基于专利分析的食品加工产业技术预测方法创新与应用探索——发明问题解决理论（TRIZ）视角

吕建秋，胡安阳

（1.广东省科技管理与规划研究院，广东广州 510642；2.华南农业大学创新方法研究所，广东广州 510642；3.华南农业大学食品学院，广东广州 510642）

1 研究背景

TRIZ 是俄文“теории решения изобретателckиx зала”转换成拉丁文“Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch”的词头缩写［1］1，即发明问题解决理论。TRIZ 理论有八大进化法则，但经过后期的推广应用与推展，目前学术界已发展出约20 种典型进化模式和350 条进化路线，其中最为著名的技术进化模式有Fey 等［2］提出的6 种进化模式、Zlotin 等［3］提出的10 种技术进化模式和Mann［4］提出的11 种进化模式。

在激烈的市场竞争环境中，企业要想长久发展和生存就必须有两方面的发展：第一，提供质量更好且价格更低的产品服务，可以在有限的市场中具有较大的竞争力；第二，推陈出新，开发新的产品和消费理念，足以开辟新的市场空间［5］。传统的食品加工产品在与水果等其他相关产品竞争中丝毫没有优势，销量难以提升、市场难以扩大，而且目前在食品开发研究中，大多数仍停留在试错法和头脑风暴的层面，主要依赖从业人员的经验，效率较低、周期较长，因此，亟须开发出更多具有技术创新性和市场适应性的产品，在满足人们对食物多功能需求的同时还能开辟市场，助力企业长远发展。故本研究将TRIZ 引入食品加工领域，从专利的视角，在总结技术系统进化过程的基础上对进化路线进行提炼，按照技术系统的进化层次关系构建一种树状信息模型，即进化树，意在通过系统分析食品开发过程中遇到的问题，提出科学有价值的食品产品发展方向，得到切合实际、创新性较强的最终产品。

2 基于TRIZ 理论的专利预测方法

2.1 传统的产品专利预测方法

当前，国内外研究多采用社会网络分析方法，从专利拥有者、发明人协作网络和专利引文网络等方面对专利信息进行挖掘，并对专利质量、技术预测、行业间知识流动、技术评价和企业核心技术进行深入研究。到目前为止，关于专利技术发展状况方面的研究主要包括技术扩散、技术发展趋势预测、技术结构变化等。如，Nam 等［5］利用商标网络和全球专利网络对技术全球化引起的垂直结构上发生的变化进行研究，总结出了知识产权在全球扩散的情形；杨中楷等［6］基于社会网络分析方法，利用美国专利商标局数据库数据，通过专利引文网络技术探究不同领域间的关系，来追踪不同领域间有关专利知识流动的信息，从而展现出相关专利网络的宏观特征。同时，专利技术路线图作为现代产业预测、技术发展规划的新型创新工具，经常被各级管理部门、创新机构用于产业整体发展规划和技术发展预测研究。专利技术路线图的应用，不仅能够帮助相关部门更加直观地了解有关产品研究的市场定位和产业发展现状，也能通过专利价值度的设定了解关键技术及未来一定时间内的相关技术发展趋势［7］。

2.2 基于TRIZ 专利预测研究现状分析

刘新敏等［8］对有色金属尾矿治理技术发展进行预测时发现，通过对专利生命周期地图分析有存在不足之处，于是通过引进TRIZ 对未来技术发展进行预测，在判断产品不同加工周期的基础上，采用不同的进化路线来对产业未来的发展方向作出选择，通过跨学科理论方法的使用丰富专利预测研究的理论体系。楼旭明等［9］对无人机技术进行研究时，将传统的基于专利技术生命周期和S 曲线进行比较研究，并将专利分析与TRIZ 中的进化法则理论结合起来，在通过大量专利数据回归分析判断技术足够成熟的基础上，选择不同的进化法则来预测下一步技术关键领域的进化方向。周绍章［10］通过构建具体产品的进化树来直观地展示产品的进化过程，通过与基础模型的比较来分辨出具体产品的进化可能。

