分形理論在食品科學與工程中的應用

文/南博

分形理論在食品科學與工程中的應用

文/南博

華潤雪花啤酒（中國）有限公司天津分公司

近年來，分形理論在食品科學與工程中的應用問題得到了業內的廣泛關注，研究其相關課題有著重要意義。本文首先對相關內容做了概述，分析了分形理論在食用和藥用原料選用中的應用，并結合相關實踐經驗，分別從多個角度與方面就其在食品工程單元操作、酶學研究以及食品和農業物料特性研究等多個角度與方面展開了研究。

分形理論；食品科學與工程；應用；策略

1 分形理論在食用和藥用原料選用中的應用

從信息分形和功能分形的觀點出發，人們對DNA、核酸、蛋白質的構成、細胞的產生和細胞膜離子通道的動力學進行了分形研究。其中涉及的基因、生物大分子和細胞是較低層次的分形元。事實上，在組織、器官的層次上也表現出分形性。所以，作為食品原料的生物體的分形現象表現在不同的層次和不同的方面。分形生物學是專門研究生物體分形原理及其應用的一門新學科，其核心概念是“生物分形元”。生物分形原理揭示了相關的部位在整體及各個分形元上有序的分形分布規律，如對應相似關系。根據對應相似關系，分形元上某一部位的生物化學組成與整體的映射部位的生物化學組成相似程度較非映射部位要大。這種對應關系在植物中比較突出，對優質食用、藥用原料的選取有重要意義。植物的枝、葉、果、花、莖、根等，都是生物分形元。

可以利用分形原理來考察高粱中氰酸的含量分布。測試結果表明，氰酸在整株高粱上部葉中含量較高，下部含量較低;在一片葉子中，上部含量較高，下部的鞘中含量較低;主莖上部的節間含量較高，則從主莖上部的節衍生出來的葉子含量在總體上邊也比從主莖下部的節衍生出來的葉的氰酸含量要高。

根據同樣的方法，人們研究了人參皂甙在人參中的分布。研究發現并非根中人參皂甙含量最多。整株人參各器官內人參皂甙的含量順序是:花>芽>莖>葉>根。實驗證明，三七中的皂甙在花、果、葉和莖中的含量亦均大于根。人們在生物分形原理的指導下，對2000多種根莖葉類藥材進行了研究，發現傳統藥用部位不是最佳選擇的幾乎占一半。

2 分形理論在食品工程單元操作中的應用

2.1凝聚

凝聚現象普遍地存在于食品工程中的氣力輸送、氣流分級、氣流冷卻、氣流干燥、噴霧干燥、蒸發及濃縮等操作。凝聚現象具有分形性質。在凝聚現象的分形性質研究中，人們提出了一些理論模型，其中比較重要的有兩種，即DLA模型和KCA模型。

DLA模型是受限擴散凝聚模型的簡稱。該模型一問世，就引起人們的高度重視，特點是概念簡單、代表性強、模擬結果與實驗數據較吻合。按照這種模型，取一個二維正方形歐氏空間，并分割成方形點陣。在點陣中央附近的格點上，放置一個靜止的種子微粒。在距它較遠處隨機地產生一個微粒，令此微粒在各格點上作類似于布朗運動的隨機行走。若與種子微粒相碰，則二者結合形成凝聚集團;若行走到點陣邊界，則被吸收而消失。接著再隨機地產生第二個微粒，如此重復，不斷進行，于是以種子微粒為中心就會形成不斷增長的凝聚集團。

2.2結晶

小分子結晶相當于凝聚過程。國內學者采用先進的實驗手段對小分子結晶操作中晶體生長過程進行了實測，也發現與DLA模型的模擬結果吻合。大分子的結晶受到多種復雜因素的影響，主要還是受到大分子結構特征的制約。由于M.Aurami處理結晶的方法很類似廣義DLA模型或稱NPW模型，因此可以借用推廣的HTM公式來計算。

2.3過濾

濾餅過濾操作中的濾餅是由不同幾何形狀、不同尺寸的固體顆粒堆積而成，具有分形客體不規則、支離破碎的典型特征。東北大學徐新陽等人對濾餅結構進行了分形研究。結果表明，雖然不同物料、不同條件下形成的濾餅具有不同的結構，但其孔隙尺寸均滿足分形標度律，具有隨機自相似性，是一種分形結構，可用分形理論去描述濾餅結構。

3 分形理論在酶學研究中的應用

酶的催化性與選擇性等宏觀性質與其表面結構有緊密的關系。酶表面是不規則和粗糙的，有各種“洞穴”、“縫隙”、“折皺”，凹凸不平，因此可以用分形理論描述。胰蛋白酶的整體分維為2.62，活性中心的分維為2.80，因此認為活性中心比酶本體表面更“粗糙”。李后強認為酶表面“凹凸性”分布不是均勻的，有胖分形和多分形的特征。他還求出溶菌酶和胰凝乳蛋白酶的多分維譜，較好地說明了酶表面活性中心的分維和本體分維的大小問題。李后強等人也成功地將分形理論用于酶模型的設計、酶動力學的研究和酶變構效應的探索之中。

4 分形理論在食品和農業物料特性研究中的應用

應力應變關系包含了材料質構的重要信息，通過對應力應變關系的分析研究，來獲取某些評定和刻劃食品和農業物料的質構特性的力學參數一直是食品科學工作者和農業物料研究者所感興趣的問題之一。多孔脆性食品和農業物料的應力應變關系表現出極不規則的“鋸齒”狀振蕩形貌。Barrett等選擇玉米粉和玉米-稻谷混合粉，在一定的擠壓膨化條件下分別制成了兩類食品，前者為具有較大孔隙結構的食品，后者孔隙較小且相對較軟。對其研究結果發現，利用分維可以有效地表現應力應變曲線的不規則程度。不同含水量試樣的試驗表明，擠壓食品越干燥，其應力應變曲線就越不規則，因而其分維值就越高;而食品的濕潤程度越大，其應力，應變曲線就越趨于光滑，因而其分維值就越低。它意味著分維有可能作為刻劃食品或物料力學性能的一個特征參數。應力應變曲線的分維值還可被用來研究反映食品或農業物料質構的另一重要特性——“可破碎性”。

5 結束語

綜上所述，加強對分形理論在食品科學與工程中應用的研究分析，對于其良好實踐效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的分形理論應用實施過程中，應該加強對其關鍵環節與重點要素的重視程度，并注重其具體實施措施與方法的科學性。

[1]徐新陽等.一種研究濾餅結構的新方法[J].中國科學技術大學出版社.2017.

[2]宋韜.應用計算機視覺進行作物籽粒形態識別的研究[J].北京農業工程大學.2017.