瓊.納米顆粒增強(qiáng)的葡萄糖生物傳感器[ J ] , 中國(guó)科學(xué)B 輯, 2000,30(2): 119 124.[ 15 ] 馬秀玲,陳盛,黃麗梅,等.磁性固定化酶處理含酚廢水的研究[J ].廣州化學(xué)，2003,28(1):17

Immobilized in the modern industrial application

Name: Hu Yanfen

Instructor: ZhangMeng

Abstract Enzymes are a class of proteins with catalytic function, with mild reaction conditions, substrate specificity, and can be in aqueous solution and neutral pH operation, etc..Compared with free enzyme, immobilized enzyme while maintaining its high specificity and moderate catalytic properties of enzymes, they also overcome the inadequacies of the free enzyme.This paper introduces the concept of the immobilized enzyme, preparation methods and in biology, medicine, environmental protection and other aspects of the wide range of applications.Highlights some of the immobilized enzyme applications in modern industry, and its application prospect.Key words

Immobilized Preparation Industry Application foreground

第四篇：果蔬汁飲料國(guó)內(nèi)外加工技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)

果蔬汁飲料國(guó)內(nèi)外加工技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)

摘要: 我國(guó)是水果和蔬菜生產(chǎn)大國(guó)，產(chǎn)量均居世界第一位。發(fā)展果蔬汁產(chǎn)業(yè)可以提高果蔬的附加值，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文介紹了果蔬汁飲料加工技術(shù)中的護(hù)色，超濾膜分離，超高壓，均質(zhì)，冷殺菌等技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞: 護(hù)色技術(shù)，超濾膜分離技術(shù)，超高壓技術(shù)，冷殺菌技術(shù)

前言

果蔬汁有“液體果蔬”之稱，較好的保留了果蔬原料中的營(yíng)養(yǎng)成分。人們對(duì)健康的關(guān)注，消費(fèi)意識(shí)的轉(zhuǎn)變，飲料的消費(fèi)已逐漸由嗜好性飲料向營(yíng)養(yǎng)性飲料轉(zhuǎn)變，果蔬汁飲料滿足了這—要求，市場(chǎng)正在逐漸擴(kuò)大。目前市場(chǎng)上的果汁主要有橙汁、蘋果汁、菠蘿汁、葡萄汁等，蔬菜汁主要有西紅柿汁、胡蘿卜汁、南瓜汁以及一些果蔬復(fù)合汁。

近年來，我國(guó)的果蔬汁加工業(yè)有了較大的發(fā)展，大量引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的果蔬汁加工生產(chǎn)線，如濃縮果汁生產(chǎn)線、利樂包生產(chǎn)線、康美合生產(chǎn)線、三片罐生產(chǎn)線、愛卡包生產(chǎn)線等，采用一些先進(jìn)的加工技術(shù)如高溫短時(shí)殺菌技術(shù)、無菌包裝技術(shù)、膜分離技術(shù)等，將我國(guó)的果蔬汁加工生產(chǎn)水平提高了—個(gè)層次, 果蔬汁加工產(chǎn)品的品種目前有: ①濃縮果汁:具有體積小、重量輕的特點(diǎn),可以減少貯藏、包裝及運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用,有利于國(guó)際貿(mào)易。隨著歐洲市場(chǎng)對(duì)我國(guó)濃縮蘋果汁的酸度的放松,未來我國(guó)出口歐洲的蘋果汁將會(huì)增加。②NFC 果蔬汁:不是用濃縮果蔬汁加水還原而來,而是果蔬原料經(jīng)過取汁后直進(jìn)行殺菌,包裝成成品,免除了濃縮汁調(diào)配后的殺菌過程。果蔬汁的營(yíng)養(yǎng)高、風(fēng)味好。③復(fù)合果蔬汁:利用各種果蔬原料的特點(diǎn),從營(yíng)養(yǎng)、顏色和風(fēng)味等方面進(jìn)行綜合調(diào)制,創(chuàng)造出更為理想的果蔬汁產(chǎn)品。④果肉飲料:較好地保留了水果中的膳食纖維,原料的利用率較高[1]。

我國(guó)水果、蔬菜資源豐富，其中水果年產(chǎn)量近7 000萬噸，蔬菜產(chǎn)量約5億噸，均居世界第一位。我國(guó)果蔬產(chǎn)業(yè)已成為僅次于糧食作物的第二大農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。預(yù)計(jì)到2010年，我國(guó)水果和蔬菜總產(chǎn)量將分別達(dá)到1億噸和6億噸。豐富的果蔬資源為果蔬加工業(yè)的發(fā)展提供了充足的原料。因此，果蔬加工業(yè)作為一種新興產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位日趨明顯，已成為我國(guó)廣大農(nóng)村和農(nóng)民最主要的經(jīng)濟(jì)來源和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，成為極具外向型發(fā)展?jié)摿Φ膮^(qū)域性特色、高效農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和我國(guó)農(nóng)業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)。

由于果蔬汁產(chǎn)業(yè)具有的明顯經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，國(guó)家在“十五”、“十一五”科技攻關(guān)重大專項(xiàng)和國(guó)家863項(xiàng)目中，專門設(shè)置了果蔬汁加工的課題，例如：蘋果深加工關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備研究開發(fā)、蔬菜汁產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵工藝技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)、優(yōu)質(zhì)鮮榨蘋果汁和渾濁型蘋果汁加工關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)、濃縮果汁質(zhì)量控制技術(shù)研究等。

發(fā)達(dá)國(guó)家越來越重視果蔬加工業(yè)，其發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

