食品加工过程安全控制理论与技术的基础研究.docx

1、食品加工过程安全控制理论与技术的基础研究食品加工过程安全控制理论与技术的基础研究一、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

2、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、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

3、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

4、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。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

5、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

6、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,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

7、)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15量特征,采用碳组标记技术(CAMOLA)和N同位素示踪技术研究各级活性中2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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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) 奠定食品安全加工全程控制技术的基础:

17、获得23个关键危害因子产生与消除的预测和干预模型,提出23个典型食品加工过程的最佳控制策略,建立12种基于多尺度多传感数据分析以及多变量统计过程诊断的食品加工过程控制技术,开发34个典型食品加工过程的系统控制软件包,完成58项针对油炸食品食品加工过程中多元危害物全程控制关键技术,设计与优化无氨基甲酸乙酯积累的啤酒等传统发酵食品制造流程并应用推广,建立以植物黄酮为核心成分的天然食品添加剂在焙烤食品加工过程中丙烯酰胺阻断关键技术34项并形成标准或技术规范。在此过程中建立交互式多尺度优化控制系统开发出耦合式的食品组分-加工方法-危害物关联模型优化再造发酵食品、油炸/烘焙高淀粉体系、加工油脂等重要食品

18、的加工体系彻底解决末端糖基化衍生物、生物胺、丙烯酰胺、反式脂肪酸、蛋白质高级氧化产物等食品中长期存在的重大潜在危害物问题。 (4) 形成全程控制的食品安全技术平台:通过上述研究构建针对典型食品加工单元过程的食品安全研究平台开发针对食品加工过程产生危害物的毒理学信息数据库发展基于多学科交叉消除导致食品安全的危害物的理论体系建立针对化学危害物和生物危害物的单一/多种危害物生成/积累模型与动力学模拟、潜在危害物毒理学评估与危害等级分析、食品加工过程在线实时检测、安全食品加工过程设计等一系列新技术为解决食品加工过程导致的食品安全问题提供理论依据与技术参考。 (5) 发表论文200篇(包括在食品安全相关

19、领域较有影响力的杂志上发表SCI论文160篇以上其中影响因子10的文章35篇),申请发明专利5060项出版专著35部制订食品行业国际/国内安全标准1618项。 (6) 培养4050名博士100120名硕士新世纪优秀人才4-6人杰青2-3人形成一支在国际食品安全和人体健康领域产生重要影响并具有重要学术地位的研究团队构建支撑食品安全创新研究的国际先进的基地和中心。 三、研究方案 1(总体研究思路和项目研究的技术路线及可行性 (1) 总体研究思路 食品加工过程危害物的产生具有动态性、实时性、多目标性、非线性以及不确定性等复杂特点因此在研究认识加工过程危害物产生和控制规律的过程中必须要正确认识和把握这

20、种多层次的复杂性才能全面综合反映众多危害物与其产生底物以及加工过程之间的互动关系。然而过去的研究通常只局限于某一反应或者有限的几个影响因素进行定量研究相应的研究结果必然也只能表现为对食品加工过程危害物问题的定性描述或者定量特解从而难以了解和抓住其内在成因与规律。 本项目提出安全食品加工全程控制的概念以复杂食品加工体系中各个组分和加工过程进行细致的解构分析为基础以发展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和技术体系为目标结合定向阻断控制加工过程危害物形成与转化的外因途径以及综合风险评估和限制膳食暴露水平的内因途径组织食品科学、发酵工程、分析化学和毒理学

21、等优势力量开展多学科优势综合集成研究。通过对复杂食品加工体系中危害物生成途径与危害程度的发现、认识和创新即发现危害物在复杂体系中生成的关键因素、途径、危害性以及在典型人群膳食中的暴露水平解析食品制造从原料到产品的加工过程中危害物与食品组分和加工方法互作的机理和规律解析食品加工过程中危害物的阻断、抑制、控制和消除的分子机制构建食品加工过程感知网络通过全程监控食品加工过程获得加工过程全程重组和优化创新策略和食品加工创新模式建立食品中多元有害物控制的普适制造过程设计与优化模型(图1)。 图1 学术思路 (2) 技术途径 以各种全面而系统的离线组学手段和在线实时检测与预警手段为主线选择易发生美拉德反应

