基于專利分析的食品加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)預(yù)測方法創(chuàng)新與應(yīng)用探索
——發(fā)明問題解決理論（TRIZ）視角

呂建秋，胡安陽

（1.廣東省科技管理與規(guī)劃研究院，廣東廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)新方法研究所，廣東廣州 510642；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州 510642）

1 研究背景

TRIZ 是俄文“теории решения изобретателckиx зала”轉(zhuǎn)換成拉丁文“Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch”的詞頭縮寫［1］1，即發(fā)明問題解決理論。TRIZ 理論有八大進(jìn)化法則，但經(jīng)過后期的推廣應(yīng)用與推展，目前學(xué)術(shù)界已發(fā)展出約20 種典型進(jìn)化模式和350 條進(jìn)化路線，其中最為著名的技術(shù)進(jìn)化模式有Fey 等［2］提出的6 種進(jìn)化模式、Zlotin 等［3］提出的10 種技術(shù)進(jìn)化模式和Mann［4］提出的11 種進(jìn)化模式。

在激烈的市場競爭環(huán)境中，企業(yè)要想長久發(fā)展和生存就必須有兩方面的發(fā)展：第一，提供質(zhì)量更好且價格更低的產(chǎn)品服務(wù)，可以在有限的市場中具有較大的競爭力；第二，推陳出新，開發(fā)新的產(chǎn)品和消費(fèi)理念，足以開辟新的市場空間［5］。傳統(tǒng)的食品加工產(chǎn)品在與水果等其他相關(guān)產(chǎn)品競爭中絲毫沒有優(yōu)勢，銷量難以提升、市場難以擴(kuò)大，而且目前在食品開發(fā)研究中，大多數(shù)仍停留在試錯法和頭腦風(fēng)暴的層面，主要依賴從業(yè)人員的經(jīng)驗，效率較低、周期較長，因此，亟須開發(fā)出更多具有技術(shù)創(chuàng)新性和市場適應(yīng)性的產(chǎn)品，在滿足人們對食物多功能需求的同時還能開辟市場，助力企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展。故本研究將TRIZ 引入食品加工領(lǐng)域，從專利的視角，在總結(jié)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化過程的基礎(chǔ)上對進(jìn)化路線進(jìn)行提煉，按照技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化層次關(guān)系構(gòu)建一種樹狀信息模型，即進(jìn)化樹，意在通過系統(tǒng)分析食品開發(fā)過程中遇到的問題，提出科學(xué)有價值的食品產(chǎn)品發(fā)展方向，得到切合實際、創(chuàng)新性較強(qiáng)的最終產(chǎn)品。

2 基于TRIZ 理論的專利預(yù)測方法

2.1 傳統(tǒng)的產(chǎn)品專利預(yù)測方法

當(dāng)前，國內(nèi)外研究多采用社會網(wǎng)絡(luò)分析方法，從專利擁有者、發(fā)明人協(xié)作網(wǎng)絡(luò)和專利引文網(wǎng)絡(luò)等方面對專利信息進(jìn)行挖掘，并對專利質(zhì)量、技術(shù)預(yù)測、行業(yè)間知識流動、技術(shù)評價和企業(yè)核心技術(shù)進(jìn)行深入研究。到目前為止，關(guān)于專利技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r方面的研究主要包括技術(shù)擴(kuò)散、技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)測、技術(shù)結(jié)構(gòu)變化等。如，Nam 等［5］利用商標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和全球?qū)＠W(wǎng)絡(luò)對技術(shù)全球化引起的垂直結(jié)構(gòu)上發(fā)生的變化進(jìn)行研究，總結(jié)出了知識產(chǎn)權(quán)在全球擴(kuò)散的情形；楊中楷等［6］基于社會網(wǎng)絡(luò)分析方法，利用美國專利商標(biāo)局?jǐn)?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，通過專利引文網(wǎng)絡(luò)技術(shù)探究不同領(lǐng)域間的關(guān)系，來追蹤不同領(lǐng)域間有關(guān)專利知識流動的信息，從而展現(xiàn)出相關(guān)專利網(wǎng)絡(luò)的宏觀特征。同時，專利技術(shù)路線圖作為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)預(yù)測、技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的新型創(chuàng)新工具，經(jīng)常被各級管理部門、創(chuàng)新機(jī)構(gòu)用于產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)發(fā)展預(yù)測研究。專利技術(shù)路線圖的應(yīng)用，不僅能夠幫助相關(guān)部門更加直觀地了解有關(guān)產(chǎn)品研究的市場定位和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，也能通過專利價值度的設(shè)定了解關(guān)鍵技術(shù)及未來一定時間內(nèi)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢［7］。

