王 強(qiáng)，李 琳，鞠興榮，趙國(guó)華，張洪斌，饒平凡，汪少蕓，許小娟，石愛(ài)民，劉紅芝

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100193 2 東莞理工學(xué)院 廣東東莞 523808 3 南京財(cái)經(jīng)大學(xué) 南京 210023 4 西南大學(xué) 重慶 400715 5 上海交通大學(xué) 上海 200240 6 浙江工商大學(xué) 杭州 310018 7 福州大學(xué) 福州 350108 8 武漢大學(xué) 武漢 350108）

“多尺度（Multiscale）”通常指空間或時(shí)間的跨度，“多尺度科學(xué)（Multiscale science）”是一門(mén)研究不同長(zhǎng)度尺度或時(shí)間尺度相互耦合現(xiàn)象的跨學(xué)科科學(xué)，是復(fù)雜系統(tǒng)的重要分支之一，具有豐富的科學(xué)內(nèi)涵和研究?jī)r(jià)值[1]。食品是一類(lèi)多組分、多相復(fù)雜體系，其多尺度結(jié)構(gòu)研究也同樣備受關(guān)注，如蛋白質(zhì)納米組裝[2]，功能性多糖的結(jié)構(gòu)解析[3]，以及超親水/超疏水材料[4]、納米材料的尺度效應(yīng)[5]，超分子組裝[6]等，然而，現(xiàn)有研究仍比較零散，傳統(tǒng)意義的構(gòu)效機(jī)制已不足以支撐和解析食品加工過(guò)程中從微觀到宏觀的變化過(guò)程。為此，本文在梳理多尺度概念的基礎(chǔ)上，提出食品多尺度結(jié)構(gòu)研究的基本概念、內(nèi)涵與方法論，并拓展多尺度結(jié)構(gòu)研究的外延，初步構(gòu)建食品多尺度結(jié)構(gòu)研究理論體系，為豐富食品科學(xué)基礎(chǔ)理論，助推食品加工精準(zhǔn)調(diào)控與高效制造提供理論支撐[7]。

1 多尺度的定義

“多尺度”概念源自現(xiàn)代物理學(xué)，多用于描述物體空間尺度的層次，主要包含4 種[8]：宏觀（試樣）→介觀（材料微結(jié)構(gòu)中比較大的部分，多個(gè)夾雜、薄層、梯度的組合體）→微觀（位錯(cuò)、單位體積孔隙和夾雜）→納觀（原子、分子水平）。具體定義見(jiàn)表1。

表1 多尺度特征的基本定義[8-9]Table 1 Basic definition of multi-scale features[8-9]

2 食品多尺度結(jié)構(gòu)科學(xué)內(nèi)涵與方法論

目前，“多尺度” 在食品領(lǐng)域的研究與應(yīng)用剛剛起步[10]，相關(guān)概念并不清晰。基于前期研究，食品領(lǐng)域“多尺度”現(xiàn)象多種多樣，既體現(xiàn)在物理學(xué)的“空間”尺度，數(shù)學(xué)領(lǐng)域的“時(shí)間”尺度，也涵蓋化學(xué)領(lǐng)域的“濃度”以及“因素”尺度等。鑒于此，本文提出的食品加工領(lǐng)域“多尺度”研究體系，是指食品加工過(guò)程中特征組分在上述“多尺度”條件下形成關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（域）的基礎(chǔ)研究體系，如圖1所示。

