多尺度結構變化與食品品質功能調控研究進展

王 強，李 琳，鞠興榮，趙國華，張洪斌，饒平凡，汪少蕓，許小娟，石愛民，劉紅芝

（1 中國農業(yè)科學院農產品加工研究所/農業(yè)農村部農產品加工綜合性重點實驗室 北京 100193 2 東莞理工學院 廣東東莞 523808 3 南京財經大學 南京 210023 4 西南大學 重慶 400715 5 上海交通大學 上海 200240 6 浙江工商大學 杭州 310018 7 福州大學 福州 350108 8 武漢大學 武漢 350108）

“多尺度（Multiscale）”通常指空間或時間的跨度，“多尺度科學（Multiscale science）”是一門研究不同長度尺度或時間尺度相互耦合現象的跨學科科學，是復雜系統(tǒng)的重要分支之一，具有豐富的科學內涵和研究價值[1]。食品是一類多組分、多相復雜體系，其多尺度結構研究也同樣備受關注，如蛋白質納米組裝[2]，功能性多糖的結構解析[3]，以及超親水/超疏水材料[4]、納米材料的尺度效應[5]，超分子組裝[6]等，然而，現有研究仍比較零散，傳統(tǒng)意義的構效機制已不足以支撐和解析食品加工過程中從微觀到宏觀的變化過程。為此，本文在梳理多尺度概念的基礎上，提出食品多尺度結構研究的基本概念、內涵與方法論，并拓展多尺度結構研究的外延，初步構建食品多尺度結構研究理論體系，為豐富食品科學基礎理論，助推食品加工精準調控與高效制造提供理論支撐[7]。

1 多尺度的定義

“多尺度”概念源自現代物理學，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（材料微結構中比較大的部分，多個夾雜、薄層、梯度的組合體）→微觀（位錯、單位體積孔隙和夾雜）→納觀（原子、分子水平）。具體定義見表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 食品多尺度結構科學內涵與方法論

目前，“多尺度” 在食品領域的研究與應用剛剛起步[10]，相關概念并不清晰?；谇捌谘芯?，食品領域“多尺度”現象多種多樣，既體現在物理學的“空間”尺度，數學領域的“時間”尺度，也涵蓋化學領域的“濃度”以及“因素”尺度等。鑒于此，本文提出的食品加工領域“多尺度”研究體系，是指食品加工過程中特征組分在上述“多尺度”條件下形成關鍵結構（域）的基礎研究體系，如圖1所示。

圖1 食品加工過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，現有針對特征組分結構研究已深入到單分子鏈的結構變化，如蛋白[11]、脂質[12]、多糖[13]-[14]，也包括特征組分相互作用形成的復合物，如蛋白-多糖復合物[15]、蛋白-脂質復合物[16]等。在此基礎上，在宏觀食品體系中，這些復合物又產生一些交聯、聚集、組裝，形成諸如蛋白凝膠網絡、淀粉結晶、脂質油水界面等關鍵結構（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。食品加工過程中特征組分“空間多尺度”結構變化與食品宏觀特性密切相關，既可以反映食品原料的基本特性，揭示食品品質功能的形成機制，也有助于開展食品品質功能精準調控。常見的食品體系“空間多尺度” 研究方法源自于物理學領域的常規(guī)設備，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，主要有等光學顯微鏡、層析方法等[17-18]。

王強團隊Zhang 等[17]曾基于“空間多尺度”的基本概念，系統(tǒng)探究了高水分擠壓過程中植物蛋白纖維結構形成機制，即隨著擠壓過程的進行，蛋白分子呈現空間尺度上的“變形→聚集→交聯”，從而產生“分層疊變”多層結構，促進蛋白分子由微觀→介觀→宏觀的空間多尺度轉變，最終形成網絡狀纖維結構[18]，如圖2所示。

圖2 高水分擠壓過程中花生蛋白纖維結構形成機制[17-18]Fig.2 Structure formation mechanism of peanut protein fiber during high water extrusion[17-18]

此外，王強團隊Jiao 等[19]還結合“空間多尺度” 概念探究了高內相Pickering 乳液穩(wěn)定機制，通過冷凍掃描電鏡（Cryo-SEM）和激光共聚焦顯微鏡（CLSM）可以發(fā)現，吸附在液滴周圍的納米級蛋白微凝膠顆粒（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 網絡結構（5 μm 左右），共同阻止了液滴的聚結失穩(wěn)，且顆粒濃度-界面膜結構-乳液穩(wěn)定性存在顯著正相關（圖3）。此外，Wei 等[20]也從“空間多尺度”角度解晰了界面膜結構/強度與乳液穩(wěn)定性的關系，當乳化劑濃度較高時，液滴易發(fā)生耗散絮凝，導致乳液失穩(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相Pickering 乳液穩(wěn)定機制[19]Fig.3 Stabilization mechanism of high internal phase Pickering emulsion based on peanut protein microgel particles[19]