3 食品加工产业相关分析方法及理论基础

3.1 S 曲线

S 曲线是一种用来描述技术系统参数随时间变化的曲线。有研究在S 曲线的拓展中，进一步将技术的有益功能的参数分为了3 个方面：专利数量、专利等级和企业利润［11］。根据TRIZ，无论是一个简单产品还是复杂的技术系统，其核心技术的发展都是遵循着一定的客观规律来发展演变的，即具有客观的进化规律和模式［1］1。同生物系统的进化类似，技术系统也面临着自然选择和优胜劣汰，技术进化系统的S 曲线是一个技术系统从孕育、成长、成熟到衰退的变化规律的曲线，可用于评估现有技术的成熟度，有利于合理投入和分配。技术系统进化各个阶段的特点如图1 所示。

图1 技术系统进化的S 曲线

3.2 进化树

进化树应至少具备3 项功能：一是记录技术系统过去的技术状态，二是可以展现竞争技术的发展情况，三是可以展现未来可能的技术路线。尼古拉·什帕科夫斯基简化得到了技术进化的10 条路线，如表1 所示［12］。

表1 技术进化路线与方法

4 专利分析

目前市场上流通的柚子皮相关产品较少，基本上所有工厂中关于柚子皮产品的加工也仅仅停留在传统的果脯蜜饯、茶饮、糕点等方面，因此，以柚子皮产品加工为例，分析其未来可进一步开发的其他系列产品的方向。

研究数据来源于中国南方知识产权信息中心，检索时间为2020 年12 月30 日。在检索过程中，数据库内容范围为我国，关键词为“柚皮”“柚子皮”，字段为“标题”“摘要”“权利要求”“正文”。将检索出的专利进行初步筛选：首先删除专利的法律状态为将被驳回、视为撤销、放弃等失效专利，为保证专利的全面性，保留未缴年费和期限届满状态的过期专利；其次剔除与产品无关的柚子果园建筑设计、柚子相关加工运输设备等相关专利；最后根据专利名称去掉在权利要求书中提到柚子皮的某些成分提取方法，并根据专利权利要求和摘要去掉柚木、柚子花、柚子肉、柚籽等与柚子皮无关专利，得到以柚子皮为原材料的我国加工产品专利数据库。

如图2 所示，最早的柚子皮相关专利出现在1992 年，但是相关专利数量在2001 年之前均趋近于零，2002—2010 年期间开始增多，但是波动较大，2011 年逐渐上升，其中2014 年更是突飞猛进，至2016 年突然出现下降趋势，但是专利数量依然较多。2011 到2016 年柚子皮产品的专利数量增长相当迅速，可能是由于国家在“十二五”规划（2011—2015年）中着重强调要发展农业所导致。对照图1 来看，目前我国柚子皮产品加工从正处于婴儿期向成长期发展的阶段，专利数量经历了1 次减少然后上升的过程，后期专利数量很大可能将继续大幅上升，而在庞大的专利数量中，只有提高产品本身的创新性，才能成功占有一定的市场份额。

图2 我国柚子皮相关产品专利申请数量的年度分布

截至2020 年12 月22 日，将所有专利逐步筛选完成后，国内柚子皮相关产品专利有1 194 件，按产品用途分类，如图3 所示。

图3 我国柚子皮相关产品专利的领域分布情况

5 进化树构建

5.1 主干构建

鉴于柚子皮作为产品原料在加工和制备中的特殊性，依据物质分割路线来构建进化树的主干。选择基础方案，从最原始材料角度出发划分柚子皮分割路线。柚子皮可分为海绵层和油泡层两部分，根据不同的加工方式可以对其进行切片、切丁，还可以对其进行简单干燥和打浆处理得到粉和浆，更深一步提取可以得到精油和柚子皮提取物（如图4 所示）。

图4 柚子皮产品进化树主干

5.2 主干的进化分支

以主干上的原材料为出发点，以加工材料和原理为依据，根据构建进化树规则，将进化树主干上的每一个分支进行第2、第3 层甚至第4 层的延伸，最终组合到一起，得到完整的柚子皮进化树。比如，在构建以海绵层为基础方案的进化树分支时，在柚子皮的内部特性进化路线上，首先除去其水分和苦味之后可以包装成为柚子菜干；然后打粉，通过碳化可以制成对重金属或其他一些有害物质和气体进行吸附的材料（如卫生巾、除味剂等）；将碳化后的材料再活化，可以进一步得到一种电极材料；等等。与此同时，在系统扩展和减裁路线上，柚子皮菜干加盐腌制后可以做成咸菜柚子皮，添加其他辅料与食品添加剂可以得到各种口味的即食柚子皮，与各种蔬菜肉类翻炒后可以得到一些家常菜品，等等。又如，在构建以油泡层为基础方案的进化树分支时，在系统组件裁剪路线上，可以利用化学手段提取天然色素，等。将上述产品填入进化树节点，构成进化树分支如图5 所示。

