摘要食品工业事关全民营养健康与国计民生，2015年全国食品工业总产值达11.4万亿元，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尚未从根本上摆脱加工经验的束缚，未将加工过程与组分结构和品质功能有机结合，实现品质功能的理性设计、精准调控与高效制造，制约了食品产业发展与科技进步。本文重点阐述目前食品加工过程中组分结构变化与品质调控的研究现状、不足与亟待解决的主要科学问题，提出未来的研究方向与重点。
关键词食品加工;组分结构;品质功能;调控机制
1研究现状
食品科学基础研究是食品产业科技创新的源头和内在动力。近年来，食品领域基础研究的重点是系统分析食品原料加工物质基础，明确各组分在现代食品加工过程中结构变化规律及其对品质功能特性的影响，深入研究食品加工条件、组分结构变化、食品品质功能特性三者的关联性，并寻找出可以精准调控品质功能的理论、途径与方法，最终按照目标食品品质功能特性的需求来设计并实现食品的精准调控与高效制造。
1.1原料组分指纹图谱与加工适宜性研究
原料组分特征指纹图谱与加工适宜性研究是食品加工与制造的基础。食品工业中碳水化合物、蛋白质、脂类及生物活性物质等组分组成与含量差异显著，不同原料加工得到的制品品质功能也有明显区别。
1.2食品加工过程中关键组分结构变化研究
食品加工过程中组分结构变化将影响其品质功能，关键组分(如碳水化合物、脂肪酸、蛋白质、生物活性物质)在加工过程中分子(链)、聚集态及分子内和分子间相互聚集、组装直接构成食品品质功能。围绕这些链转变、聚集、组装机理及其对食品品质功能的影响，国内外食品领域开展了诸多研究。
1.2.1单一组分多尺度结构变化碳水化合物、脂类、蛋白质等生物大分子在不同作用条件下一级或高级结构的转变机制差异较大。日本东京大学Adachi等[13]成功获得并解析了大豆11S球蛋白A3B4亚基结晶(分辨率2.1A觷)，结果表明：A3B4亚基为六聚体结构，由2个三聚体呈32点组对称(32-pointgroupsymmetry)相叠而成，其中关键的跨链二硫键易被蛋白酶破坏，从而导致该六聚体结构向三聚体转变。美国加利福尼亚大学戴维斯分校JackPreiss等[14]详细综述了淀粉结构转变机制，提出当淀粉结晶过程中存在冷冻保护剂(如多糖)时，直链淀粉的树状结构(Treelike)会向丝状结构(Trichitic)或总状花序结构(Racemose)转变。美国麻省理工Forget等[15]发现了多糖水凝胶在羧化作用条件下其α螺旋结构会向β折叠转变。中科院上海生科院尹慧勇等[15]从自由基迁移角度深入剖析了脂质氧化途径及其对品质功能的影响机制。
1.2.3组分结构变化与品质功能的关系食品组分结构及互作会导致其理化性质的改变，最终将影响食品品质功能。何轩辉[20]通过对比花生蛋白质高压处理前、后二硫键含量、表面疏水性、巯基含量等差异，推测油料蛋白质的热凝胶机理，结果表明：超高压处理过程中花生分离蛋白肽链被打开，疏水基团和内部巯基大量暴露，发生-SS-/-SH交换、-SH氧化等反应形成大量二硫键，最终呈现凝胶。Augusto等[21]研究了高压均质对番茄汁流变性质的影响，结果表明：高压均质处理增加了番茄汁的弹性、储能模量、损耗模量和稠度，改善了番茄汁流变特性，可能是由于高压均质处理过程中破坏了番茄汁中悬浮颗粒结构，减小了颗粒尺寸引起的。Panozzo等[22]研究发现HPH处理产生的果胶网络结构会影响番茄酱类胡萝卜素的生物利用率，主要是由于番茄红素、ε-胡萝卜素与果胶网络形成了复合物，导致其游离率降低。Bi等[23]利用β-乳球蛋白(β-lactoglobuli，BLG)改善相思树胶(GumAcaciaSeyal，ASY)的乳化稳定性，结果发现：在BLG/ASY为1/4(m/m)，温度60℃，湿度79%时，BLG和ASY会发生美拉德反应，形成阿拉伯半乳糖聚糖糖蛋白(AGP)，显著提升其乳化性，其水包油乳液在低pH值、高盐条件下稳定。
食品中各种组分复杂，加工过程影响因素众多，现有研究尚未深入、系统揭示食品加工过程中组分分子链、聚集、互作及其对品质功能的影响规律，也未立足加工中组分结构变化来揭示食品品质功能形成机理。例如：热处理条件下蛋白-多糖相互作用能够显著提升食品的色、香、味等食用品质，同时其营养和安全品质也会受到影响，其互作机制及其与食品品质功能的关联机制仍未明晰[24-26]。小麦面筋蛋白是馒头、面条等食品品质的关键组分，然而其中麦醇溶蛋白、麦谷蛋白、淀粉，以及盐离子、水分在和面、发酵、蒸煮过程中如何形成面筋蛋白网络结构，该结构与馒头、面条等食品品质的关联机制仍缺乏系统研究[27]。
1.3食品加工过程中关键结构(域)与品质功能的关联机制研究
从目标产品所要达到的应用要求和功能出发，对该产品进行整体调控设计与制造，一直是材料科学与工程领域的主要学术思路，其重要的理论依据就是任何材料的特定功能均由其特定结构所决定。食品也是一类多组分、多尺度、多相态的特殊材料，“结构决定功能”这一材料科学学术思路对食品品质功能精准调控具有实际指导意义。
1.4食品加工全过程调控理论体系及模型研究
由于食品基质体系复杂，加工技术条件多样，且加工过程具有变量多，内外源因素不稳定等难以预测与控制品质功能等特点，因此食品加工过程数字化、模型化、网络化一直是加工全过程调控理论体系构建的难点。近年来国内外专家一直在尝试用各种方法对复杂食品加工过程进行数字化模拟与调控。
2主要科学问题
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：
(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、试验验证，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。
各关键科学问题间内在联系如图1所示。科学问题1的解决需要系统开展食品加工原料物质基础研究，获得特征组分指纹图谱与目标指示物，明确决定食品品质功能的关键组分结构或关键调控酶(通路)，揭示食品原料加工适宜性的分子机制;解决关键科学问题2需要系统开展典型加工条件下组分多尺度结构、组分分子间相互作用，明确加工条件-特征组分结构关联机制;围绕“特征组分结构-品质功能”开展理论与实际研究，分别明确食品典型加工过程中品质功能劣变与保质减损机理，揭示新型食品加工技术对特征组分结构修饰与品质功能调控机理，可着重解决科学问题3;关键科学问题1～3的解决将为明确加工工艺、特征组分结构、品质功能三者之间的相互影响关系奠定基础;综合“典型加工条件、典型加工过程、新型加工技术”3个层面的各种关联数据，构建食品组分结构与品质功能过程调控预测模型和理论体系，并利用各种大数据分析方法建立可视化平台，将最终实现科学问题4的突破。——论文作者：王强石爱民刘红芝刘丽胡晖杨颖