2.2 時間多尺度

“時間多尺度”主要是指食品體系中特征組分參與物理、化學、生物反應的時間長短，包括從皮秒、毫秒、秒、小時、天、年等。通常來說，食品體系的各類反應大多介于毫秒至天，包括食品原料組分的溶解、分散、組裝等物理反應過程，食品組分的非共價、共價反應等化學反應過程[22-23]，以及食品組分的酶解、發(fā)酵等生物反應過程[24]。此外，也有一些特殊的反應過程會持續(xù)更長時間，比如白酒陳釀、茶葉發(fā)酵、陳皮陳化等?？傮w來說，食品體系中“時間多尺度”直接影響各類反應是否進行，即存在一個“量變”到“質變”的過程?！傲孔儭睍r間的積累是“質變”的基礎，同時在大多數食品體系中，“量變” 時間的積累伴隨著過渡態(tài)的存在。比如，物質的物理溶解過程中，在最初的極短時間內，體系局部存在過飽和狀態(tài)；脂質氧化過程中，在反應開始，組分某些基團上會產生過量氧自由基；淀粉發(fā)酵過程中，酶的用量蓄積到一定程度才能啟動發(fā)酵過程等。目前，圍繞食品體系“時間多尺度”研究的主要方法包括相圖分析[25]、反應動力學[26]、量子化學[27]等。Gao 等[28]對比了不同低溫超聲處理時間 （0～30 min） 下番茄汁流變特性的差異（表2），結果表明：隨著處理時間的延長，G′和G″均呈先增加后降低的趨勢，超聲時間為15 min時，G′和G″都達到最大值。在此過程中，番茄汁作為一類弱凝膠體系，“時間尺度” 的增加會導致超聲作用力的蓄積，當到達體系的臨界值時，結構隨即出現宏觀性質的急劇變化，即產生黏彈性的降低。

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[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、生物反應的數量，包括稀溶液、濃溶液、飽和溶液、過飽和溶液等。食品作為一類復雜體系，其中組分濃度的高、低勢必會影響食品中各類反應的強度，從而導致食品呈現不同的品質功能，比如食品乳化劑在不同濃度條件下會呈現“單分子、膠束、乳液”等狀態(tài)[29]。相對于單純物理“空間多尺度”和數學“時間多尺度”，“濃度”高、低直接表明參與食品各類反應的物質量多少，是這些反應能否啟動的關鍵[30]。同樣，在食品體系中各類成分的“濃度”高、低也會影響組分結構的“空間尺度”，比如多糖在低濃度時多為單分子鏈分散狀態(tài)，在高濃度時又會呈聚集態(tài)結構[31]。而在“時間”層面，“濃度”高、低也會造成各類反應的“時間”不同，比如底物濃度的高、低直接影響酶催化反應的快、慢，氧自由基含量的高、低直接影響氧化反應的快、慢。當然，“濃度多尺度”的概念在食品體系中也有其獨特的特征，主要體現各類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)化生產中，受限于加工設備處理能力和構造特點，各種食品組分的“濃度” 在整個體系中均是動態(tài)變化的，因此通過繪制食品體系中各類組分“濃度”分布，結合“濃度”分布對食品反應過程的影響，將極大地推動食品加工過程的精準調控。目前，圍繞食品體系“濃度多尺度”研究的主要方法包括數值模擬[32]、計算機仿真模擬（CFD）[33]等。