22、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主要对象由实验分析手段结合计算模拟完成从加工过程危害物生成分子机制、行为效应、毒理学特征、人群暴露水平到加工全过程表征的解析、认识与优化。 利用基于分离(色谱)结构鉴定(质谱)化学计量学数据处理方法相组合的高通量组学分析技术阐明食品加工过程典型化学危害物的产生途径及其行为效应确定控制食品加工过程中有害因子产生的目标加工单元、途径及位点,通过添加自由基阻断因子、调控关键酶定向设计以及植物活性成分创造竞争性抑制环境等研究靶向控制美拉德反应、烷基分子自由基淬灭、阻断具活性羰基的LPOs与蛋白质交联、干预小分子

23、醛类重组等方法获得加工食品中多目标危害物阻断、抑制、控制和消除策略实现加工全过程多元危害物真实生成路径和控制网络的重建。 利用微纳米技术、电化学和光谱学技术、多元识别信息融合技术以及集成智能化全分析系统构建“感知加工”在线检测网络建立有害物质的产生、积累、消减过程监测模式结合危害因子分子分型数据库实现对食品加工过程从原料到产品的全程安全性的诊断和预警。以代谢组学与计算生物学方法构建基于基因、细胞和蛋白质水平代谢网络的食品安全组学毒理分析平台通过研究加工危害物在人群膳食中的暴露水平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技术体系为限量标准的制订提供数据基础和科研依据。 以模糊神经网

24、络和遗传规划方法建立组分变化状态模型、食品品质评价模型、单一和多元有害物生成和迁移转化的系统动力学及实时预测模型预测控制危害物生成和积累的关键节点。以发酵食品、美拉德反应食品体系以及易发生油脂双键异构化食品体系为对象对食品制造过程进行多层次、多阶段、多目标及多模式的解构分析与反馈调节在集成上述食品危害产生机制、抑制途径、过程控制和优化技术等理论和技术基础上研究食品制造单元操作和组分设计、组装、优化和改造的策略构建全程安全控制的食品制造过程设计与构建体系并开发多目标多阶段食品安全综合控制优化系统从食品制造角度提升中国食品的安全水平。 (3) 取得重大突破的可行性分析 1) 理论可行性:本项目针对

25、食品安全加工过程中的三个关键科学问题即危害物产生途径和转化规律的分子基础、加工食品安全性预警机制与风险等级确定依据和食品安全加工全程优化原理与控制策略以典型食品加工过程为研究对象分析加工过程中的组分结构变化揭示食品物理和生物加工过程中危害物形成机制进行加工过程安全性评价及危害物风险评估建立全程多源安全在线检测与预警体系提出食品安全加工最优控制策略最终获得基于全程安全控制的食品制造过程具有充分的理论可行性。本项目预计可在食品加工过程中危害物形成与消长、危害效应评价与危害等级评估、在线检测与实时预警、阻断与抑制、控制与消除等方面取得重大突破。 2) 技术可行性:由于对食品安全问题的日益重视国内食品

26、安全及相关的交叉领域的研究获得了较大的发展完全具备了开展食品加工过程安全性研究所需的技术条件在典型的食品加工过程及与食品危害物产生相关的食品加工过程、食品微生物、食品级代谢工程、计算平台、基因芯片、功能基因组、蛋白质组和代谢物组分析平台等方面都具有了良好的研究条件已经形成了支撑研究内容的先进实验平台为解决食品加工过程中典型危害物的形成、积累与调控等相关科学问题奠定了技术基础。 3) 研究基础可行性:本项目组织了国内从事食品安全加工领域的优势单位拥有开展本课题研究的所有设备包括实时荧光定量PCR仪、HPLC、二维电泳、核磁共振分析仪、LC/MS、GC/MS等。同时本项目的主要研究人员在食品加工过

27、程、食品生物技术、代谢组学分析技术、蛋白质组学技术等方面已经有坚实的研究积累在国际国内相关领域均具有一定影响,这支研究队伍和我国食品行业的龙头企业已经形成良好的产学研合作关系通过基础研究获得的研究成果有望尽快进入产业开发阶段。 2(创新点和特色 (1) 创新点: 1) 新思路:以实现被动应付到主动保障为目标设计项目总体研究方案。目前国际上开展的食品加工过程安全研究大多集中在危害物发现和检测方法探索方面关于危害物控制方面也只主要集中在模拟体系研究、单一危害物的生成机制和阻断途径等方面。由于食品体系的复杂性导致现有方法无法指导实际食品加工过程中的危害物控制更无法实现预期目标食品安全控制处于被动应付