發(fā)達(dá)國(guó)家已實(shí)現(xiàn)了果蔬產(chǎn)、加、銷一體化經(jīng)營(yíng)，具有加工品種專用化、原料基地化、質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)管理科學(xué)化、加工技術(shù)先進(jìn)及大公司規(guī)模化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化經(jīng)營(yíng)等特點(diǎn)。同時(shí)，發(fā)展中國(guó)家果蔬加工業(yè)近年來也得到長(zhǎng)足發(fā)展。

近年來，生物技術(shù)、膜分離技術(shù)、高溫瞬時(shí)殺菌技術(shù)、真空濃縮技術(shù)、微膠囊技術(shù)、微波技術(shù)、真空冷凍干燥技術(shù)、無菌貯存與包裝技術(shù)、超高壓技術(shù)、超微粉碎技術(shù)、超臨界流體萃取技術(shù)、膨化與擠壓技術(shù)、基因工程技術(shù)及相關(guān)設(shè)備等已在果蔬加工領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。先進(jìn)的無菌冷罐裝技術(shù)與設(shè)備、冷打漿技術(shù)與設(shè)備等在美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、瑞典、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家果蔬深加工領(lǐng)域被迅速應(yīng)用，并得到不斷提升。這些技術(shù)與設(shè)備的合理采用，使發(fā)達(dá)國(guó)家加工增值能力明顯地得到提高。

果蔬飲料的工藝流程

果蔬原料

→

選果

→

清洗

→

破碎

→

榨汁

→

調(diào)配

→

過濾→

均質(zhì)

→

脫氣

→

滅菌

→

灌裝

→

封口

→

噴淋

→

殺菌→

裝箱

→

成品

根據(jù)不同的階段分析目前常采用的技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

1、護(hù)色技術(shù)的應(yīng)用

果蔬加工過程中的色澤變化統(tǒng)稱為褐變,視其褐變過程生物酶的參與與否，而劃分為酶促褐變和非酶褐變。生產(chǎn)加工過程中控制褐變產(chǎn)生常用的物理方法主要有燙漂,超濾、超聲處理、超臨界二氧化碳處理等，化學(xué)方法有：亞硫酸鹽處理、硫處理、氯化物處理、食鹽水處理酸化劑處理等。目前，對(duì)于果蔬產(chǎn)品的護(hù)色，化學(xué)抑制劑是占主導(dǎo)地位的措施。

2、超濾膜分離技術(shù)的應(yīng)用 超濾在果汁加工方面的應(yīng)用始于1977年, Hedth bell 在蘋果汁的澄清上首次獲得成功,由于超濾用于澄清果汁的加工可以提高5%-8%的產(chǎn)量.節(jié)省澄清劑、助濾劑的費(fèi)用,簡(jiǎn)化工藝,減少能耗, 降低勞動(dòng)強(qiáng)度,且對(duì)果蔬汁中營(yíng)養(yǎng)成分和芳香物質(zhì)的損失也少, 產(chǎn)品質(zhì)量高, 因而引起廣大食品科學(xué)工作者的重視。

通過試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)起濾后的果汁細(xì)菌總數(shù)下降了84 % , 因此超濾還可以使果汁達(dá)到無菌化并表現(xiàn)出冷殺菌的潛勢(shì).傳統(tǒng)加工工藝得到的澄清汁往往在貯藏中易出現(xiàn)后混濁現(xiàn)象, 據(jù)研究發(fā)現(xiàn)引起后混濁的主要原因是由于果膠、淀粉、明膠截留、酸類物質(zhì)、蛋白質(zhì)、阿拉伯聚糖、右淀糖醉、微生物、助濾劑等等.通常用果膠酶在適當(dāng)P H 下進(jìn)行分離去除, 但若用超濾處理混濁蘋果汁時(shí), 果膠和單寧等物質(zhì)可10 %去除, 同時(shí)可去除果汁中的雜菌.另外,超濾還在很在程度上保留了原汁中的V(1 3 5 m g /1 0 m l), 用于小香檳酒的處理存貯四個(gè)月以上無沉淀出現(xiàn),質(zhì)量明顯提高, 符合衛(wèi)生要求[2]。

膜分離技術(shù)應(yīng)用于果蔬汁的濃縮是目前研究的熱點(diǎn)，包括反滲透技術(shù)和聯(lián)合膜分離技術(shù)。反滲透膜技術(shù)是利用反滲透膜來濃縮果汁, 當(dāng)膜兩側(cè)的壓力差大于滲透壓差, 則水分可由濃向稀移動(dòng)。反滲透法可在常溫下進(jìn)行, 不需加熱, 但膜的品種和質(zhì)量的選擇至關(guān)重要。近年來, 人們分別對(duì)橙汁、蘋果汁、梨汁、葡萄汁、菠蘿汁、番茄汁等進(jìn)行了反滲透濃縮研究, 重點(diǎn)在探索膜的種類、操作條件對(duì)膜通量及果汁中風(fēng)味物質(zhì)截留率的影響。

通常,果汁除含有糖、酸等可溶性成分外,還含有果膠、蛋白質(zhì)、纖維素等懸浮性固形物,這樣果汁的粘度大。直接用反滲透濃縮,易造成嚴(yán)重的膜污染和較低的透水速率,很難以一級(jí)方式把果汁濃縮到蒸發(fā)法所達(dá)到的濃度。一般而言,超濾適用于大分子(如蛋白質(zhì)、膠體、多糖)與小分子(無機(jī)鹽及低分子有機(jī)物等)溶液的分離；而微濾適用于細(xì)菌、微粒等組分的分離。如果在反滲透以前,用超濾或微濾除去果汁中的果膠等懸浮性固形物,這樣可降低粘度,減少膜污染程度, 從而顯著提高反滲透的效率[3]。

