食品科学研究前沿动态

孙宝国, 曹雁平, 李 健, 李秀婷, 宋焕禄, 滕 超, 田红玉,王 蓓, 王成涛, 王 静, 杨贞耐, 张 敏

(北京工商大学食品学院,北京 100048)

食品产业是民生产业,是国民经济重要的支柱产业.进入新世纪以来,我国食品产业得到了迅猛进展,规模以上食品工业产值已经突破10万亿元人民币,与此相适应,食品科学研究取得了许多重要成果.2010年,国家自然科学基金设立了食品科学学科,支持食品科学领域的基础研究,5年收到申请书约1万件.科技部也在973计划、863计划、支撑计划等领域加大了对食品科学技术研究的支持力度.了解食品科学研究前沿,凝练食品科学和技术问题,是食品科技人员的重要职责,本文对食品科学中10个领域的国内外研究进展进行了综述,对今后的研究方向提出了建议,供食品科技人员参考.

1 食品香料香精研究领域

食品香料香精是食品工业不可或缺的食品添加剂之一.随着全球工业化水平的不断提高,食品香料香精的需求也呈逐步上升的趋势,极大地推动了有关食品香料香精领域的基础研究和应用研究.近些年国际上食品香料香精方面的研究主要集中在以下几个方面:食品香味成分的分析鉴定[1-2],包括样品前处理技术[3]、分析技术[4-5]、香味活性成分的鉴定等[6-9];香料香精缓释技术[10],包括各种包埋材料[11]、包埋技术的研究[12-13];天然香料的制备,包括发酵、酶催化等生物转化方法的研究[14-17]、天然香料萃取技术的研究等[18-19];手性香料的研究,包括高选择性的酶催化或不对称合成技术的研究[20-22];食品香料安全问题的研究[23-24].

我国香料香精行业整体水平落后,在四大类香料香精产品(精油类、单体香料、食品香精和日用香精)中我国只在单体香料方面具有绝对优势,拥有很多重要单体香料的生产商.在全球经济一体化和可持续发展的时代背景下,我国香料香精行业发展面临着巨大的挑战和机遇.加强高端产品的高水平技术研究、改进重要香料品种的生产工艺,成为我国香料香精行业保持已有的优势并进一步提升国际地位的迫切需要.

今后,我国食品香料香精科学领域的研究方向建议如下:1)重要食品香料绿色制备技术研究,包括利用电解技术制备香料的研究、绿色催化剂的研究、传统工艺改进的研究;2)手性香料的研究,重点研究高选择性低成本的单一立体异构体的制备、立体异构体香气特性、天然手性香料对映体组成等;3)天然香料制备技术研究,包括生物转化方法的研究、天然香料提取技术研究等;4)香料香精应用技术研究,重点研究便于香料香精在食品中应用的具有良好稳定性能和缓释性能的各种包埋技术;5)食品香料香精安全问题研究,研究建立完善的香料香精安全评价体系.

2 乳品科学研究领域

在乳业发达国家,有关新技术、新工艺和新方法在乳品加工和质量控制中的应用得到了更深入的研究.宏基因组学、蛋白质组学和代谢组学的研究进一步揭示了各种发酵乳制品加工和贮藏过程中乳品组分及品质动态变化规律[25-27].乳品流变学性质的深入研究,包括新型功能性配料、稳定剂和乳化剂等的应用及其与乳品组分之间相互作用的研究,为乳品质量控制、获得理想的乳品质构和感官性质提供了新思路[28-29].对于乳酸菌健康功效、乳品组分营养特性和生理活性的研究,为新型功能性乳制品,包括益生菌发酵乳制品和配方乳品等的研制奠定了理论基础[30-32].同时,针对母乳营养成分及其动态变化对婴幼儿健康的影响也进行了大量深入的研究[33-34].膜处理、非热杀菌、清洁生产和在线检测等新技术的研究开发不断地提升了乳品安全加工水平和生产效率[35-36].

我国近年来着力于乳酸菌资源的研究开发,通过对乳酸菌生产性能和功能性的评价,研制发酵剂或益生菌制剂.对于乳酸菌功能性方面做了较深入的研究,涉及菌株的全基因组测序、肠道菌群和免疫调节、菌株的功能性代谢产物如胞外多糖、酶类和其他功能因子等[37-41].但是,我国仍然缺乏具有自主知识产权的乳酸菌或益生菌菌株.在干酪加工技术方面,重点研究了凝乳剂包括微生物凝乳酶和基因工程凝乳酶、干酪发酵剂和干酪加工工艺,以及适于我国人群消费特点的干酪产品[42-45].在干乳制品方面,着力于不同种类产品的工艺参数研究及新产品开发,初步开展了婴幼儿奶粉加工相关的母乳成分检测及婴幼儿营养需求等基础工作[46-48].此外,原料乳质量安全快速检测、膜技术的应用、节能降耗技术及装备、乳品配料生产技术等仍有待进一步研究开发.