2.2 基于TRIZ 專利預(yù)測研究現(xiàn)狀分析

劉新敏等［8］對有色金屬尾礦治理技術(shù)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測時發(fā)現(xiàn)，通過對專利生命周期地圖分析有存在不足之處，于是通過引進(jìn)TRIZ 對未來技術(shù)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測，在判斷產(chǎn)品不同加工周期的基礎(chǔ)上，采用不同的進(jìn)化路線來對產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向作出選擇，通過跨學(xué)科理論方法的使用豐富專利預(yù)測研究的理論體系。樓旭明等［9］對無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行研究時，將傳統(tǒng)的基于專利技術(shù)生命周期和S 曲線進(jìn)行比較研究，并將專利分析與TRIZ 中的進(jìn)化法則理論結(jié)合起來，在通過大量專利數(shù)據(jù)回歸分析判斷技術(shù)足夠成熟的基礎(chǔ)上，選擇不同的進(jìn)化法則來預(yù)測下一步技術(shù)關(guān)鍵領(lǐng)域的進(jìn)化方向。周紹章［10］通過構(gòu)建具體產(chǎn)品的進(jìn)化樹來直觀地展示產(chǎn)品的進(jìn)化過程，通過與基礎(chǔ)模型的比較來分辨出具體產(chǎn)品的進(jìn)化可能。

3 食品加工產(chǎn)業(yè)相關(guān)分析方法及理論基礎(chǔ)

3.1 S 曲線

S 曲線是一種用來描述技術(shù)系統(tǒng)參數(shù)隨時間變化的曲線。有研究在S 曲線的拓展中，進(jìn)一步將技術(shù)的有益功能的參數(shù)分為了3 個方面：專利數(shù)量、專利等級和企業(yè)利潤［11］。根據(jù)TRIZ，無論是一個簡單產(chǎn)品還是復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，其核心技術(shù)的發(fā)展都是遵循著一定的客觀規(guī)律來發(fā)展演變的，即具有客觀的進(jìn)化規(guī)律和模式［1］1。同生物系統(tǒng)的進(jìn)化類似，技術(shù)系統(tǒng)也面臨著自然選擇和優(yōu)勝劣汰，技術(shù)進(jìn)化系統(tǒng)的S 曲線是一個技術(shù)系統(tǒng)從孕育、成長、成熟到衰退的變化規(guī)律的曲線，可用于評估現(xiàn)有技術(shù)的成熟度，有利于合理投入和分配。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化各個階段的特點(diǎn)如圖1 所示。

圖1 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的S 曲線

3.2 進(jìn)化樹

進(jìn)化樹應(yīng)至少具備3 項功能：一是記錄技術(shù)系統(tǒng)過去的技術(shù)狀態(tài)，二是可以展現(xiàn)競爭技術(shù)的發(fā)展情況，三是可以展現(xiàn)未來可能的技術(shù)路線。尼古拉·什帕科夫斯基簡化得到了技術(shù)進(jìn)化的10 條路線，如表1 所示［12］。

表1 技術(shù)進(jìn)化路線與方法

4 專利分析

目前市場上流通的柚子皮相關(guān)產(chǎn)品較少，基本上所有工廠中關(guān)于柚子皮產(chǎn)品的加工也僅僅停留在傳統(tǒng)的果脯蜜餞、茶飲、糕點(diǎn)等方面，因此，以柚子皮產(chǎn)品加工為例，分析其未來可進(jìn)一步開發(fā)的其他系列產(chǎn)品的方向。