圖1 食品加工過(guò)程中多尺度基本概念Fig.1 Fundamental concept of multiscale in food processing

2.1 空間多尺度

“空間多尺度”主要指在食品體系中特征組分大小，包括宏觀、介觀、微觀、納觀。在食品體系中，現(xiàn)有針對(duì)特征組分結(jié)構(gòu)研究已深入到單分子鏈的結(jié)構(gòu)變化，如蛋白[11]、脂質(zhì)[12]、多糖[13]-[14]，也包括特征組分相互作用形成的復(fù)合物，如蛋白-多糖復(fù)合物[15]、蛋白-脂質(zhì)復(fù)合物[16]等。在此基礎(chǔ)上，在宏觀食品體系中，這些復(fù)合物又產(chǎn)生一些交聯(lián)、聚集、組裝，形成諸如蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)、淀粉結(jié)晶、脂質(zhì)油水界面等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（域），最終賦予食品體系多種多樣的宏觀理化特性、感官特性與加工特性。食品加工過(guò)程中特征組分“空間多尺度”結(jié)構(gòu)變化與食品宏觀特性密切相關(guān)，既可以反映食品原料的基本特性，揭示食品品質(zhì)功能的形成機(jī)制，也有助于開(kāi)展食品品質(zhì)功能精準(zhǔn)調(diào)控。常見(jiàn)的食品體系“空間多尺度” 研究方法源自于物理學(xué)領(lǐng)域的常規(guī)設(shè)備，如：納觀層面，主要有光散射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、冷凍電鏡、核磁共振及光譜設(shè)備等[11-16]；微觀層面，主要有激光粒度儀、激光共聚焦顯微鏡、顯微成像等[17-19]；介觀層面，主要有等光學(xué)顯微鏡、層析方法等[17-18]。

王強(qiáng)團(tuán)隊(duì)Zhang 等[17]曾基于“空間多尺度”的基本概念，系統(tǒng)探究了高水分?jǐn)D壓過(guò)程中植物蛋白纖維結(jié)構(gòu)形成機(jī)制，即隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行，蛋白分子呈現(xiàn)空間尺度上的“變形→聚集→交聯(lián)”，從而產(chǎn)生“分層疊變”多層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)蛋白分子由微觀→介觀→宏觀的空間多尺度轉(zhuǎn)變，最終形成網(wǎng)絡(luò)狀纖維結(jié)構(gòu)[18]，如圖2所示。

圖2 高水分?jǐn)D壓過(guò)程中花生蛋白纖維結(jié)構(gòu)形成機(jī)制[17-18]Fig.2 Structure formation mechanism of peanut protein fiber during high water extrusion[17-18]

此外，王強(qiáng)團(tuán)隊(duì)Jiao 等[19]還結(jié)合“空間多尺度” 概念探究了高內(nèi)相Pickering 乳液穩(wěn)定機(jī)制，通過(guò)冷凍掃描電鏡（Cryo-SEM）和激光共聚焦顯微鏡（CLSM）可以發(fā)現(xiàn)，吸附在液滴周?chē)募{米級(jí)蛋白微凝膠顆粒（40～120 nm）形成“彈性界面膜”（1～2 μm），與外相中游離的蛋白微凝膠顆粒形成3D 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（5 μm 左右），共同阻止了液滴的聚結(jié)失穩(wěn)，且顆粒濃度-界面膜結(jié)構(gòu)-乳液穩(wěn)定性存在顯著正相關(guān)（圖3）。此外，Wei 等[20]也從“空間多尺度”角度解晰了界面膜結(jié)構(gòu)/強(qiáng)度與乳液穩(wěn)定性的關(guān)系，當(dāng)乳化劑濃度較高時(shí)，液滴易發(fā)生耗散絮凝，導(dǎo)致乳液失穩(wěn)[21]，這可能是由于體系相密度差、zeta-電位和連續(xù)相黏度的影響。

圖3 基于花生蛋白微凝膠顆粒的高內(nèi)相Pickering 乳液穩(wěn)定機(jī)制[19]Fig.3 Stabilization mechanism of high internal phase Pickering emulsion based on peanut protein microgel particles[19]