3、超高壓技術(shù)在果汁加工中的應(yīng)用

高壓技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用和研究幾乎和現(xiàn)代高壓技術(shù)的發(fā)展同步。開創(chuàng)現(xiàn)代高壓技術(shù)研究先河的美國(guó)物理學(xué)家B ridgmen從1906年開始, 對(duì)物質(zhì)的宏觀物理行為的高壓效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。日本是最先將高壓技術(shù)運(yùn)用到食品工業(yè)的國(guó)家,1989年京都大學(xué)聯(lián)合農(nóng)林水產(chǎn)省和21家食品與機(jī)械公司成立了一個(gè)特殊組織, 進(jìn)行高壓食品的攻關(guān);1990年開發(fā)出世界第一種高壓食品—果醬。美國(guó)、巴西、韓國(guó)和歐洲的許多國(guó)家也先后對(duì)高壓食品加工原理、方法和技術(shù)細(xì)節(jié)及應(yīng)用前景進(jìn)行了廣泛的研究, 并已開始向市場(chǎng)提供高壓食品, 法國(guó)是第一個(gè)將高壓食品商業(yè)化的歐洲國(guó)家。目前在我國(guó), 超高壓設(shè)備在果汁、果醬加工中的應(yīng)用研究正在進(jìn)行, 結(jié)果令人滿意。

高壓處理過程中, 物料在液體介質(zhì)中被壓縮,超高壓產(chǎn)生的極高的靜壓不僅會(huì)影響細(xì)胞的形態(tài),還能使形成生物高分子立體結(jié)構(gòu)的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價(jià)鍵發(fā)生變化, 使蛋白質(zhì)凝固、淀粉等變性、酶失活或激活、細(xì)菌等微生物被殺死, 可用來改善食品的組織結(jié)構(gòu)或生成新型食品。

高壓處理基本上是一種物理過程, 對(duì)維生素、色素和風(fēng)味物質(zhì)等低分子化合物的共價(jià)鍵無明顯影響, 其主要特點(diǎn)是:(1)瞬間壓縮, 作用均勻,時(shí)間短、操作安全和耗能低;(2)污染少(熱、化學(xué));(3)更好地保持食品的原風(fēng)味(色、香、味)和天然營(yíng)養(yǎng)(如維生素C等);(4)通過組織變性, 得到新特性食品;(5)壓力不同, 作用性質(zhì)不同。

4、均質(zhì)技術(shù)

均質(zhì)是生產(chǎn)混濁果蔬汁的特有工序。均質(zhì)的目的是使果蔬汁中的不同粒度、不同相對(duì)密度的果肉顆粒進(jìn)一步破碎并使之均勻，促進(jìn)果膠滲出，增加果汁與果膠的親和力，抑制果蔬汁分層并產(chǎn)生沉淀，使果蔬汁保持均一穩(wěn)定。常用的乳化均質(zhì)機(jī)械有均質(zhì)機(jī)和膠體磨兩種。

近年來，APV 公司開發(fā)的G型(一體成型式汽缸座)和R型(三片汽缸座)高壓均質(zhì)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。G型均質(zhì)機(jī)是汽缸部件成一體型的裝置。其抽氣閥門可按用途需要選用相宜的閥門，如用于奶酪和奶油等高粘度和高磨耗性食品的選用球閥；用于植物油、牛乳和冰淇淋等低粘度、低磨損性食品的選用提升閥。R型均質(zhì)機(jī)是由三分型的汽缸件構(gòu)成，在汽缸件內(nèi)分為選擇切割部、流動(dòng)部和沖壓打漿部三部分，當(dāng)送入處理的液體物料在相對(duì)較差的條件下時(shí)或者在高于50MPa高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能夠最大限度抑制汽缸整體的破損和開裂。同樣可以按照用途不同和物料物理性狀的具體條件分別選用球閥和提升閥。

5、冷殺菌技術(shù)的應(yīng)用

殺菌是果汁飲料生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的殺菌方法是加熱殺菌法, 若加熱殺菌的溫度較低, 則會(huì)因殺菌不足而導(dǎo)致產(chǎn)品的腐敗變質(zhì);若加熱殺菌的溫度過高, 則會(huì)使果汁中的營(yíng)養(yǎng)成分受到破壞,風(fēng)味劣變、產(chǎn)生熱臭, 造成產(chǎn)品的質(zhì)量下降[4]。

冷殺菌的技術(shù)有： ① 超高壓殺菌法

超高壓殺菌法, 就是在密閉容器內(nèi), 用水作為介質(zhì)對(duì)軟包裝果汁施以400～600MPa 的壓力, 在這種強(qiáng)壓下, 能殺死果汁中幾乎所有的細(xì)菌、霉菌和酵母菌。現(xiàn)在日本市場(chǎng)上已有利用超高壓殺菌的果汁、果醬等產(chǎn)品出售。這種經(jīng)超高壓處理過的果汁, 可充分保持水果原有的色、香、味和營(yíng)養(yǎng)成分, 可以預(yù)見, 在果汁生產(chǎn)中, 超高壓殺菌技術(shù)將成為21 世紀(jì)最有前途的殺菌方法[5,6]。