研究數(shù)據(jù)來源于中國南方知識產(chǎn)權(quán)信息中心，檢索時間為2020 年12 月30 日。在檢索過程中，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容范圍為我國，關(guān)鍵詞為“柚皮”“柚子皮”，字段為“標(biāo)題”“摘要”“權(quán)利要求”“正文”。將檢索出的專利進(jìn)行初步篩選：首先刪除專利的法律狀態(tài)為將被駁回、視為撤銷、放棄等失效專利，為保證專利的全面性，保留未繳年費(fèi)和期限屆滿狀態(tài)的過期專利；其次剔除與產(chǎn)品無關(guān)的柚子果園建筑設(shè)計、柚子相關(guān)加工運(yùn)輸設(shè)備等相關(guān)專利；最后根據(jù)專利名稱去掉在權(quán)利要求書中提到柚子皮的某些成分提取方法，并根據(jù)專利權(quán)利要求和摘要去掉柚木、柚子花、柚子肉、柚籽等與柚子皮無關(guān)專利，得到以柚子皮為原材料的我國加工產(chǎn)品專利數(shù)據(jù)庫。

如圖2 所示，最早的柚子皮相關(guān)專利出現(xiàn)在1992 年，但是相關(guān)專利數(shù)量在2001 年之前均趨近于零，2002—2010 年期間開始增多，但是波動較大，2011 年逐漸上升，其中2014 年更是突飛猛進(jìn)，至2016 年突然出現(xiàn)下降趨勢，但是專利數(shù)量依然較多。2011 到2016 年柚子皮產(chǎn)品的專利數(shù)量增長相當(dāng)迅速，可能是由于國家在“十二五”規(guī)劃（2011—2015年）中著重強(qiáng)調(diào)要發(fā)展農(nóng)業(yè)所導(dǎo)致。對照圖1 來看，目前我國柚子皮產(chǎn)品加工從正處于嬰兒期向成長期發(fā)展的階段，專利數(shù)量經(jīng)歷了1 次減少然后上升的過程，后期專利數(shù)量很大可能將繼續(xù)大幅上升，而在龐大的專利數(shù)量中，只有提高產(chǎn)品本身的創(chuàng)新性，才能成功占有一定的市場份額。

圖2 我國柚子皮相關(guān)產(chǎn)品專利申請數(shù)量的年度分布

截至2020 年12 月22 日，將所有專利逐步篩選完成后，國內(nèi)柚子皮相關(guān)產(chǎn)品專利有1 194 件，按產(chǎn)品用途分類，如圖3 所示。

圖3 我國柚子皮相關(guān)產(chǎn)品專利的領(lǐng)域分布情況

5 進(jìn)化樹構(gòu)建

5.1 主干構(gòu)建

鑒于柚子皮作為產(chǎn)品原料在加工和制備中的特殊性，依據(jù)物質(zhì)分割路線來構(gòu)建進(jìn)化樹的主干。選擇基礎(chǔ)方案，從最原始材料角度出發(fā)劃分柚子皮分割路線。柚子皮可分為海綿層和油泡層兩部分，根據(jù)不同的加工方式可以對其進(jìn)行切片、切丁，還可以對其進(jìn)行簡單干燥和打漿處理得到粉和漿，更深一步提取可以得到精油和柚子皮提取物（如圖4 所示）。

