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1、项目名称：食品加工过程安全控制理论与技术的基础研究首席科学家：起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部 江苏省科技厅一、关键科学问题及研究内容1.拟解决的关键科学问题食品组分、外源添加物和加工过程的多样性，使得危害物产生过程复杂多变，同时，高效实时检测手段和快速评价体系的缺乏，造成目前食品加工过程危害物甄别与测定、追踪与回溯、预测与干预、优化与控制等理论与技术严重不足。突破这一瓶颈的核心在于理解以下关键科学问题：(1) 危害物产生途径和转化规律的分子基础，(2) 加工食品安全性预警机制与风险等级确定依据，(3) 食品安全加工全程优化原理与控制策略。(1) 危害物产生途径和转化规律的
2、分子基础食品加工过程中有害物产生的机理与主要途径是食品加工过程安全控制研究的基础。由于食品组分和加工过程的复杂性，组分与组分之间、组分与加工条件之间、组分与功能之间的关系又因过程中存在着动态化学和生物学变化，导致危害物影响食品安全性和健康性的分子基础及其行为效应至今难以阐明，如：食品原辅料和添加剂的种类、结构和交互作用，如何在分子水平上驱动食品加工过程中危害物的产生和演变？高温、挤压、发酵等加工因素，如何影响危害物的转化和积累？条件参数、微环境、化学干预如何实现危害物阻断、消减和控制？不同因素之间是否存在影响危害物种类和生成量的耦合作用？如果不能从分子水平了解食品加工过程中危害物-原辅料组分、
3、危害物-加工过程、危害物-危害物、危害物-食品质构之间的相互作用关系，就无法精确地对造成危害物生成的加工模式和原料组成进行有效的定向调控。(2) 加工食品安全性预警机制与风险等级确定依据食品对人体健康的危害程度由食品本身含有的危害成分的量和摄入水平决定。从危害物形成角度看，目前尚无可行的对食品加工过程进行实时监测和动态反馈的技术，对以下问题缺乏基本的了解：如何才能在复杂食品体系和高温高压-动力扰动耦合作用下对多种有害物进行快速识别并进行海量数据采集？如何系统解析食品加工过程中危害物生成前体物质、关键作用因子、中间产物和危害物本身的结构特征数据特征？从摄入水平角度看，不同人群不同膳食摄入模式对人
4、群的健康水平有着本质的影响。不同食品中含有的危害物的种类/量的不同，各种危害物对人体的损伤模式也不同，尚需解决以下基本问题：中式食品加工模式中是否存在目前尚未知晓的危害物？我国特有膳食模式下食品加工过程危害物的人群暴露水平，以及中国人群膳食中多种危害物的联合毒性作用如何确定？这些问题无法妥善解决，将难以在理论上设计出具有针对性膳食的健康阈值、风险等级和限量标准。(3) 食品安全加工全程优化原理与控制策略食品加工过程不仅改变食品组分的结构和功能，生成有利于风味和色泽甚至健康的新物质，同时也生成各种危害物，但是迄今为止，尚未建立基于复杂食品体系和复杂加工过程的食品品质和新物质形成和演化的量化方法。
5、为了实现食品安全加工过程全程控制，需要解决一系列典型食品加工过程中的关键科学问题：如何模拟食品加工过程组分、危害物以及品质的变化，并得出温度、时间、挤压力等关键参数对危害物形成作用的动力学规律？如何在各种复杂加工条件和食品组分等不确定背景下，完成加工食品组分变化、食品品质、危害物产生、以及食品组分-加工方法-危害程度互作的数值模拟？如何综合组分变化和危害物生成的精确测量结果与过程在线实时监测结果，建立考虑原辅料组成、加工单元操作以及多目标优化控制策略的加工过程全局模型？综上所述，发现和认识加工过程危害物生成的分子基础、互作关系及调控机制，为全程安全控制的食品制造过程设计和构建奠定理论基础；建立