②輻照殺菌

輻照殺菌是利用放射性元素(如60Co 或137Cs)衰變時(shí)放出的射線作為照射源的一種殺菌方法。用與冷殺菌技術(shù)的是電離輻照。采用這種技術(shù)進(jìn)行殺菌應(yīng)遵照我國(guó)輻照食品衛(wèi)生管理的有關(guān)規(guī)定, 選擇適當(dāng)?shù)恼丈鋭┝考皶r(shí)間(輻射殺菌的常用劑量范圍為1～500Mard、溫度范圍是-30～25 ℃), 以保證輻照食品的安全。目前有不少營(yíng)養(yǎng)口服液及粉狀全營(yíng)養(yǎng)素制品均用此法進(jìn)行滅菌處理。其它如肉禽類、水產(chǎn)品、蛋品、果蔬類、谷類及其制品、香料等也采用此技術(shù)殺菌。現(xiàn)在, 世界從事這項(xiàng)研究的國(guó)家有50 多個(gè), 已有28 個(gè)國(guó)家采用此技術(shù)處理食品, 相應(yīng)的輻照食品的檢測(cè)技術(shù)也得到推動(dòng)和發(fā)展。

與傳統(tǒng)方法比較, 輻照殺菌具有許多優(yōu)點(diǎn): a.射線處理無需提高食品溫度, 照射過程中食品溫度的升高微乎其微。因此處理適當(dāng)?shù)氖称吩诟泄傩誀?、質(zhì)地和色香味方面的變化甚微。

b.γ射線的穿透力強(qiáng), 在不拆包裝和不解凍的情況下, 射線可透過進(jìn)行殺菌。起到化學(xué)藥品和其他處理方法不能達(dá)到的作用。

c.應(yīng)用范圍廣泛。能處理各種不同類型的食物品種。食品可在照射前進(jìn)行包裝和烹調(diào), 照射后的制作更加簡(jiǎn)化和方便。降低了成本, 節(jié)省了時(shí)間。

d.射線處理食品不會(huì)留下任何殘留物。e.能節(jié)約能源。f.輻照裝置加工效率高。③高強(qiáng)脈沖電場(chǎng)殺菌

脈沖電場(chǎng)(Pulsed Elect ric Fields , PEF)殺菌是利用強(qiáng)電場(chǎng)脈沖的介電阻斷原理對(duì)食品微生物產(chǎn)生抑制作用。在果蔬加工過程中, 滋生的微生物對(duì)于脈沖電場(chǎng)鈍化作用敏感, 革蘭氏陰性細(xì)菌明顯比酵母和革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌敏感, 而更頑固的細(xì)菌內(nèi)生孢子需要采用大電容和很長(zhǎng)時(shí)間的處理。脈沖電場(chǎng)可以使果蔬中的細(xì)菌減少4～5 個(gè)對(duì)數(shù)周期, 用脈沖電場(chǎng)逐步處理希氏大腸桿菌則可以減少9 個(gè)對(duì)數(shù)周期。

優(yōu)點(diǎn): 超高壓脈沖電場(chǎng)殺菌具有處理時(shí)間短、能耗低、傳遞快速、均勻等優(yōu)點(diǎn), 因而可廣泛地用于食品殺菌。

④超聲波滅菌

超聲波對(duì)傳聲媒質(zhì)的相互作用, 蘊(yùn)藏著巨大的能量, 這種能量能在極短的時(shí)間內(nèi)足以起到殺滅的破壞微生物的作用, 而且能夠?qū)κ称樊a(chǎn)生諸如均質(zhì)、催陳、裂解大分子物質(zhì)等多種作用。具有其他冷殺菌方法難以取得的最佳效果, 從而提高品質(zhì),保持功能成分不受破壞。

⑤高強(qiáng)脈沖光殺菌技術(shù)

這種方法是用連續(xù)的寬帶光譜短而強(qiáng)的脈沖,抑制食品和包裝材料表面、透明飲料、固體表面和氣體中的微生物。這兩種都是近年研究的殺菌的方法, 都有其各自的優(yōu)點(diǎn), 但在果汁應(yīng)用中還尚在研究中。應(yīng)該注意在的是, 現(xiàn)在的殺菌趨勢(shì)向著2 種或2 種以上方法結(jié)合使用, 從避免各自殺菌方法的局限, 達(dá)到較好的殺菌結(jié)果。如由于在一些場(chǎng)合, 其過高的壓力使得能耗增加, 對(duì)設(shè)備要求過高, 不利于工業(yè)化生產(chǎn)。所以超高壓常與其它方法相結(jié)合進(jìn)行殺菌, 如超高壓低溫殺菌技術(shù)、超高壓脈沖電場(chǎng)殺菌等。又如超聲波與其他殺菌方法結(jié)合才有巨大的應(yīng)用前景。

冷殺菌處理過的果汁, 可以保持水果原有的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分, 延長(zhǎng)了產(chǎn)品的貨架壽命, 避免了熱殺菌而造成的營(yíng)養(yǎng)成分的損失和產(chǎn)生的熱臭異味。因此冷殺菌是很有殺菌前景的高新技術(shù)[7,8]。

結(jié)語(yǔ)：

雖然果蔬汁飲料加工技術(shù)已達(dá)到一定的水平，但仍存在著一些問題，例如膜分離技術(shù)，其本身就有一定的局限性，主要是膜通量隨著分離時(shí)間的推移會(huì)大幅降低且清洗困難，膜耐高溫耐腐蝕性能不強(qiáng)，膜使用壽命短等，故需要不斷開發(fā)新型膜材料，提高膜的性能，拓寬膜的品種，發(fā)展新品種的共混膜和復(fù)合膜，改進(jìn)膜的清洗方法，發(fā)展新的膜分離技術(shù)及集成膜分離技術(shù)等來彌補(bǔ)膜分離技術(shù)目前的不足。又如，果蔬汁護(hù)色所采取的措施都有一定的不足之處,有的會(huì)引起食品風(fēng)味的改變,有的使食品的營(yíng)養(yǎng)損失,有的使色澤和質(zhì)地發(fā)生變化,有的會(huì)給人體健康帶來危害及副作用。因此，必須研究出一些防褐變效果好又安全的護(hù)色技術(shù)。另外，應(yīng)結(jié)合生物技術(shù)與已成熟的技術(shù)用于果蔬汁飲料加工。目前已有應(yīng)用生物技術(shù)改善飲料加工原料、生產(chǎn)飲料添加劑和功能因子以及去除飲料不良性狀的研究，但生物技術(shù)要真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地運(yùn)用于果蔬汁飲料加工還有待進(jìn)一步研究與完善。

