孫大文院士：能“透視”食品成分的高光譜成像

用高光譜成像檢測設備可以看到，隨著腌制時間增加，肉品鹽分含量逐漸增加，顏色由黃綠變藍色(圖●)。肉品水含量減少，顏色由紅色漸變到黃綠色(圖●)。

孫大文院士

孫大文院士團隊一年前冷凍的荔枝外殼仍保持紅色

高光譜成像無損檢測設備在掃描一個梨子

　　TA們是誰

　　孫大文院士團隊

　　●華南理工大學現代食品工程研究院成立于2012年，團隊成員包括孫大文院士、曾新安教授、高文宏副教授、朱志偉博士、王啟軍博士、韓忠博士、蒲洪彬博士。主要研究方向包括高光譜無損檢測、新型冷凍技術、農產品加工與儲藏、非熱加工技術以及果酒果醋釀造技術等。

　　在華南理工大學現代食品工程研究院，一串荔枝的旅程可以是這樣的：它們一顆一顆排成隊通過一條無損檢測的小型生產線，有“內傷”的被剔除，健康的被留下來，經過超高壓冷凍后放入冰柜，一年后拿出來殼還是紅色的。冬天里吃一顆紅殼荔枝，在這里已經成為現實。

　　上述過程說起來簡單，其實包含了華工現代食品工程研究院的高光譜成像食品無損快速檢測、新型食品冷凍等多項研究。類似旅程不僅發生在荔枝身上，魚、肉、蔬菜、水果……這些尋常食物都是他們的試驗對象。對“吃貨”們來說，這里做的研究是讓食物如何更加安全和美味。

　　至于近期輿論關注的“僵尸肉”，通過無損檢測設備，用高光譜成像設備照一下就會現出原形。就連一塊肉是解凍過一次還是兩次，在高光譜成像設備檢測下也能識別出來。

　　為什么冰激凌融化再凍就不好吃

　　2015年7月30日下午，廣州大學城華南理工大學B 8棟，歐洲人文和自然科學院、愛爾蘭皇家科學院院士孫大文從實驗室的普通冰柜里掏出兩袋真空包裝的凍蝦，“看看它們有什么區別？”

　　“紅色那袋是煮熟后冷凍的，灰色那袋是鮮蝦。”“對，在超市看到的通常是紅色這種，一般看不到這種淺灰色的蝦，因為傳統冷凍技術無法較長時間儲藏凍蝦。”

　　孫大文再拿出一袋真空包裝的荔枝。“這是一年前冷凍的，到現在還沒有褐變，外殼還是紅色的。”

　　早在愛爾蘭都柏林大學任職期間，華工畢業的孫大文就開始研究新型冷凍技術，他率先涉足的超聲波冷凍技術逐漸成熟，現在帶領著同是“海歸”的朱志偉等人研究超高壓、超聲波、磁場和電場冷凍技術。這四種技術的研究難度依次遞增，不同技術適用于不同形態的食品，而最終的目的都是為了控制冰晶的形成。

　　“你在超市可以發現，超市的冷凍食品通常是速凍蝦、速凍餃子或速凍青豆，都是小顆粒狀的食物。”孫大文團隊研究用新型技術冷凍食物，盡量保持食物的質構不受破壞，使其口感、韌性等盡量保持水準。而關鍵就在于控制食品內冰晶的尺寸、大小及分布。

　　什么是冰晶？大部分食品主要成分是水，冷凍過程就是將食品中的水變成冰。冰以冰晶形式存在，最先形成于細胞與細胞的空隙間。但細胞內部也有水分，如果細胞內部不結出冰晶，細胞內的水分就會通過細胞膜、細胞壁慢慢遷移到細胞外，使細胞外的冰晶越長越大，細胞就會失水，導致細胞結構在冷凍過程中受到破壞。

　　冰晶可能會刺破細胞壁、細胞膜，導致汁液流出，不僅影響食品的風味，還會降低其營養成分。經過常規冷凍方法處理的冷凍食品，解凍時會有很多汁液流出，就是這個原因。孫大文表示，這也是為什么很多人認為冷凍食品營養價值不如新鮮食品的原因。

　　由于細胞結構已經受到破壞，質構被改變，新鮮食品可能具有的脆、韌勁和嚼勁等口感也將不存在。為什么冰激凌融化后再凍一次就會很硬、很不好吃？就是因為冰晶沒長好。

　　H O LD住冰晶

　　冷凍食品口感更好

　　控制冰晶的大小，讓食物內部長出又小又細、分布均勻的冰晶，就能夠使冷凍食品的質構接近新鮮食品。“要想方設法形成很多起晶點，而且讓冰晶在細胞內和細胞外同時形成，在這種情況下冰晶就會長不大。”

　　如何才能形成很多起晶點呢？孫大文團隊用的方法是超聲波、超高壓、電場和磁場冷凍法。

　　前文所述的荔枝，就是通過超高壓冷凍法進行冷凍的。研究人員將荔枝放在超高壓設備中，先加壓降溫冷卻至-20℃左右，然后迅速解除壓力至常壓，此時會瞬間產生大量細小均勻的冰晶。荔枝一旦結成了這種理想的冰晶，就可以放在常規冰柜或者冰箱中冷凍保藏，解凍時荔枝的細胞狀態就能接近新鮮荔枝。