6、食品加工过程感知网络，为全程监控食品加工过程、提升加工食品安全性提供了技术可行性；评估加工食品危害物的风险、调查人群膳食暴露水平，为提升加工食品安全性提供基础数据和科研依据；在此基础上，确定食品加工过程中单一和多元危害物阻断、抑制、控制和消除策略，发展出多方法、多手段综合集成的食品加工过程安全的时空预测-监测预警-动态反馈分析-调控优化的全过程优化与调控理论，实现食品制造过程的理性重构与食品产品功能的优化，最终使食品制造过程全程安全控制成为可能。2.主要研究内容针对科学问题1：采用分子结构分析和显微技术等多种结构生物学新技术，解析不同加工单元中食品组分多层次分子结构变化以及多元分子间的交互作用
7、；基于高通量筛选和多维色谱-质谱联用技术，研究由美拉德反应、具有活性羰基的脂过氧化合物(LPOs)与蛋白质交联以及小分子醛类重组生成杂环胺、丙烯酰胺、蛋白质末端糖基化衍生物、反式脂肪酸等典型危害物过程中前体与产物之间的数量特征；采用碳组标记技术(CAMOLA)和15N2同位素示踪技术，研究各级活性中间体碳链结构变化和自由基裂解反应进程，揭示危害物形成关键控制点与行为效应；通过自由基淬灭及植物活性抗氧化成分干预创造竞争性抑制环境等，探索阻断脂质过氧化产物与蛋白质交联、干预小分子醛类重组等靶向控制美拉德反应、控制不饱和脂肪酸双键异构化等的相关机制和方法。针对科学问题1：从原料成分、微生物胞内代谢网
8、络、微生物与环境相互作用、微生物群落效应等层面，利用系统生物学技术研究生物危害物积累的分子基础及其全局调控机制；建立关联微生物生理特性与生物危害物的原理与技术，研究营养物质、工艺条件变化和微生物自身代谢网络调控、微生物群落效应之间的相互作用对生物危害物产生的影响；通过基因组工程手段构建食品级代谢工程体系，消除生物危害物产生的分子基础；通过混菌系统微生物群落结构操作，在保持食品风味不发生显著改变的前提下，实现安全的食品生物制造过程。针对科学问题2：针对多源性危害物生成、迁移和转化的关键问题，以微纳米技术探索危害物结构特征与敏感结构的识别、放大和降低基体干扰的作用机制，发展微纳米尺度上集成和优化危
9、害物检测体系，建立性能稳定、重现性好的检测器阵列，构建感知加工检测网络；根据针对典型食品加工过程中的关键控制点，结合危害因子分型数据库，建立食品安全敏感性指标；海量采集检测数据，利用特征抽提、数据融合和模式识别理论，实时反映食品加工过程中由原料至产品的品质变化，实现智能化监测、诊断、预警与精准溯源，保障食品质量安全。针对科学问题2：以敏感测试细胞、大鼠、线虫等为研究模型，用代谢组学技术手段分析和筛选危害物及其体内羟基化或环氧化过程中产生的DNA加成或血红蛋白加成应激产物；结合多种组学技术，研究多种危害物的剂量和时间-效应关系，建立多种危害物协同作用的高通量毒理学评价模型和分析平台；分析人群膳食
10、中丙烯酰胺、氯丙醇、末端糖基化衍生物等新型热点危害物的污染分布，建立暴露剂量和效应反应模型；采用流行病学方法研究人群估计摄入量，建立基于危害评估的我国人群膳食中危害物的风险阈值和预警体系；通过风险特性评估，定性和定量推断食源性危害的风险等级，为限量标准制订提供科学依据。针对科学问题3：针对典型危害物的形成，如高温淀粉食品中丙烯酰胺、油炸食品中反式脂肪酸以及高温蛋白食品中杂环胺等，在不同加工条件下建立危害物的形成与关键变量之间的定量关系模型，预测危害物的产生规律；基于加工过程中多种危害物可能同时形成的特点，建立多尺度关联加工条件与危害物消长规律的系统动力学模型，准确预测过程条件的最大信任度区间和
11、多元危害物浓度变化的动力学模型；建立以食品品质最佳和危害因子水平最低为优化指标的多目标函数，建立最优控制策略。针对科学问题3：选择易发生美拉德反应的高蛋白食品、易产生油脂异构化的高油脂食品和易产生胺(氨)类代谢物的发酵食品等典型加工体系，有机整合系统生物学、食品组分变化状态模型、微生物群落结构操作、危害因子分型数据库实时追踪、形成/消除动力学调控模式、集成多元危害物的监测/诊断和预警系统、食品品质表征因子模型系统控制、食品加工单元操作的靶向性设计及重组等技术，构建全程安全控制的食品制造过程设计与保障体系。二、预期目标从对解决国家重大需求的预期贡献，在理论、方法等方面预期取得的进展、突破及其科学
