文王強 石愛民 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所

食品加工業(yè)的健康發(fā)展事關(guān)全民營養(yǎng)健康和國計民生，日益成為國家關(guān)注、百姓關(guān)心的民生產(chǎn)業(yè)。為了突破我國食品工業(yè)的瓶頸問題，2016年國家重點研發(fā)計劃“現(xiàn)代食品加工及糧食收儲運技術(shù)與裝備”重點專項啟動了“食品加工過程中組分結(jié)構(gòu)變化及品質(zhì)調(diào)控機制研究”項目。該項目立足于組分結(jié)構(gòu)與品質(zhì)功能的基礎(chǔ)理論，取得突破性成果。

“民以食為天”，糧油、果蔬、畜禽、水產(chǎn)、調(diào)味品等食品是我國居民的主要能量與營養(yǎng)來源，食品加工業(yè)的健康發(fā)展事關(guān)全民營養(yǎng)健康和國計民生，日益成為國家關(guān)注、百姓關(guān)心的民生產(chǎn)業(yè)。

當(dāng)前，我國食品工業(yè)已進入快速發(fā)展時期，2015年我國食品工業(yè)總產(chǎn)值達11.4萬億元，同比增長4.6%，占國民總產(chǎn)值的16.7%，成為國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。然而，目前我國食品工業(yè)仍然是從食品原材料特點及其加工性能出發(fā)，利用已有技術(shù)和設(shè)備，憑經(jīng)驗進行加工，缺乏基礎(chǔ)研究與理論支撐。同時，“原料-加工過程-制品”3個環(huán)節(jié)也尚未系統(tǒng)關(guān)聯(lián)與配套，難以實現(xiàn)目標(biāo)食品的理性化設(shè)計、精準(zhǔn)調(diào)控及高效制造，無法滿足人們對營養(yǎng)健康的需求，嚴(yán)重制約了食品工業(yè)健康發(fā)展。

為了提升我國食品工業(yè)的發(fā)展水平，2016年國家重點研發(fā)計劃“現(xiàn)代食品加工及糧食收儲運技術(shù)與裝備”重點專項啟動了“食品加工過程中組分結(jié)構(gòu)變化及品質(zhì)調(diào)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(xué)派出的專家學(xué)者組成，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所王強研究員為項目首席科學(xué)家，團隊成員包括國際食品科學(xué)院院士、國際歐亞科學(xué)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(xué)基金重點項目首席等知名專家，共同開展跨區(qū)域、跨學(xué)科、跨部門的聯(lián)合攻關(guān)，集中優(yōu)勢資源開展協(xié)同創(chuàng)新。

食品加工原料物質(zhì)基礎(chǔ)研究關(guān)鍵技術(shù)亟待突破

食品加工過程中組分結(jié)構(gòu)變化與品質(zhì)功能調(diào)控機制研究的技術(shù)路線是在全面掌握食品加工原料物質(zhì)基礎(chǔ)上，明晰食品典型加工過程中特征組分多尺度結(jié)構(gòu)、相互作用、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域的變化機制，揭示新型食品加工技術(shù)對品質(zhì)功能的提升機制，構(gòu)建食品加工過程中品質(zhì)功能預(yù)測模型，實現(xiàn)典型食品品質(zhì)功能理性設(shè)計、精準(zhǔn)調(diào)控與高效制造。亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題如下：

（1）明晰食品品質(zhì)及功能評價、調(diào)控、預(yù)測的分子物質(zhì)基礎(chǔ)

構(gòu)成食品品質(zhì)質(zhì)量特征的組分含量、組成、結(jié)構(gòu)是食品品質(zhì)及功能評價、調(diào)控、預(yù)測的基礎(chǔ)。然而，由于食品原料來源多元性、加工過程復(fù)雜性，特征目標(biāo)指示物及其指紋圖譜等信息仍未被系統(tǒng)掌握，食品品質(zhì)及功能評價、調(diào)控、預(yù)測的分子物質(zhì)基礎(chǔ)亟待明晰。

（2）揭示食品加工過程對特征組分多尺度結(jié)構(gòu)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(zhì)、脂肪和生物活性物質(zhì)等特征組分經(jīng)分子（鏈）、聚集態(tài)及分子內(nèi)和分子間相互聚集而成，具有多尺度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜體系，其結(jié)構(gòu)特性是構(gòu)成品質(zhì)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，亟待明晰食品加工過程對特征組分結(jié)構(gòu)（分子鏈結(jié)構(gòu)、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(xué)鍵合、降解、轉(zhuǎn)化等）的影響及相關(guān)機制。

（3）明確關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（域）與食品品質(zhì)功能的關(guān)聯(lián)機制

食品加工過程中特征組分形成的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（域）是品質(zhì)功能優(yōu)劣的基礎(chǔ)，也是品質(zhì)功能調(diào)控的關(guān)鍵，亟待確定淀粉晶體結(jié)構(gòu)、蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、相界面等食品關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（域）形成途徑，揭示關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（域）與食品品質(zhì)功能（色香味、質(zhì)構(gòu)、營養(yǎng)、功效等）的關(guān)聯(lián)機制。