　　團隊成員朱志偉介紹，電場、磁場冷凍技術比超高壓冷凍術更前沿，但目前還沒有特別成熟，只能冷凍很小塊的食品。

　　曾在國外生活20多年的孫大文說，國外一些超市幾乎1/3的食品柜臺都被冷凍食品占據。國內老百姓不容易接受冷凍食品，部分是因為認識有誤區，部分也是因為我國冷凍食品起步較晚。其實在技術條件成熟的情況下，冷凍食品的質量不會比新鮮食品差。

　　他進一步解釋，食品剛采摘下來或是屠宰過后，它的新鮮度在運輸與貯藏的過程中一直在下降。冷凍食品則可以在采摘或者屠宰后的第一時間把食品凍起來，相當于把食品的新鮮度固化。在低溫條件下，食品的質量幾乎不發生變化，在長時間的運輸中如果一直保持冷凍狀態，食品的質量也不會受到太大影響。等到達消費者手里，食用前把食物解凍，相當于把之前固化的新鮮度“釋放”出來。

　　那么，采用了新型冷凍技術保存的冷凍食品，很多年后還能食用嗎？孫大文表示，食品在冷凍過程中質量并非不衰減，只是衰減過程非常緩慢。食品在-40℃的時候通常能夠儲存幾年，但不宜放太長時間，放置了幾十年的冷凍食品可能存在很多微生物。

　　能“透視”食品成分的高光譜成像

　　既然“僵尸肉”不能吃，怎么才能辨別它？在孫大文團隊的實驗室里，通過無損檢測設備，在不切開肉的情況下就可以識別是不是“僵尸肉”。實驗過程中，要檢測的內容比判定一塊肉是否“年輕”要復雜得多，而且不同食物要建立不同的數據模型，辨別一塊肉和一顆荔枝的難度系數也不同，團隊成員每攻克一種食物幾乎都可以產生一篇學術論文。

　　無損檢測指的是對樣品沒有損傷的一種檢測方式，不需直接接觸食物，因此可以直接用于生產過程，在生產線上在線檢測。在華工大學城校區的實驗室，一條小型生產線可以自動識別食物是否符合品質要求，它不僅能識別荔枝的質量，還能對不同類型的大米進行分類。

　　這種技術的核心是“高光譜成像”，是結合傳統的二維成像技術與光譜技術的一門新興技術。SCI中與這種技術相關的論文有400多篇，孫大文院士團隊就貢獻了100多篇。

　　孫大文舉了一個例子，來說明傳統成像技術和高光譜成像技術的不同。“傳統成像技術，如手機拍照，拍出的照片能呈現顏色、尺寸與形狀等信息，然而從照片中沒法直接得知物品的內在構造。比如我拍你，能知道你穿了一件藍色的衣服，但不知道這件衣服是什么材料做的。”用傳統成像方式檢測食品外觀，應用已經十分廣泛，但無法得知食品具體成分，存在局限性。而傳統的光譜檢測法又只能檢測“均質”的物體，比如一瓶飲料。如果是非均質物體，如一顆荔枝或一個蘋果，它就得一個點一個點地檢測，費時費力。高光譜成像技術將光譜技術“糅”到成像技術，既能檢測外觀又能了解成分。

　　“如果用這種高光譜成像技術拍照，不僅能知道你穿的是藍色衣服，還能知道這件衣服是什么料子做的，連你面部的水分含量都可以得知。”孫大文說，這種檢測方式用于食品上非常安全，在世界上屬于前沿技術。

　　選出褐變慢的荔枝運往較遠地方

　　在華工，孫大文團隊已經建成無損檢測示范檢測線，能實時在線檢測。高光譜進行荔枝內部品質(可溶性固形物，pH )的預測，相關性達到90%以上。例如針對荔枝容易褐變的問題，這套系統可以分析出荔枝褐變的“潛能”，將褐變慢的荔枝運往較遠的地方銷售。

　　這種檢測技術還可以區分解凍后的“冷凍肉”和“冷鮮肉”。實驗室圖片顯示，解凍過一次和解凍過兩次的肉，其光譜指紋信息是不同的。

　　高光譜成像檢測技術對食品成分的分析研究已經相對成熟，孫大文團隊著重拓展其應用范圍。例如應用于檢測食物的新鮮度、微生物的分類甚至農藥殘留或食品添加劑等，理論上這些目的都有可能實現，但由于每張圖像都包含大量信息，如何從冗雜的信息中提取有效信息，背后需要強大的數據庫和科學的算法支持。

　　因此，這項研究的難點在于數據挖掘與分析，因為高光譜圖像中有大量數據是無效的。如何建立起一個抗干擾能力強的分析模型，是這項技術能夠應用于實際工業生產中的關鍵。“這好比找金礦，大部分情況下挖到的都是石頭，而金子是極少數的存在，數據挖掘與分析的過程就像找金礦一樣”，孫大文說。

