助推食品產業向精準調控與高效制造轉變新理論新方法

文王強 石愛民 中國農業科學院農產品加工研究所

食品加工業的健康發展事關全民營養健康和國計民生，日益成為國家關注、百姓關心的民生產業。為了突破我國食品工業的瓶頸問題，2016年國家重點研發計劃“現代食品加工及糧食收儲運技術與裝備”重點專項啟動了“食品加工過程中組分結構變化及品質調控機制研究”項目。該項目立足于組分結構與品質功能的基礎理論，取得突破性成果。

“民以食為天”，糧油、果蔬、畜禽、水產、調味品等食品是我國居民的主要能量與營養來源，食品加工業的健康發展事關全民營養健康和國計民生，日益成為國家關注、百姓關心的民生產業。

當前，我國食品工業已進入快速發展時期，2015年我國食品工業總產值達11.4萬億元，同比增長4.6%，占國民總產值的16.7%，成為國民經濟發展的支柱產業。然而，目前我國食品工業仍然是從食品原材料特點及其加工性能出發，利用已有技術和設備，憑經驗進行加工，缺乏基礎研究與理論支撐。同時，“原料-加工過程-制品”3個環節也尚未系統關聯與配套，難以實現目標食品的理性化設計、精準調控及高效制造，無法滿足人們對營養健康的需求，嚴重制約了食品工業健康發展。

為了提升我國食品工業的發展水平，2016年國家重點研發計劃“現代食品加工及糧食收儲運技術與裝備”重點專項啟動了“食品加工過程中組分結構變化及品質調控機制研究”項目。研究團隊由8家科研院所和14家綜合性大學派出的專家學者組成，中國農業科學院農產品加工研究所王強研究員為項目首席科學家，團隊成員包括國際食品科學院院士、國際歐亞科學院院士、國家“千人計劃”專家、“青年千人計劃”專家、國家“百千萬人才工程”專家、國家自然科學基金重點項目首席等知名專家，共同開展跨區域、跨學科、跨部門的聯合攻關，集中優勢資源開展協同創新。

食品加工原料物質基礎研究關鍵技術亟待突破

食品加工過程中組分結構變化與品質功能調控機制研究的技術路線是在全面掌握食品加工原料物質基礎上，明晰食品典型加工過程中特征組分多尺度結構、相互作用、關鍵結構域的變化機制，揭示新型食品加工技術對品質功能的提升機制，構建食品加工過程中品質功能預測模型，實現典型食品品質功能理性設計、精準調控與高效制造。亟待解決的關鍵科學問題如下：

（1）明晰食品品質及功能評價、調控、預測的分子物質基礎

構成食品品質質量特征的組分含量、組成、結構是食品品質及功能評價、調控、預測的基礎。然而，由于食品原料來源多元性、加工過程復雜性，特征目標指示物及其指紋圖譜等信息仍未被系統掌握，食品品質及功能評價、調控、預測的分子物質基礎亟待明晰。

（2）揭示食品加工過程對特征組分多尺度結構及分子間相互作用的影響機制

食品是由碳水化合物、蛋白質、脂肪和生物活性物質等特征組分經分子（鏈）、聚集態及分子內和分子間相互聚集而成，具有多尺度結構的復雜體系，其結構特性是構成品質功能的物質基礎，亟待明晰食品加工過程對特征組分結構（分子鏈結構、聚集行為、單分子組裝等）與相互作用（分子間締合、組裝、聚集、化學鍵合、降解、轉化等）的影響及相關機制。

（3）明確關鍵結構（域）與食品品質功能的關聯機制

食品加工過程中特征組分形成的關鍵結構（域）是品質功能優劣的基礎，也是品質功能調控的關鍵，亟待確定淀粉晶體結構、蛋白網絡結構、纖維網絡結構、相界面等食品關鍵結構（域）形成途徑，揭示關鍵結構（域）與食品品質功能（色香味、質構、營養、功效等）的關聯機制。