12、价值，优秀人才培养和基地建设等方面分别论述。1总体目标以实现食品安全保障从被动应付向主动保障转变为战略目标，选择易发生美拉德反应的高蛋白食品、易产生油脂异构化的高油脂食品和易产生胺(氨)类代谢物的发酵食品等典型加工体系为研究对象，针对造成加工食品中长期存在的重大和潜在危害物诱发条件、生成演化分子机制、预测预警与动态调控方法开展基础研究，从分子水平揭示多元危害物或健康不良因子的形成途径和转化规律，确定加工食品安全性预警机制与风险等级确定依据，阐明食品加工过程中对目标危害物干预、阻断与控制的相关机制；构建食品加工过程安全的实时预测-监测预警-动态反馈分析-调控优化的全过程优化与调控理论体系，解决我
13、国加工食品制造、产品标准制定、检验检疫、人群膳食指导等领域涉及食品安全风险预测预报和防控的关键科学问题，形成以食品加工全程的安全评价研究为基础、以食品加工过程优化理论与控制技术为核心、以安全控制的食品制造过程的设计和构建为目标的“导向预防”新理论和技术体系，为实现食品加工过程安全控制从被动应付向主动转变提供科学与技术支撑，全面提升我国加工食品安全水平和中国人群健康水平。2五年预期目标实现加工食品安全性关键科学问题的重大突破，揭示典型食品制造过程的优化调控机制，实质性地提高加工食品安全性预警与风险评估能力，形成耦合式的食品组分-加工方法-危害物关联模型，重组优化重要产品的制造途径，奠定全程优化控
14、制食品加工过程的基础，促进食品安全制造平台的形成。(1)突破加工食品安全性关键科学问题：针对1014种典型食品的加工过程，在分子水平揭示加工过程中组分结构变化与危害物产生关联机制；构建适用于食品复杂反应体系的基于多维色谱-质谱联用技术的多层次潜在危害物分子特征标识分析方法和分析模型12套；针对1620种典型危害物，建立食品加工过程危害物生成的化学动力学反应机制和关键节点，形成基于反应热力学、反应动力学或代谢网络动力学的食品加工过程危害物生成自由基阻断机制和抗氧化成分抑制机制和方法模型46套。在此过程中，系统阐明典型加工过程中危害物形成的分子基础和调控机制，发现新危害物和潜在危害物的生成途径和转
15、化规律，明确食品加工过程中对目标危害物干预、阻断与控制的关键分子机制，解析食品加工过程中食品组分-加工条件-危害程度的相互作用规律，提高加工食品安全性预警和风险评估能力，获得单一和多元危害物生成规律的动力学模型，阐明以发酵食品、高蛋白质、高油脂加工食品为代表的加工过程中危害物的生成及其调控机制。(2)提升食品安全制造检测预警能力：突破中近红外光谱、拉曼光谱、传感器及生物分析谱等加工过程化物结构信息实时在线检测技术；发展810种适用于食品体系的在线检测的环境友好型纳米增敏材料制备方法；研制基于微纳效应的危害物在线检测设备，建立加工过程多源安全嫌疑物形成的食品安全预警体系；建立国内第一个关于主要食
16、品组分加工过程危害因子分型数据库；建立23种典型加工食品体系的多源危害物信息全程监控信息网络系统；针对加工过程中产生的新型潜在危害物研究其在生物体内转运机制，筛选出生物标志物和应激产物指标1020种；筛选危害物生物损伤机制，完成高灵敏DNA损伤检测技术23套；完成高灵敏、高通量无标记细胞毒性快速筛查技术510套，获得510个用于评价食品多种毒素复合效应的敏感生物标志物；建立暴露评估模型和风险表征模型23套，获得25个新型热点危害物的风险评估的中国国家数据并被国际组织采纳。在此过程中，建立高容量危害物分子靶标和分型数据库，形成食品加工过程感知网络，实现食品加工全程监控，建立新型和潜在危害物高通量组学筛查模型，获得食品中多种危害物协同作用的高通量毒理学分析平台，建立基于暴露评估的我国人群膳食中危害物的风险阈值和预警体系，提升加工食品安全性预测预警能力。(3)奠定食品安全加工
