分形理论在食品科学与工程中的应用

文/南博

分形理论在食品科学与工程中的应用

文/南博

华润雪花啤酒（中国）有限公司天津分公司

近年来，分形理论在食品科学与工程中的应用问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了分形理论在食用和药用原料选用中的应用，并结合相关实践经验，分别从多个角度与方面就其在食品工程单元操作、酶学研究以及食品和农业物料特性研究等多个角度与方面展开了研究。

分形理论；食品科学与工程；应用；策略

1 分形理论在食用和药用原料选用中的应用

从信息分形和功能分形的观点出发，人们对DNA、核酸、蛋白质的构成、细胞的产生和细胞膜离子通道的动力学进行了分形研究。其中涉及的基因、生物大分子和细胞是较低层次的分形元。事实上，在组织、器官的层次上也表现出分形性。所以，作为食品原料的生物体的分形现象表现在不同的层次和不同的方面。分形生物学是专门研究生物体分形原理及其应用的一门新学科，其核心概念是“生物分形元”。生物分形原理揭示了相关的部位在整体及各个分形元上有序的分形分布规律，如对应相似关系。根据对应相似关系，分形元上某一部位的生物化学组成与整体的映射部位的生物化学组成相似程度较非映射部位要大。这种对应关系在植物中比较突出，对优质食用、药用原料的选取有重要意义。植物的枝、叶、果、花、茎、根等，都是生物分形元。

可以利用分形原理来考察高粱中氰酸的含量分布。测试结果表明，氰酸在整株高粱上部叶中含量较高，下部含量较低;在一片叶子中，上部含量较高，下部的鞘中含量较低;主茎上部的节间含量较高，则从主茎上部的节衍生出来的叶子含量在总体上边也比从主茎下部的节衍生出来的叶的氰酸含量要高。

根据同样的方法，人们研究了人参皂甙在人参中的分布。研究发现并非根中人参皂甙含量最多。整株人参各器官内人参皂甙的含量顺序是:花>芽>茎>叶>根。实验证明，三七中的皂甙在花、果、叶和茎中的含量亦均大于根。人们在生物分形原理的指导下，对2000多种根茎叶类药材进行了研究，发现传统药用部位不是最佳选择的几乎占一半。

2 分形理论在食品工程单元操作中的应用

2.1凝聚

凝聚现象普遍地存在于食品工程中的气力输送、气流分级、气流冷却、气流干燥、喷雾干燥、蒸发及浓缩等操作。凝聚现象具有分形性质。在凝聚现象的分形性质研究中，人们提出了一些理论模型，其中比较重要的有两种，即DLA模型和KCA模型。

DLA模型是受限扩散凝聚模型的简称。该模型一问世，就引起人们的高度重视，特点是概念简单、代表性强、模拟结果与实验数据较吻合。按照这种模型，取一个二维正方形欧氏空间，并分割成方形点阵。在点阵中央附近的格点上，放置一个静止的种子微粒。在距它较远处随机地产生一个微粒，令此微粒在各格点上作类似于布朗运动的随机行走。若与种子微粒相碰，则二者结合形成凝聚集团;若行走到点阵边界，则被吸收而消失。接着再随机地产生第二个微粒，如此重复，不断进行，于是以种子微粒为中心就会形成不断增长的凝聚集团。

2.2结晶

小分子结晶相当于凝聚过程。国内学者采用先进的实验手段对小分子结晶操作中晶体生长过程进行了实测，也发现与DLA模型的模拟结果吻合。大分子的结晶受到多种复杂因素的影响，主要还是受到大分子结构特征的制约。由于M.Aurami处理结晶的方法很类似广义DLA模型或称NPW模型，因此可以借用推广的HTM公式来计算。

2.3过滤

滤饼过滤操作中的滤饼是由不同几何形状、不同尺寸的固体颗粒堆积而成，具有分形客体不规则、支离破碎的典型特征。东北大学徐新阳等人对滤饼结构进行了分形研究。结果表明，虽然不同物料、不同条件下形成的滤饼具有不同的结构，但其孔隙尺寸均满足分形标度律，具有随机自相似性，是一种分形结构，可用分形理论去描述滤饼结构。

3 分形理论在酶学研究中的应用

酶的催化性与选择性等宏观性质与其表面结构有紧密的关系。酶表面是不规则和粗糙的，有各种“洞穴”、“缝隙”、“折皱”，凹凸不平，因此可以用分形理论描述。胰蛋白酶的整体分维为2.62，活性中心的分维为2.80，因此认为活性中心比酶本体表面更“粗糙”。李后强认为酶表面“凹凸性”分布不是均匀的，有胖分形和多分形的特征。他还求出溶菌酶和胰凝乳蛋白酶的多分维谱，较好地说明了酶表面活性中心的分维和本体分维的大小问题。李后强等人也成功地将分形理论用于酶模型的设计、酶动力学的研究和酶变构效应的探索之中。

4 分形理论在食品和农业物料特性研究中的应用

应力应变关系包含了材料质构的重要信息，通过对应力应变关系的分析研究，来获取某些评定和刻划食品和农业物料的质构特性的力学参数一直是食品科学工作者和农业物料研究者所感兴趣的问题之一。多孔脆性食品和农业物料的应力应变关系表现出极不规则的“锯齿”状振荡形貌。Barrett等选择玉米粉和玉米-稻谷混合粉，在一定的挤压膨化条件下分别制成了两类食品，前者为具有较大孔隙结构的食品，后者孔隙较小且相对较软。对其研究结果发现，利用分维可以有效地表现应力应变曲线的不规则程度。不同含水量试样的试验表明，挤压食品越干燥，其应力应变曲线就越不规则，因而其分维值就越高;而食品的湿润程度越大，其应力，应变曲线就越趋于光滑，因而其分维值就越低。它意味着分维有可能作为刻划食品或物料力学性能的一个特征参数。应力应变曲线的分维值还可被用来研究反映食品或农业物料质构的另一重要特性——“可破碎性”。

5 结束语

综上所述，加强对分形理论在食品科学与工程中应用的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的分形理论应用实施过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。

[1]徐新阳等.一种研究滤饼结构的新方法[J].中国科学技术大学出版社.2017.

[2]宋韬.应用计算机视觉进行作物籽粒形态识别的研究[J].北京农业工程大学.2017.