中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所魏益民教授

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所魏益民教授，曾任西北農(nóng)林科技大學(xué)副校長(zhǎng)，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所所長(zhǎng)，主要研究方向涉及谷物化學(xué)與小麥加工關(guān)鍵技術(shù)；植物蛋白擠壓組織化理論與技術(shù)；食品產(chǎn)地溯源及確證、食品加工過程安全控制等，主持多項(xiàng)國家科技攻關(guān)計(jì)劃、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（小麥）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目。

從食品水分分析技術(shù)平臺(tái)，到智能物料干燥分析系統(tǒng)，魏益民教授開展了一系列的研究工作，不僅解了企業(yè)的“燃眉之急”，也對(duì)儀器設(shè)備開發(fā)和應(yīng)用拓展起到了很大的促進(jìn)作用。其中，與蘇州紐邁分析儀器股份有限公司（簡(jiǎn)稱：紐邁分析）以及河北金沙河面業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱：金沙河面業(yè)）的合作就是很好的案例。日前，儀器信息網(wǎng)編輯特別采訪了魏益民教授，聽他講一講學(xué)術(shù)研究及其背后的精彩故事。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所魏益民教授

低場(chǎng)核磁技術(shù)：水分狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡研究的有效手段

水乃萬物之源。在國際上水的研究是一個(gè)非常重要的領(lǐng)域，具體到農(nóng)林產(chǎn)品、食品和能做成食品的所有原料，水分的研究更是必不可少。

采訪伊始，魏益民教授先給我們普及了食品領(lǐng)域與水分有關(guān)的一些學(xué)問。“在農(nóng)產(chǎn)品的收獲、安全儲(chǔ)藏、安全運(yùn)輸、加工和食品制造中，都離不了水這個(gè)命題。比如，國標(biāo)規(guī)定小麥安全儲(chǔ)藏的水分含量在12.5%以下，面粉安全儲(chǔ)藏的水分含量在14.5%以下；另外，種子發(fā)芽需要合適的水分條件；食品制作過程中的煎、炸、炒、燴、煮、蒸都離不開水分；果品、蔬菜等的保鮮與水分息息相關(guān)；掛面制作及烘干的工業(yè)過程中，水分更是一個(gè)至關(guān)重要的因素……”

魏益民教授介紹說：“食品的含水量不僅和食品的口感、新鮮度、脆度等有關(guān)，而且在食品工業(yè)中，加水量的多少和生產(chǎn)成本和商業(yè)利潤有著密切的關(guān)系，從這個(gè)角度來說，水分的研究在食品領(lǐng)域有著重要的商業(yè)意義。”

據(jù)介紹，目前關(guān)于水分的研究課題，包括含水量、水分存在狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡和水分活度等。現(xiàn)有對(duì)食品中水分的研究主要是絕對(duì)含水量的測(cè)量，一般采用加熱蒸發(fā)至恒重的方法計(jì)算得出。但是必須注意的是，蒸發(fā)過程中跑掉的除了水分之外，還可能有別的揮發(fā)物質(zhì)。因此，結(jié)果往往不是很準(zhǔn)確。

“我研究的課題主要圍繞水分和食品的關(guān)系。多年的研究發(fā)現(xiàn)，核磁分析和成像技術(shù)是研究水分存在狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡的有效手段。”魏益民教授介紹道，從原理上來說，根據(jù)氫原子核的弛豫時(shí)間，可以判別自由水、弱吸附水和強(qiáng)吸附水的比例，進(jìn)而可以研究水分在食品中的存在狀態(tài)。通過核磁成像，還可以把水分研究從不可視狀態(tài)變成可視狀態(tài)，從而可以看到水分的擴(kuò)散軌跡。

其實(shí)，早在進(jìn)行高水分組織化植物蛋白課題研究的時(shí)候，魏益民教授課題組就曾嘗試使用紐邁分析的低場(chǎng)核磁設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)高水分和低水分含量食品中水分的存在狀態(tài)和分布是不同的。魏益民教授說：“也就是從那個(gè)時(shí)候開始，我們發(fā)現(xiàn)，食品中的水分可以用低場(chǎng)核磁技術(shù)來更好地表征。這個(gè)思路一直存在我的腦子里。”而在之后研究“食品水分分析技術(shù)平臺(tái)”時(shí)，魏益民教授也成功地將低場(chǎng)核磁技術(shù)引入其中。