　　無損檢測也是孫大文團隊投入人力最多的研究部分，有將近20人。蒲洪彬博士透露，團隊正在研發手持無損檢測儀。未來可能造出手持式的無損檢測儀，消費者可以帶著儀器去超市實時檢測食品。“到時候連是不是土雞，都能幫你測出來”，他解釋，因為土雞和飼料雞肉的光譜指紋信息不同，檢測儀有能力進行識別。

　　計算從種子到餐桌的碳排放情況

　　在孫大文的團隊里，不同的組合在攻克不同的技術難題。無損檢測技術要研究建立各種食物的數據模型，以期檢驗食物的好壞；冷凍技術則著重食物的儲藏保鮮，真空冷卻技術可以延長食物的貨架期；微波烹飪技術試圖把微波爐變成“小型廚房”，加工出可口的飯菜，已經有部分技術應用于市場。

　　長期以來，國內消費者對微波食品都存在疑慮，認為它們不安全。孫大文團隊做了大量實驗來測試微波食品的致癌性，將經過微波加熱至不同溫度條件下的豬里脊肉樣品送給第三方檢測9種雜環胺類物質。中國廣州分析測試中心的檢測結果表明，在相同溫度條件下，微波加熱產生的雜環胺含量遠低于燒烤和烘烤加熱方式。

　　但傳統微波爐的解凍方法確實存在受熱不均的問題。孫大文團隊針對這種情況開發了-1℃解凍技術，將解凍的溫度精準鎖定在-1℃左右，保證了解凍的均勻性。“在這種技術下解凍出來的肉，雖然還是硬的，但可以切得動，能切出漂亮的切面。”孫大文介紹，這實際上也是新型冷凍技術的延伸研究。

　　團隊里還有一項被孫大文稱為比較“玄乎”的研究：食品低碳工程，指食品包括生產、加工、包裝和消費在內的各個主要環節建立具有最小溫室氣體輸出的體系。孫大文表示，整個食品生產鏈的碳排放占全球碳排放總量的1/3。現在每臺電器譬如冰箱，出廠時都會在顯眼位置標明能耗。以后食品領域也可能會建立起這種體系。

　　孫大文在這方面的研究位于國際領先地位，第一篇有關低碳食品體系的系統性論文就是由他發表。他表示，目前團隊主要研究食物在冷凍過程中的碳排放情況，理想情況是計算出從埋下一顆種子到走上餐桌整個過程的碳排放。

　　最新成果

　　●將高光譜無損檢測技術應用于水產品新鮮度和物理指標的檢測，發表了一批高水平的學術論文，獲多項ZL；

　　●基于對新型冷凍技術的研究，開發相應的冷卻冷凍裝置，取得了很好的科研成果；

　　●開展對冷凍單元操作的碳足跡計算工作，發表了相關的國際權威的論文；

　　●優化了果酒果醋的釀造工藝，獲多項ZL。

　　高階“吃貨”須知

　　冷凍食品不好吃？

　　因為冰晶沒長好

　　冷凍的過程就是將食品中所含的水變成冰，冰以冰晶形式存在，最先形成于細胞與細胞的空隙間。但細胞內部也有水分，如果細胞內部不結出冰晶，細胞內的水分就會通過細胞膜、細胞壁慢慢遷移到細胞外，使細胞外的冰晶越長越大，細胞就會失水，導致細胞結構在冷凍過程中受到破壞。

　　冰晶可能會刺破細胞壁、細胞膜，導致汁液流出，不僅影響食品風味，還會降低其營養成分。經過常規冷凍方法處理的冷凍食品，解凍時會有很多汁液流出，就是這個原因。

　　由于細胞結構受到破壞，新鮮食品可能具有的脆、韌勁和嚼勁等口感也將不存在。為什么冰激凌融化后再凍一次就會很硬很不好吃？就是因為冰晶沒長好。

　　肉類解凍過幾次？

　　光譜指紋能查出

　　傳統成像技術和高光譜成像技術有何不同？傳統成像方式檢測食品外觀應用已經十分廣泛，但由于它無法得知食品的具體成分，因此存在局限性。而傳統的光譜檢測法又只能檢測“均質”的物體，比如一瓶飲料。如果是非均質物體，如一顆荔枝或一個蘋果，檢測就費時費力。而高光譜成像技術將光譜技術“糅”到成像技術中，既能檢測外觀，又能檢測成分。

　　例如針對荔枝容易褐變，該技術可以分析出荔枝褐變的“潛能”，將褐變慢的荔枝運往較遠的地方去銷售。這種技術還可以區分解凍后的“冷凍肉”和“冷鮮肉”，解凍過一次和解凍過兩次的肉，光譜指紋信息不同。

　　微波食品不安全？

　　致癌物低于燒烤

　　長期以來，國內消費者對微波食品都存在疑慮，認為它們不安全。對此，孫大文團隊做了大量實驗測試微波食品的致癌性，將經過微波加熱至不同溫度條件下的豬里脊肉樣品送給第三方檢測9種雜環胺類物質。中國廣州分析測試中心的檢測結果表明，在相同溫度條件下，微波加熱產生的雜環胺含量遠低于燒烤和烘烤加熱方式。