圖4 柚子皮產(chǎn)品進(jìn)化樹主干

5.2 主干的進(jìn)化分支

以主干上的原材料為出發(fā)點(diǎn)，以加工材料和原理為依據(jù)，根據(jù)構(gòu)建進(jìn)化樹規(guī)則，將進(jìn)化樹主干上的每一個分支進(jìn)行第2、第3 層甚至第4 層的延伸，最終組合到一起，得到完整的柚子皮進(jìn)化樹。比如，在構(gòu)建以海綿層為基礎(chǔ)方案的進(jìn)化樹分支時，在柚子皮的內(nèi)部特性進(jìn)化路線上，首先除去其水分和苦味之后可以包裝成為柚子菜干；然后打粉，通過碳化可以制成對重金屬或其他一些有害物質(zhì)和氣體進(jìn)行吸附的材料（如衛(wèi)生巾、除味劑等）；將碳化后的材料再活化，可以進(jìn)一步得到一種電極材料；等等。與此同時，在系統(tǒng)擴(kuò)展和減裁路線上，柚子皮菜干加鹽腌制后可以做成咸菜柚子皮，添加其他輔料與食品添加劑可以得到各種口味的即食柚子皮，與各種蔬菜肉類翻炒后可以得到一些家常菜品，等等。又如，在構(gòu)建以油泡層為基礎(chǔ)方案的進(jìn)化樹分支時，在系統(tǒng)組件裁剪路線上，可以利用化學(xué)手段提取天然色素，等。將上述產(chǎn)品填入進(jìn)化樹節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成進(jìn)化樹分支如圖5 所示。

圖5 以主干中的原料為基礎(chǔ)方案的柚子皮產(chǎn)品進(jìn)化樹分支

柚子皮切片和柚子皮丁是柚子皮的不同形態(tài)，以此為原料，在“單—雙—多”系統(tǒng)進(jìn)化路線上，柚子皮切片脫水后可制成柚皮脆片，柚皮脆片可以與其他水果蔬菜脆片包裝成混合蔬果干后銷售；柚子皮丁可以在糖腌過后制成蜜餞、餡料和果醬，進(jìn)一步添加面粉、果蔬醬、蜂蜜等可以分別制成柚子酥、復(fù)合果醬、蜂蜜柚子茶等產(chǎn)品；柚子皮丁和柚子皮切片在烘干后可以與不同的花搭配成茶包，也可以和一些中藥材搭配成藥包、枕頭等產(chǎn)品。將上述產(chǎn)品填入進(jìn)化樹節(jié)點(diǎn)構(gòu)成進(jìn)化樹分支，如圖6 所示。

圖6 基于“單—雙—多”進(jìn)化路線的柚子皮產(chǎn)品進(jìn)化樹分支

同理，柚子皮粉脫苦后可以與其他果蔬粉一起制成代餐粉，加水與面粉揉合后可以制成面條、餅干、面包等面制品；還可以作為直接原料加入柚子皮鹽、貓砂、肥料、飼料等制作過程中。而柚子皮打成漿后，主要用于柚子風(fēng)味果汁和白酒的制作，柚子果汁又可以與其他風(fēng)味的果汁按一定比例調(diào)配成混合果汁，也可以與其他原料共同發(fā)酵成具有不同風(fēng)味的白酒和果酒，還可以加入辣椒、鹽等調(diào)味料制成柚子皮辣醬，等等。將上述產(chǎn)品填入進(jìn)化樹節(jié)點(diǎn)構(gòu)成進(jìn)化樹分支。再如，柚子皮精油雖為液體，但是也屬于柚子皮提取物中的一種，在產(chǎn)品中有部分重合的地方，參考楊喆茗［13］的研究思路，因此考慮納入柚子皮精油一起構(gòu)建進(jìn)化樹分支。柚子皮精油是從柚子皮中提取的一大類芳香氣味物質(zhì)［14］，可以作為抑菌劑和保濕劑添加到按摩油、香薰、清潔產(chǎn)品和護(hù)膚產(chǎn)品中［15］。柚子皮提取物中含有黃酮類化合物、多糖、果膠、膳食纖維等多種不同類別的功能成分，也經(jīng)常添加到清潔產(chǎn)品和護(hù)膚產(chǎn)品。其中，黃酮類化合物主要是柚皮苷，柚皮苷加氫后可以制成二氫查耳酮（Dihydrochalcone，DHC），可作為甜味劑；清潔產(chǎn)品包括洗面奶、沐浴露、洗發(fā)水、卸妝膏等具有日常清潔功能的產(chǎn)品；護(hù)膚產(chǎn)品包括精華液、爽膚水、面膜等具有日常護(hù)膚功能的產(chǎn)品。除此之外，柚子皮提取物還能制成抑菌軟膏［16］。將上述產(chǎn)品填入進(jìn)化樹節(jié)點(diǎn)構(gòu)成進(jìn)化樹分支。

