助推食品产业向精准调控与高效制造转变新理论新方法

文王强 石爱民 中国农业科学院农产品加工研究所

食品加工业的健康发展事关全民营养健康和国计民生，日益成为国家关注、百姓关心的民生产业。为了突破我国食品工业的瓶颈问题，2016年国家重点研发计划“现代食品加工及粮食收储运技术与装备”重点专项启动了“食品加工过程中组分结构变化及品质调控机制研究”项目。该项目立足于组分结构与品质功能的基础理论，取得突破性成果。

“民以食为天”，粮油、果蔬、畜禽、水产、调味品等食品是我国居民的主要能量与营养来源，食品加工业的健康发展事关全民营养健康和国计民生，日益成为国家关注、百姓关心的民生产业。

当前，我国食品工业已进入快速发展时期，2015年我国食品工业总产值达11.4万亿元，同比增长4.6%，占国民总产值的16.7%，成为国民经济发展的支柱产业。然而，目前我国食品工业仍然是从食品原材料特点及其加工性能出发，利用已有技术和设备，凭经验进行加工，缺乏基础研究与理论支撑。同时，“原料-加工过程-制品”3个环节也尚未系统关联与配套，难以实现目标食品的理性化设计、精准调控及高效制造，无法满足人们对营养健康的需求，严重制约了食品工业健康发展。

为了提升我国食品工业的发展水平，2016年国家重点研发计划“现代食品加工及粮食收储运技术与装备”重点专项启动了“食品加工过程中组分结构变化及品质调控机制研究”项目。研究团队由8家科研院所和14家综合性大学派出的专家学者组成，中国农业科学院农产品加工研究所王强研究员为项目首席科学家，团队成员包括国际食品科学院院士、国际欧亚科学院院士、国家“千人计划”专家、“青年千人计划”专家、国家“百千万人才工程”专家、国家自然科学基金重点项目首席等知名专家，共同开展跨区域、跨学科、跨部门的联合攻关，集中优势资源开展协同创新。

食品加工原料物质基础研究关键技术亟待突破

食品加工过程中组分结构变化与品质功能调控机制研究的技术路线是在全面掌握食品加工原料物质基础上，明晰食品典型加工过程中特征组分多尺度结构、相互作用、关键结构域的变化机制，揭示新型食品加工技术对品质功能的提升机制，构建食品加工过程中品质功能预测模型，实现典型食品品质功能理性设计、精准调控与高效制造。亟待解决的关键科学问题如下：

（1）明晰食品品质及功能评价、调控、预测的分子物质基础

构成食品品质质量特征的组分含量、组成、结构是食品品质及功能评价、调控、预测的基础。然而，由于食品原料来源多元性、加工过程复杂性，特征目标指示物及其指纹图谱等信息仍未被系统掌握，食品品质及功能评价、调控、预测的分子物质基础亟待明晰。

（2）揭示食品加工过程对特征组分多尺度结构及分子间相互作用的影响机制

食品是由碳水化合物、蛋白质、脂肪和生物活性物质等特征组分经分子（链）、聚集态及分子内和分子间相互聚集而成，具有多尺度结构的复杂体系，其结构特性是构成品质功能的物质基础，亟待明晰食品加工过程对特征组分结构（分子链结构、聚集行为、单分子组装等）与相互作用（分子间缔合、组装、聚集、化学键合、降解、转化等）的影响及相关机制。

（3）明确关键结构（域）与食品品质功能的关联机制

食品加工过程中特征组分形成的关键结构（域）是品质功能优劣的基础，也是品质功能调控的关键，亟待确定淀粉晶体结构、蛋白网络结构、纤维网络结构、相界面等食品关键结构（域）形成途径，揭示关键结构（域）与食品品质功能（色香味、质构、营养、功效等）的关联机制。