（4）構(gòu)建食品加工全過程品質(zhì)功能調(diào)控理論體系及平臺

〉 關(guān)鍵科學(xué)問題的內(nèi)在聯(lián)系

食品品質(zhì)功能預(yù)測模型是構(gòu)建品質(zhì)功能調(diào)控理論體系與平臺的基礎(chǔ)，亟待運用大數(shù)據(jù)分析方法明晰食品加工過程參數(shù)（典型加工條件、典型加工過程和新型加工技術(shù)）、組分結(jié)構(gòu)變化【特征組分多尺度結(jié)構(gòu)、相互作用及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（域）】、品質(zhì)功能三者之間全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，建立碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等不同類型食品品質(zhì)功能預(yù)測模型，并進行模型校正、實驗驗證，構(gòu)建食品加工全過程組分結(jié)構(gòu)與品質(zhì)功能調(diào)控理論體系與可視化平臺，創(chuàng)制食品加工新工藝技術(shù)、新方法，實現(xiàn)品質(zhì)功能導(dǎo)向的現(xiàn)代食品精準(zhǔn)調(diào)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(jié)構(gòu)變化及品質(zhì)調(diào)控機制研究”項目實施以來，經(jīng)過兩年的不斷發(fā)展，已取得階段性成果。

（1）明確了基于油水界面3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高壓均質(zhì)技術(shù)增強食品乳液品質(zhì)功能的新理論新方法。明確了高壓均質(zhì)處理對花生分離蛋白（PPI）-多糖凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響機制，適度高壓均質(zhì)能夠獲得不同粒徑、pH響應(yīng)的微凝膠顆粒；該微凝膠顆粒在連續(xù)相中均勻包裹了高內(nèi)相Pickering乳液（HIPPEs）液滴，形成“彈性界面膜”，與外相中顆粒構(gòu)建3-D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共同阻止了液滴的聚結(jié)失穩(wěn)，首次構(gòu)建了已報道食品級Pickering乳液中油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的HIPPEs（87%），其外部形態(tài)、流變特性等功能性質(zhì)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(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所加工所王強研究團隊完成，發(fā)表在化學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的國際頂尖期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）（IF5-y=12.102） 上， 為高壓均質(zhì)技術(shù)在食品乳化創(chuàng)新創(chuàng)制領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

HIPPE（內(nèi)相質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jié)構(gòu)變化的5類食品體系品質(zhì)功能形成與調(diào)控新理論新方法。初步構(gòu)建了基于分子鏈結(jié)構(gòu)、聚集行為、單分子組裝等特征組分多尺度結(jié)構(gòu)變化的5類食品體系品質(zhì)功能形成與調(diào)控新理論新方法5種。其中，基于硫酸銨離子誘導(dǎo)明膠分子鏈成束的原理，通過引入霍夫梅斯特序列效應(yīng)（Hofmeister Series）使其物理交聯(lián)可快速吸收能量并解交聯(lián)維持較大變形的調(diào)控新方法，制備出具有超常強度（壓縮和拉伸應(yīng)變分別超過99%和500%，應(yīng)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(xué)汪少蕓研究團隊完成，發(fā)表在材料學(xué)領(lǐng)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(jié)構(gòu)變化的食品品質(zhì)功能理性設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

〉 明膠在硫酸銨離子介導(dǎo)下形成具超常強度的水凝膠

〉 高負(fù)載率的載白藜蘆醇的蛋白納米微球構(gòu)建示意圖

（3）闡明了基于5種關(guān)鍵特征組分相互作用的食品品質(zhì)功能調(diào)控新方法?；诘湫图庸l件下蛋白質(zhì)-碳水化合物、蛋白質(zhì)-脂質(zhì)、蛋白質(zhì)-多酚等5種體系分子間締合、組裝、聚集、化學(xué)鍵合、降解、轉(zhuǎn)化及相態(tài)轉(zhuǎn)變等規(guī)律，初步構(gòu)建了基于特征組分互作的食品品質(zhì)功能調(diào)控新方法5種。其中，基于Ga離子誘導(dǎo)下蛋白自組裝與蛋白-多酚非共價相互作用，成功構(gòu)建了具有高負(fù)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(nóng)業(yè)科學(xué)院加工所王強研究團隊完成，發(fā)表在控制釋放領(lǐng)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(zhì)生物利用度提供新思路。

