本文作者：李琳、李曉璽、陳玲、楊曉泉、劉國琴 單位：華南理工大學

食品是一類組分非常復雜且具有相態多樣性的營養成分之材料載體，而不是一種簡單組分的材料，因此，當需要了解這類特殊材料的微觀結構與宏觀性質之間的關系時，就必須正視食品復雜體系的特殊性．例如，液態食品復雜體系可簡單分為凝膠、乳狀液、分散體系和泡沫體系4種狀態．雖然液態食品可以單獨狀態存在，但更多的液態食品卻是這4種狀態的混合體．更廣泛地說，當前的大多數食品體系都是復雜的多相體系，由多種固體及液體的聚集態、結晶態、玻璃態，甚至液晶態組成(如圖1所示)，并且這些體系還是一個多尺度多層次的復雜體系，例如，磷脂和單甘脂的膠體顆粒或形成的膠束、脂質體等具有納米級結構，而各種油包水(W/O)及水泡油(O/W)乳化液的液滴、乳液、冰淇淋、黃油等則為微米級結構．

此外，許多食品的內在結構其實是各種組分混合所取得熱力學平衡的亞穩態結構，由于這些結構更傾向于受動力學控制，并以很慢的速度取得平衡，通常都要通過玻璃化、部分結晶、相分離和/或凝膠網絡結構的形式來實現;而食品組裝結構的形成則依賴于鏈結構(納米尺度)、相(介觀尺度)及其聚集態(包括納米、微米尺度)的次序;最終食品的宏觀性質(包括功能特性及營養物質、風味成分等的加工特性)及其質構與品質特性完全取決于食品復雜體系的結構與特性．由此可知，健康食品的制造其實就是通過相應加工處理，將有益于人類健康的各種功能特性賦予由各種復雜食品組分組成的多相態、多層次結構的軟材料之中［4］．

由于食品復雜體系都包含大量碳水化合物、蛋白質等多種組分，包括了溶液、乳液、凝膠、半固態以及固態等物理狀態(這些狀態實際上就是食品復雜體系中各種組分的分子運動在宏觀性能上所呈現的晶態、玻璃態、高彈態和粘流態等相態)，此外，食品的多層次結構實際上是由各種食品組分的分子鏈結構以及分子(鏈)間的相互作用而形成的聚集態結構，所以，就健康食品最終功能與加工特性來說，要獲得這些最終特性，就要通過各種可控的現代加工處理(溫度、壓力、pH值、離子強度、剪切力、電磁場等)來得到所需的健康食品結構，繼而構建其適合的相態(凝膠體系、乳液體系等)，究其本質，就是要在掌握健康食品的復雜體系中各種組分微觀結構變化與宏觀特性變化規律的基礎上，通過現代加工技術實現不同鏈結構組分形成特定聚集態結構及分子運動狀態．

關鍵基礎科學問題

要實現現代健康食品的功能化理性設計與制造，就必須改變現行的從加工工藝條件進行經驗性探索的研究方法及思路，從宏觀性質測量和經驗分析向從多尺度方法的微觀結構及各種特性檢測和模擬分析的方向轉變，前瞻性地解決相應的關鍵基礎科學問題．實際上，健康食品功能化理性設計與制造過程從學術角度思考就是:通過正確地調整加工方式及加工條件來有目的地影響各種食品組分的分子鏈結構(組成序列、支叉、折疊、螺旋、分子量及分布等)，繼而使分子(鏈)間相互作用形成滿足要求的結晶、非晶、取向、多相等聚集態結構，同時，引起健康食品晶態、玻璃態、高彈態、粘流態等產生相態轉變，最終獲得符合要求的健康食品流變性質、凝膠質構性質、乳化性質、成膜性質、營養消化特性等功能特性，進而可以精確優化其加工特性等．具體學術內涵如圖2所示．因此，要實現健康食品的理性設計制造，真正實現食品復雜體系和加工條件的精確調控，就必須解決以下關鍵基礎科學問題:

解決健康食品加工條件(溫度、壓力、pH值、離子強度、剪切力、電磁場、速度、生物因素等因素及其集成因素，以下均稱“現代加工因素”)對這類食品復雜體系各種組分的相態和宏觀性質的影響問題．具有特定功能的健康食品最終能被消費者接受，必須以一定功能特性的相態出現，因此，就要掌握構成健康食品復雜體系的主要結構分子組分在現代加工因素作用下的相行為及其特性規律，獲取這些主要食品組分的分子功能特性在不同現代加工因素作用下的熱力學、動力學以及生物學等宏觀性質的基本數據．