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第五篇：計(jì)算機(jī)在材料加工中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)在材料加工中的應(yīng)用

摘 要：本文介紹了計(jì)算機(jī)模擬在材料加工過程中的發(fā)展趨勢(shì)，它將為企業(yè)參與激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)并取得成功提供重要手段，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)必將在未來材料加工技術(shù)中起到舉足輕重的作用。

關(guān)鍵詞：材料加工；計(jì)算機(jī)模擬；虛擬制造；

Abstract：This paper has reviewed the developmental history and the important role of computer simulation of materials processing in manufacturing industry for current and proposed materials process applications as well as typical variables interrelate with specific process elements and the capability and payoff of process simulation for these same applications.Keywords：material process，computer simulation，virtual manufacture 1 前言

隨著時(shí)代的發(fā)展，世界制造業(yè)面臨市場(chǎng)開拓和技術(shù)發(fā)展兩大挑戰(zhàn)。高質(zhì)量、低成本、短周期的先進(jìn)制造技術(shù)是制造業(yè)的發(fā)展方向，它的科學(xué)性、先進(jìn)性、正確性和敏捷性對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展非常重要。虛擬制造技術(shù)的出現(xiàn)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要標(biāo)志之一[1-2]。虛擬制造與實(shí)際制造有本質(zhì)區(qū)別，它是在計(jì)算機(jī)防真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)等，是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)將原材料變成產(chǎn)品的虛擬現(xiàn)實(shí)過程，使得制造技術(shù)走出主要依賴于經(jīng)驗(yàn)的狹小天地，進(jìn)入全方位預(yù)測(cè)，力爭(zhēng)一次成功的新階段，從而縮短產(chǎn)品周期，減少費(fèi)用，提高質(zhì)量。材料加工是先進(jìn)制造技術(shù)中重要的組成，它的應(yīng)用涉及航空航天、汽車、石化、軍事等事關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)。在我國(guó)加入世貿(mào)組織之后，我國(guó)的制造業(yè)面臨更多更大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。材料加工與以切削為主體的冷加工相比，其特點(diǎn)是: 從質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上，在保證零件尺寸形狀精度和表面質(zhì)量的同時(shí)，更注重保證零件和結(jié)構(gòu)內(nèi)部組織性能和完整性;在產(chǎn)品和零件設(shè)計(jì)上，更強(qiáng)調(diào)針對(duì)復(fù)雜型腔和曲面的能力;在工藝過程中，除了運(yùn)動(dòng)和外力作用等因素，還涉及溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及內(nèi)部組織的變化;生產(chǎn)環(huán)境惡劣，控制因素多樣。以上特點(diǎn)反映了材料加工過程對(duì)綜合自動(dòng)化和信息集成的需求和復(fù)雜性，因此，充分了解材料加工計(jì)算機(jī)模擬的重要性及其發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)的科技進(jìn)步，縮短產(chǎn)品的開發(fā)和加工周期，快速響應(yīng)市場(chǎng)，提高競(jìng)爭(zhēng)能力，真正體現(xiàn)高速、高效、高質(zhì)的制造優(yōu)勢(shì)，具有重要的意義。2計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)模擬是制造業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物。以有限元方法為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是20 世紀(jì)技術(shù)發(fā)展的巨大成果，在工程物理科學(xué)的各個(gè)分支領(lǐng)域都起著十分重要的作用。新材料、新工藝、新產(chǎn)品、高要求、高精度、低成本的現(xiàn)代制造模式要求深入了解和掌握材料成形機(jī)理、過程變化，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)過程顯現(xiàn)，開拓科學(xué)的工藝和設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)與制造。因此，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)以及以此為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究成為當(dāng)今和今后國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。

2.1宏觀模擬向微觀模擬深入

我們知道在工程中使用的金屬材料大多數(shù)為多晶材料，材料的微觀組織形態(tài)直接影響零件的機(jī)械性能和物理性能，所以選擇合理的加工工藝參數(shù)十分重要。材料加工過程微觀組織的計(jì)算機(jī)模擬由于具有描述分子級(jí)尺寸水平的能力，這將對(duì)控制材料晶粒大小及分布，進(jìn)一步了解位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)、晶界結(jié)構(gòu)、防止內(nèi)部空洞和微裂紋的萌生和擴(kuò)展等問題提供了新的方法[3-4]，將大大推動(dòng)材料微觀結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展，并對(duì)確定優(yōu)化材料加工的工步數(shù)和順序、熱處理方案十分有益。此外，在金屬成形過程中，適用的優(yōu)化準(zhǔn)則對(duì)材料最終的力學(xué)性能和微觀組織性能具有重要的影響，通過優(yōu)化坯料形狀或預(yù)成形模具形狀、模具速度使最終鍛件具有良好的尺寸精度、少無飛邊和所期望的微觀組織。為此，一方面要要研究合適的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的選擇，包括影響終鍛件力學(xué)組織性能的狀態(tài)變量和過程變量，即形狀設(shè)計(jì)變量和速度設(shè)計(jì)變量。另一方面要研究和建立微觀組織優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)考慮晶粒尺寸大小及分布，再結(jié)晶晶粒尺寸、再結(jié)晶程度和無再結(jié)晶部分的晶粒尺寸及其體積分?jǐn)?shù)。