2.2 時(shí)間多尺度

“時(shí)間多尺度”主要是指食品體系中特征組分參與物理、化學(xué)、生物反應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)短，包括從皮秒、毫秒、秒、小時(shí)、天、年等。通常來(lái)說(shuō)，食品體系的各類(lèi)反應(yīng)大多介于毫秒至天，包括食品原料組分的溶解、分散、組裝等物理反應(yīng)過(guò)程，食品組分的非共價(jià)、共價(jià)反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)過(guò)程[22-23]，以及食品組分的酶解、發(fā)酵等生物反應(yīng)過(guò)程[24]。此外，也有一些特殊的反應(yīng)過(guò)程會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，比如白酒陳釀、茶葉發(fā)酵、陳皮陳化等?？傮w來(lái)說(shuō)，食品體系中“時(shí)間多尺度”直接影響各類(lèi)反應(yīng)是否進(jìn)行，即存在一個(gè)“量變”到“質(zhì)變”的過(guò)程。“量變”時(shí)間的積累是“質(zhì)變”的基礎(chǔ)，同時(shí)在大多數(shù)食品體系中，“量變” 時(shí)間的積累伴隨著過(guò)渡態(tài)的存在。比如，物質(zhì)的物理溶解過(guò)程中，在最初的極短時(shí)間內(nèi)，體系局部存在過(guò)飽和狀態(tài)；脂質(zhì)氧化過(guò)程中，在反應(yīng)開(kāi)始，組分某些基團(tuán)上會(huì)產(chǎn)生過(guò)量氧自由基；淀粉發(fā)酵過(guò)程中，酶的用量蓄積到一定程度才能啟動(dòng)發(fā)酵過(guò)程等。目前，圍繞食品體系“時(shí)間多尺度”研究的主要方法包括相圖分析[25]、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[26]、量子化學(xué)[27]等。Gao 等[28]對(duì)比了不同低溫超聲處理時(shí)間 （0～30 min） 下番茄汁流變特性的差異（表2），結(jié)果表明：隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，G′和G″均呈先增加后降低的趨勢(shì)，超聲時(shí)間為15 min時(shí)，G′和G″都達(dá)到最大值。在此過(guò)程中，番茄汁作為一類(lèi)弱凝膠體系，“時(shí)間尺度” 的增加會(huì)導(dǎo)致超聲作用力的蓄積，當(dāng)?shù)竭_(dá)體系的臨界值時(shí)，結(jié)構(gòu)隨即出現(xiàn)宏觀性質(zhì)的急劇變化，即產(chǎn)生黏彈性的降低。

表2 冷超聲處理番茄汁的穩(wěn)態(tài)流變曲線冪律方程擬合參數(shù)[28]Table 2 Results of power law equation fitting of steady rheological curve of tomato juice treated by cold ultrasound[28]

2.3 濃度多尺度

“濃度多尺度”主要是指食品體系中特征組分參與物理、化學(xué)、生物反應(yīng)的數(shù)量，包括稀溶液、濃溶液、飽和溶液、過(guò)飽和溶液等。食品作為一類(lèi)復(fù)雜體系，其中組分濃度的高、低勢(shì)必會(huì)影響食品中各類(lèi)反應(yīng)的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致食品呈現(xiàn)不同的品質(zhì)功能，比如食品乳化劑在不同濃度條件下會(huì)呈現(xiàn)“單分子、膠束、乳液”等狀態(tài)[29]。相對(duì)于單純物理“空間多尺度”和數(shù)學(xué)“時(shí)間多尺度”，“濃度”高、低直接表明參與食品各類(lèi)反應(yīng)的物質(zhì)量多少，是這些反應(yīng)能否啟動(dòng)的關(guān)鍵[30]。同樣，在食品體系中各類(lèi)成分的“濃度”高、低也會(huì)影響組分結(jié)構(gòu)的“空間尺度”，比如多糖在低濃度時(shí)多為單分子鏈分散狀態(tài)，在高濃度時(shí)又會(huì)呈聚集態(tài)結(jié)構(gòu)[31]。而在“時(shí)間”層面，“濃度”高、低也會(huì)造成各類(lèi)反應(yīng)的“時(shí)間”不同，比如底物濃度的高、低直接影響酶催化反應(yīng)的快、慢，氧自由基含量的高、低直接影響氧化反應(yīng)的快、慢。當(dāng)然，“濃度多尺度”的概念在食品體系中也有其獨(dú)特的特征，主要體現(xiàn)各類(lèi)食品組分在食品體系中的分散情況。由于加工條件和環(huán)境因素大多存在著“濃度”不均一，尤其是在工業(yè)化生產(chǎn)中，受限于加工設(shè)備處理能力和構(gòu)造特點(diǎn)，各種食品組分的“濃度” 在整個(gè)體系中均是動(dòng)態(tài)變化的，因此通過(guò)繪制食品體系中各類(lèi)組分“濃度”分布，結(jié)合“濃度”分布對(duì)食品反應(yīng)過(guò)程的影響，將極大地推動(dòng)食品加工過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控。目前，圍繞食品體系“濃度多尺度”研究的主要方法包括數(shù)值模擬[32]、計(jì)算機(jī)仿真模擬（CFD）[33]等。

