食品中的水滴“食”穿-超高压水射流切割技术

      食品中的“艺术雕刻刀”

       近百年来，随着科学技术的不断探索和进步，人们终于研究出了能赋予液滴比自由落体运动更巨大的打击能量，使漫长的滴水穿石现象在瞬间便可实现，这主要得益于水射流技术的发现所带来的应用和改变。为了提高效率, 将水施以高压，并将水从直径较小的喷嘴中喷出，形成一束高速、连续或间断的水流束，这就是高压水射流技术。高压水射流技术主要是以水为能量载体, 通过液体增压装置和特定喷嘴, 将电机机械能转化为水的动能, 进而形成高速水射流。

       超高压水射流切割机的工作原理是将普通的水经过过滤，然后通过一个超高压增压器逐级增压，将水流增压至200-400MPa,然后再通过一个直径为0.1-0.3mm的喷嘴（一般由蓝宝石制成）形成一束射流速度高达1000m/s（大约是音速的3倍），具有极大动能的水线，这一水束就像一把切削加工的刀具，在数控系统的控制下对所需要加工的食品进行切割成型。一般通常是将磨料供给装置把磨料送入混合器，这时水箱中的水经过超高压水射流发生器后成为高压水，并在混合器中将磨料与高压水混匀，然后，通过水刀切割头装置的喷嘴以每秒数百米的高速度喷向切割食品，同时，水刀切割头装置在数控系统控制下，按照预先设定的加工程序要求的轨迹进行平面移动并最终切割出所需形状的产品。

       超高压水射流特点及优势

       相对于传统的热切割技术激光切割、火焰切割和电火花线切割等，超高压水射流切割技术是一种先进的新型“冷态切割”高新工艺技术，不仅符合现代绿色制造理念，还是集泵、阀、密封、液压、自动化控制为一体的综合新技术、新工艺。“高压水刀”通过数控装置能控制切割的速度和切割路线，可以切割各种食物，在切割食物同时，还能减少食物中的活性成分和热敏性营养素的损失，最大限度保持食物的营养价值，提高加工食物的产品质量。

       高尖水刀，精准切割：“高压水刀”切割时几乎无热量产生，对加工食品表面尤其是热敏营养素不会产生热影响，不会造成切割面物料质构的       改变和风味的影响。同时，高压水切割的切口质量较好，某些食品表面切割后能较平整光滑，几乎无浮渣、无飞边、切割面垂直，不会产生机械应力与应变力而导致食品变形。

       速度快、效率高：“高压水刀”是通过微小直径的喷嘴后产生极高能量和速度，所以它的速度非常快，切割效率非常高。

       无轮廓限制：“高压水刀”能够将被加工食品切削成任何所需的形状，切入点和终结点可以设定在食品表面的任意一点，无切割方向的限制，尤其是可以出色地切割出复杂的形状，具有高度弹性化。

       低成本、高安全：“高压水刀”的材料主要是水，水的来源充足，不但丰富易获得，而且成本非常低。同时由于喷嘴直接非常小，水的用量也就很少，极大地减少了材料的损耗。水刀切割不需要磨边等二次加工，更不要冷却液，****的减少了工艺流程、节省了时间并降低了制造成本。另外，水也是非常安全的可食用成分，切割时不会产生有毒气体和更不会造成食品的二次污染，提高了操作人员的安全性，改善了车间的工作环境。

       智能控制、简单易操作：“高压水刀”的工作机构具有喷头体积很小、移动方便，可以与机器人等智能设备结合，有利于实现一机多能、自动化和数控化，可以增加食品切割的个性化、多样化，促使整个切割工艺操作方便、实行远程操控，既减轻了工人的劳动强度、又节约了人力成本。

       高压水刀在食品中的应用

       食品杀菌保鲜中的应用：有研究表明，通过超高压水射流技术的瞬时卸压、高速撞击和高速剪切等复合作用可以实现对微生物菌体的成功破碎，以达到彻底杀灭微生物的目的。在应用高压水射流技术进行食品杀菌保鲜过程中我们发现该技术既能克服热力灭菌法导致热敏性成分分解和挥发性成分散失的缺点，又能弥补高压均质灭菌法产量不易放大、物料适应性差、芽孢破碎不理想等缺陷，是迄今为止发现的一种较安全、高效、节能、无污染、可连续化生产的冷杀菌新技术。

       生鲜蔬菜的切割：与传统刀片切割相比, 利用高压水射流技术切割生鲜蔬菜不仅避免了钝刀的情况, 还能杜绝交叉污染。有国外研究发现，在250MPa的水压下，通过0.1mm孔径的喷嘴喷射的水流对蔬菜的切割效果**。例如在进行甘蔗收割时，传统的收割机操作时容易磨损堵塞以及反复切割而导致的经济损失，如果改用非接触式高压水射流技术进行切割就可以实现远距离的甘蔗切割，并且极大的节省了成本。

       饼状食品的切割：国外目前已经成功将高压水射流技术应用于切割面包、蛋糕等生产线，并能实现成批进行产品的生产。它主要是以超高压水束作为切割工具的一套食品处理设备，其工作参数为3773MPa的高压、0.08-0.46mm的水束直径。在进行切割的时候，约有70%的水被气化，其余的水通过收集槽可重新使用。

       肉类食品的切割：由于禽类、鱼类和肉类在加工过程中需要经过一系列复杂的工序对每一片肉进行分析并修饰、切割成相同的尺寸或重量，为此，国外企业研究并开发了适用于肉制品等切片与分割的机器人喷射水刀切割系统。该系统在进行肉制品切割时，可将骨质、皮和纤维等一起切断，不留碎骨残留，而且可以减少溢血。

       马铃薯的高压切割：美国一家薯条加工厂开发了一套切割处理设备，马铃薯通过传送带进入烘干机烘干并剥除表皮，然后进入锥形槽，在锥形槽出口有该厂研发的切割利器“水枪刀”实施对马铃薯的连续切割，水刀在高压条件下以每秒35.5米的速度喷射而出，将马铃薯切割成形状大小完全一致的薄薯条。

       明日之“芯”

       虽然超高压水射流技术目前仍处于不断发展和研究的阶段，实际应用的案例较少，并涉及到多学科的交叉研究，且很多的参数和性能指标还需要进行大量的测试来验证和完善。超高压水射流技是一种新型的冷态高能束切割技术，是21世纪需要优先发展的绿色制造、可持续发展的主流切割技术，其在食品中的应用前景十分广泛。尤其是适用于食品加工中的数控超高压水射流装置的研制，将有助于提高食品加工速度、改善加工质量，增加产品的附加值，具有显著的经济效益和社会效益。

       关键词：高压水射流、水刀切割、高压水刀

       文/Martin Yu

       作者简介：

     Martin Yu，食品科技工作者、营养师，长期负责特殊食品研发工作，主要方向为：FSMP、益生菌等。