28、境地。本项目在设计项目过程中始终坚持以实现主动保障型加工体系为目标设计基于模拟和实际体系相结合的研究对象全过程动态解析和优化调控的研究方法危害物发现、危害评估和控制并重的研究模式为实现食品安全控制由被动应付向主动保障转变提供科学技术基础。 2) 新途径:开发食品加工过程中多种危害物的同时阻断、抑制、控制和消除的新途径。现有文献报道国内食品产品中丙烯酰胺、反式脂肪酸、氨基甲酸乙酯、生物胺和亚硝胺等典型的食品加工过程生成有害物的含量普遍显著高于美国、日本和欧洲等国家的同类产品水平。本项目通过设计基于阻断生成危害物的化学/生化反应途径、抑制危害物生成、控制反应速率/方向以及消除已生成的危害物四个角度

29、研究食品加工过程中多目标危害物同步控制的新途径提出针对性、可操作性更强的食品加工过程优化控制新策略在提高食品制造安全水平方面取得重大突破。 3) 新体系:系列食品产品的安全制造新体系。食品加工过程会产生很多新物质这些物质有些是有益于食品品质的但也有些是对人体健康不利的。在目前已有的食品加工体系中普遍只考虑如何提升产品的风味色泽、质构以及生产效率很少考虑体系中危害物的控制。从全面提高加工食品安全性并保持食品应有品质的理念出发加工过程产生的所有危害物都应该被充分控制同时不损害食品品质。本项目通过设计基于新监测指标体系、新工艺条件、新控制体系、新加工和产品标准体系建立高蛋白食品、高油脂食品和发酵食品

30、三类典型食品的安全加工新体系将惠及国内52%的食品加工行业大幅提升我国加工食品安全水平提高我国食品工业的可持续发展能力和国际竞争能力。 (2) 特色: 1) 针对性:特别强调针对食品加工过程以三大类食品体系(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)中普遍存在的五种典型危害物(丙烯酰胺、杂环胺、晚期糖基化终末产物、反式脂肪酸和氨基甲酸乙酯)为对象在模拟和实际体系中生成的分子机制、行为效应、监测预警和全程优化控制方法结合风险评估打造系列食品产品的安全制造新体系从而实现我国加工食品安全从被动应付到主动保障。 2) 前瞻性:根据我国目前食品安全事件

31、频发、特别是食品加工过程领域由于缺乏基础研究而导致的标准缺失(国际贸易技术壁垒)、控制手段有限、国际公司竞争挤压以及消费者对食品安全问题的心理恐慌等实际情况将危害物变化规律、甄别和检测方法、人群膳食暴露水平、过程优化等结合开发多组分危害物同时阻断、抑制、控制和消除综合技术通过模拟体系与实际体系研究相结合、单一机制与全过程动态优化相结合、以及危害物的发现、评估和控制并重的研究模式为食品安全控制从被动应付到主动保障转变提供科学与技术基础具有较强的前瞻性。 3) 系统性:本项目围绕食品加工过程中危害物形成机制、检测评估和干预控制从导致加工过程食品危害物产生的物质基础、行为效应、定向干预分子机制到针对

32、不同加工体系系统开展食品加工过程全程模拟和安全控制研究提出动态调控方法将形成一套完整的加工过程食品危害物防控理论和方法,进一步针对不同危害物以及多种危害物联合危害效应系统开展危害物在线实时检测、在人群中的膳食暴露水平和风险等级评估将为加工食品安全性的预测预警提供扎实基础,在加工过程食品安全控制研究中以为主要研究对象将过程全局优化控制理论与三大食品加工体系中五种典型危害物的阻断、抑制、控制和消除进行有机结合将基础研究与技术应用紧密结合。整个项目研究融合多学科交叉优势通过系统性研究可使项目获得的创新理论和方法真正对提升加工食品的安全性发挥科学的指导作用。 3(课题设臵与各课题间相互关系 围绕典型食品加工过程