He 等[34]系統(tǒng)研究了Hofmeister series 序列（鹽濃度梯度）對(duì)水凝膠多尺度結(jié)構(gòu)的影響，首次構(gòu)建了超強(qiáng)水凝膠材料，其關(guān)鍵機(jī)制是硫酸銨或其它Kosmotropic 的鹽溶液使明膠的三股螺旋鏈形成鏈纏結(jié)，大幅增強(qiáng)水凝膠力學(xué)性能（圖4）。

圖4 基于Hofmeister series 序列的蛋白水凝膠多尺度結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控機(jī)制[34]Fig.4 Multi-scale structure and functional regulation of protein hydrogels based on Hofmeister series sequences[34]

2.4 因素多尺度

“因素多尺度”主要是指食品加工中因素疊加的多少，包括單一、復(fù)合、多重等。食品加工的實(shí)質(zhì)是一類(lèi)多組分、多因素生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，其中多因素是食品加工的重要特征，比如食品擠壓過(guò)程，既有物理的擠壓作用，也有螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的熱效應(yīng)，還有食品組分在高溫條件下分解產(chǎn)生小分子化合物帶來(lái)的pH 值和鹽離子濃度的變化等，同時(shí)也有食品組分中酶帶來(lái)的生物催化反應(yīng)等，多種因素的耦合造成食品加工過(guò)程重現(xiàn)性差，模擬難度大，機(jī)理機(jī)制不清[23，35]。近年來(lái)，有關(guān)食品加工過(guò)程的多因素模擬研究剛剛起步，本文作者認(rèn)為食品加工過(guò)程中各種因素從單一到多重因素耦合，實(shí)際上也是一類(lèi)多尺度體系，即“因素多尺度”，這類(lèi)多尺度體系的建立可以幫助研究人員更加系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)食品加工條件在食品各類(lèi)反應(yīng)中的作用，比如“鹽效應(yīng)下”肌球蛋白間的相互作用增強(qiáng)，“熱效應(yīng)下” 肌球蛋白與迷迭香酸的相互作用顯著增強(qiáng)，“迷迭香酸” 添加促進(jìn)了肌球蛋白凝膠結(jié)構(gòu)的有序化，3 種“因素”疊加促進(jìn)了肌球蛋白凝膠性的顯著提升[36]，這種“1+1＞2”因素多尺度效應(yīng)將有助于食品加工過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控研究。目前，圍繞食品體系加工過(guò)程中“因素多尺度”研究的主要思路包括耦合場(chǎng)[37]、能量場(chǎng)[17]等的引入。

Zhao 等[38]探討了多種加工因素即“加熱”+“糖化”對(duì)蛋白質(zhì)消化性能的影響（圖5），結(jié)果表明，在多“因素”耦合處理下，具有高度熱穩(wěn)定性的蛋白質(zhì)所受影響較小，而交聯(lián)類(lèi)糖化結(jié)構(gòu)的“鎖鏈效應(yīng)” 對(duì)蛋白消化性的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非交聯(lián)的糖化結(jié)構(gòu)的“側(cè)鏈效應(yīng)”，這也是造成蛋白消化性下降的重要原因。

圖5 加熱-糖化耦合作用對(duì)蛋白質(zhì)功能性質(zhì)的影響[38]Fig.5 Effects of heat-saccharification coupling on functional properties of proteins[38]

3 食品體系多尺度結(jié)構(gòu)研究的外延

基于上述“多尺度結(jié)構(gòu)研究”的基本概念，考慮到食品體系中的不同尺度實(shí)際上是相互交織、相互影響的，因此，進(jìn)一步的探索又逐步形成了諸多新概念、新方向。

