基于專利分析的食品加工產業技術預測方法創新與應用探索
——發明問題解決理論（TRIZ）視角

呂建秋，胡安陽

（1.廣東省科技管理與規劃研究院，廣東廣州 510642；2.華南農業大學創新方法研究所，廣東廣州 510642；3.華南農業大學食品學院，廣東廣州 510642）

1 研究背景

TRIZ 是俄文“теории решения изобретателckиx зала”轉換成拉丁文“Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch”的詞頭縮寫［1］1，即發明問題解決理論。TRIZ 理論有八大進化法則，但經過后期的推廣應用與推展，目前學術界已發展出約20 種典型進化模式和350 條進化路線，其中最為著名的技術進化模式有Fey 等［2］提出的6 種進化模式、Zlotin 等［3］提出的10 種技術進化模式和Mann［4］提出的11 種進化模式。

在激烈的市場競爭環境中，企業要想長久發展和生存就必須有兩方面的發展：第一，提供質量更好且價格更低的產品服務，可以在有限的市場中具有較大的競爭力；第二，推陳出新，開發新的產品和消費理念，足以開辟新的市場空間［5］。傳統的食品加工產品在與水果等其他相關產品競爭中絲毫沒有優勢，銷量難以提升、市場難以擴大，而且目前在食品開發研究中，大多數仍停留在試錯法和頭腦風暴的層面，主要依賴從業人員的經驗，效率較低、周期較長，因此，亟須開發出更多具有技術創新性和市場適應性的產品，在滿足人們對食物多功能需求的同時還能開辟市場，助力企業長遠發展。故本研究將TRIZ 引入食品加工領域，從專利的視角，在總結技術系統進化過程的基礎上對進化路線進行提煉，按照技術系統的進化層次關系構建一種樹狀信息模型，即進化樹，意在通過系統分析食品開發過程中遇到的問題，提出科學有價值的食品產品發展方向，得到切合實際、創新性較強的最終產品。

2 基于TRIZ 理論的專利預測方法

2.1 傳統的產品專利預測方法

當前，國內外研究多采用社會網絡分析方法，從專利擁有者、發明人協作網絡和專利引文網絡等方面對專利信息進行挖掘，并對專利質量、技術預測、行業間知識流動、技術評價和企業核心技術進行深入研究。到目前為止，關于專利技術發展狀況方面的研究主要包括技術擴散、技術發展趨勢預測、技術結構變化等。如，Nam 等［5］利用商標網絡和全球專利網絡對技術全球化引起的垂直結構上發生的變化進行研究，總結出了知識產權在全球擴散的情形；楊中楷等［6］基于社會網絡分析方法，利用美國專利商標局數據庫數據，通過專利引文網絡技術探究不同領域間的關系，來追蹤不同領域間有關專利知識流動的信息，從而展現出相關專利網絡的宏觀特征。同時，專利技術路線圖作為現代產業預測、技術發展規劃的新型創新工具，經常被各級管理部門、創新機構用于產業整體發展規劃和技術發展預測研究。專利技術路線圖的應用，不僅能夠幫助相關部門更加直觀地了解有關產品研究的市場定位和產業發展現狀，也能通過專利價值度的設定了解關鍵技術及未來一定時間內的相關技術發展趨勢［7］。

2.2 基于TRIZ 專利預測研究現狀分析

劉新敏等［8］對有色金屬尾礦治理技術發展進行預測時發現，通過對專利生命周期地圖分析有存在不足之處，于是通過引進TRIZ 對未來技術發展進行預測，在判斷產品不同加工周期的基礎上，采用不同的進化路線來對產業未來的發展方向作出選擇，通過跨學科理論方法的使用豐富專利預測研究的理論體系。樓旭明等［9］對無人機技術進行研究時，將傳統的基于專利技術生命周期和S 曲線進行比較研究，并將專利分析與TRIZ 中的進化法則理論結合起來，在通過大量專利數據回歸分析判斷技術足夠成熟的基礎上，選擇不同的進化法則來預測下一步技術關鍵領域的進化方向。周紹章［10］通過構建具體產品的進化樹來直觀地展示產品的進化過程，通過與基礎模型的比較來分辨出具體產品的進化可能。

