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“多尺度(Multiscale)”通常指空间或时间的跨度,“多尺度科学(Multiscale science)”是一门研究不同长度尺度或时间尺度相互耦合现象的跨学科科学,是复杂系统的重要分支之一,具有丰富的科学内涵和研究价值。

食品是一类多组分、多相复杂体系,其多尺度结构研究也同样备受关注,如蛋白质纳米组装,功能性多糖的结构解析,以及超亲水/超疏水材料、纳米材料的尺度效应,超分子组装等,然而,现有研究仍比较零散,传统意义的构效机制已不足以支撑和解析食品加工过程中从微观到宏观的变化过程。

为此,团队首席王强研究员带领“十三五”国家重点研发计划项目组骨干专家,在梳理多尺度概念的基础上,提出了食品多尺度结构研究的基本概念、内涵与方法论,并拓展了多尺度结构研究的外延,初步构建了食品多尺度结构研究理论体系,为丰富食品科学基础理论,助推食品加工精准调控与高效制造提供理论支撑。

1. 多尺度的定义

“多尺度(Multiscale)”通常指空间或时间的跨度,“多尺度科学(Multiscale science)”是一门研究不同长度尺度或时间尺度相互耦合现象的跨学科科学,是复杂系统的重要分支之一,具有丰富的科学内涵和研究价值。“多尺度”概念源自现代物理学,多用于描述物体空间尺度的层次,主要包含4种:宏观(试样)→介观(材料微结构中比较大的部分,多个夹杂、薄层、梯度的组合体)→微观(位错、单位体积孔隙和夹杂)→纳观(原子、分子水平)。

2. 食品多尺度结构科学内涵与方法论

目前,“多尺度”在食品领域的研究与应用刚刚起步,相关概念并不清晰。基于前期研究,食品领域“多尺度”现象多种多样,既体现在物理学的“空间”尺度,数学领域的“时间”尺度,也涵盖化学领域的“浓度”以及“因素”尺度等。鉴于此,文章提出的食品加工领域“多尺度”研究体系,是指食品加工过程中特征组分在“空间多尺度”、“时间多尺度”、“浓度多尺度”、“因素多尺度”条件下形成关键结构(域)的基础研究体系。

1 食品加工过程中多尺度基本概念

3. 食品体系多尺度结构研究的外延

Ø  食品原料特征指纹图谱研究

“指纹图谱”通常是指蛋白质、核酸、小分子化合物等经适当处理后,采用一定的分析手段,得到的能够标示其化学特征的色谱图或光谱图。通过深入挖掘食品原料中特征组分的含量、组成、多尺度结构等指纹图谱信息,并与制品品质进行关联,也能用于开展食品原料加工适宜性研究,从而筛选加工专用品种,为系统开展多尺度结构研究奠定了物质基础。

2 基于高光谱技术的花生中蛋白和脂肪特征指纹图谱提取[40-41]

Ø  食品加工中化学反应的过渡态研究

“过渡态”是指反应物体系转变成产物体系过程中,经过的能量最高状态或称活化络合物。过渡态这一概念,对于理解有机反应机理具有很重要的作用。过渡态理论认为,化学反应不是通过反应物分子的简单碰撞就可以完成的,而是在反应物到生成物的过程中,经过一个高能量的过渡态。在食品加工中,“过渡态”理论同样适用,尤其是在“时间多尺度”和“浓度多尺度”研究中。由于食品中各类组分及反应条件差异较大,因此,现有“过渡态”理论的研究和应用仍然有限。

3 基于量子化学的反式脂肪酸形成机理[27]

Ø  食品特征组分分形研究

分形的概念是由美籍法国数学家Benoit B. Mandelbrot1973年首先提出,该词源自拉丁语:frāctus,有“零碎”、“破裂”之意,又称碎形、残形,通常被定义为“一个粗糙或零碎的几何形状,可以分成数个部分,且每一部分都(至少近似地)是整体缩小后的形状”。目前,食品组分结构的分形研究正在进一步深入,从整体分维朝向多重分形发展,从单纯的分形维数研究朝向与加工过程的关联研究。

4 不同冷冻温度不同冻融循环次数下鱼肉的冰晶图像(1, 2, 3, 4代表冻融循环次数)[48]

Ø  食品特征组分超分子组装研究

由两个分子或多个分子通过非共价键作用结合形成的多分子集团称为超分子组装,它们是具有一定结构与功能的多分子集团,其形状可以是球形、棒形或者片状,“空间多尺度”上包含纳米尺寸到微米尺寸。目前,“超分子组装”在食品体系中主要用来阐述各类食品品质和功能的形成机制,而从特征组分超分子组装角度来精准调控食品品质和功能的研究才刚刚起步,亟待深入研究。

                   图5 高水分挤压过程中蛋白质-油脂超分子组装与纤维结构形成机制[17]

Ø  食品加工中“场论”研究

场是指物质在空间的分布情况,在数学上是指一个向量到另一个向量或数的映射,可以分为标量场和矢量场,如温度场为标量场,速度场为矢量场,是基于物质的粒子理论来表达物质的存在形式。总体来说,“场论”主要局限在物理加工过程中,对于化学、生物场的研究还未见报道。如果结合“因素多尺度”、“浓度多尺度”及“时间多尺度”,则“场论”能够更好地反映实际加工过程中食品组分的相互作用和理化反应过程,故而亟待深入研究。

6 耦合条件下淀粉与脂质分子间互作及复合物结构性能调控[53]

4. 结论与展望

本文作为“十三五”国家重点研发计划“食品加工过程中组分结构变化及品质调控机制研究”项目标志性成果之一,以食品加工过程中特征组分为切入点,提出了以“空间多尺度(组分空间尺寸)”、“时间多尺度(组分反应时间)”、“浓度多尺度(组分浓度分布)”、“因素多尺度(加工因素叠加程度)”为基本概念,结合食品原料特征指纹图谱研究,食品中各类反应的过渡态研究,食品特征组分分形研究,食品特征组分超分子组装研究,食品加工“场论”研究为外延的食品加工中特征组分“多尺度结构变化”研究新理论。

上述理论的提出有助于形成有别于物理、化学、生物学、材料学等学科的食品加工理论与技术分支体系,也将助力食品高效制造与精准调控。而进一步立足“食品多尺度结构”研究新理论,开展基于特征组分结构的食品原料加工适宜性分子机制研究,典型加工过程中食品特征组分结构变化及相互作用与关键结构(域)形成机理研究,“食品原料-加工工艺-组分结构-品质功能”全网络数据关联机制研究,在此基础上构建基于特征组分多尺度结构变化的食品品质功能精准调控技术方法,实现个性化食品高效制造,这将是未来食品科学与工程研究的方向和重点。



供稿人:石爱民


团队首席王强研究员成功当选国际食品科学院院士
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团队联合国内知名学者提出了“食品多尺度结构研究”新理论

发表日期:

2022-02-25

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