（4）構建食品加工全過程品質功能調控理論體系及平臺

〉 關鍵科學問題的內在聯系

食品品質功能預測模型是構建品質功能調控理論體系與平臺的基礎，亟待運用大數據分析方法明晰食品加工過程參數（典型加工條件、典型加工過程和新型加工技術）、組分結構變化【特征組分多尺度結構、相互作用及關鍵結構（域）】、品質功能三者之間全數據網絡關系，建立碳水化合物、蛋白質、脂質等不同類型食品品質功能預測模型，并進行模型校正、實驗驗證，構建食品加工全過程組分結構與品質功能調控理論體系與可視化平臺，創制食品加工新工藝技術、新方法，實現品質功能導向的現代食品精準調控與高效制造。

獲取食品加工新理論、新方法

自2016年，“食品加工過程中組分結構變化及品質調控機制研究”項目實施以來，經過兩年的不斷發展，已取得階段性成果。

（1）明確了基于油水界面3D網絡結構的高壓均質技術增強食品乳液品質功能的新理論新方法。明確了高壓均質處理對花生分離蛋白（PPI）-多糖凝膠網絡結構的影響機制，適度高壓均質能夠獲得不同粒徑、pH響應的微凝膠顆粒；該微凝膠顆粒在連續相中均勻包裹了高內相Pickering乳液（HIPPEs）液滴，形成“彈性界面膜”，與外相中顆粒構建3-D網絡結構共同阻止了液滴的聚結失穩，首次構建了已報道食品級Pickering乳液中油相質量分數最高的HIPPEs（87%），其外部形態、流變特性等功能性質與人造奶油相近，是極有潛力的人造奶油替代品。

該成果由中國農業科學院農產品加工研究所加工所王強研究團隊完成，發表在化學及其相關領域的國際頂尖期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）（IF5-y=12.102） 上， 為高壓均質技術在食品乳化創新創制領域的應用提供理論指導。

HIPPE（內相質量分數為85%）外觀照片（（a，b），冷凍電鏡照片（c，d），激光共聚焦掃描顯微鏡照片（e，f）；a，c，e的pH為3.0，b，d，e的pH為9.0）

（2）揭示了基于多尺度結構變化的5類食品體系品質功能形成與調控新理論新方法。初步構建了基于分子鏈結構、聚集行為、單分子組裝等特征組分多尺度結構變化的5類食品體系品質功能形成與調控新理論新方法5種。其中，基于硫酸銨離子誘導明膠分子鏈成束的原理，通過引入霍夫梅斯特序列效應（Hofmeister Series）使其物理交聯可快速吸收能量并解交聯維持較大變形的調控新方法，制備出具有超常強度（壓縮和拉伸應變分別超過99%和500%，應力為12和3MPa）和強能量耗散及抗疲勞性能新型水凝膠。該成果由福州大學汪少蕓研究團隊完成，發表在材料學領域頂尖期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）（IF5-y=13.325）上，為基于多尺度結構變化的食品品質功能理性設計提供理論指導。

〉 明膠在硫酸銨離子介導下形成具超常強度的水凝膠

〉 高負載率的載白藜蘆醇的蛋白納米微球構建示意圖

（3）闡明了基于5種關鍵特征組分相互作用的食品品質功能調控新方法?；诘湫图庸l件下蛋白質-碳水化合物、蛋白質-脂質、蛋白質-多酚等5種體系分子間締合、組裝、聚集、化學鍵合、降解、轉化及相態轉變等規律，初步構建了基于特征組分互作的食品品質功能調控新方法5種。其中，基于Ga離子誘導下蛋白自組裝與蛋白-多酚非共價相互作用，成功構建了具有高負載率的載白藜蘆醇的蛋白納米微球，粒徑90-100納米，緩釋長達11小時。該成果由中國農業科學院加工所王強研究團隊完成，發表在控制釋放領域頂尖期刊《控制釋放雜志》（Journal of Controlled Release）上，為提升生物活性物質生物利用度提供新思路。