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

圖4 基于Hofmeister series 序列的蛋白水凝膠多尺度結構與功能調控機制[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、復合、多重等。食品加工的實質是一類多組分、多因素生物化學反應過程，其中多因素是食品加工的重要特征，比如食品擠壓過程，既有物理的擠壓作用，也有螺桿轉動產生的熱效應，還有食品組分在高溫條件下分解產生小分子化合物帶來的pH 值和鹽離子濃度的變化等，同時也有食品組分中酶帶來的生物催化反應等，多種因素的耦合造成食品加工過程重現性差，模擬難度大，機理機制不清[23，35]。近年來，有關食品加工過程的多因素模擬研究剛剛起步，本文作者認為食品加工過程中各種因素從單一到多重因素耦合，實際上也是一類多尺度體系，即“因素多尺度”，這類多尺度體系的建立可以幫助研究人員更加系統(tǒng)地認識食品加工條件在食品各類反應中的作用，比如“鹽效應下”肌球蛋白間的相互作用增強，“熱效應下” 肌球蛋白與迷迭香酸的相互作用顯著增強，“迷迭香酸” 添加促進了肌球蛋白凝膠結構的有序化，3 種“因素”疊加促進了肌球蛋白凝膠性的顯著提升[36]，這種“1+1＞2”因素多尺度效應將有助于食品加工過程的精準調控研究。目前，圍繞食品體系加工過程中“因素多尺度”研究的主要思路包括耦合場[37]、能量場[17]等的引入。

Zhao 等[38]探討了多種加工因素即“加熱”+“糖化”對蛋白質消化性能的影響（圖5），結果表明，在多“因素”耦合處理下，具有高度熱穩(wěn)定性的蛋白質所受影響較小，而交聯類糖化結構的“鎖鏈效應” 對蛋白消化性的影響遠遠大于非交聯的糖化結構的“側鏈效應”，這也是造成蛋白消化性下降的重要原因。

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

3 食品體系多尺度結構研究的外延

基于上述“多尺度結構研究”的基本概念，考慮到食品體系中的不同尺度實際上是相互交織、相互影響的，因此，進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、核酸、小分子化合物等經適當處理后，采用一定的分析手段，得到的能夠標示其化學特征的色譜圖或光譜圖。隨著現代食品分析技術與方法的進步，食品原料中特征指紋圖譜的研究也逐步深入，如美國農業(yè)部ARS 等針對花生[39]等原料建立了蛋白、油脂指紋圖譜庫，中國農科院加工所、南京財經大學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]等方面也進行了初步探索。此外，通過結合食品原料基礎特性，食品原料特征指紋圖譜也被用于產地溯源、真假判別等。通過深入挖掘食品原料中特征組分的含量、組成、多尺度結構等指紋圖譜信息，并與制品品質進行關聯，也能用于開展食品原料加工適宜性研究，從而篩選加工專用品種[43-44]，為系統(tǒng)開展多尺度結構研究奠定了物質基礎。

圖6 基于高光譜技術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 食品加工中化學反應的過渡態(tài)研究

“過渡態(tài)”是指反應物體系轉變成產物體系過程中，經過的能量最高狀態(tài)或稱活化絡合物。過渡態(tài)這一概念，對于理解有機反應機理具有很重要的作用。過渡態(tài)理論認為，化學反應不是通過反應物分子的簡單碰撞就可以完成的，而是在反應物到生成物的過程中，經過一個高能量的過渡態(tài)[45]。在食品加工中，“過渡態(tài)”理論同樣適用，尤其是在“時間多尺度”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? 種天然植物化學物抗氧化特性，番茄紅素和β-胡蘿卜素分子結構上兩端基團較為活潑，而飛燕草色素和牽?；ㄉ氐膸讉€位點中，O22 和O21 到達過渡態(tài)所需越過的能壘較小，充分說明了這2 個位點活性較大。李安[27]探究了大豆油不飽和脂肪酸熱致異構化機理，在該過程中，油酸異構化涉及1 種過渡態(tài)和1 條途徑；亞油酸異構化涉及4 個過渡態(tài)和2 條途徑；亞麻酸異構化涉及12 種過渡態(tài)和6 條反應途徑（圖7）。由此可知，由于食品中各類組分及反應條件差異較大，因此，現有“過渡態(tài)”理論的研究和應用仍然有限。

圖7 基于量子化學的反式脂肪酸形成機理[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數學家Benoit B.Mandelbrot 于1973年首先提出，該詞源自拉丁語：frāctus，有“零碎”、“破裂”之意，又稱碎形、殘形，通常被定義為“一個粗糙或零碎的幾何形狀，可以分成數個部分，且每一部分都（至少近似地）是整體縮小后的形狀”[47]。食品是一類組分眾多的復雜體系，其加工技術方法多樣，包括各種物理、化學、生物反應過程，而想要更深入揭示其中的各類非線性問題，如食品組分的構象變化、溶質的凝聚、晶體的生長、膠囊的形成等，分形理論是一類有效的方法，該方法近年來在食品科學研究中的應用迅速增加，這其中既涉及“空間多尺度”，也包含“濃度多尺度”和“時間多尺度”的研究。蛋白質鏈分維數的高、低與其肽鏈的伸展程度密切相關，肽鏈越伸展，其分維數越低，蛋白質二級結構中的β-折疊最為伸展，隨著β-折疊的增加，蛋白質肽鏈的分維數便減小；而在三級結構中，隨著蛋白質肽鏈盤繞、卷曲和回折程度的增加，其分維數便增大，蛋白質的分維數大約在1.30～1.68 之間，大部分在1.50～1.60[48]（以圖8為例）。目前，食品組分結構的分形研究正在進一步深入，從整體分維朝向多重分形發(fā)展，從單純的分形維數研究朝向與加工過程的關聯研究[49]。