图5 以主干中的原料为基础方案的柚子皮产品进化树分支

柚子皮切片和柚子皮丁是柚子皮的不同形态，以此为原料，在“单—双—多”系统进化路线上，柚子皮切片脱水后可制成柚皮脆片，柚皮脆片可以与其他水果蔬菜脆片包装成混合蔬果干后销售；柚子皮丁可以在糖腌过后制成蜜饯、馅料和果酱，进一步添加面粉、果蔬酱、蜂蜜等可以分别制成柚子酥、复合果酱、蜂蜜柚子茶等产品；柚子皮丁和柚子皮切片在烘干后可以与不同的花搭配成茶包，也可以和一些中药材搭配成药包、枕头等产品。将上述产品填入进化树节点构成进化树分支，如图6 所示。

图6 基于“单—双—多”进化路线的柚子皮产品进化树分支

同理，柚子皮粉脱苦后可以与其他果蔬粉一起制成代餐粉，加水与面粉揉合后可以制成面条、饼干、面包等面制品；还可以作为直接原料加入柚子皮盐、猫砂、肥料、饲料等制作过程中。而柚子皮打成浆后，主要用于柚子风味果汁和白酒的制作，柚子果汁又可以与其他风味的果汁按一定比例调配成混合果汁，也可以与其他原料共同发酵成具有不同风味的白酒和果酒，还可以加入辣椒、盐等调味料制成柚子皮辣酱，等等。将上述产品填入进化树节点构成进化树分支。再如，柚子皮精油虽为液体，但是也属于柚子皮提取物中的一种，在产品中有部分重合的地方，参考杨喆茗［13］的研究思路，因此考虑纳入柚子皮精油一起构建进化树分支。柚子皮精油是从柚子皮中提取的一大类芳香气味物质［14］，可以作为抑菌剂和保湿剂添加到按摩油、香薰、清洁产品和护肤产品中［15］。柚子皮提取物中含有黄酮类化合物、多糖、果胶、膳食纤维等多种不同类别的功能成分，也经常添加到清洁产品和护肤产品。其中，黄酮类化合物主要是柚皮苷，柚皮苷加氢后可以制成二氢查耳酮（Dihydrochalcone，DHC），可作为甜味剂；清洁产品包括洗面奶、沐浴露、洗发水、卸妆膏等具有日常清洁功能的产品；护肤产品包括精华液、爽肤水、面膜等具有日常护肤功能的产品。除此之外，柚子皮提取物还能制成抑菌软膏［16］。将上述产品填入进化树节点构成进化树分支。

5.3 柚子皮产品进化树

通过以上步骤，逐步构建出柚子皮加工产品进化树的每个部分，将所有部分依次加入进化树的主干，则可构建完整的柚子加工产品进化树，如图7所示。可以看出，过去柚子皮产品的发展主线主要有两个方面：一是基于其最基础的食用功能，通过不断提升的加工工艺来不断产生新的可食用的产品，如为了提高产品附加值，从柚子皮中提取了功能成分，制成有保健功能的食品、日化产品和药物；二是利用其结构和风味特性，将其相关产品直接添加到猫砂等许多材料的制作当中，或再进行不同技术加工处理，制成工艺更为复杂的吸附材料和电极材料等。

图7 柚子皮产品进化树

6 基于产品进化树的产品发展趋势及预测

从产品在柚子皮进化树的分布情况看，大部分集中在进化树的低端和主干，尚处在初级加工与半精深加工水平，因此，从产品的技术构成视角，未来的柚子皮加工技术将从旧S 曲线向新曲线跃迁，生产具有高附加值的精深加工产品为主。

