食品中的“藝術(shù)雕刻刀”

       近百年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷探索和進(jìn)步，人們終于研究出了能賦予液滴比自由落體運(yùn)動(dòng)更巨大的打擊能量，使漫長(zhǎng)的滴水穿石現(xiàn)象在瞬間便可實(shí)現(xiàn)，這主要得益于水射流技術(shù)的發(fā)現(xiàn)所帶來(lái)的應(yīng)用和改變。為了提高效率, 將水施以高壓，并將水從直徑較小的噴嘴中噴出，形成一束高速、連續(xù)或間斷的水流束，這就是高壓水射流技術(shù)。高壓水射流技術(shù)主要是以水為能量載體, 通過(guò)液體增壓裝置和特定噴嘴, 將電機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為水的動(dòng)能, 進(jìn)而形成高速水射流。

       超高壓水射流切割機(jī)的工作原理是將普通的水經(jīng)過(guò)過(guò)濾，然后通過(guò)一個(gè)超高壓增壓器逐級(jí)增壓，將水流增壓至200-400MPa,然后再通過(guò)一個(gè)直徑為0.1-0.3mm的噴嘴（一般由藍(lán)寶石制成）形成一束射流速度高達(dá)1000m/s（大約是音速的3倍），具有極大動(dòng)能的水線(xiàn)，這一水束就像一把切削加工的刀具，在數(shù)控系統(tǒng)的控制下對(duì)所需要加工的食品進(jìn)行切割成型。一般通常是將磨料供給裝置把磨料送入混合器，這時(shí)水箱中的水經(jīng)過(guò)超高壓水射流發(fā)生器后成為高壓水，并在混合器中將磨料與高壓水混勻，然后，通過(guò)水刀切割頭裝置的噴嘴以每秒數(shù)百米的高速度噴向切割食品，同時(shí)，水刀切割頭裝置在數(shù)控系統(tǒng)控制下，按照預(yù)先設(shè)定的加工程序要求的軌跡進(jìn)行平面移動(dòng)并最終切割出所需形狀的產(chǎn)品。

       超高壓水射流特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

       相對(duì)于傳統(tǒng)的熱切割技術(shù)激光切割、火焰切割和電火花線(xiàn)切割等，超高壓水射流切割技術(shù)是一種先進(jìn)的新型“冷態(tài)切割”高新工藝技術(shù)，不僅符合現(xiàn)代綠色制造理念，還是集泵、閥、密封、液壓、自動(dòng)化控制為一體的綜合新技術(shù)、新工藝。“高壓水刀”通過(guò)數(shù)控裝置能控制切割的速度和切割路線(xiàn)，可以切割各種食物，在切割食物同時(shí)，還能減少食物中的活性成分和熱敏性營(yíng)養(yǎng)素的損失，最大限度保持食物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，提高加工食物的產(chǎn)品質(zhì)量。

       高尖水刀，精準(zhǔn)切割：“高壓水刀”切割時(shí)幾乎無(wú)熱量產(chǎn)生，對(duì)加工食品表面尤其是熱敏營(yíng)養(yǎng)素不會(huì)產(chǎn)生熱影響，不會(huì)造成切割面物料質(zhì)構(gòu)的       改變和風(fēng)味的影響。同時(shí)，高壓水切割的切口質(zhì)量較好，某些食品表面切割后能較平整光滑，幾乎無(wú)浮渣、無(wú)飛邊、切割面垂直，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力與應(yīng)變力而導(dǎo)致食品變形。

       速度快、效率高：“高壓水刀”是通過(guò)微小直徑的噴嘴后產(chǎn)生極高能量和速度，所以它的速度非常快，切割效率非常高。

       無(wú)輪廓限制：“高壓水刀”能夠?qū)⒈患庸な称非邢鞒扇魏嗡璧男螤?，切入點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)可以設(shè)定在食品表面的任意一點(diǎn)，無(wú)切割方向的限制，尤其是可以出色地切割出復(fù)雜的形狀，具有高度彈性化。

       低成本、高安全：“高壓水刀”的材料主要是水，水的來(lái)源充足，不但豐富易獲得，而且成本非常低。同時(shí)由于噴嘴直接非常小，水的用量也就很少，極大地減少了材料的損耗。水刀切割不需要磨邊等二次加工，更不要冷卻液，****的減少了工藝流程、節(jié)省了時(shí)間并降低了制造成本。另外，水也是非常安全的可食用成分，切割時(shí)不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體和更不會(huì)造成食品的二次污染，提高了操作人員的安全性，改善了車(chē)間的工作環(huán)境。