5.3 柚子皮產(chǎn)品進(jìn)化樹

通過以上步驟，逐步構(gòu)建出柚子皮加工產(chǎn)品進(jìn)化樹的每個部分，將所有部分依次加入進(jìn)化樹的主干，則可構(gòu)建完整的柚子加工產(chǎn)品進(jìn)化樹，如圖7所示?？梢钥闯觯^去柚子皮產(chǎn)品的發(fā)展主線主要有兩個方面：一是基于其最基礎(chǔ)的食用功能，通過不斷提升的加工工藝來不斷產(chǎn)生新的可食用的產(chǎn)品，如為了提高產(chǎn)品附加值，從柚子皮中提取了功能成分，制成有保健功能的食品、日化產(chǎn)品和藥物；二是利用其結(jié)構(gòu)和風(fēng)味特性，將其相關(guān)產(chǎn)品直接添加到貓砂等許多材料的制作當(dāng)中，或再進(jìn)行不同技術(shù)加工處理，制成工藝更為復(fù)雜的吸附材料和電極材料等。

圖7 柚子皮產(chǎn)品進(jìn)化樹

6 基于產(chǎn)品進(jìn)化樹的產(chǎn)品發(fā)展趨勢及預(yù)測

從產(chǎn)品在柚子皮進(jìn)化樹的分布情況看，大部分集中在進(jìn)化樹的低端和主干，尚處在初級加工與半精深加工水平，因此，從產(chǎn)品的技術(shù)構(gòu)成視角，未來的柚子皮加工技術(shù)將從舊S 曲線向新曲線躍遷，生產(chǎn)具有高附加值的精深加工產(chǎn)品為主。

從進(jìn)化樹主干可以看出，隨著分割層級越高，相關(guān)產(chǎn)品就愈加動態(tài)化，且產(chǎn)品的作用也愈加具體。如圖4 中，分割路線上沒有真正的氣體層級產(chǎn)品存在，而香薰可考慮劃歸到氣體層級，說明市場需求是存在的，但是真正氣態(tài)的相關(guān)加工產(chǎn)品尚未出現(xiàn)，可能是由于加工工藝還未能支撐其得以實現(xiàn)。此外，柚子的風(fēng)味主要存在于柚子皮中，目前無論是食品加工中要保留柚子風(fēng)味，還是身體乳、卸妝膏等高端產(chǎn)品以柚子清香為賣點(diǎn)，都說明柚子風(fēng)味是柚子皮下一個有待深入發(fā)掘的產(chǎn)品功能?？梢姡粋€完全氣態(tài)的柚子皮加工產(chǎn)品是一個具有很大潛力的技術(shù)進(jìn)化方向?？尚械募夹g(shù)方案包括但不限于如下：

方案一：新鮮柚子在切開柚子皮時的味道是非常清香的，但是隨著時間的推移氣味會越來越淡，因此可以考慮將這些揮發(fā)性的芳香物質(zhì)向氦氣（He）、氫氣（H2）等氣體及時收集儲藏起來。柚子皮加工產(chǎn)品進(jìn)化樹的進(jìn)化路線以“單—雙—多”系統(tǒng)路線、系統(tǒng)組件裁剪路線為主，“單—雙—多”系統(tǒng)路線主要體現(xiàn)在柚子皮與其他原料相結(jié)合，共同加工得到一個新產(chǎn)品，隨著分支的不斷延伸，產(chǎn)品中包含的元素也越來越多，到后期就沒有什么發(fā)展空間了，則可以通過“系統(tǒng)擴(kuò)展—裁剪路線”和組件裁剪路線，進(jìn)一步刪減或替換原有系統(tǒng)中的元素得到新產(chǎn)品。