今后,我国乳品科学领域的研究方向建议如下:1)原料乳的质量安全控制技术研究,包括原料乳预处理技术及相关设备、贮运环节品质变化及控制、原料乳的快速检测技术等的研究;2)发酵乳制品加工用菌种及发酵剂、酶制剂、功能性配料等的研究开发,重点研究菌株的生产性能及其稳定性、菌株的功能性、微生物发酵生产凝乳酶技术等;3)干酪加工技术研究,重点研究原料乳的凝固特性、干酪质构和风味物质的形成、益生菌的应用及不同种类适于我国消费者食用习惯的干酪的研制;4)婴幼儿奶粉质量安全控制及功能性评价研究,重点研究不同年龄段婴幼儿的营养需求及产品研制;5)新型乳制品和特种乳的加工技术及装备研究,包括在线检测、节能降耗、非热杀菌、特色乳品加工技术及装备等.

3 肉品科学研究领域

国际肉制品研究更关注营养素与机体健康关系,特别是低盐低脂肉制品和功能性肉制品的研究开发成为未来肉制品发展的重要趋势;肉制品加工副产物的综合利用实现了原料资源的充分利用和效益最大化;减菌化技术、在线无损检测技术的研发不断提升肉制品安全控制水平[49-52].

我国通过低温肉制品加工关键技术、传统肉制品的工业化及标准化生产和西式发酵肉制品加工关键技术的深入研究,提高了低温肉制品、传统肉制品和西式发酵肉制品产品品质和质量安全水平.但是,目前我国肉类工业仍以初加工产品居多,精深加工产品比重较低,产品科技含量低,研发能力不足.在食品加工高新技术的应用、肉制品加工副产物综合利用、传统肉制品风味品质保持和稳定化、加工过程中有害物控制等方面有待进一步研究[53].

今后,我国肉品科学领域的研究方向建议如下:1)传统肉制品加工现代化,包括传统肉制品风味形成机理及其风味保持技术研究和加工工艺和装备的完善,实现传统肉制品加工工程化、标准化,保证肉制品风味品质稳定;2)肉制品加工中高效安全品质改良剂的研究开发及作用机理研究,包括绿色高效保水剂、着色剂以及低盐低脂肉制品及其替代品的研究开发;3)肉制品中的危害因子和潜在危害因子的产生规律及调控机理研究;4)肉制品加工副产物的综合开发和利用研究;5)肉品减菌化技术和无损检测技术研究.

4 谷物加工科学研究领域

谷物加工业是农产品加工业的基础产业、食品工业的支柱产业和人类的生命产业.对谷物的利用已由原来的仅作为口粮转化为深度加工和综合利用,最大限度地发挥谷物的各项功能[54-55].国内外研究者从基本的原料特性(包括谷物的品种、质量、各种理化成分对其加工品质、食用品质、衍生产品特性影响的研究)出发[56-57],通过谷物组分与结构研究、淀粉的糊化、老化与凝胶化特性研究、谷物的储藏与品质研究等途径[58-61],借助超微粉碎、挤压、蒸煮、超高压、烘烤、发酵、微波、速冻等技术手段,开发各种适合本国的谷物食品[62-63].随着生物工程和固定化酶技术的不断进步,在代谢学、营养学、现代医学研究成果基础上,制备、设计出新型改性营养保健产品[64-65],使谷物资源的高效利用、延伸谷物加工产业链的目标成为可能.

国内,主要开展不同谷物原料的成分构成、协同影响与制品加工特性、品质的关系研究,确定谷物中活性成分的生理功效[66-70].以抗性淀粉为代表的功能性保健食品、以脂肪替代品为代表的食品添加剂及配料等新型、适合市场需求的产品受到青睐[71-72];生物面粉改良剂替代化学改良剂是大势所趋[73].由于技术和设备的原因,全谷物食品、主食工业化食品的生产和加工尚面临着成本高、感官品质不佳等问题[74].另外,全谷物中各种抗氧化成分的存在、在体内的协同抗氧化机制以及生理功能有待阐明[75].