3 食品加工產業相關分析方法及理論基礎

3.1 S 曲線

S 曲線是一種用來描述技術系統參數隨時間變化的曲線。有研究在S 曲線的拓展中，進一步將技術的有益功能的參數分為了3 個方面：專利數量、專利等級和企業利潤［11］。根據TRIZ，無論是一個簡單產品還是復雜的技術系統，其核心技術的發展都是遵循著一定的客觀規律來發展演變的，即具有客觀的進化規律和模式［1］1。同生物系統的進化類似，技術系統也面臨著自然選擇和優勝劣汰，技術進化系統的S 曲線是一個技術系統從孕育、成長、成熟到衰退的變化規律的曲線，可用于評估現有技術的成熟度，有利于合理投入和分配。技術系統進化各個階段的特點如圖1 所示。

圖1 技術系統進化的S 曲線

3.2 進化樹

進化樹應至少具備3 項功能：一是記錄技術系統過去的技術狀態，二是可以展現競爭技術的發展情況，三是可以展現未來可能的技術路線。尼古拉·什帕科夫斯基簡化得到了技術進化的10 條路線，如表1 所示［12］。

表1 技術進化路線與方法

4 專利分析

目前市場上流通的柚子皮相關產品較少，基本上所有工廠中關于柚子皮產品的加工也僅僅停留在傳統的果脯蜜餞、茶飲、糕點等方面，因此，以柚子皮產品加工為例，分析其未來可進一步開發的其他系列產品的方向。

研究數據來源于中國南方知識產權信息中心，檢索時間為2020 年12 月30 日。在檢索過程中，數據庫內容范圍為我國，關鍵詞為“柚皮”“柚子皮”，字段為“標題”“摘要”“權利要求”“正文”。將檢索出的專利進行初步篩選：首先刪除專利的法律狀態為將被駁回、視為撤銷、放棄等失效專利，為保證專利的全面性，保留未繳年費和期限屆滿狀態的過期專利；其次剔除與產品無關的柚子果園建筑設計、柚子相關加工運輸設備等相關專利；最后根據專利名稱去掉在權利要求書中提到柚子皮的某些成分提取方法，并根據專利權利要求和摘要去掉柚木、柚子花、柚子肉、柚籽等與柚子皮無關專利，得到以柚子皮為原材料的我國加工產品專利數據庫。

如圖2 所示，最早的柚子皮相關專利出現在1992 年，但是相關專利數量在2001 年之前均趨近于零，2002—2010 年期間開始增多，但是波動較大，2011 年逐漸上升，其中2014 年更是突飛猛進，至2016 年突然出現下降趨勢，但是專利數量依然較多。2011 到2016 年柚子皮產品的專利數量增長相當迅速，可能是由于國家在“十二五”規劃（2011—2015年）中著重強調要發展農業所導致。對照圖1 來看，目前我國柚子皮產品加工從正處于嬰兒期向成長期發展的階段，專利數量經歷了1 次減少然后上升的過程，后期專利數量很大可能將繼續大幅上升，而在龐大的專利數量中，只有提高產品本身的創新性，才能成功占有一定的市場份額。

圖2 我國柚子皮相關產品專利申請數量的年度分布

截至2020 年12 月22 日，將所有專利逐步篩選完成后，國內柚子皮相關產品專利有1 194 件，按產品用途分類，如圖3 所示。

圖3 我國柚子皮相關產品專利的領域分布情況

5 進化樹構建

5.1 主干構建

鑒于柚子皮作為產品原料在加工和制備中的特殊性，依據物質分割路線來構建進化樹的主干。選擇基礎方案，從最原始材料角度出發劃分柚子皮分割路線。柚子皮可分為海綿層和油泡層兩部分，根據不同的加工方式可以對其進行切片、切丁，還可以對其進行簡單干燥和打漿處理得到粉和漿，更深一步提取可以得到精油和柚子皮提取物（如圖4 所示）。

