2012cb720800 食品加工过程安全控制理论与技术的基础研究

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： 陈坚 江南大学 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、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。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； 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) 奠定食品安全加工全程控制技术的基础：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 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 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 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，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课题设置与各课题间相互关系 围绕典型食品加工过程中的食品安全问题关键基础科学问题：(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，以对国民经济和社会稳定具有 重大影响的典型食品加工过程(高脂肪、高蛋白、发 酵食品)为研究对象，以食品 加工过程中的发现 认识 创新为主线，从危害物产生 危害物实时监测- 预测预警 危害物风险评估 危害消除动态反馈-调控优化 食品安全全 程控制控制与优化等角度分段设置 6 个研究课题(图 2)： 课题一：食品加工过程组分结构变化及危害物产生机理 课题二：发酵食品生物危害物的形成机制与消除策略 课题三：食品加工全过程多源安全在线检测与预警体系 课题四：食品加工过程安全性评价及危害物风险评估 课题五：食品加工过程优化理论与控制策略研究 课题六：食品安全全程控制的食品制造过程设计与构建 图 2 课题设置思路 各课题通过解决的科学问题实现有机关联，通过各自的研究目标组成了食 品加工过程基础科学问题的研究网络。其中，课题 1、2 为其它课题提供基本原理， 课题 3 和课题 4 为其它课题提供方法学依据，课题 14 中产生的理论知识在课 题 56 中实现 最终整合，为构建食品安全全程控制的食品制造过程设计与构建 提供充分的理论与实践依据。 课题一：食品加工过程组分结构变化及危害物产生机理 主要研究内容 针对食品加工过程中重要组分结构变化深入解析，探讨化学危害物形成的 物质基础，基于热( 动)力学原理和结构生物学新技术，研究多元组分交互反应过 程及其行为效应，分析确定影响危害物形成的关键节点，探索多种危害物或健康 不良因子的形成途径和变化规律，从分子水平揭示食品加工过程中多源危害物 形成与干预、阻断与控制的相关机制。 (1) 食品加工过程中组分结构变化和规律解析 研究不同加工单元 (热效应、物理 场、超高压等)对 食品重要组分(碳水化合 物、蛋白质、 酶 及脂肪酸等) 结构性质的影响，基于多层次分子立体结构( 链结构、 聚集态结构和空间构象)变化解析，研究脂肪氧化产物活性羰基与蛋白质、碳水 化合物等多种分子之间的交互作用，探讨体系微环境 (团簇效应、供/受电子基团、 空间位阻)对危害物产生的影响规律；基于组学高通量筛选和多维色谱-质谱联用 技术，加工过程产生的新化合物，阐明杂环胺、丙烯酰 胺、蛋白质末端糖基化衍 生物等典型有害化合物的主要生成途径、旁路、中间体结构以及关键前体物质， 从分子水平上获得现代食品加工中食品组分的结构变化诱导危害物形成的机制。 (2) 加工过程中多元化学危害物的生成途径及行为效应 采用现代仪器分析技术对多目标危害物及其各级中间产物进行分子特征标 识，研究食品加工条件( 温度、水分活度、离子强度、物理场等)对末端羰基衍生物 等危害物形成焓变、熵变、反应能级和生成速率的影响，揭示食品加工 过程中危 害物产生的热( 动) 力学反应 机制；结合碳组标记技术(CAMOLA)和 15N2同位素示 踪技术，跟踪各级活性中间 体碳链结构的变化，采用自旋电子共振波谱技术对危 害物生成过程中的活性羰基进行跟踪监测，找出反应过程中危害物形成的关键 节点，描述食品加工过程典型化学危害物的产生途径及其行为效应。 (3) 加工过程中危害物定向干预的分子机制 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、 羟基分子自由基淬灭、阻断具活性 羰基的LPOs与蛋白质交联、干 预小分子醛类重组等方法，并探索建立危害物产生 过程中组分与组分相互作用、 组分与加工条件的相互作用，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，揭示靶向控制、阻断和降低危 害物生成的分子机制。 