今后,谷物加工科学领域的研究方向建议如下:1)方便、功能性米制品的研究,营养健康型大米(食品专用米、蒸谷米、营养强化米、发芽糙米、留胚米等)及制品生产中涉及的营养、风味、质构等方面研究,为主食工业化提供理论支撑.2)谷物品质改良技术的研究,小麦品质与面粉的流变学特性,以小麦面筋、非面筋凝胶和添加品质改良剂的研究为基础,研究面团、冷冻面团的加工特性,开发各种新型的面粉品质改良剂.3)谷物精深加工及传统发酵食品的高效生物转化,利用生物工程、酶工程技术开发不同功能性的米淀粉、米蛋白、高果糖、低聚糖、脂肪替代品;解决工业化生产的米粉(米线)、方便米饭、馒头、挂面、鲜湿面条等米面制品的保鲜问题;确定传统发酵食品具保健疗效中间产物的功能因子.4)谷物加工副产物的综合利用,研究谷物油脂的营养保健机理;利用超细粉碎、复合酶解、高压均质等技术,研究谷物蛋白、活性多肽、抗性糊精、低聚糖、膳食纤维等功能性产品的保健功效.5)谷物食品安全性的研究,谷物中危害物(如农药残留、重金属、微生物等)污染情况及迁移机理;制修订符合国情的谷物加工产品标准、生产技术规范和检测方法标准;研究、建立具有溯源、监测、预警、关键点控制的评估方法和监控技术及系统.

5 果蔬贮藏与加工科学研究领域

近年来,国外利用番茄作为模式生物,以突变体为材料,采用分子生物学的手段,研究了影响果蔬在成熟过程中品质形成的关键因子及其调控网络[76].对在果蔬衰老过程中发挥重要作用的乙烯等植物激素的合成和信号转导进行了深入研究,鉴定了乙烯合成的关键基因、信号转导途径中的大多数转录因子、乙烯受体蛋白和下游靶基因[77].研究了病原菌和果蔬之间的互作效应,得到了果蔬防卫反应的相关基因和信号分子[78].对果蔬在逆境条件下的生理反应进行了研究,发现了与果蔬抗冷性相关的膜蛋白[79].发达国家在果蔬采后商品化处理方面技术成熟,冷链物流设施齐全.果蔬采后工业化程度高,经切分加工后可直接食用.果蔬加工新技术应用广泛,例如超高压、高密度二氧化碳等非热杀菌技术的应用最大程度保持了果蔬的固有品质.

经过多年的研究,我国已经基本掌握了大宗水果贮藏的适宜条件.开发了一些新型植物源和微生物源防腐保鲜剂,然而要实现产业化应用,需要解决防病成本高,效果不稳定等一系列问题[80].果蔬中功能因子的提取及体外抗氧化活性的研究有大量报道,却仍缺乏对果蔬功能因子在体内的作用靶点及其相关信号通路的深入研究,尤其是果蔬品质与功能因子之间的关系还不明确.我国果蔬冷链物流的系统研究才刚刚起步,果蔬采后商品化处理还比较薄弱.

今后,果蔬贮藏与加工科学领域的研究方向建议如下:1)应该进一步加强果蔬采后品质形成和成熟衰老规律的基础研究,利用基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等系统生物学技术研究各调控因子之间的互作效应,为果蔬保鲜新技术的开发奠定基础;2)利用生物统计学的方法,建立果蔬质量评价标准;3)研究减压、细胞间水结构化气调保鲜、负氧离子保鲜等贮藏保鲜新技术的作用机理及应用条件;4)继续开发低毒高效的绿色植物源和微生物源防腐保鲜剂,深入研究其作用机制;5)建立果蔬精准贮藏体系及技术规程;6)构建果蔬贮藏冷链物流的标准化和信息化操作体系;7)发展控制鲜切果蔬褐变和微生物污染的新技术,加强果蔬采后商品化处理和加工装备开发.

6 功能性糖科学研究领域

国际关于功能性糖的研究,主要包括对功能性低聚糖、功能性膳食纤维、功能性糖醇等“低能值”碳水化合物的新型制备工艺开发,功能性探索及验证,构效关系研究等.其中功能性膳食纤维的制备因多与纤维质或多糖类生物质降解相联系,因此在大农业领域与农产品深度加工及利用紧密关联.本领域当前的研究主要集中于膳食纤维改性、生理功效评价以及制备方式革新等几个方面[81-82].功能性低聚糖或称功能性寡糖一般是由2～10个单糖通过糖苷键连接形成直链或支链的低聚合度糖,习惯称之为化学益生素.因为具有特殊的生理学功能,部分品种已获批为中华人民共和国新资源食品.目前本领域主要研究种类已达几十种.在新型寡糖研究方面,日本及欧美国家起步较早,研究主要集中于功效验证及新资源开发等方面[83-84].由于我国相关研究开展较晚,无论其机理分析或是大规模工业化生产均有很多科学问题需要凝练研究.