2.2高精度、高效三維有限元模擬

近二十年間，以有限元法為核心的數(shù)值模擬技術(shù)在金屬塑性成形領(lǐng)域中應(yīng)用，所采用的理論體系從小變形彈塑性有限元理論、剛-(粘)塑性有限元理論，到現(xiàn)在的大變形彈-(粘)塑性有限元理論，分析技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸趨于成熟。采用大變形彈-(粘)塑性有限元法分析金屬成形問題，不僅能按照變形路徑得到塑性區(qū)的發(fā)展情況，工件中的應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律，以及幾何形狀的變化，而且能有效地處理卸載，計(jì)算殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變，從而可以分析和防止產(chǎn)品的缺陷等問題，符合金屬成形對(duì)于精密化模擬分析的要求。目前，二維大變形彈-(粘)塑性有限元法模擬技術(shù)已日趨成熟，并已在工程中得到成功的應(yīng)用。但大變形彈-(粘)塑性有限元法是建立在有限變形理論基礎(chǔ)上的，需要對(duì)變形梯度進(jìn)行多次分解，從分析金屬成形過程的角度出發(fā)，計(jì)算工作量大，而金屬成形過程通常是在高溫下進(jìn)行的，工件在發(fā)生變形的同時(shí)伴隨有溫度的變化，因此，在分析金屬成形過程模擬中，還必須考慮溫度的影響，即進(jìn)行溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)的耦合計(jì)算，特別是工程中可以簡(jiǎn)化為二維分析的問題并不多，三維模擬是必然趨勢(shì)，三維問題分析在數(shù)學(xué)模型和圖形處理上的復(fù)雜程度大大增加，由此引起的計(jì)算量猛增，比二維問題的計(jì)算量高出幾十倍甚至上百倍，這對(duì)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量的要求也隨之增加。近年來，由于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的不斷完善，使三維問題的分析成為可能。一方面，人們?cè)谘芯刻岣哂?jì)算速度的方法，開發(fā)了大規(guī)模計(jì)算問題的并行計(jì)算方法(Parallel Computation)，利用并行處理機(jī)中多CPU 可同時(shí)工作的特點(diǎn)，配以軟件編程中的并行處理方法，使計(jì)算速度大為加快，目前國(guó)際上許多商業(yè)軟件都推出了并行版，如ANSYS、MARC、LS-DYNA3D 等;另一方面人們?cè)谘芯扛纳朴?jì)算方法，眾所周知，金屬成形過程中，坯料的變形特別大，若采用更新的拉格朗日法(Updated Lag rang ian Method)進(jìn)行計(jì)算時(shí)[10]，初始劃分的單元網(wǎng)格逐漸畸變，若將已經(jīng)畸變的網(wǎng)格形狀作為增量計(jì)算的參考構(gòu)形，將導(dǎo)致計(jì)算精度降低，甚至引起不收斂，為克服上述問題，通常當(dāng)網(wǎng)格畸變到一定程度后，必須停止計(jì)算，重新劃分適合于計(jì)算的網(wǎng)格，通過新舊網(wǎng)格間信息場(chǎng)量的插值傳遞，再繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，要完成一個(gè)成形問題的模擬，通常需要多次重劃網(wǎng)格，這將導(dǎo)致計(jì)算量的增加和由于多次插值帶來的計(jì)算精度的降低，因此，許多研究開發(fā)人員正致力于改進(jìn)三維網(wǎng)格重劃的自適應(yīng)能力和自動(dòng)化程度，改進(jìn)新舊網(wǎng)格間信息傳遞的插值方法，取得了可喜的進(jìn)展。同時(shí)，開發(fā)了ALE法(Arbitrary Lagrangian Eulerian Method)和顯式解法(Explicit Solution)[11]，而ALE 法不再象Lagrangian公式中將網(wǎng)格固定在材料上，而是不依賴于材料的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，因此可控制網(wǎng)格的幾何形態(tài)，ALE 通過利用高階的技術(shù)不斷進(jìn)行網(wǎng)格重劃，從而避免上述問題，提高計(jì)算速度和精度，這對(duì)于為提高計(jì)算精度和效率而進(jìn)行的網(wǎng)格細(xì)劃十分有利，該方法已在MSC/ DYTRAN、Press Form 等軟件中得到成功的應(yīng)用，而顯式解法主要是為解決非線性問題隱式求解時(shí)為保證求解精度需反復(fù)迭代，使計(jì)算量猛增的問題，目前該方法已成功地應(yīng)用于LS-DYNA3D 中[12]。另外，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的迅速發(fā)展，計(jì)算速度問題也將逐步得到解決。