       智能控制、簡(jiǎn)單易操作：“高壓水刀”的工作機(jī)構(gòu)具有噴頭體積很小、移動(dòng)方便，可以與機(jī)器人等智能設(shè)備結(jié)合，有利于實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能、自動(dòng)化和數(shù)控化，可以增加食品切割的個(gè)性化、多樣化，促使整個(gè)切割工藝操作方便、實(shí)行遠(yuǎn)程操控，既減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、又節(jié)約了人力成本。

       高壓水刀在食品中的應(yīng)用

       食品殺菌保鮮中的應(yīng)用：有研究表明，通過(guò)超高壓水射流技術(shù)的瞬時(shí)卸壓、高速撞擊和高速剪切等復(fù)合作用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物菌體的成功破碎，以達(dá)到徹底殺滅微生物的目的。在應(yīng)用高壓水射流技術(shù)進(jìn)行食品殺菌保鮮過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)該技術(shù)既能克服熱力滅菌法導(dǎo)致熱敏性成分分解和揮發(fā)性成分散失的缺點(diǎn)，又能彌補(bǔ)高壓均質(zhì)滅菌法產(chǎn)量不易放大、物料適應(yīng)性差、芽孢破碎不理想等缺陷，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的一種較安全、高效、節(jié)能、無(wú)污染、可連續(xù)化生產(chǎn)的冷殺菌新技術(shù)。

       生鮮蔬菜的切割：與傳統(tǒng)刀片切割相比, 利用高壓水射流技術(shù)切割生鮮蔬菜不僅避免了鈍刀的情況, 還能杜絕交叉污染。有國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)，在250MPa的水壓下，通過(guò)0.1mm孔徑的噴嘴噴射的水流對(duì)蔬菜的切割效果**。例如在進(jìn)行甘蔗收割時(shí)，傳統(tǒng)的收割機(jī)操作時(shí)容易磨損堵塞以及反復(fù)切割而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，如果改用非接觸式高壓水射流技術(shù)進(jìn)行切割就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的甘蔗切割，并且極大的節(jié)省了成本。

       餅狀食品的切割：國(guó)外目前已經(jīng)成功將高壓水射流技術(shù)應(yīng)用于切割面包、蛋糕等生產(chǎn)線(xiàn)，并能實(shí)現(xiàn)成批進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)。它主要是以超高壓水束作為切割工具的一套食品處理設(shè)備，其工作參數(shù)為3773MPa的高壓、0.08-0.46mm的水束直徑。在進(jìn)行切割的時(shí)候，約有70%的水被氣化，其余的水通過(guò)收集槽可重新使用。

       肉類(lèi)食品的切割：由于禽類(lèi)、魚(yú)類(lèi)和肉類(lèi)在加工過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的工序?qū)γ恳黄膺M(jìn)行分析并修飾、切割成相同的尺寸或重量，為此，國(guó)外企業(yè)研究并開(kāi)發(fā)了適用于肉制品等切片與分割的機(jī)器人噴射水刀切割系統(tǒng)。該系統(tǒng)在進(jìn)行肉制品切割時(shí)，可將骨質(zhì)、皮和纖維等一起切斷，不留碎骨殘留，而且可以減少溢血。

       馬鈴薯的高壓切割：美國(guó)一家薯?xiàng)l加工廠開(kāi)發(fā)了一套切割處理設(shè)備，馬鈴薯通過(guò)傳送帶進(jìn)入烘干機(jī)烘干并剝除表皮，然后進(jìn)入錐形槽，在錐形槽出口有該廠研發(fā)的切割利器“水槍刀”實(shí)施對(duì)馬鈴薯的連續(xù)切割，水刀在高壓條件下以每秒35.5米的速度噴射而出，將馬鈴薯切割成形狀大小完全一致的薄薯?xiàng)l。

       明日之“芯”

       雖然超高壓水射流技術(shù)目前仍處于不斷發(fā)展和研究的階段，實(shí)際應(yīng)用的案例較少，并涉及到多學(xué)科的交叉研究，且很多的參數(shù)和性能指標(biāo)還需要進(jìn)行大量的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證和完善。超高壓水射流技是一種新型的冷態(tài)高能束切割技術(shù)，是21世紀(jì)需要優(yōu)先發(fā)展的綠色制造、可持續(xù)發(fā)展的主流切割技術(shù)，其在食品中的應(yīng)用前景十分廣泛。尤其是適用于食品加工中的數(shù)控超高壓水射流裝置的研制，將有助于提高食品加工速度、改善加工質(zhì)量，增加產(chǎn)品的附加值，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

       關(guān)鍵詞：高壓水射流、水刀切割、高壓水刀

       文/Martin Yu

       作者簡(jiǎn)介：

     Martin Yu，食品科技工作者、營(yíng)養(yǎng)師，長(zhǎng)期負(fù)責(zé)特殊食品研發(fā)工作，主要方向?yàn)椋篎SMP、益生菌等。