今后,对我国在功能性糖领域的研究方向建议如下:1)功能性膳食纤维的改性及全面评价,包括不同来源膳食纤维理化及生理功能的量化评价研究;2)发展并规范适合功能性低聚糖工业化生产的先进工艺,结合催化机理研究对技术“瓶颈”实施攻关;3)建立健全行业生产及产品功能修饰相关特种酶评价标准,结合实际生产发掘行业特种用酶并探究生产过程中酶催化机理问题;4)功能性糖功效量化及在普通食品形态中的应用研究亟待开展和加强,包括类型相似功能糖的功效评价、产品成分合理组成设定、功能糖的应用方式及形态研究等.

7 蛋白质科学研究领域

近年来国外蛋白质组学技术的迅速发展为蛋白质科学相关研究提供了新的研究思路和方法,尤其是在食品中过敏源的检测、食品成分鉴定等领域[85-86].同时在蛋白质工程领域内不同种类的生物活性肽的研究也越来越为人们所关注,生物活性肽依据其功能性质可分为生理活性肽和呈味肽两大类.当前在国外生物活性肽类研究领域内各种新技术、新工艺和新方法的应用更好地揭示了不同来源生物活性肽的氨基酸序列以及其结构与生理活性之间的关系[87-89].同时,食源性生理活性肽体内、体外实验以及对其作用途径和机理的相关研究为生理活性肽在保健食品领域内的开发与应用奠定了理论基础[90-91].在呈味肽研究领域内,不同特征滋味肽类组分与人体特异性受体之间的关系研究为呈味肽类产品的研究与开发提供了新思路.而一些具有生理活性特征滋味肽的相关研究,如苦味肽的降压、阵痛、免疫调节等,为新型功能性呈味肽产品研究与开发奠定了理论基础[92].此外对于近年来新发现的浓厚感呈味肽类组分的呈味特征及其对食品感官品质影响相关研究,也进一步拓宽了特征呈味肽组分的应用领域[93-94].

我国近年来在蛋白质工程研究领域致力于通过化学、物理、分子生物学以及酶学的手段对现有蛋白质的一些理化以及功能性质进行改造.同时蛋白质组学技术在食品蛋白质组成及功能成分以及机体营养物质代谢研究中也逐步展开,并且主要集中在富含蛋白的大豆或乳制品领域[95-96].同时,在生物活性肽类组分研究领域内,近年来对于不同生理活性肽类组分的研究相对较多,且主要集中在肽类组分的分离纯化、序列鉴定、体外实验及其构效关系方面,且尤以抗血压升高肽、抗肿瘤肽和抗血脂肽相关研究最为集中[97-99].国内对于呈味肽类组分的研究开展较晚,当前主要集中在美拉德反应风味前体肽相关研究领域[100-101],而对于不同种类的特征滋味肽的研究则相对较少[102].

今后,我国蛋白质科学及生物活性肽领域的研究方向建议如下:1)蛋白质或肽类组分的改性研究,重点研究利用不同的修饰方法或分子生物学技术对蛋白质及各种生物活性肽类组分理化性质或功能特性的改善;2)蛋白质研究中新方法新技术的运用,重点研究蛋白质组学技术在食品品质分析、食品功能性研究以及食品鉴伪等领域中的应用;3)生理活性肽相关研究,包括对不同来源的生理活性肽类组分的分离纯化,氨基酸序列分析以及构效关系研究,同时,还应重点加强不同生理活性肽的体内、体外试验及其作用机制等机理方面研究.4)特征呈味肽类组分的研究,重点研究据有特殊生理功能活性的特征呈味肽类组分结构特征与其功能特性之间的关系以及浓厚感肽类组分呈味特征与其构效关系.

