中国农业科学院王强研究员团队：食品多尺度结构与品质功能调控
食品是一类多组分多相复杂体系，碳水化合物、蛋白质、脂肪、活性成分等是其主要组成成分，固、液、气及相互形成的固-液-气多相体系是其主要结构特征。从地球上出现生命开始，食品业已存在，但从科学的角度开展食品研究也不过近百年。通常来说，食品研究是对其组成成分的研究，如大豆中蛋白质变性、凝固，使其形成豆腐；稻米中淀粉吸水溶胀，受热糊化，使其变成米饭；油脂中甘油酯氧化产生脂肪酸，导致其酸败。构效关系的研究是食品研究的核心和基础，然而，随着材料科学、化学、生物学等的发展，人们对于大分子结构的研究更加深入，传统意义的构效机制已经不足以支撑和解释其中微观到宏观的变化过程，如超亲水/超疏水材料及纳米材料的尺度效应、超分子组装、量子化学反应等，在这些研究的背后，物质的多尺度结构解析至关重要。
▲ 基于高光谱技术的花生中蛋白质和脂肪特征指纹图谱
“指纹图谱”通常指某些复杂物质，如中药，某种生物体、某种组织或细胞的DNA和蛋白质经适当处理后，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。中国农业科学院农产品加工研究所、南京财经大学等单位在不同品种花生蛋白含量图谱（王强，2013）、大豆蛋白含量图谱（Wang et al.，2020）等方面进行了初步探索。通过结合食品原料基础特性，食品原料特征指纹图谱被用于产地溯源、真假判别等；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（Wang et al.，2017；Gong et al.，2018）
“多尺度（multiscale）”通常指长度或时间的跨度，“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。多尺度问题是流体动力学、材料科学、生物学、环境科学、化学、地质学、气象学和高能物理学等不同领域的核心问题。简而言之，多尺度科学跨越了几乎所有的学科。
▲ 食品加工过程中多尺度的基本概念
食品领域“多尺度”现象多种多样，既包括物理“空间”多尺度、数学“时间”多尺度，也包括化学“浓度”多尺度、“因素”多尺度，尽管相关概念并不清晰，甚至可能还存在争议，但是食品体系作为一类典型的复杂系统，其多尺度研究体系的提出与建立迫在眉睫
食品科学领域多尺度问题同样备受关注，如食品纳米组装、功能性多糖的结构解析、蛋白质聚集与凝胶化等，但现有研究仍比较零散。为此，2016 年科技部启动了“十三五”国家重点研发计划首批基础研究类项目“食品加工过程中组分结构变化及品质调控机制研究”（2016YFD0400200），依托该项目，中国农业科学院农产品加工研究所王强研究员团队开展了系统的研究与探索，进行了食品特征组分多尺度结构解析，并结合食品加工条件明晰了食品多尺度结构与其品质功能的关系，也在食品品质功能精准调控方面做出了有益的探索与尝试。
▲ 高水分挤压过程中花生蛋白纤维结构形成机制
项目组王强研究团队借助多尺度的基本概念，系统探究了高水分挤压过程中植物蛋白纤维结构的形成机制（Zhang et al.，2019a，2020a）
总体来说，食品体系作为多相、多组分复杂体系，多相变化、多组分互作将伴随整个加工过程，并直接影响食品品质与功能。本项目自2016 年立项以来，以食品加工过程中特征组分为切入点，初步构建了加工过程、组分结构变化、食品品质功能三者之间的相互关系，并架构了食品多尺度结构与品质功能调控研究的总体思路，进行了一些有益的探索与尝试，初步形成了以“空间”多尺度、“时间”多尺度、“浓度”多尺度、“因素”多尺度为基本概念，以食品原料特征指纹图谱研究、食品反应的过渡态研究、食品特征组分分形研究、食品特征组分超分子组装研究、食品加工中“场理论”研究为外延的“食品多尺度结构”研究新理论。该理论的建立将有助于形成有别于物理、化学、生物学、材料科学等学科的食品加工理论与技术体系，也将助力食品精准营养与高效制造。
▲ 乳液的多尺度结构示意图
针对新型乳化剂玉米纤维胶（CFG），对比同样具有高分子量、支化结构、低黏特性的三种两亲性多糖[辛烯基琥珀酸酐（OSA）改性淀粉、阿拉伯胶和大豆多糖]，本项目组系统研究了其水溶液的本体及气/液和液/液界面的流变性质（Wei et al.，2020，2021），评估了这四种天然高分子乳化乳液的稳定性，并结合多糖分子结构特征，阐明了其流变性质及界面吸附动力学过程，揭示了其乳化机制及乳液稳定性与界面黏弹性的复杂关系，阐述了上述天然乳化剂乳化稳定机制，研究结果不仅有助于发展多糖类天然高分子乳化剂的乳化理论，也为进一步拓展其工业化应用提供了坚实的技术支持
《食品多尺度结构与品质功能调控》（王强主编. 北京：科学出版社，2024.6）来源于该“十三五”国家重点研发计划项目，旨在梳理食品科学领域多尺度结构研究的内涵与外延，从多尺度结构角度阐述了相关最新进展，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支撑。
全书五章，内容包含“食品多尺度研究导论”“食品原料及其制品品质与组分多尺度结构的关联”“食品特征组分多尺度结构变化与其品质功能精准调控”“基于多尺度结构的食品组分互作与品质功能调控”和“基于多尺度结构的食品关键结构（域）形成新机制”。
参与本书编写、整理、实验过程的成员除了编委会人员外，还有黑雪、李闪闪、吴超、张鑫煜、李振源、秦晶晶、黄雪港、雷珍、郭峰，他（她）们为本书涉及的研究内容、书稿整理做出了自己的贡献，同时作者在编写过程中参考了国内外有关专家学者的著作与论文，在此表示衷心的感谢。由于受材料、手段、研究方法及作者水平所限，本书不可避免地会存在一些观点、结论方面的问题和不足，衷心地希望读者在阅读本书的过程中给予批评和指正。
本文摘编自《食品多尺度结构与品质功能调控》（王强主编. 北京：科学出版社，2024.6）一书“前言”“第1 章 食品多尺度研究导论”，有删减修改，标题为编者所加。
责任编辑：李秀伟 白 雪
“多尺度（multiscale）”通常指长度或时间的跨度，“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。食品科学领域多尺度问题同样备受关注。本书梳理了食品科学领域多尺度结构研究的内涵与外延，从多尺度结构角度阐述了食品组分品质功能调控相关最新进展，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支撑。
本书可供科研院所与高等院校相关专业的师生，以及食品加工领域的企业家、技术人员阅读参考。
（本文编辑：刘四旦）
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