解決健康食品復雜體系中各組分在現代加工因素作用下主要分子鏈之間的聚集行為問題．在了解健康食品復雜體系中主要結構分子組分在現代加工因素作用下的相態及宏觀性質規律以后，還必須深入了解這些組分在不同的現代加工因素作用下主要分子鏈之間的聚集行為及聚集態結構的動態變化規律，因為這些變化是導致其相行為及宏觀性質發生改變的內在原因．

解決健康食品復雜體系中各組分在現代加工因素作用下鏈結構變化與相態相行為關系的問題．雖然相態相行為描述了不同現代加工因素作用下食品體系的不同狀態，可以為健康食品研發及改善現有食品品質提供預測基礎，但是，導致其相態相行為變化的根本原因是其相關組分的分子鏈之間聚集行為的動態變化，因此，各組分分子鏈結構的微觀結構變化規律是表征其聚集行為以及相態相行為的科學基石．

解決典型食品材料的微觀結構與健康食品宏觀功能及加工特性關聯的科學問題．食品的宏觀功能特性主要包括質構、營養及風味等，食品實際上就是輸送這些功能特性的載體材料，因此，這些功能特性及其加工輸送特性與其微觀結構之間有著密切的關系，這就需要掌握健康食品宏觀功能及加工特性與相關食品組分微觀結構的關系，并獲得準確的調控方法，從而通過有效控制加工及食品組分等來獲得滿意的微觀結構和最終的健康食品．

國內外研究進展

碳水化合物(含淀粉、多糖等)、蛋白質(含植物蛋白、動物蛋白等)和脂類是當前食品復雜體系中的重要組分，這些組分不僅是構成食品質構的重要成分，也是構成食品營養、功能的重要基礎部分，因此，要開展健康食品功能化理性設計與制造的基礎科學研究，就必須選擇這類組分，探討它們在健康食品加工過程中不同分子尺度微觀結構的變化機制，并與其功能特性進行關聯，顯然，這是一項具有前瞻性的基礎研究工作．

淀粉是一類重要的碳水化合物．作為食品結構與功能的一種重要組分，淀粉在健康食品加工過程中分子結構和功能特性的變化一直受到人們的關注．Chaudhary等［4-5］研究了直鏈淀粉含量、螺桿轉速和化學改性等對擠出加工過程中淀粉的顆粒形態、力學性能與晶體結構的影響．Majzoobi等［6］利用雙螺桿擠出機研究了不同谷物淀粉在擠出蒸煮過程中的物理化學變化．Moad［7］系統分析了反應擠出條件下淀粉分子發生酯化、醚化、交聯、接枝、降解等過程中的結構變化及其特殊性．Kawai等［8］研究了水分含量以及壓力對淀粉糊化和老化溫度及焓值的影響，研究表明，糊化焓值隨著處理壓力的增加而降低，而重結晶焓值隨著糊化焓值的降低而升高．Vittadini等［9］研究高壓糊化淀粉的凝膠性質后發現，相比常壓熱處理，高壓糊化淀粉凝膠硬度更大，尤其是低溫效果更明顯，但高壓糊化淀粉重結晶效果不如常壓熱處理，這可能與高壓處理后淀粉/水以及淀粉/淀粉相互作用較強、在一定程度上阻止淀粉重結晶相關．Katopo等［10］研究高壓對淀粉結晶性質的影響后發現:在粉末狀態或者乙醇懸浮液狀態下超高壓處理并不會影響淀粉的結晶結構，而淀粉乳經過超高壓處理后，結晶結構由A型向B型轉變，同時，較高的含水量使A型結構破壞更大;而B型結構受高壓影響較小，仍為B型結構;水分含量對結晶度的影響也非常小．Buckow等［11］通過實驗建立糊化度對溫度和壓力的函數，并且繪制了相圖．Ahromrit等［12］利用Arrhenius和Eyring方程建立糊化速率常數與反應壓力、溫度的關系，獲得了良好的效果．在淀粉的營養生理功能方面，通過分子重組、修飾技術來調節淀粉在人體腸道中的消化性能，從而改善淀粉的生理功能以獲得不同營養特性的淀粉產品也是國際前沿研究課題．一些學者系統研究了擠出條件下淀粉的抗消化性能，并利用X射線衍射、差示掃描量熱、核磁共振和紅外光譜技術對擠出加工后的抗消化淀粉的結晶結構、熱性能、鏈結構進行了考察［13-14］．還有一些學者研究了酸解、儲藏條件對擠出加工后的淀粉抗消化性能的影響規律，并對不同耦合處理條件下抗消化淀粉的分子質量大小、聚合度、層狀結構、結晶結構等進行表征［15-16］．我國也有一些學者開展了相關的研究工作［17-18］，他們用脫支酶的方法或者化學基團修飾的方法制備抗消化淀粉/慢消化淀粉，還利用差示掃描量熱分析、熱重分析和哈克流變儀考察不同鏈/支比的玉米淀粉在不同水分條件下及不同剪切力下擠出體系中的流變特性、糊化、凝沉、熱分解性能以及玻璃化轉變等［19-27］;他們還通過機械捏合、微波等物理場對淀粉分子進行重組，通過改變外界條件來誘導淀粉分子鏈的締合及重結晶，改變淀粉分子聚集態結構，從而改變淀粉消化性質［28-30］，并在淀粉結構與淀粉酶的作用關系及抗消化淀粉形成機理方面做了較系統地研究，發現高直鏈玉米中的直鏈淀粉在淀粉顆粒中形成的雙螺旋半晶體結構導致抗消化淀粉的形成［31-32］．

