CO2激光加工——提高食品安全的技术

加工技术创新是食品工业提高效率和盈利能力的基本支柱之一。在近年来的技术研究中，二氧化碳激光器（CO2 Laser）具有改变未来食品生产的显著能力。由于激光具备的精确性，让其在加工时可以集中在一个微小点上并按复杂模式进行，但不对周边食材产生过大影响。

因此，有人建议用它来灭活食品接触表面上的微生物。它还可用于非接触式切割，避免其他系统（如刀片或水射流）的物理、化学和微生物交叉污染问题；或用于食品标识，取代纸质/塑料标签和油墨。

二氧化碳激光器使用二氧化碳作为增益介质的主要成分，发射中红外波长激光束。红外线波长在大气中几乎可以无损耗地传输。此外，它们还能被水有效吸收，而水是食物的主要成分。因此，这两点可能是二氧化碳激光器在食品加工领域受到关注的主要原因。

通过调节二氧化碳激光束的辐射能量，可在食品中逐步产生光化学、热和机械效应。如果二氧化碳激光的能量较低，激光只会干扰原子间和分子间的键。当辐射能量较高时，激光束能量会转化为热能，以精确可控的方式加热食物表面（几毫米深度）。

通过进一步提高辐射能，可在食物表面产生直接的机械效应，最终在汽化和烧蚀现象的基础上形成“火山口”。烧蚀过程可在食品下层重复进行，使其深入食品内部并按照特定模式在邻近区域继续进行。基于这些效果，二氧化碳激光可广泛应用于食品领域，包括微生物净化、烹饪、标记和切割。

微生物净化
作为一种非接触式、相对快速的技术，二氧化碳激光可用于灭活不同基材表面的微生物，是传统表面清洁和消毒系统（如使用化学品）的替代方案。对于食品接触表面（如切割机、传送带）来说，加热不是主要问题，激光的精确度和处理速度可以发挥重要作用。例如，经过二氧化碳激光（660瓦，0.8-1.3厘米/秒）处理后，不锈钢表面的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌完全失活。

二氧化碳激光也能灭活食品表面的微生物。不过在这种情况下，必须对优化处理过程以尽量减少对食品表面特性的影响，避免机械效应并将热效应降至最低。尽管进行了优化，但通常仍能检测到表面变化，如颜色改变。使用类黄酮、核黄素或其他抗氧化剂可以减少甚至避免这些不利影响。

热加工
二氧化碳激光器可利用光束的高能量替代传统热处理技术，用于烹饪、烧烤和煎炸。不过，在这种情况下，应避免与高能量处理相关的碳化和烧蚀过程（分别是热效应和机械效应）。

在使用二氧化碳激光烹饪的食品中，可以观察到鼠伤寒沙门氏菌、森夫滕伯格沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7的微生物含量降低，与红外线烤箱、电烧烤炉或电平烤炉等普通烹饪方法的效果相似。

二氧化碳激光的精确性可以只能烹饪食物的某个具体部分，例如一块培根的脂肪部分

二氧化碳激光的精确性意味着可以只烹饪食物的某个部分（如只烹饪培根的脂肪部分），甚至可以在最佳条件（温度、时间）下烹饪食物的某个部分，还可以随时改变处理能量和曝光时间。激光能量只能穿透食物几毫米，这就意味着激光适用于烹饪较薄的食物或进行表面处理，如烧烤或煎炸。对于许多产品，有人建议与微波等其他技术结合使用，利用激光进行表面处理。

食品打标
在多个欧洲国家的食品行业中，使用激光对水果和蔬菜进行打标已得到授权和实施。它们已在水果、蔬菜、鸡蛋、肉类、奶酪、巧克力和谷物产品等多种食品中进行了测试。这种方法的优点在于不需要塑料、纸质标签或粘合剂，而且可以避免任何接触。激光器几乎可以按照任何图案进行操作，因此可以标记数字（如有效期、批号）、字母（如产地、公司名称）、代码（如条形码、QR）或复杂的图画或设计（如质量标签、公司徽标）。

机械食品加工：切割、去皮和穿孔
依靠烧蚀现象，二氧化碳激光可作为一种非接触技术用于切割和去皮，或用于其他机械程序如穿孔，穿孔可用于腌制或提取化合物等一些操作中。

用二氧化碳激光在奶酪上标记QR码（激光加工示例）

二氧化碳激光的优势和局限性
与使用刀片、刀具、针头或类似装置的传统技术相比，二氧化碳激光具有多项优势。首先，由于激光束的作用（微生物灭活），加工区域被部分净化，与刀片或水刀切割相比，这是食品安全的关键优势。

此外，还可以根据复杂的图案加工食品，而传统技术很难甚至无法实现这些图案。最后，图案可以随时改变，无需暂停生产线来清洗机械切割元件。在传统技术中，清洁过程或切割结构的任何改变都需要先让生产线停下，以清洁、更换、替换或移动切割元件。

使用二氧化碳激光进行此类机械加工的最大限制，是产生的热量和相对较浅的切割深度。因此，有效选择激光加工参数是避免灼伤食品切割边缘和保证加工性能的关键。如果切割深度超过几毫米，则需要几个激光加工周期，以便让切割区有足够的时间冷却。其他方法是用水或蒸汽直接冷却激光加工区。

如何造福食品行业？
二氧化碳激光是一种非接触式加工技术，在减少食品工业交叉污染问题方面潜力巨大。它可以在食品中广泛应用，如烹饪/烧烤、标记、切割和去皮，或用于灭活食品接触面上的微生物。

目前在食品市场上，唯一完全工业化并得到广泛激光应用的是对水果和蔬菜进行激光打标。不过，在其他应用领域取得的成果很有希望，但还需要进一步努力将其推向市场。如今，二氧化碳激光系统已经具备了将上述大多数应用产业化所需的功率和特性。可以预见的是，未来几年二氧化碳激光的工业应用将得到更大普及。