3.4 食品特征組分超分子組裝研究

由兩個分子或多個分子通過非共價鍵作用結合形成的多分子集團稱為超分子組裝（Supermolecular assembly），它們是具有一定結構與功能的多分子集團，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，能夠形成各類超分子組裝結構，且直接影響食品品質與功能。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。王強團隊Zhang 等[17]借助高水分擠壓技術能夠實現蛋白質、淀粉、脂質的超分子組裝，形成具有豐富纖維網絡結構的植物基肉制品（圖9）。目前，“超分子組裝”在食品體系中主要用來闡述各類食品品質和功能的形成機制，而從特征組分超分子組裝角度來精準調控食品品質和功能的研究才剛剛起步，亟待深入研究。

圖9 高水分擠壓過程中蛋白質-油脂超分子組裝與纖維結構形成機制[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“場論”研究

場是指物質在空間的分布情況，在數學上是指一個向量到另一個向量或數的映射，可以分為標量場和矢量場，如溫度場為標量場，速度場為矢量場，是基于物質的粒子理論來表達物質的存在形式。食品加工過程中常見的有溫度場、磁場、電場、光以及多物理耦合場等物理場，也包括pH、離子、油水相等化學場，還有酶濃度、微生物等非傳統(tǒng)意義的生物場，“場論” 的應用能夠較好地體現食品中各類成分對多種加工條件的總體反應，也能夠較為真實地反映實際食品加工過程[51]。段愛鵬等[52]總結了幾種物理量及場論對果蔬保鮮的影響，提出了控制溫度場的均勻性和波動性，以減緩果蔬新陳代謝和水分流失；適當的光照強度、電場強度和磁場強度也能夠提高果蔬的貯藏時間，減少營養(yǎng)物質的流失。Liu 等[53]研究發(fā)現，酶解后的淀粉以脂質為分子伴侶，在高溫、常壓耦合過程中形成B 型和V 型結晶，顯著提高抗消化淀粉含量，而高溫、高壓誘導復合形成的淀粉-脂質復合物主要促進V 型結晶結構及慢消化和抗消化淀粉的形成（圖10）?？傮w來說，“場論”主要局限在物理加工過程中，對于化學、生物場的研究還未見報道。若結合“因素多尺度”、“濃度多尺度”及“時間多尺度”，則“場論”能夠更好地反映實際加工過程中食品組分的相互作用和理化反應過程，故而亟待深入研究。

圖10 耦合條件下淀粉與脂質分子間互作及復合物結構性能調控[53]Fig.10 Interaction between starch and lipid molecules and structural and property regulation of complex under coupling conditions[53]

4 結論與展望

食品體系作為多相、多組分復雜體系，其多相變化、多組分相互作用將伴隨整個加工過程，并直接影響食品品質與功能。本文作者及“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目組主要成員以食品加工過程中特征組分為切入點，初步構建了加工過程、組分結構變化、食品品質功能三者之間的相互關系，并構建了食品多尺度結構與品質功能調控研究的總體思路，初步形成了以“空間多尺度（組分空間尺寸）”“時間多尺度 （組分反應時間）”“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，結合食品原料特征指紋圖譜研究，食品中各類反應的過渡態(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“場論”研究為外延的食品加工中特征組分“多尺度結構變化”研究新理論。

上述理論的提出有助于形成有別于物理、化學、生物學、材料學等學科的食品加工理論與技術分支體系，也將助力食品高效制造與精準調控。而進一步立足“食品多尺度結構”研究新理論，開展基于特征組分結構的食品原料加工適宜性分子機制研究，典型加工過程中食品特征組分結構變化及相互作用與關鍵結構（域）形成機理研究，“食品原料-加工工藝-組分結構-品質功能”全網絡數據關聯機制研究，在此基礎上構建基于特征組分多尺度結構變化的食品品質功能精準調控技術方法，實現個性化食品高效制造，這將是未來食品科學與工程研究的方向和重點。