8 食品酶制剂科学研究领域

国际食品酶制剂研究涉及分子生物学及下游应用等诸多方面.基因工程学结合蛋白质结构分析深刻揭示酶催化机理及在生产中的应用规律[103-104].分子生物学结合发酵工程对高效表达载体构建、改造及酶制剂的高效生产进行研究,为高品质特种催化酶的生产及使用成本的降低提供技术层面的支持[105-106].微生物高通量筛选及宏基因组学的应用极大丰富了具有优良催化活性特种酶的来源,为适应食品产业的应用环境,提高酶使用效率提供了可能[107-108].此外,利用蛋白质工程集合基因工程对现有酶种类进行的修饰和改造进一步延伸了酶的使用范围[109-110].近几十年随着各种工程技术的高速融合,酶固定技术、酶反应器、酶探针技术的出现及革新,在不断改变酶制剂的使用方式的同时,显著提升其使用效率[111-113].

我国虽然在酶产量及种类上有了突飞猛进的进步,但相对于国外在研究投入和创新能力、生产核心技术、产品与应用领域的深度接驳等方面尚显不足.

今后,我国酶学和酶工程领域的研究方向建议如下:1)针对具体行业需求,进行特种酶筛选及建立行业使用、评价规范;2)适合工业化制备的工程菌构建、改造研究;3)催化酶在具体生产环境中应用规律及机理层面的阐释;4)针对食品行业特点,立足食品安全层面及使用成本方面,加强酶产品安全评价及食源性菌株筛选工程菌株构建方面的研究;5)食品实际应用领域相对一般生工领域更加纷繁复杂,应加强酶制剂在具体行业中应用规律研究.

9 天然食用色素(着色剂)科学研究领域

“天然、营养、健康、多功能”已经是当前国内外食品添加剂的重要发展方向.天然食用色素不仅色调自然,更接近天然物质颜色,而且具有抗氧化、清除自由基等功能.全球已开发出天然食用色素100余种,并已应用于食品、药品及保健品领域[114-115],其销售额已占食用着色剂60%以上,并以近10%速率增长.目前国际上天然食用色素的安全性评价主要基于动植物的毒性、毒理实验数据和使用色素的化学结构、性质、纯度及稳定性等方面.天然色素提取大多采用甲醇(如花青色素)、乙醇(如栀子黄色素)、正己烷(如叶黄素)、丙酮等有机溶剂,其安全性及残留对天然色素的使用产生了安全性风险[116-117].

“天然”并非等同“安全”,天然色素可能存在的一些安全隐患[118-120]:1)有些天然食用色素的成分、化学结构并不明晰;2)多种天然色素的毒性资料比较少;3)在食品中超剂量、超范围使用的安全风险,调配天然色素的毒性反应;4)天然色素标准中有品种,没有明确剂量,大多数标准低于国际标准,多种天然色素无检测方法和指标.

我国是天然食用色素生产大国,但是生产受原料影响很大,解决原料的稳定供应是本领域面临的重要难题.

今后,我国天然食用色素领域的研究方向建议如下:1)工业化规模的高效提取分离技术的研究和开发;2)天然食用色素结构鉴定与性能、稳定化技术、标准、安全性及风险控制研究;3)玉米黄色素等新色素资源的开发与利用;4)基于基因工程、细胞工程、代谢工程、发酵工程等技术,靛蓝、红曲红、红曲黄、栀子红、栀子兰、虾青素、类胡萝卜素等微生物菌种资源挖掘、生物合成调控机制、有害物控制技术研究;5)大孔树脂等吸附剂及其降解物毒性,其规格标准、残留量、安全性研究.

10 食品风味化学科学研究领域

当今,国际食品风味化学领域掀起了以分子感官科学技术对食品及其配料中特征赋予化合物的深入研究[121-123];对食品中关键气味活性化合物准确定性定量及重要性排序,从分子层面揭示食品特征气味的化学本质;结合感官评定,对样品中滋味活性化合物准确定性定量分析;在方法上引入“代谢组学”技术[124],探索食品中苦味、酸味、鲜味、浓厚味等分子基础,从分子水平上揭示赋予食品关键气味、滋味物质的化学本质以及其结构与功能的关系,为相关食品生产储藏过程中质量控制提供科学依据[125-127],以期掌握及控制食品加工、储藏过程中关键风味物质的形成途径及变化规律.

我国食品风味化学家对中国白酒和中国传统食品(竹荪、酱牛肉、梅菜扣肉、腊羊肉)中挥发性成分进行了深入研究[128-134].为中国传统食品工业化打下了坚实基础.

今后,我国食品风味化学领域的研究方向建议如下:1)真实再现食品风味的风味成分采集技术;2)气味活性化合物精确定量技术;3)风味化合物形成途径及变化规律研究;4)以风味为基础的食品生产及储藏过程的品质评价和控制技术.

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