3.1 食品原料特征指紋圖譜研究

“指紋圖譜”通常是指蛋白質(zhì)、核酸、小分子化合物等經(jīng)適當(dāng)處理后，采用一定的分析手段，得到的能夠標(biāo)示其化學(xué)特征的色譜圖或光譜圖。隨著現(xiàn)代食品分析技術(shù)與方法的進(jìn)步，食品原料中特征指紋圖譜的研究也逐步深入，如美國(guó)農(nóng)業(yè)部ARS 等針對(duì)花生[39]等原料建立了蛋白、油脂指紋圖譜庫(kù)，中國(guó)農(nóng)科院加工所、南京財(cái)經(jīng)大學(xué)等單位在不同品種花生蛋白含量圖譜[40]（圖6）、大豆蛋白含量圖譜[42]等方面也進(jìn)行了初步探索。此外，通過(guò)結(jié)合食品原料基礎(chǔ)特性，食品原料特征指紋圖譜也被用于產(chǎn)地溯源、真假判別等。通過(guò)深入挖掘食品原料中特征組分的含量、組成、多尺度結(jié)構(gòu)等指紋圖譜信息，并與制品品質(zhì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，也能用于開(kāi)展食品原料加工適宜性研究，從而篩選加工專(zhuān)用品種[43-44]，為系統(tǒng)開(kāi)展多尺度結(jié)構(gòu)研究奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖6 基于高光譜技術(shù)的花生中蛋白和脂肪特征指紋圖譜提取[40-41]Fig.6 Fingerprint extraction of protein and fat from peanut based on hyperspectral technology[40-41]

3.2 食品加工中化學(xué)反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)研究

“過(guò)渡態(tài)”是指反應(yīng)物體系轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物體系過(guò)程中，經(jīng)過(guò)的能量最高狀態(tài)或稱(chēng)活化絡(luò)合物。過(guò)渡態(tài)這一概念，對(duì)于理解有機(jī)反應(yīng)機(jī)理具有很重要的作用。過(guò)渡態(tài)理論認(rèn)為，化學(xué)反應(yīng)不是通過(guò)反應(yīng)物分子的簡(jiǎn)單碰撞就可以完成的，而是在反應(yīng)物到生成物的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一個(gè)高能量的過(guò)渡態(tài)[45]。在食品加工中，“過(guò)渡態(tài)”理論同樣適用，尤其是在“時(shí)間多尺度”和“濃度多尺度”研究中。如馬蕓[46]研究了番茄紅素、β-胡蘿卜素、飛燕草色素、牽?；ㄉ氐? 種天然植物化學(xué)物抗氧化特性，番茄紅素和β-胡蘿卜素分子結(jié)構(gòu)上兩端基團(tuán)較為活潑，而飛燕草色素和牽?；ㄉ氐膸讉€(gè)位點(diǎn)中，O22 和O21 到達(dá)過(guò)渡態(tài)所需越過(guò)的能壘較小，充分說(shuō)明了這2 個(gè)位點(diǎn)活性較大。李安[27]探究了大豆油不飽和脂肪酸熱致異構(gòu)化機(jī)理，在該過(guò)程中，油酸異構(gòu)化涉及1 種過(guò)渡態(tài)和1 條途徑；亞油酸異構(gòu)化涉及4 個(gè)過(guò)渡態(tài)和2 條途徑；亞麻酸異構(gòu)化涉及12 種過(guò)渡態(tài)和6 條反應(yīng)途徑（圖7）。由此可知，由于食品中各類(lèi)組分及反應(yīng)條件差異較大，因此，現(xiàn)有“過(guò)渡態(tài)”理論的研究和應(yīng)用仍然有限。

圖7 基于量子化學(xué)的反式脂肪酸形成機(jī)理[27]Fig.7 Formation mechanism of trans fatty acids based on quantum chemistry[27]