“核磁技術(shù)在食品領(lǐng)域最大的意義就是區(qū)分水分存在的狀態(tài)，看到水分的運(yùn)移過程，以此來研究水分的運(yùn)移規(guī)律。” 魏益民教授說，“核磁技術(shù)用于食品中水分的研究，能提供的不僅僅是含量，而且能夠在分子水平上觀察水分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這項(xiàng)研究非常有價(jià)值。”

食品水分分析技術(shù)平臺(tái)：一次突發(fā)事件的啟發(fā)造就的專利成果

既然低場(chǎng)核磁是研究水分存在狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡的有效手段，那么如何介入并進(jìn)行系統(tǒng)研究呢？其實(shí)，魏益民教授一直在關(guān)注這方面的研究，包括進(jìn)行高水分組織化植物蛋白研究的時(shí)候，就已經(jīng)開始了初步的嘗試。而金沙河面業(yè)冬季大雪降溫危機(jī)事件將這件事情正式提上了日程。其中，“食品水分分析技術(shù)平臺(tái)”的建立是第一步，為之后低場(chǎng)核磁技術(shù)的引入奠定了基礎(chǔ)。

2004年，魏益民教授就與金沙河面業(yè)開始了接觸，也曾多次被邀約去解決掛面干燥能耗的問題，遲遲未果的原因在于魏益民教授“不打無準(zhǔn)備之仗”。魏益民教授說：“我不是學(xué)這個(gè)學(xué)科的，之前對(duì)烘房沒有研究，為此做了很多準(zhǔn)備工作，也找了很多食品干燥方面的書籍來進(jìn)行基本理論的學(xué)習(xí)，并準(zhǔn)備了在線自動(dòng)溫度濕度自動(dòng)記錄儀、微型氣象工作站等進(jìn)口的儀器設(shè)備。”

2012年冬天，一場(chǎng)突如其來的大雪導(dǎo)致氣溫驟降，金沙河面業(yè)的鍋爐房溫度不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求，金沙河面業(yè)的生產(chǎn)線面臨嚴(yán)重危機(jī)。魏益民教授第一時(shí)間趕到現(xiàn)場(chǎng)，并采取了一系列的行動(dòng)：首先，關(guān)好門窗，加蓋布簾，減少能耗浪費(fèi)；其次，掛上溫濕度儀，監(jiān)測(cè)現(xiàn)有生產(chǎn)線的適宜溫度濕度范圍；第三，安置微型氣象工作站，測(cè)排風(fēng)口的環(huán)境要素。“結(jié)果顯示，不同車間排風(fēng)口的差異達(dá)40%。這說明烘房的操作工藝是盲目的、憑經(jīng)驗(yàn)的，沒有科學(xué)依據(jù)的。” 最終，在魏益民教授的指導(dǎo)下，他們研究了用能最少生產(chǎn)線烘房的操作參數(shù)。之后，所有車間都照此參數(shù)執(zhí)行。第三天中午，鍋爐溫度正常了，危機(jī)解除。

“這次事件給了我們很大的啟發(fā)：掛面干燥的理想模型是什么？有什么樣的規(guī)律？基于什么樣的機(jī)理？通俗來講，掛面的水分是怎樣從掛面里面跑出來的？是勻速的？還是梯度的？這是一個(gè)非常重要的課題，不僅是節(jié)約能源的問題，還可以節(jié)約成本、減少污染、綠色環(huán)保。而在此之前，對(duì)烘房氣象要素變化及掛面內(nèi)部水分動(dòng)態(tài)變化的結(jié)果并沒有一個(gè)微觀描述，沒有人對(duì)此進(jìn)行過研究。”

“但是，誰來做呢？” 魏益民教授說：“這其中涉及了熱能與動(dòng)力工程、環(huán)境科學(xué)、氣象學(xué)、食品干燥技術(shù)等學(xué)科，這些都不是我的特長(zhǎng)。”碰巧的是，在一次國際會(huì)議上，魏益民教授偶遇了兩個(gè)合適的人才，一個(gè)是做微型傳感器的，一個(gè)是做糧食干燥的，并將他們引進(jìn)到研究所，開始了相關(guān)的研究。