到目前為止，二維大體積金屬成形過程有限元模擬技術(shù)已趨成熟，國(guó)內(nèi)外先后開發(fā)了許多商品軟件，這些軟件多適用于二維問題、偽三維問題及簡(jiǎn)單三維問題的分析。通過使用彈-塑性-實(shí)時(shí)響應(yīng)模型，可確定完整的應(yīng)力、應(yīng)變和撓曲變化狀況，殘余應(yīng)力也容易被計(jì)算。近年來，金屬成形工業(yè)對(duì)三維過程模擬提出了更高更精確的要求。對(duì)于處理復(fù)雜三維金屬塑性成形問題，雖然存在模具型腔幾何形狀描述、動(dòng)態(tài)邊界條件及網(wǎng)格重劃等技術(shù)難點(diǎn)[5]，隨著計(jì)算方法的完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)出使用便捷且適用范圍廣的三維有限元程序已成必然。一方面研究提高計(jì)算速度的方法，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)中多個(gè)CPU 可同時(shí)運(yùn)行的并行處理技術(shù)和軟件編程中的并行處理方法，開發(fā)大規(guī)模計(jì)算問題的并行計(jì)算方法，從而大大提高計(jì)算效率;另一方面不斷完善計(jì)算方法，對(duì)于影響三維模擬精度的若干技術(shù)問題，如初始速度場(chǎng)的生成、摩擦邊界條件的處理、剛性區(qū)和塑性區(qū)的區(qū)分、縮減因子的確定、收斂準(zhǔn)則的選擇和熱力耦合等問題，在保證求解精度和效率的前提下，均可采用二維有限元模擬中相關(guān)的算法和處理技術(shù)。而模具型腔幾何形狀描述、動(dòng)態(tài)邊界條件及網(wǎng)格生成和重劃等技術(shù)難點(diǎn)與二維模擬相比有較大的區(qū)別，這些問題處理的正確與否將直接關(guān)系到模擬分析的可靠性和求解效率。因此，人們?cè)诓粩嗟貙で蠼鉀Q的方法。Cho等[6]為了解決復(fù)雜三維問題，采用考慮熱傳導(dǎo)的三維熱黏塑性有限元模型，將一個(gè)無法用解析式描述的任意復(fù)雜形狀的模具表面，通過Ferguson分片，用一個(gè)分片連續(xù)的形式給出，將被網(wǎng)格重構(gòu)的變形體分為表面自適應(yīng)層和中心區(qū)兩部分，提出一種基于體適應(yīng)映射法的三維網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)。所提出的網(wǎng)格重構(gòu)方法是以產(chǎn)生線性八節(jié)點(diǎn)六面體單元為基礎(chǔ)的。在表面自適應(yīng)層上自動(dòng)產(chǎn)生網(wǎng)格后，中心區(qū)通過體適應(yīng)映射法自動(dòng)生成網(wǎng)格，并對(duì)萬向節(jié)的熱鍛過程進(jìn)行了完整的模擬。此外，在計(jì)算機(jī)上處理三維金屬成形，還需進(jìn)一步提高模擬的可視化水平，擁有良好的用戶界面是非常重要的。隨著計(jì)算機(jī)裝載了三維圖形處理程序及計(jì)算速度和硬件水平的提高，可在前后處理中大量應(yīng)用可視化技術(shù)，用戶在二維屏幕上可直接觀看物體的三維圖形和數(shù)據(jù)。在金屬成形過程模擬中，可通過采用切片技術(shù)和鏡像顯示技術(shù)觀測(cè)物體某一橫截面或整個(gè)結(jié)構(gòu)的變化情況，點(diǎn)跟蹤技術(shù)可使用戶了解在成形過程中原始材料上任意點(diǎn)的流動(dòng)情況，同時(shí)繪制這些點(diǎn)的過程參數(shù)變化曲線圖。

2.3單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)到多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)滲透 金屬材料的成形通常在高溫下進(jìn)行，工件塑性成形是一個(gè)復(fù)雜的熱力學(xué)過程，受到應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻、硬化和再結(jié)晶等因素的影響，而工件的形狀和尺寸精度及其內(nèi)部質(zhì)量和性能決定著產(chǎn)品質(zhì)量。熱處理過程作為材料加工中不可缺少的環(huán)節(jié)，是一個(gè)包含溫度、相變、應(yīng)力/應(yīng)變相互作用的復(fù)雜過程，是一個(gè)多機(jī)制綜合作用的過程。對(duì)其進(jìn)行組織性能預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬，首先必須通過大量實(shí)驗(yàn)，使模擬技術(shù)建立在可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，將組織場(chǎng)-變形場(chǎng)-溫度場(chǎng)三者進(jìn)行耦合計(jì)算，將成形過程與熱處理工藝的模擬與質(zhì)量控制相結(jié)合，使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確。由此可作為參考對(duì)影響成形過程和熱處理工藝的各種工藝參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)的要求(高精度、高質(zhì)量、高效率)。

2.4虛擬制造系統(tǒng)的開發(fā)

現(xiàn)代化制造加工業(yè)的目的應(yīng)是適應(yīng)全球市場(chǎng)需求，目標(biāo)應(yīng)是應(yīng)用CAD/CAE/CAM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低費(fèi)用產(chǎn)品生產(chǎn)。為適應(yīng)現(xiàn)代化制造業(yè)中要求柔性化、快捷、低成本及高質(zhì)量的要求，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中互相借助彼此硬件和軟件技術(shù)，把最先進(jìn)的技術(shù)集中起來不失為一種好的解決方法。但這種集成與常規(guī)的集成技術(shù)不同，它是虛擬的，是一種并行工程思想與先進(jìn)制造技術(shù)的綜合體現(xiàn)。它主要包括:

1、敏捷制造(AM):利用“競(jìng)爭(zhēng)—合作/合同”機(jī)制，發(fā)揮局部特長(zhǎng);

2、并行工程(CE):實(shí)現(xiàn)同步設(shè)計(jì)、加工、核算和管理;

3、專家系統(tǒng)(ES):實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)和復(fù)雜問題的評(píng)價(jià)和求解;

4、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及先進(jìn)的管理系統(tǒng)(NT-MS):實(shí)現(xiàn)先進(jìn)集成技術(shù)的最快捷的手段。圖1 為虛擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。基于虛擬系統(tǒng)的制造業(yè)，將是21 世紀(jì)市場(chǎng)上一種較好較快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的運(yùn)營(yíng)方針，可大大減低新產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益，最終使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

圖 1 虛擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.5反向設(shè)計(jì)技術(shù)與專家系統(tǒng)