3.3 食品特征組分分形研究

分形的概念是由美籍法國(guó)數(shù)學(xué)家Benoit B.Mandelbrot 于1973年首先提出，該詞源自拉丁語(yǔ)：frāctus，有“零碎”、“破裂”之意，又稱(chēng)碎形、殘形，通常被定義為“一個(gè)粗糙或零碎的幾何形狀，可以分成數(shù)個(gè)部分，且每一部分都（至少近似地）是整體縮小后的形狀”[47]。食品是一類(lèi)組分眾多的復(fù)雜體系，其加工技術(shù)方法多樣，包括各種物理、化學(xué)、生物反應(yīng)過(guò)程，而想要更深入揭示其中的各類(lèi)非線性問(wèn)題，如食品組分的構(gòu)象變化、溶質(zhì)的凝聚、晶體的生長(zhǎng)、膠囊的形成等，分形理論是一類(lèi)有效的方法，該方法近年來(lái)在食品科學(xué)研究中的應(yīng)用迅速增加，這其中既涉及“空間多尺度”，也包含“濃度多尺度”和“時(shí)間多尺度”的研究。蛋白質(zhì)鏈分維數(shù)的高、低與其肽鏈的伸展程度密切相關(guān)，肽鏈越伸展，其分維數(shù)越低，蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中的β-折疊最為伸展，隨著β-折疊的增加，蛋白質(zhì)肽鏈的分維數(shù)便減??；而在三級(jí)結(jié)構(gòu)中，隨著蛋白質(zhì)肽鏈盤(pán)繞、卷曲和回折程度的增加，其分維數(shù)便增大，蛋白質(zhì)的分維數(shù)大約在1.30～1.68 之間，大部分在1.50～1.60[48]（以圖8為例）。目前，食品組分結(jié)構(gòu)的分形研究正在進(jìn)一步深入，從整體分維朝向多重分形發(fā)展，從單純的分形維數(shù)研究朝向與加工過(guò)程的關(guān)聯(lián)研究[49]。

3.4 食品特征組分超分子組裝研究

由兩個(gè)分子或多個(gè)分子通過(guò)非共價(jià)鍵作用結(jié)合形成的多分子集團(tuán)稱(chēng)為超分子組裝（Supermolecular assembly），它們是具有一定結(jié)構(gòu)與功能的多分子集團(tuán)，其形狀可以是球形、棒形或者片狀，“空間多尺度”上包含納米尺寸到微米尺寸。超分子自組裝的本質(zhì)即分子與分子之間的弱相互作用力，而食品體系中廣泛存在著弱相互作用，如氫鍵、范德華力、鹽橋、疏水相互作用力等，能夠形成各類(lèi)超分子組裝結(jié)構(gòu)，且直接影響食品品質(zhì)與功能。劉璐[50]研究膠原蛋白多肽與脯氨酸及甘氨酸在不同蛋白酶作用下的超分子組裝，結(jié)果表明，膠原蛋白多肽與甘氨酸在胰蛋白酶和木瓜蛋白酶的作用下，可以發(fā)生超分子組裝，小分子多肽比重增加可以提高膠原蛋白多肽抗凍活性。王強(qiáng)團(tuán)隊(duì)Zhang 等[17]借助高水分?jǐn)D壓技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)蛋白質(zhì)、淀粉、脂質(zhì)的超分子組裝，形成具有豐富纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的植物基肉制品（圖9）。目前，“超分子組裝”在食品體系中主要用來(lái)闡述各類(lèi)食品品質(zhì)和功能的形成機(jī)制，而從特征組分超分子組裝角度來(lái)精準(zhǔn)調(diào)控食品品質(zhì)和功能的研究才剛剛起步，亟待深入研究。

圖9 高水分?jǐn)D壓過(guò)程中蛋白質(zhì)-油脂超分子組裝與纖維結(jié)構(gòu)形成機(jī)制[17]Fig.9 Mechanism of protein-lipid supramolecular assembly and fiber structure formation during high moisture extrusion[17]