圖4 柚子皮產品進化樹主干

5.2 主干的進化分支

以主干上的原材料為出發點，以加工材料和原理為依據，根據構建進化樹規則，將進化樹主干上的每一個分支進行第2、第3 層甚至第4 層的延伸，最終組合到一起，得到完整的柚子皮進化樹。比如，在構建以海綿層為基礎方案的進化樹分支時，在柚子皮的內部特性進化路線上，首先除去其水分和苦味之后可以包裝成為柚子菜干；然后打粉，通過碳化可以制成對重金屬或其他一些有害物質和氣體進行吸附的材料（如衛生巾、除味劑等）；將碳化后的材料再活化，可以進一步得到一種電極材料；等等。與此同時，在系統擴展和減裁路線上，柚子皮菜干加鹽腌制后可以做成咸菜柚子皮，添加其他輔料與食品添加劑可以得到各種口味的即食柚子皮，與各種蔬菜肉類翻炒后可以得到一些家常菜品，等等。又如，在構建以油泡層為基礎方案的進化樹分支時，在系統組件裁剪路線上，可以利用化學手段提取天然色素，等。將上述產品填入進化樹節點，構成進化樹分支如圖5 所示。

圖5 以主干中的原料為基礎方案的柚子皮產品進化樹分支

柚子皮切片和柚子皮丁是柚子皮的不同形態，以此為原料，在“單—雙—多”系統進化路線上，柚子皮切片脫水后可制成柚皮脆片，柚皮脆片可以與其他水果蔬菜脆片包裝成混合蔬果干后銷售；柚子皮丁可以在糖腌過后制成蜜餞、餡料和果醬，進一步添加面粉、果蔬醬、蜂蜜等可以分別制成柚子酥、復合果醬、蜂蜜柚子茶等產品；柚子皮丁和柚子皮切片在烘干后可以與不同的花搭配成茶包，也可以和一些中藥材搭配成藥包、枕頭等產品。將上述產品填入進化樹節點構成進化樹分支，如圖6 所示。

圖6 基于“單—雙—多”進化路線的柚子皮產品進化樹分支

同理，柚子皮粉脫苦后可以與其他果蔬粉一起制成代餐粉，加水與面粉揉合后可以制成面條、餅干、面包等面制品；還可以作為直接原料加入柚子皮鹽、貓砂、肥料、飼料等制作過程中。而柚子皮打成漿后，主要用于柚子風味果汁和白酒的制作，柚子果汁又可以與其他風味的果汁按一定比例調配成混合果汁，也可以與其他原料共同發酵成具有不同風味的白酒和果酒，還可以加入辣椒、鹽等調味料制成柚子皮辣醬，等等。將上述產品填入進化樹節點構成進化樹分支。再如，柚子皮精油雖為液體，但是也屬于柚子皮提取物中的一種，在產品中有部分重合的地方，參考楊喆茗［13］的研究思路，因此考慮納入柚子皮精油一起構建進化樹分支。柚子皮精油是從柚子皮中提取的一大類芳香氣味物質［14］，可以作為抑菌劑和保濕劑添加到按摩油、香薰、清潔產品和護膚產品中［15］。柚子皮提取物中含有黃酮類化合物、多糖、果膠、膳食纖維等多種不同類別的功能成分，也經常添加到清潔產品和護膚產品。其中，黃酮類化合物主要是柚皮苷，柚皮苷加氫后可以制成二氫查耳酮（Dihydrochalcone，DHC），可作為甜味劑；清潔產品包括洗面奶、沐浴露、洗發水、卸妝膏等具有日常清潔功能的產品；護膚產品包括精華液、爽膚水、面膜等具有日常護膚功能的產品。除此之外，柚子皮提取物還能制成抑菌軟膏［16］。將上述產品填入進化樹節點構成進化樹分支。

5.3 柚子皮產品進化樹

通過以上步驟，逐步構建出柚子皮加工產品進化樹的每個部分，將所有部分依次加入進化樹的主干，則可構建完整的柚子加工產品進化樹，如圖7所示?？梢钥闯?，過去柚子皮產品的發展主線主要有兩個方面：一是基于其最基礎的食用功能，通過不斷提升的加工工藝來不斷產生新的可食用的產品，如為了提高產品附加值，從柚子皮中提取了功能成分，制成有保健功能的食品、日化產品和藥物；二是利用其結構和風味特性，將其相關產品直接添加到貓砂等許多材料的制作當中，或再進行不同技術加工處理，制成工藝更為復雜的吸附材料和電極材料等。

圖7 柚子皮產品進化樹

6 基于產品進化樹的產品發展趨勢及預測

從產品在柚子皮進化樹的分布情況看，大部分集中在進化樹的低端和主干，尚處在初級加工與半精深加工水平，因此，從產品的技術構成視角，未來的柚子皮加工技術將從舊S 曲線向新曲線躍遷，生產具有高附加值的精深加工產品為主。