在某一給定的成形工藝中，最終產(chǎn)品的材料狀態(tài)和幾何形狀取決于諸多工藝參數(shù)(加載條件、模腔形狀、模具潤(rùn)滑條件、初始坯料幾何尺寸等)，若考慮某些工藝參數(shù)固定不變，則通過對(duì)另一些工藝參數(shù)的反復(fù)模擬和修改，以得到所希望得到的最終產(chǎn)品的材料狀態(tài)和幾何尺寸，成形工藝的設(shè)計(jì)可認(rèn)為是對(duì)于初始坯料和隨后的各預(yù)成形坯及模具的設(shè)計(jì)，但這種反復(fù)迭代的方法需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間是極不經(jīng)濟(jì)的。八十年代中，S.Kobayashi 等系統(tǒng)研究了這一問題，提出了反向模擬技術(shù)(Backward Tracing Technique)，即從一給定的最終形態(tài)，沿著相反的加載路徑，反向模擬實(shí)際的工藝過程，該方法為工藝設(shè)計(jì)開辟了新途徑。近十年來，反向模擬技術(shù)得到了一定的進(jìn)展和應(yīng)用，但始終沒取得突破性進(jìn)展，其主要原因是從最終形態(tài)反向模擬時(shí)，無法給定初始場(chǎng)量，因此獲得的初始毛坯設(shè)計(jì)在理論上存在缺陷，無法估計(jì)設(shè)計(jì)所帶來的誤差。近年來，工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化的技術(shù)取得了新的進(jìn)展，提出了敏感性分析(Sensitivity Analysis)的反向設(shè)計(jì)方法(Inverse Method)，該方法將預(yù)成形設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)問題處理為優(yōu)化問題，用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述，將優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)定義為一組給定設(shè)計(jì)變量中所希望的最終狀態(tài)和數(shù)值計(jì)算狀態(tài)之間的誤差的某種度量，敏感性分析是一種廣泛用于計(jì)算目標(biāo)函數(shù)梯度的方法，由于所求解的問題高度非線性并具有歷史依賴性，因此，最適合應(yīng)用直接差分法(Direct Differentiation Method)，控制方程直接由敏感性場(chǎng)的場(chǎng)量公式差分得到。該方法已成功地應(yīng)用于坯料和模具形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。另外，在材料加工領(lǐng)域中，許多設(shè)備和工藝問題主要還是利用已經(jīng)總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)公式和參數(shù)，加上仍存在于專家頭腦中的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來解決。在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的運(yùn)用往往多于數(shù)學(xué)分析運(yùn)算，且很有效，因此，如何充分發(fā)揮這些知識(shí)的作用，充分利用這一資源，具有非常重要的意義。專家系統(tǒng)就是很好的解決方法，它利用知識(shí)的顯式表示、事實(shí)和推理技術(shù)，以解決通常需要專家才能解決的問題。一個(gè)典型的專家系統(tǒng)包括: 知識(shí)獲取的裝置，收集專家們?cè)谠擃I(lǐng)域的規(guī)則和知識(shí)，這一裝置也包括規(guī)則編輯器，允許用戶改進(jìn)現(xiàn)有規(guī)則和增加新的規(guī)則;存儲(chǔ)事實(shí)和規(guī)則的數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)通?？膳c其它數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)合；一個(gè)推理機(jī)，以確定如何應(yīng)用知識(shí)規(guī)則來解決問題：一個(gè)用戶界面，以允許非專家的用戶使用該系統(tǒng)來解決特殊問題。該方法正廣泛應(yīng)用于材料加工的工藝設(shè)計(jì)中。

2.6新模擬技術(shù)開發(fā)

數(shù)值分析的巨大成果是有限元方法。但是，當(dāng)網(wǎng)格高度畸變時(shí)，這種以單元作為基本概念的方法卻有許多難以處理的問題，主要原因是網(wǎng)格的存在妨礙了處理與原始網(wǎng)格線不一致的不連續(xù)性和大變形。在處理這類問題時(shí)，有限元法通常采用網(wǎng)格重構(gòu)，但這樣不僅計(jì)算費(fèi)用昂貴，而且會(huì)使計(jì)算精度受損[13]。為解決上述問題，近年來，一種新的無網(wǎng)格數(shù)值方法正在迅速發(fā)展。無網(wǎng)格方法將連續(xù)體離散為有限數(shù)目的質(zhì)點(diǎn)，位移場(chǎng)函數(shù)在沒有明顯網(wǎng)格的情況下通過這些質(zhì)點(diǎn)的插值得到，該方法僅采用基于點(diǎn)的近似，而不需要節(jié)點(diǎn)的連續(xù)信息，不僅避免了繁瑣的單元網(wǎng)格生成，而且提供了連續(xù)性好、形式靈活的場(chǎng)函數(shù)，具有前后處理簡(jiǎn)單、精度高等方面的優(yōu)點(diǎn)。在處理彈塑性、裂紋擴(kuò)展、移動(dòng)界面、高速碰撞以及具有大變形特征的工業(yè)成形問題時(shí)具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。無網(wǎng)格方法以其在場(chǎng)函數(shù)近似、局部特征描述等方面特有的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。

3結(jié)語(yǔ)

先進(jìn)制造技術(shù)是制造業(yè)賴以生存、國(guó)民經(jīng)濟(jì)得以發(fā)展的主體技術(shù)，以制造技術(shù)為焦點(diǎn)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)已在全球展開。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)使制造技術(shù)走出從前主要依賴于經(jīng)驗(yàn)的狹小天地，進(jìn)入全方位預(yù)測(cè)，力爭(zhēng)一次成功的新階段，從而實(shí)現(xiàn)有效的現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)和迅速的新產(chǎn)品開發(fā)。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的不斷完善發(fā)展，它將繼網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)后成為21 世紀(jì)材料加工技術(shù)的又一技術(shù)支撐環(huán)境。

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