3.5 食品加工中“場(chǎng)論”研究

場(chǎng)是指物質(zhì)在空間的分布情況，在數(shù)學(xué)上是指一個(gè)向量到另一個(gè)向量或數(shù)的映射，可以分為標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)，如溫度場(chǎng)為標(biāo)量場(chǎng)，速度場(chǎng)為矢量場(chǎng)，是基于物質(zhì)的粒子理論來(lái)表達(dá)物質(zhì)的存在形式。食品加工過(guò)程中常見(jiàn)的有溫度場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、光以及多物理耦合場(chǎng)等物理場(chǎng)，也包括pH、離子、油水相等化學(xué)場(chǎng)，還有酶濃度、微生物等非傳統(tǒng)意義的生物場(chǎng)，“場(chǎng)論” 的應(yīng)用能夠較好地體現(xiàn)食品中各類(lèi)成分對(duì)多種加工條件的總體反應(yīng)，也能夠較為真實(shí)地反映實(shí)際食品加工過(guò)程[51]。段愛(ài)鵬等[52]總結(jié)了幾種物理量及場(chǎng)論對(duì)果蔬保鮮的影響，提出了控制溫度場(chǎng)的均勻性和波動(dòng)性，以減緩果蔬新陳代謝和水分流失；適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度也能夠提高果蔬的貯藏時(shí)間，減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失。Liu 等[53]研究發(fā)現(xiàn)，酶解后的淀粉以脂質(zhì)為分子伴侶，在高溫、常壓耦合過(guò)程中形成B 型和V 型結(jié)晶，顯著提高抗消化淀粉含量，而高溫、高壓誘導(dǎo)復(fù)合形成的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物主要促進(jìn)V 型結(jié)晶結(jié)構(gòu)及慢消化和抗消化淀粉的形成（圖10）。總體來(lái)說(shuō)，“場(chǎng)論”主要局限在物理加工過(guò)程中，對(duì)于化學(xué)、生物場(chǎng)的研究還未見(jiàn)報(bào)道。若結(jié)合“因素多尺度”、“濃度多尺度”及“時(shí)間多尺度”，則“場(chǎng)論”能夠更好地反映實(shí)際加工過(guò)程中食品組分的相互作用和理化反應(yīng)過(guò)程，故而亟待深入研究。

圖10 耦合條件下淀粉與脂質(zhì)分子間互作及復(fù)合物結(jié)構(gòu)性能調(diào)控[53]Fig.10 Interaction between starch and lipid molecules and structural and property regulation of complex under coupling conditions[53]

4 結(jié)論與展望

食品體系作為多相、多組分復(fù)雜體系，其多相變化、多組分相互作用將伴隨整個(gè)加工過(guò)程，并直接影響食品品質(zhì)與功能。本文作者及“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目組主要成員以食品加工過(guò)程中特征組分為切入點(diǎn)，初步構(gòu)建了加工過(guò)程、組分結(jié)構(gòu)變化、食品品質(zhì)功能三者之間的相互關(guān)系，并構(gòu)建了食品多尺度結(jié)構(gòu)與品質(zhì)功能調(diào)控研究的總體思路，初步形成了以“空間多尺度（組分空間尺寸）”“時(shí)間多尺度 （組分反應(yīng)時(shí)間）”“濃度多尺度（組分濃度分布）”“因素多尺度（加工因素疊加程度）”為基本概念，結(jié)合食品原料特征指紋圖譜研究，食品中各類(lèi)反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)研究，食品特征組分分形研究，食品特征組分超分子組裝研究，食品加工“場(chǎng)論”研究為外延的食品加工中特征組分“多尺度結(jié)構(gòu)變化”研究新理論。

上述理論的提出有助于形成有別于物理、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科的食品加工理論與技術(shù)分支體系，也將助力食品高效制造與精準(zhǔn)調(diào)控。而進(jìn)一步立足“食品多尺度結(jié)構(gòu)”研究新理論，開(kāi)展基于特征組分結(jié)構(gòu)的食品原料加工適宜性分子機(jī)制研究，典型加工過(guò)程中食品特征組分結(jié)構(gòu)變化及相互作用與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（域）形成機(jī)理研究，“食品原料-加工工藝-組分結(jié)構(gòu)-品質(zhì)功能”全網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)機(jī)制研究，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于特征組分多尺度結(jié)構(gòu)變化的食品品質(zhì)功能精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化食品高效制造，這將是未來(lái)食品科學(xué)與工程研究的方向和重點(diǎn)。