方案二：將添加柚子皮的菜品中所用到的原料進(jìn)行脫水處理，并按比例包裝制作成柚子菜包等半加工方便食品。因為還有一部分“單—雙—多”系統(tǒng)路線在延伸過程中由于加工工藝類似，進(jìn)化路線未繼續(xù)延伸，故，可以考慮引入一些新的物質(zhì)和場進(jìn)行組合得到新產(chǎn)品，也可以刪減或替換原有系統(tǒng)中的元素，得到新產(chǎn)品。

方案三：將柚子皮粉與鹽混合制成柚子皮鹽，同時在進(jìn)化樹節(jié)點(diǎn)上也具有柚子辣醬產(chǎn)品，因此可以將鹽替換辣椒粉得到柚子皮風(fēng)味的辣椒粉。因為在進(jìn)化樹的頂端是從柚子皮中提取的功能成分，但是目前市面上的有關(guān)產(chǎn)品在添加不同元素過程之中都只顯示添加了柚子皮提取物或柚子皮油，極少有針對不同功能成分設(shè)計具有不同功能的產(chǎn)品，故，可以考慮設(shè)計不同類型的產(chǎn)品。

方案四：有研究表明黃酮類化合物在驅(qū)蚊方面具有和六神花露水等相當(dāng)?shù)男Ч?，因此可以將從柚子皮提取的黃酮類化合物進(jìn)行配比后制成驅(qū)蚊水。

方案五：柚子皮中提取得到的膳食纖維可以代替柚子皮粉制成代餐粉，在增加飽腹感的同時改善腸道微生物、促進(jìn)消化，使之具有更高的產(chǎn)品價值。

方案六：可籠統(tǒng)地將水提取物、醇提物和柚子皮油細(xì)化為各種單獨(dú)的、具有不同功能的成分，以設(shè)計不同類型的產(chǎn)品。

7 結(jié)論

在對有關(guān)食品加工技術(shù)專利分析過程中，本研究發(fā)現(xiàn)柚子皮相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)從嬰兒期向成長期轉(zhuǎn)變，在之后的產(chǎn)品開發(fā)過程中要突破常規(guī)思維，才能提高產(chǎn)品本身的創(chuàng)新性，成功占有一定的市場份額。目前國內(nèi)柚子皮相關(guān)專利較多，其中有一部分專利還未轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，絕大部分專利對應(yīng)的相關(guān)產(chǎn)品在市場上還較為小眾，未被消費(fèi)者所熟知。在構(gòu)建柚子皮產(chǎn)品進(jìn)化樹后，可以明顯地發(fā)現(xiàn)未來柚子皮產(chǎn)品發(fā)展的四大主要方向：

（1）填補(bǔ)進(jìn)化樹主干上氣態(tài)節(jié)點(diǎn)中的空白，開發(fā)出氣態(tài)的柚子皮產(chǎn)品；

（2）對于節(jié)點(diǎn)較多的進(jìn)化樹分支，通過“系統(tǒng)擴(kuò)展—裁剪路線”和組件裁剪路線刪減或替換原有系統(tǒng)中的元素獲得新產(chǎn)品；

（3）對于節(jié)點(diǎn)較少的進(jìn)化樹分支，通過引入一些新的物質(zhì)和應(yīng)用場景進(jìn)行組合得到新產(chǎn)品，也可刪減或替換原有系統(tǒng)中的元素得到新產(chǎn)品；

（4）針對不同功能成分的特性設(shè)計不同類型的產(chǎn)品。

以柚子皮加工產(chǎn)品的預(yù)測為例，本研究提出的基于TRIZ 的專利預(yù)測方法創(chuàng)新與應(yīng)用的實用性，證明了利用TRIZ 的進(jìn)化路線理論同樣能夠達(dá)到傳統(tǒng)的利用專利技術(shù)生命周期、S 曲線和專利地圖等方法的效果。TRIZ 的進(jìn)化路線同樣能和專利分析很好地結(jié)合起來，今后在進(jìn)行有關(guān)加工產(chǎn)品理論研究時，可以從產(chǎn)品具體進(jìn)化樹的構(gòu)建角度進(jìn)行相關(guān)實證分析。