此外，圍繞加熱條件下蛋白質(zhì)與糖類熱分解產(chǎn)物α-二羰基化合物的相互作用對蛋白質(zhì)營養(yǎng)功能影響的規(guī)律研究，項目組從人體本身消化、腸道健康的角度出發(fā)，明確了蛋白-晚期糖化終末產(chǎn)物復(fù)合物多層次結(jié)構(gòu)變化與其消化性改變的內(nèi)在機制，揭示了晚期糖化終末產(chǎn)物在不同分子量消化物的分布規(guī)律。結(jié)果表明：不同結(jié)構(gòu)的晚期糖化終末產(chǎn)物對蛋白-晚期糖化終末產(chǎn)物復(fù)合物的消化性產(chǎn)生差異化影響：交聯(lián)類晚期糖化終末產(chǎn)物對蛋白消化起到主要的阻礙作用，非交聯(lián)類晚期糖化終末產(chǎn)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(chǎn)物中，加熱末期生成的晚期糖化終末產(chǎn)物更多分布于高分子量消化產(chǎn)物中。該成果由東莞理工學(xué)院李琳團隊完成，發(fā)表SCI一區(qū)論文3篇，為評價食源性糖化蛋白的營養(yǎng)功能提供嶄新的思路。

（4）建立了基于纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高水分?jǐn)D壓技術(shù)提升蛋白品質(zhì)功能的新理論新方法。高水分?jǐn)D壓中，蛋白分子在溫度、剪切力和壓力綜合作用下，“球”狀結(jié)構(gòu)向“線”狀轉(zhuǎn)化。同時，蛋白質(zhì)分子之間發(fā)生解聚、聚集、變性、交聯(lián)等反應(yīng)，α螺旋、β-折疊逐漸向β-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化，最終蛋白構(gòu)象逐漸穩(wěn)定并重排，形成纖維狀結(jié)構(gòu)；其他組分如淀粉、油脂等在擠壓中與蛋白發(fā)生相分離，改變蛋白構(gòu)象變化趨勢，從而影響纖維結(jié)構(gòu)形成。該成果由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所王強研究團隊完成，發(fā)表在食品科學(xué)領(lǐng)域頂尖期刊《食品科學(xué)與營養(yǎng)評論》（Critical Reviews in Food Science and Nutrition）上，為高水分?jǐn)D壓技術(shù)在蛋白食品中的應(yīng)用及蛋白功能調(diào)控方面提供借鑒。

截止目前，本項目已授權(quán)國際發(fā)明專利3項、國家發(fā)明專利5項，申請國際專利7項、國家發(fā)明專利42項；發(fā)表或錄用SCI論文77篇，其中JCR一區(qū)37篇，IF5-10論文 8篇，IF＞10論文 2篇；發(fā)表EI論文19篇，核心期刊論文20篇；獲軟件著作權(quán)2項，制訂農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項，提交國家標(biāo)準(zhǔn)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(yè)科技進步特等獎1項、一等獎1項，福建省科學(xué)技術(shù)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(yǎng)碩士學(xué)生59人、博士生18人、留學(xué)生5人；成果轉(zhuǎn)化收入780萬元；與美國哈佛大學(xué)、堪薩斯州立大學(xué)、新西蘭奧克蘭大學(xué)、梅西大學(xué)、日本京都大學(xué)、荷蘭瓦根寧根大學(xué)、英國利茲大學(xué)、APRES等建立長期合作關(guān)系。

推進食品學(xué)科發(fā)展與進步

下一步，“食品加工過程中組分結(jié)構(gòu)變化及品質(zhì)調(diào)控機制研究”項目將繼續(xù)以糧油、果蔬、畜禽、水產(chǎn)和調(diào)味品5類食品為研究對象，基于品質(zhì)功能導(dǎo)向的分子設(shè)計理念，更加系統(tǒng)地構(gòu)建食品原料及制品中特征組分指紋圖譜，建立特征組分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與其品質(zhì)功能的相關(guān)關(guān)系，明確特征目標(biāo)指示物及相應(yīng)關(guān)鍵調(diào)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(zhì)基礎(chǔ)。

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(jié)構(gòu)、分子間相互作用、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（域）的變化及其對品質(zhì)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(shù)下特征組分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（域）與品質(zhì)功能的關(guān)聯(lián)機理；并借助大數(shù)據(jù)分析方法，建立加工工藝參數(shù)、組分結(jié)構(gòu)變化、品質(zhì)功能三者相互影響關(guān)系及模型，初步構(gòu)建食品加工全過程組分結(jié)構(gòu)與品質(zhì)功能調(diào)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(dǎo)分子育種，在多尺度結(jié)構(gòu)變化機制與分子間相互作用方面的研究結(jié)果將豐富和發(fā)展食品化學(xué)、分析化學(xué)等基礎(chǔ)理論，在食品組分結(jié)構(gòu)與品質(zhì)功能調(diào)控理論體系方面開創(chuàng)食品加工品質(zhì)學(xué)并推動食品工藝學(xué)、食品營養(yǎng)學(xué)等學(xué)科發(fā)展，整體推進我國乃至國際食品學(xué)科發(fā)展與進步。

〉 花生蛋白高水分?jǐn)D壓過程動態(tài)圖