此外，圍繞加熱條件下蛋白質與糖類熱分解產物α-二羰基化合物的相互作用對蛋白質營養功能影響的規律研究，項目組從人體本身消化、腸道健康的角度出發，明確了蛋白-晚期糖化終末產物復合物多層次結構變化與其消化性改變的內在機制，揭示了晚期糖化終末產物在不同分子量消化物的分布規律。結果表明：不同結構的晚期糖化終末產物對蛋白-晚期糖化終末產物復合物的消化性產生差異化影響：交聯類晚期糖化終末產物對蛋白消化起到主要的阻礙作用，非交聯類晚期糖化終末產物對蛋白消化過程影響較小。羧甲基賴氨酸相對于賴氨酸更多的分布于高分子量消化產物中，加熱末期生成的晚期糖化終末產物更多分布于高分子量消化產物中。該成果由東莞理工學院李琳團隊完成，發表SCI一區論文3篇，為評價食源性糖化蛋白的營養功能提供嶄新的思路。

（4）建立了基于纖維網絡結構的高水分擠壓技術提升蛋白品質功能的新理論新方法。高水分擠壓中，蛋白分子在溫度、剪切力和壓力綜合作用下，“球”狀結構向“線”狀轉化。同時，蛋白質分子之間發生解聚、聚集、變性、交聯等反應，α螺旋、β-折疊逐漸向β-轉角轉化，最終蛋白構象逐漸穩定并重排，形成纖維狀結構；其他組分如淀粉、油脂等在擠壓中與蛋白發生相分離，改變蛋白構象變化趨勢，從而影響纖維結構形成。該成果由中國農業科學院農產品加工研究所王強研究團隊完成，發表在食品科學領域頂尖期刊《食品科學與營養評論》（Critical Reviews in Food Science and Nutrition）上，為高水分擠壓技術在蛋白食品中的應用及蛋白功能調控方面提供借鑒。

截止目前，本項目已授權國際發明專利3項、國家發明專利5項，申請國際專利7項、國家發明專利42項；發表或錄用SCI論文77篇，其中JCR一區37篇，IF5-10論文 8篇，IF＞10論文 2篇；發表EI論文19篇，核心期刊論文20篇；獲軟件著作權2項，制訂農業行業標準1項，提交國家標準立項申請3項；出版英文專著2部、中文專著1部，參編英文著作3部。獲全國商業科技進步特等獎1項、一等獎1項，福建省科學技術進步二等獎1項；完成科普手冊2份，參與組織會議4場，大會特邀報告10余次；培養碩士學生59人、博士生18人、留學生5人；成果轉化收入780萬元；與美國哈佛大學、堪薩斯州立大學、新西蘭奧克蘭大學、梅西大學、日本京都大學、荷蘭瓦根寧根大學、英國利茲大學、APRES等建立長期合作關系。

推進食品學科發展與進步

下一步，“食品加工過程中組分結構變化及品質調控機制研究”項目將繼續以糧油、果蔬、畜禽、水產和調味品5類食品為研究對象，基于品質功能導向的分子設計理念，更加系統地構建食品原料及制品中特征組分指紋圖譜，建立特征組分關鍵結構與其品質功能的相關關系，明確特征目標指示物及相應關鍵調控基因，揭示食品原料加工適宜性機制，明確食品加工原料物質基礎。

項目將從微觀到宏觀，深入探究食品加工過程中特征組分多尺度結構、分子間相互作用、關鍵結構（域）的變化及其對品質功能的影響機制；從理論到實際，探究典型加工過程中和新型加工技術下特征組分關鍵結構（域）與品質功能的關聯機理；并借助大數據分析方法，建立加工工藝參數、組分結構變化、品質功能三者相互影響關系及模型，初步構建食品加工全過程組分結構與品質功能調控理論體系與平臺，以期在食品原料加工適宜性分子機制方面指導分子育種，在多尺度結構變化機制與分子間相互作用方面的研究結果將豐富和發展食品化學、分析化學等基礎理論，在食品組分結構與品質功能調控理論體系方面開創食品加工品質學并推動食品工藝學、食品營養學等學科發展，整體推進我國乃至國際食品學科發展與進步。

〉 花生蛋白高水分擠壓過程動態圖