蛋白質是另一類重要的食品結構與功能組分．在健康食品加工過程中，天然蛋白質經加工處理后將改變其穩定的折疊構象之間相互作用的微妙平衡，破壞其共價鍵或次級鍵，誘導其變性，進而影響有關宏觀功能特性(溶解性、乳化性、凝膠性等)．應該說，蛋白質宏觀性質是與其聚集行為直接相關的．當食品蛋白質展開后會呈現不同的聚集形態，包括纖維聚集和無定形聚集．由于聚集體的形式不同，導致其宏觀的凝膠表現出不同性質:纖維聚集體凝膠呈現透明狀，無定形凝膠呈現渾濁狀．利用蛋白質形成不同形態的聚集體，可獲得尺度不同的微觀結構，進而獲得具有不同質構、風味釋放及控釋特性的產品．因此，可以通過控制凝膠構成成分(蛋白和添加物的濃度等)和加工條件(如pH值、離子強度及溫度等)來獲得具有預期結構的網絡基質，也就是說，控制蛋白質的聚集行為已成為食品蛋白質生產、加工以及應用的關鍵．vanderLinden的研究團隊［33］采用激光共聚焦(CLSM)、圖像分析系統地研究了乳清蛋白/多糖復合熱致凝膠的微結構形成過程，并將研究重點放在復合凝膠微結構與大變形測試的關系上，闡明了復合凝膠在消費時感官性質及其與力學性質之間的關系，并探討了復合凝膠在大變量測試過程中微結構的變化［34］．此外，他們還首次研究了葡萄糖酸-δ-內酯(GDL)誘導的乳清分離蛋白(WPI)/多糖冷致凝膠的微觀結構［35］，結果表明，不同荷電量的多糖與蛋白可形成均一、蛋白連續、蛋白/多糖雙連續及粗糙繩索狀結構，不同的微結構在宏觀上表現為影響凝膠的粘彈模量，并據此探討了WPI/多糖體系GDL-冷致凝膠的形成機理．Veerman等［36］研究了不同離子強度下蛋白質的流變學性質，結果發現，蛋白質聚集方式在低離子強度下變化不大，在離子強度為0．01～0．08mol/L條件下，纖維聚集體長度為2～7μm，這是由于纖維聚集體的電荷和半柔性使得蛋白質以一種隨機的連接模式形成凝膠．Arnaudov［37］使用在位光散射研究了離子強度對β-乳球蛋白在pH=2．0下熱誘導纖維聚集體形成動力學的影響．在所有離子強度下，纖維聚集體的形成都要高于關鍵蛋白質濃度，這個濃度隨離子強度的增加而減小．經過進一步研究，建立了靜電相互作用對聚集過程影響的動力學模型，該模型給出了蛋白質濃度與蛋白質完全變性和長纖維形成之間的動態關系以及纖維形成過程中離子強度與關鍵成核尺寸之間的關系，例如，13mmol/L離子強度下形成4個單體的復合物［38］．高靜壓技術也可以使變性蛋白質重折疊，較好地抑制蛋白質聚集，研究證實，高靜壓可以溶解和重折疊蛋白質聚集體，高于400MPa時可以使天然蛋白質去折疊［39］，約200MPa的中度壓力可以斷裂天然寡聚體［40］．我國的科技人員系統地研究了大豆蛋白/多糖復合凝膠的微結構與其功能性的關系，探討了不同分子質量的葡聚糖、不同荷電量卡拉膠及GDL酸化對大豆蛋白/多糖復合凝膠微結構與流變學特性的影響，研究表明，相分離和凝膠形成的相對速率決定了大豆蛋白/多糖復合凝膠微結構，通過調整酸化速度及溫度可增加大豆蛋白/刺槐豆膠復合冷致凝膠微結構的多樣性［41-43］;此外，他們還應用傅里葉紅外光譜和拉曼光譜研究了超聲輔助冷凍過程中面筋蛋白二級結構的變化，揭示了冷凍過程面筋蛋白立體構象從有序向無序變化的規律［44］．