从进化树主干可以看出，随着分割层级越高，相关产品就愈加动态化，且产品的作用也愈加具体。如图4 中，分割路线上没有真正的气体层级产品存在，而香薰可考虑划归到气体层级，说明市场需求是存在的，但是真正气态的相关加工产品尚未出现，可能是由于加工工艺还未能支撑其得以实现。此外，柚子的风味主要存在于柚子皮中，目前无论是食品加工中要保留柚子风味，还是身体乳、卸妆膏等高端产品以柚子清香为卖点，都说明柚子风味是柚子皮下一个有待深入发掘的产品功能。可见，一个完全气态的柚子皮加工产品是一个具有很大潜力的技术进化方向。可行的技术方案包括但不限于如下：

方案一：新鲜柚子在切开柚子皮时的味道是非常清香的，但是随着时间的推移气味会越来越淡，因此可以考虑将这些挥发性的芳香物质向氦气（He）、氢气（H2）等气体及时收集储藏起来。柚子皮加工产品进化树的进化路线以“单—双—多”系统路线、系统组件裁剪路线为主，“单—双—多”系统路线主要体现在柚子皮与其他原料相结合，共同加工得到一个新产品，随着分支的不断延伸，产品中包含的元素也越来越多，到后期就没有什么发展空间了，则可以通过“系统扩展—裁剪路线”和组件裁剪路线，进一步删减或替换原有系统中的元素得到新产品。

方案二：将添加柚子皮的菜品中所用到的原料进行脱水处理，并按比例包装制作成柚子菜包等半加工方便食品。因为还有一部分“单—双—多”系统路线在延伸过程中由于加工工艺类似，进化路线未继续延伸，故，可以考虑引入一些新的物质和场进行组合得到新产品，也可以删减或替换原有系统中的元素，得到新产品。

方案三：将柚子皮粉与盐混合制成柚子皮盐，同时在进化树节点上也具有柚子辣酱产品，因此可以将盐替换辣椒粉得到柚子皮风味的辣椒粉。因为在进化树的顶端是从柚子皮中提取的功能成分，但是目前市面上的有关产品在添加不同元素过程之中都只显示添加了柚子皮提取物或柚子皮油，极少有针对不同功能成分设计具有不同功能的产品，故，可以考虑设计不同类型的产品。

方案四：有研究表明黄酮类化合物在驱蚊方面具有和六神花露水等相当的效果，因此可以将从柚子皮提取的黄酮类化合物进行配比后制成驱蚊水。

方案五：柚子皮中提取得到的膳食纤维可以代替柚子皮粉制成代餐粉，在增加饱腹感的同时改善肠道微生物、促进消化，使之具有更高的产品价值。

方案六：可笼统地将水提取物、醇提物和柚子皮油细化为各种单独的、具有不同功能的成分，以设计不同类型的产品。

7 结论

在对有关食品加工技术专利分析过程中，本研究发现柚子皮相关产品的技术发展已经从婴儿期向成长期转变，在之后的产品开发过程中要突破常规思维，才能提高产品本身的创新性，成功占有一定的市场份额。目前国内柚子皮相关专利较多，其中有一部分专利还未转化为产品，绝大部分专利对应的相关产品在市场上还较为小众，未被消费者所熟知。在构建柚子皮产品进化树后，可以明显地发现未来柚子皮产品发展的四大主要方向：

（1）填补进化树主干上气态节点中的空白，开发出气态的柚子皮产品；

（2）对于节点较多的进化树分支，通过“系统扩展—裁剪路线”和组件裁剪路线删减或替换原有系统中的元素获得新产品；

（3）对于节点较少的进化树分支，通过引入一些新的物质和应用场景进行组合得到新产品，也可删减或替换原有系统中的元素得到新产品；

（4）针对不同功能成分的特性设计不同类型的产品。

以柚子皮加工产品的预测为例，本研究提出的基于TRIZ 的专利预测方法创新与应用的实用性，证明了利用TRIZ 的进化路线理论同样能够达到传统的利用专利技术生命周期、S 曲线和专利地图等方法的效果。TRIZ 的进化路线同样能和专利分析很好地结合起来，今后在进行有关加工产品理论研究时，可以从产品具体进化树的构建角度进行相关实证分析。