（4）构建食品加工全过程品质功能调控理论体系及平台

〉 关键科学问题的内在联系

食品品质功能预测模型是构建品质功能调控理论体系与平台的基础，亟待运用大数据分析方法明晰食品加工过程参数（典型加工条件、典型加工过程和新型加工技术）、组分结构变化【特征组分多尺度结构、相互作用及关键结构（域）】、品质功能三者之间全数据网络关系，建立碳水化合物、蛋白质、脂质等不同类型食品品质功能预测模型，并进行模型校正、实验验证，构建食品加工全过程组分结构与品质功能调控理论体系与可视化平台，创制食品加工新工艺技术、新方法，实现品质功能导向的现代食品精准调控与高效制造。

获取食品加工新理论、新方法

自2016年，“食品加工过程中组分结构变化及品质调控机制研究”项目实施以来，经过两年的不断发展，已取得阶段性成果。

（1）明确了基于油水界面3D网络结构的高压均质技术增强食品乳液品质功能的新理论新方法。明确了高压均质处理对花生分离蛋白（PPI）-多糖凝胶网络结构的影响机制，适度高压均质能够获得不同粒径、pH响应的微凝胶颗粒；该微凝胶颗粒在连续相中均匀包裹了高内相Pickering乳液（HIPPEs）液滴，形成“弹性界面膜”，与外相中颗粒构建3-D网络结构共同阻止了液滴的聚结失稳，首次构建了已报道食品级Pickering乳液中油相质量分数最高的HIPPEs（87%），其外部形态、流变特性等功能性质与人造奶油相近，是极有潜力的人造奶油替代品。

该成果由中国农业科学院农产品加工研究所加工所王强研究团队完成，发表在化学及其相关领域的国际顶尖期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）（IF5-y=12.102） 上， 为高压均质技术在食品乳化创新创制领域的应用提供理论指导。

HIPPE（内相质量分数为85%）外观照片（（a，b），冷冻电镜照片（c，d），激光共聚焦扫描显微镜照片（e，f）；a，c，e的pH为3.0，b，d，e的pH为9.0）

（2）揭示了基于多尺度结构变化的5类食品体系品质功能形成与调控新理论新方法。初步构建了基于分子链结构、聚集行为、单分子组装等特征组分多尺度结构变化的5类食品体系品质功能形成与调控新理论新方法5种。其中，基于硫酸铵离子诱导明胶分子链成束的原理，通过引入霍夫梅斯特序列效应（Hofmeister Series）使其物理交联可快速吸收能量并解交联维持较大变形的调控新方法，制备出具有超常强度（压缩和拉伸应变分别超过99%和500%，应力为12和3MPa）和强能量耗散及抗疲劳性能新型水凝胶。该成果由福州大学汪少芸研究团队完成，发表在材料学领域顶尖期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）（IF5-y=13.325）上，为基于多尺度结构变化的食品品质功能理性设计提供理论指导。

〉 明胶在硫酸铵离子介导下形成具超常强度的水凝胶

〉 高负载率的载白藜芦醇的蛋白纳米微球构建示意图

（3）阐明了基于5种关键特征组分相互作用的食品品质功能调控新方法。基于典型加工条件下蛋白质-碳水化合物、蛋白质-脂质、蛋白质-多酚等5种体系分子间缔合、组装、聚集、化学键合、降解、转化及相态转变等规律，初步构建了基于特征组分互作的食品品质功能调控新方法5种。其中，基于Ga离子诱导下蛋白自组装与蛋白-多酚非共价相互作用，成功构建了具有高负载率的载白藜芦醇的蛋白纳米微球，粒径90-100纳米，缓释长达11小时。该成果由中国农业科学院加工所王强研究团队完成，发表在控制释放领域顶尖期刊《控制释放杂志》（Journal of Controlled Release）上，为提升生物活性物质生物利用度提供新思路。