為了不造成太大的浪費(fèi)，他們放棄了建造模擬烘房進(jìn)行節(jié)能試驗(yàn)的研究，而是選擇先進(jìn)行微觀模型研究，然后再到車間放大。基于此，該課題組為解決模擬條件，輾轉(zhuǎn)尋找合適的儀器，并進(jìn)行自己加工改造。具體來說，在現(xiàn)有的恒溫恒濕箱的基礎(chǔ)上，他們添置了風(fēng)扇，配置了可以自動(dòng)記錄重量的天平等，最后將這些儀器組合在恒溫恒濕箱里，并且集成到電腦里操作和結(jié)果顯示，做成一個(gè)由電腦控制的可以自動(dòng)進(jìn)行水分含量在線控制的系統(tǒng)，取名為“食品水分分子技術(shù)平臺(tái)”，并申請(qǐng)了發(fā)明專利。

“食品水分分析技術(shù)平臺(tái)”將整個(gè)干燥過程和水分檢測(cè)過程自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了過程控制、在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)輸出一體化，并為其它設(shè)備的在線（或準(zhǔn)在線）設(shè)計(jì)了接口，為深入研究和系統(tǒng)地觀察掛面的干燥過程提供了可能和相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。基于此平臺(tái)，魏益民教授研究了掛面在不同溫濕度條件下的干燥曲線，最終以最短的時(shí)間研究了什么干燥條件是最節(jié)能的干燥工藝。相對(duì)于常規(guī)方法，該平臺(tái)可以自動(dòng)記錄，自動(dòng)繪圖，不僅減少了工作量，還實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)觀察。據(jù)悉，在此平臺(tái)研究的基礎(chǔ)上，金沙河面業(yè)烘房能耗節(jié)約達(dá)22%-23%。

三方共合作，助力食品干燥模型的建立

由經(jīng)驗(yàn)到理論，從現(xiàn)象到機(jī)理，魏益民教授的研究在不斷深入。“解決怎么干燥最合理之后，下一步就要研究水分是怎樣跑出來的過程問題。” 魏益民教授談道，低場(chǎng)核磁技術(shù)是研究食品中水分存在狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡的有效手段，而要開展更進(jìn)一步的研究，首先要解決的便是儀器的問題。

講到這兒的時(shí)候，魏益民教授給我們講述了一個(gè)非常精彩的三方合作共贏的故事。在這個(gè)故事中，紐邁分析和金沙河面業(yè)都非常積極，給予了很大的支持。據(jù)介紹，鑒于當(dāng)時(shí)研究的需要，魏益民教授需要一臺(tái)一百多萬的低場(chǎng)核磁儀器，于是找到了紐邁分析的負(fù)責(zé)人楊培強(qiáng)。最終，魏益民教授、紐邁分析以及金沙河面業(yè)在技術(shù)、儀器及經(jīng)費(fèi)等方面達(dá)成合作，三方按照一定的比例共同為這臺(tái)低場(chǎng)核磁儀器“買單”。這件事情中，令魏益民教授沒想到的是，紐邁分析不僅提供了儀器，還提供了一定的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。這也是他對(duì)紐邁分析特別“點(diǎn)贊”的地方。魏益民教授說：“我不僅籌到了儀器和科研經(jīng)費(fèi)，更重要的是獲得了一個(gè)捷足先登的學(xué)術(shù)平臺(tái)。”

將低場(chǎng)核磁技術(shù)引入到食品水分分析技術(shù)平臺(tái)后，魏益民教授開始了系統(tǒng)的研究。首先，根據(jù)研究的需要，魏益民教授在紐邁分析的幫助下對(duì)儀器進(jìn)行了改造。“我們要做成在線儀器，稱之為‘on-line’，首先要解決的就是把環(huán)境引到探頭里面，同時(shí)保證遇冷空氣時(shí)不結(jié)露。此外，還要在恒濕箱側(cè)面做了微型取樣洞等。”