脂類是除了碳水化合物和蛋白質以外對食品質構和功能特性影響最大的另一類重要組分．在健康食品加工過程中，由于脂類的結構和組成變化引起的食品質構、功能特性的變化問題已日益引起了關注．脂類加工因素(剪切力、溫度、時間、速度等)對其晶型大小和穩定性影響很大，不當的加工方式很容易導致形成粗大的β型結晶體或者導致原本形成的β'型結晶向β型轉變，這是目前導致含油食品感官性質降低和塑性脂肪涂抹性質變差的原因，晶型不穩定也會導致巧克力類食品起霜從而影響其感官品質．David等［45］研究發現，甘三酯的三維網絡晶體結構和多形態是決定脂類流變學性能和質構性質的主要因素，而在油脂組成和固體脂肪含量相同的情況下，冷卻溫度、速度和時間對塑性油脂結晶結構的影響很大，并且儲存溫度越高、儲藏時間越長，其晶型越粗大，主要為β型結晶．Belly［46］研究發現，當脂類融化時，呈現較弱的粘彈性液體結構，溫度降低時通過聚集形成網絡結構或通過交聯形成弱的網絡結構而成為晶體，當油脂中含有或添加反式脂肪酸時，結晶速率明顯加快．Jeroen［47-48］采用pNMR和DSC研究了酯類組成對晶體結構的影響，研究發現，反式脂肪酸的存在會影響結晶歷程，而且反式脂肪酸的存在對起酥油結晶行為和流變學行為以及對三飽和脂肪酸甘油酯(SSS)和不飽和甘油三脂2-油酸1，3二硬脂酸甘油酯(SOS)組成的脂質混合物結晶特性等都會產生影響．國內的研究人員研究了棕櫚油在不同溫度及不同溫度變化速率下固體脂肪含量、硬度、結晶熱、熔解熱的變化規律以及恒溫狀態下的晶體生長速度、晶形變化及相關微觀網絡結構，并且研究了微波、超聲波等物理方法改性油脂的機理以及對脂類組成和結構的影響規律，還利用小麥醇溶蛋白形成水O/W性乳化體系代替脂類，來探討其微觀結構與功能性的關系［49］．

很明顯，前人業已完成的淀粉、蛋白質和脂類相關基礎科學研究，主要集中在加工方式、工藝參數、設備條件等對這些重要組分一般結構與宏觀性能的影響的探討上，更加關注這些重要組分的單鏈結構或各自聚集態結構在加工過程的變化情況，還未從這些重要組分微觀結構、分子鏈間相互作用、聚集行為等變化的角度來探討導致其分子運動(鏈)的改變進而影響食品相態相行為改變等多層次結構層面上的分子機制原因，更未能將這些相態相行為的變化與健康食品的功能與加工性能等實現有效關聯，因而就無法實現對具有特定功能與加工特性的健康食品進行理性設計、精確調控與制造．

未來研究方向

鑒于碳水化合物、蛋白質和脂類等食品重要組分的微觀結構變化在健康食品加工制造中對產品的品質與營養等具有顯著的影響，基于國內外健康食品科技領域的研究現狀，文中提出了圖3所示的學術思想來進行未來的基礎科學理論研究．

在未來的研究中，應該選擇淀粉、蛋白質和油脂等作為研究對象，系統研究它們的微觀結構(含淀粉的分子鏈組成、構象、支叉結構、結晶形態、無定型結構以及多相結構等，蛋白質的一級、二級、三級、四級結構以及多相結構等，油脂的組成、構型、構象和晶體結構等)在現代食品加工制造過程中受現代加工因素影響的普適性規律，重點探討物理、化學、生物及其耦合等加工處理影響鏈結構、聚集態結構及相態相行為等、并進而影響其加工與功能特性的規律，建立相應的物理模型，揭示這些食品重要組分相變、聚集行為及不同分子(鏈)間運動行為等的動態變化特性，獲取這些重要組分的功能與加工特性在現代健康食品加工制造過程中的熱力學、動力學和生物學基礎數據及微觀結構的表征數據，在此基礎上，將多響應面模擬技術以及密度函數理論計算方法等多種現代數據處理技術有機地結合起來，借助人工神經網絡技術建立現代加工因素作用下淀粉及蛋白質等重要組分微觀結構變化影響宏觀加工與功能特性的物理和數學模型，構建健康食品重要組分宏觀性質與其微觀結構之間的分子調控理論體系，實現健康食品重要組分的功能化結構設計及精確調控，以較好地解決健康食品功能化理性設計與制造問題．

可以預見，這些基礎科學問題的研究結果將豐富我國食品加工基礎學的理論研究，為具有一定功能特性的健康食品之加工制造提供科學的現代加工基礎理論支撐，從而為真正實現現代健康食品的功能化理性設計與制造奠定重要的理論基礎．