此外，围绕加热条件下蛋白质与糖类热分解产物α-二羰基化合物的相互作用对蛋白质营养功能影响的规律研究，项目组从人体本身消化、肠道健康的角度出发，明确了蛋白-晚期糖化终末产物复合物多层次结构变化与其消化性改变的内在机制，揭示了晚期糖化终末产物在不同分子量消化物的分布规律。结果表明：不同结构的晚期糖化终末产物对蛋白-晚期糖化终末产物复合物的消化性产生差异化影响：交联类晚期糖化终末产物对蛋白消化起到主要的阻碍作用，非交联类晚期糖化终末产物对蛋白消化过程影响较小。羧甲基赖氨酸相对于赖氨酸更多的分布于高分子量消化产物中，加热末期生成的晚期糖化终末产物更多分布于高分子量消化产物中。该成果由东莞理工学院李琳团队完成，发表SCI一区论文3篇，为评价食源性糖化蛋白的营养功能提供崭新的思路。

（4）建立了基于纤维网络结构的高水分挤压技术提升蛋白品质功能的新理论新方法。高水分挤压中，蛋白分子在温度、剪切力和压力综合作用下，“球”状结构向“线”状转化。同时，蛋白质分子之间发生解聚、聚集、变性、交联等反应，α螺旋、β-折叠逐渐向β-转角转化，最终蛋白构象逐渐稳定并重排，形成纤维状结构；其他组分如淀粉、油脂等在挤压中与蛋白发生相分离，改变蛋白构象变化趋势，从而影响纤维结构形成。该成果由中国农业科学院农产品加工研究所王强研究团队完成，发表在食品科学领域顶尖期刊《食品科学与营养评论》（Critical Reviews in Food Science and Nutrition）上，为高水分挤压技术在蛋白食品中的应用及蛋白功能调控方面提供借鉴。

截止目前，本项目已授权国际发明专利3项、国家发明专利5项，申请国际专利7项、国家发明专利42项；发表或录用SCI论文77篇，其中JCR一区37篇，IF5-10论文 8篇，IF＞10论文 2篇；发表EI论文19篇，核心期刊论文20篇；获软件著作权2项，制订农业行业标准1项，提交国家标准立项申请3项；出版英文专著2部、中文专著1部，参编英文著作3部。获全国商业科技进步特等奖1项、一等奖1项，福建省科学技术进步二等奖1项；完成科普手册2份，参与组织会议4场，大会特邀报告10余次；培养硕士学生59人、博士生18人、留学生5人；成果转化收入780万元；与美国哈佛大学、堪萨斯州立大学、新西兰奥克兰大学、梅西大学、日本京都大学、荷兰瓦根宁根大学、英国利兹大学、APRES等建立长期合作关系。

推进食品学科发展与进步

下一步，“食品加工过程中组分结构变化及品质调控机制研究”项目将继续以粮油、果蔬、畜禽、水产和调味品5类食品为研究对象，基于品质功能导向的分子设计理念，更加系统地构建食品原料及制品中特征组分指纹图谱，建立特征组分关键结构与其品质功能的相关关系，明确特征目标指示物及相应关键调控基因，揭示食品原料加工适宜性机制，明确食品加工原料物质基础。

项目将从微观到宏观，深入探究食品加工过程中特征组分多尺度结构、分子间相互作用、关键结构（域）的变化及其对品质功能的影响机制；从理论到实际，探究典型加工过程中和新型加工技术下特征组分关键结构（域）与品质功能的关联机理；并借助大数据分析方法，建立加工工艺参数、组分结构变化、品质功能三者相互影响关系及模型，初步构建食品加工全过程组分结构与品质功能调控理论体系与平台，以期在食品原料加工适宜性分子机制方面指导分子育种，在多尺度结构变化机制与分子间相互作用方面的研究结果将丰富和发展食品化学、分析化学等基础理论，在食品组分结构与品质功能调控理论体系方面开创食品加工品质学并推动食品工艺学、食品营养学等学科发展，整体推进我国乃至国际食品学科发展与进步。

〉 花生蛋白高水分挤压过程动态图