從進化樹主干可以看出，隨著分割層級越高，相關產品就愈加動態化，且產品的作用也愈加具體。如圖4 中，分割路線上沒有真正的氣體層級產品存在，而香薰可考慮劃歸到氣體層級，說明市場需求是存在的，但是真正氣態的相關加工產品尚未出現，可能是由于加工工藝還未能支撐其得以實現。此外，柚子的風味主要存在于柚子皮中，目前無論是食品加工中要保留柚子風味，還是身體乳、卸妝膏等高端產品以柚子清香為賣點，都說明柚子風味是柚子皮下一個有待深入發掘的產品功能。可見，一個完全氣態的柚子皮加工產品是一個具有很大潛力的技術進化方向?？尚械募夹g方案包括但不限于如下：

方案一：新鮮柚子在切開柚子皮時的味道是非常清香的，但是隨著時間的推移氣味會越來越淡，因此可以考慮將這些揮發性的芳香物質向氦氣（He）、氫氣（H2）等氣體及時收集儲藏起來。柚子皮加工產品進化樹的進化路線以“單—雙—多”系統路線、系統組件裁剪路線為主，“單—雙—多”系統路線主要體現在柚子皮與其他原料相結合，共同加工得到一個新產品，隨著分支的不斷延伸，產品中包含的元素也越來越多，到后期就沒有什么發展空間了，則可以通過“系統擴展—裁剪路線”和組件裁剪路線，進一步刪減或替換原有系統中的元素得到新產品。

方案二：將添加柚子皮的菜品中所用到的原料進行脫水處理，并按比例包裝制作成柚子菜包等半加工方便食品。因為還有一部分“單—雙—多”系統路線在延伸過程中由于加工工藝類似，進化路線未繼續延伸，故，可以考慮引入一些新的物質和場進行組合得到新產品，也可以刪減或替換原有系統中的元素，得到新產品。

方案三：將柚子皮粉與鹽混合制成柚子皮鹽，同時在進化樹節點上也具有柚子辣醬產品，因此可以將鹽替換辣椒粉得到柚子皮風味的辣椒粉。因為在進化樹的頂端是從柚子皮中提取的功能成分，但是目前市面上的有關產品在添加不同元素過程之中都只顯示添加了柚子皮提取物或柚子皮油，極少有針對不同功能成分設計具有不同功能的產品，故，可以考慮設計不同類型的產品。

方案四：有研究表明黃酮類化合物在驅蚊方面具有和六神花露水等相當的效果，因此可以將從柚子皮提取的黃酮類化合物進行配比后制成驅蚊水。

方案五：柚子皮中提取得到的膳食纖維可以代替柚子皮粉制成代餐粉，在增加飽腹感的同時改善腸道微生物、促進消化，使之具有更高的產品價值。

方案六：可籠統地將水提取物、醇提物和柚子皮油細化為各種單獨的、具有不同功能的成分，以設計不同類型的產品。

7 結論

在對有關食品加工技術專利分析過程中，本研究發現柚子皮相關產品的技術發展已經從嬰兒期向成長期轉變，在之后的產品開發過程中要突破常規思維，才能提高產品本身的創新性，成功占有一定的市場份額。目前國內柚子皮相關專利較多，其中有一部分專利還未轉化為產品，絕大部分專利對應的相關產品在市場上還較為小眾，未被消費者所熟知。在構建柚子皮產品進化樹后，可以明顯地發現未來柚子皮產品發展的四大主要方向：

（1）填補進化樹主干上氣態節點中的空白，開發出氣態的柚子皮產品；

（2）對于節點較多的進化樹分支，通過“系統擴展—裁剪路線”和組件裁剪路線刪減或替換原有系統中的元素獲得新產品；

（3）對于節點較少的進化樹分支，通過引入一些新的物質和應用場景進行組合得到新產品，也可刪減或替換原有系統中的元素得到新產品；

（4）針對不同功能成分的特性設計不同類型的產品。

以柚子皮加工產品的預測為例，本研究提出的基于TRIZ 的專利預測方法創新與應用的實用性，證明了利用TRIZ 的進化路線理論同樣能夠達到傳統的利用專利技術生命周期、S 曲線和專利地圖等方法的效果。TRIZ 的進化路線同樣能和專利分析很好地結合起來，今后在進行有關加工產品理論研究時，可以從產品具體進化樹的構建角度進行相關實證分析。