基于此，魏益民教授開展了多方面的研究：掛面在干燥過程不同階段的水分狀態(tài)；掛面干燥過程中的水分運(yùn)移規(guī)律；還進(jìn)一步研究了不同形狀（圓和方）面條的水分遷移規(guī)律等。這其中，最令其自豪的一件事情就是碩士生在J. of Food Engineering上發(fā)表的文章《Study on the Water State and Distribution of Chinese Dried Noodles during the Drying Process.》。改論文投稿不到兩周即被接受，一個(gè)月即發(fā)表，并被編輯點(diǎn)評(píng)具有數(shù)個(gè)亮點(diǎn)：方法學(xué)上創(chuàng)新，包括申請(qǐng)專利的食品水分分析技術(shù)平臺(tái)以及核磁技術(shù)的應(yīng)用；采用油脂包被的方法有效減少噪音、增加信號(hào)強(qiáng)度，利用低場(chǎng)核磁成像技術(shù)可以清楚地研究掛面的收縮界面；研究了直徑2-3mm掛面中水分的遷移規(guī)律；將掃描灰度圖的信號(hào)數(shù)字化，趨勢(shì)和規(guī)律更清晰，更有利于工業(yè)應(yīng)用等。

通過低場(chǎng)核磁技術(shù)的應(yīng)用，魏益民教授課題組不僅揭示了掛面干燥過程中水分的遷移規(guī)律，還探究了在工業(yè)上的應(yīng)用。“工業(yè)應(yīng)用的前提是尋找理想的干燥曲線，而理想的干燥曲線即是在保證質(zhì)量、產(chǎn)量、能耗三者平衡的前提下的一種干燥模型，是工業(yè)化的科學(xué)依據(jù)，且最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保、最有效。這也是我們最終的目的。”談到這，魏益民教授還特別強(qiáng)調(diào)，“只有得到數(shù)學(xué)模型才能智能化。”

基于“食品中水分分析技術(shù)平臺(tái)”，魏益民教授與紐邁分析的合作項(xiàng)目“智能物料干燥分析系統(tǒng)”就特別體現(xiàn)了智能化。據(jù)介紹，智能物料干燥分析系統(tǒng)由低場(chǎng)核磁共振成像及分析系統(tǒng)，溫度、濕度、風(fēng)速動(dòng)力控制系統(tǒng)，自動(dòng)重力測(cè)定系統(tǒng)，遷移觀察系統(tǒng)，顯示和運(yùn)算系統(tǒng)組成，具有自動(dòng)繪制物料干燥、揮發(fā)、吸附等過程特性曲線等功能，極大提高了研究效率。據(jù)悉，該平臺(tái)也在為未來近紅外監(jiān)測(cè)模塊開發(fā)做準(zhǔn)備。

最后，魏益民教授還特別指出，“當(dāng)前，中國大多數(shù)食品制造業(yè)的工藝考控制還停留在經(jīng)驗(yàn)層面，我們建立的這個(gè)‘食品水分技術(shù)分析平臺(tái)’不僅可以對(duì)接核磁，還可以對(duì)接氣質(zhì)；不只是針對(duì)食品領(lǐng)域，還能夠進(jìn)行中藥材、木材、揮發(fā)物、種子等多領(lǐng)域的研究。”

后記：采訪中我們得知，魏益民教授先后上過四所大學(xué)，專業(yè)涉及了農(nóng)學(xué)、質(zhì)量分析控制，甚至項(xiàng)目管理，其研究方向更是橫跨了多個(gè)學(xué)科。為了專心科研，他毅然辭掉西北農(nóng)林科技大學(xué)副校長(zhǎng)職務(wù)，一手創(chuàng)建中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所。魏益民教授自定義為開拓者，他說，“我最大的功勞就是留下了近100個(gè)學(xué)生，建立了中國小麥和小麥制品的研究的全方位平臺(tái)。”

對(duì)國產(chǎn)儀器，魏益民教授也有著自己的情懷。在研究過程中，其課題組不僅親自進(jìn)行儀器的改造和集成，而且及時(shí)地把對(duì)儀器的建議反饋給合作伙伴。魏益民教授還特別提到，外國的儀器設(shè)備往往不是某一個(gè)儀器設(shè)備企業(yè)研究出來的，很多都是某一科學(xué)家在研究過程中的成果，只是由他們及時(shí)地產(chǎn)業(yè)化了。這種機(jī)制值得我們學(xué)習(xí)。

文章來源：儀器信息網(wǎng)