预期目标： (1) 针对 46 种代表性食品加工过程，揭示组分和加工过程变化条件下的组分结 构变化与危害物产生关联机制； (2) 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； (3) 针对 1015 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； (4) 针对 78 种已知和潜在危害物，形成基于反应热力学和反应动力学的食品加 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 2-3 套； (5) 在 SCI 期刊上 发表论 文 2025 篇，申请专利 810 项，培养 68 名博士研究 生，1520 名硕士研究生，出版食品 热加工过程产生的食品安全问题专著 1 部。 主要承担单位：华南理工大学、中科院大连化学物理研究所 课题负责人：李琳 经费比例：14.5 % 课题二：发酵食品生物危害物的形成机制与消除策略 主要研究内容 深入研究食品发酵过程中关键生物危害物形成的分子基础及其调控机制。 以此为基础，课题针对由于微生物代谢导致的食品安全问题，通过构建食品级代 谢工程操作体系消除其分子基础，并在不改变微生物群落结构的情况下，实现单 个微生物的原位置换，为在不影响食品风味的前提下实现的发酵食品全程安全 制造提供理论依据。 (1) 食品发酵过程中生物危害物形成的分子基础及其调控机制 基于对典型食品发酵过程中关键微生物的全基因组测序结果，构建其全基 因组规模代谢网络，并通过发 酵过程生理生化特性表征对代谢网络模型进行修 正，分析与关键生物危害物形成密切相关的代谢途径及其调控网络。通过 RNASeq技术、iTRAQ等高通量的组学手段，从碳、氮代 谢物阻遏效应等全局调控 机制入手，分析发酵过程关 键微生物遗传背景与典型生物危害物的相互关系及 其关键控制基因，系统阐明原料组分、工 艺条件和微生物群落结构对发酵过程典 型生物危害物( 氨基甲酸乙酯、生物胺、亚硝胺等) 的合成、积累与降解的影响及 其调控机制。 (2) 基于代谢工程技术的发酵食品生物危害因子消减策略 利用系统生物学技术在关键食品微生物基因组中迅速鉴别出基因工程操作 必需的元件：野生型质粒的复制起点/相关蛋白、具不同特性启动子/ 终止子体系、 密码子偏爱性、转录/翻译调 控因子、抗性或其他可作为筛选表型及其基因，并找 出合适的异源基因转化方法。系统整合上述信息，构建无外源基因引入的食品级 代谢工程操作体系。根据系统生物学技术确定的改造位点，通过食品级代谢工程 操作消除关键生物危害物形成的分子基础，发展出针对传统发酵食品微生物的 食品级代谢工程方法。 (3) 食品发酵过程中微生物群落效应与干预机制 在传统发酵食品混菌系统中，主要的发酵过程和生物危害物的产生通常都 是由一种微生物主导的。其他的一系列混合微生物虽然不参与主体营养物质的 代谢，但 对于产生特定的风 味是必不可少的。因此， 针对一种或有限的几种微生 物的代谢工程操作，通常无法在提高发酵食品安全性的基础上保证最终发酵食 品的风味。因此，利用噬菌体特异感染技术、差异性生长区分、特异底物刺激、微 生物群落全微生物分离-耦合技术开发一系列能够实现代谢工程菌株-野生型菌 株置换的微生物群落操作技术，在不改变食品风味的前提下，显著提高传统发酵 食品安全性。 预期目标： (1) 在基因组水平和代谢网络水平系统阐明 46 种重要生物危害物及其直接前 体在典型发酵食品制造过程中的形成和积累机制； (2) 建立针对 68 种食品发酵关键微生物的食品级代谢工程体系，通过代谢工程 改造有效消除生物危害物积累的分子基础； (3) 在尽可能保持传统发酵食品风味和营养成分不发生显著改变的情况下，采用 原位置换策略，得到不 产生物危害物的传统发酵食品混菌发酵体系； (4) 在 Journal of Agricultural and Food Chemistry、Food Microbiology、Applied Environmental Microbiology、Metabolic Engineering、Molecular Systems Biology 等食品微生物与生物工程类国际权威 SCI 期刊上发表论文 2530 篇， 申请专利 1012 项，培养 68 名博士研究生， 1520 名硕士研究生，出版食 品生物加工过程产生的食品安全问题专著 1 部。 主要承担单位：江南大学、内蒙古农业大学 课题负责人：陈坚 经费比例：22% 课题三：食品加工全过程多源安全在线检测与预警体系 主要研究内容 本课题以“实时监测 诊断 预警” 为主线， 针对加工食品和发酵食品的有害 物质的生成、迁移和转化的关 键问题，以微 纳米技术 和现代分析为危害物识别和 信号增强手段，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 食品加工的在线自动监测与 计算机智能控制的完美结合， 实时反映食品加工过程中由原料至产品的品质变 化，准确溯源危害因子，动态反馈和预警安全信息，保障食品质量安全。 (1) 危害因子的识别机理与检测信号增强方法 针对三大类食品加工技术产生的主要危害因子，采用纳米生物传感、近/中红 外光谱、 电化学分析、免疫技术、表面增 强拉曼等技 术，结合现代化学计量学，探 索危害物与快速判别模式，建立有害物质的来源快速识别与含量测定模型；设计 并制备新型石墨烯复合物、 肽纳米管、多 维纳米SERS芯片等为代表的信号放大 介质，提高功能化载体信号增 强效率，探索 结构特征与与敏感结构的作用机制， 构筑灵敏的识别与放大界面，降低基体干扰；发展灵敏度高、特异性强的分析方 法，微纳 米尺度上集成和优 化典型危害因子检测体系，研制离线、 单点检测设备。 (2) 多源在线检测网络的设计与构建 采用多元识别信息融合技术，集成智能化全分析系统，建立性能稳定、重 现 性好的检测器阵列，兼容性集成传输电路， 实现高通量的实时检测分析，构建 “感 知加工”检测 网络；根据发 酵体系、高温肉制品体系以及烘焙体系的危害因子关 键 控制点，探索提高监测效率的有效途径；监控加工环节产生危害因子，发展食品 加工过程中安全检测与监控信息网络，实现安全数据实时、在线的检测与智能分 析功能一体化的全分析系统。 (3) 基于有效信息特征抽提与集成的监测、诊断和预警系统 围绕典型加工过程中危害因子分子分型基础数据库，构建数据库信息管理 系统，建立食品安全敏感性指 标，构建有害物 质快速 鉴定和溯源模型；采用“ 感知 加工”监测与分析系 统，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，提取并集成有效信息，结合危害因子数据深度发掘体系，及 时反映食品加 工过程中由原料到产品的品质变化，对危害因子进行在线跟踪，实现智能化监测、 诊断和预警；通过反馈线路，实现加工全过程的安全控制及产品质量最优化。 预期目标： (1) 突破中近红外光谱、拉曼光谱及传感器、生物分析谱等加工过程化学物结构 信息实时在线检测技术； (2) 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，合成 5060 种新型生物兼容材料； (3) 研制基于微纳效应的氨基甲酸乙酯、生物胺、亚硝胺、丙 烯酰胺、反式脂肪酸 的在线检测设备； (4) 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； (5) 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，建 立加工过程多源安全嫌疑物形成的食品安全预警体系； (6) 在 SCI 期刊上 发表论 文 2530 篇，申请专利 810 项，培养 68 名博士研究 生，1520 名硕士研究生，出版食品安全新检测技术专著 1 部。 主要承担单位：天津科技大学、中国检验检疫科学研究院、华南农业大学 课题负责人：孙远明 经费比例：14.5% 课题四：食品加工过程安全性评价及危害物风险评估 主要研究内容 食品加工过程中危害物的危害识别及其基于损伤机制的风险表征是制定食 品限量标准的科学基础。课题针对食品加工过程中产生的已知和潜在危害因素， 综合运用组学和体外替代新技术，从分子、基因和蛋白 质三个层面探索毒性物质 的作用机制，发展生物学分子 标志物(包括接触性和效应性)，建立基于毒性通路 的中国 TT21C(21 世纪毒理学测试技术)；阐明危害物质的早期生物效应产物与人 体暴露水平的关系，建立化学危害物的风险评估新模型和新理论。 (1) 识别新型危害物机体应激及分子生物标志物的建立 针对食品加工过程中产生的新型和潜在危害物，建立敏感测试细胞、大鼠、 线虫等研究模型，探索危害物机体应激和内源性代谢产物的形成、转移过程；通 过分子流行病学和代谢组学手段，研究危害物及其早期羟基化或环氧化活性代 谢物与内源性大分子损伤的交互作用，分析和筛选体内可能产生的 DNA 加或血 红蛋白加会物及其应激产物，探索危害物的接触、效 应及人群易感性分子生物标 志物；运用现代组学技术，建立毒性物质对体外毒性的基因/蛋白质/ 代谢产物表 达谱，获 得毒性损害的相关基因/蛋白质/代谢产物，预测毒物在生物体内迁移转 化的代谢规律。 (2) 基于组学技术建立的高通量 TT21C 中国模型 以敏感测试细胞为对象，结合多种组学技术，以 DNA-损伤的经典毒性通路 (如 p53-mdm-2 和 PPAR-受体)，建立典型危害物毒性作用和蛋白标志以及细胞 代谢产物之间的联系，探索在中国率先应用 21 世纪毒理学测试技术(TT21C)的 技术路线图；对加工过程中产生的新型危害物，通过分析其诱导敏感测试细胞的 蛋白和代谢物图谱变化，建立相关的蛋白组和细胞毒性数据库；整合代谢组学与 计算生物信息学，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。 (3) 新型热点危害物暴露评估与食品安全风险表征 发展食品安全风险暴露评估理论和方法，重点针对人群膳食中丙烯酰胺、氯 丙醇脂肪盐酸酯、氨基甲酸乙 酯等新型国际热点危害物的污染分布，开发人体暴 露的概率性评估模型阈值通过基准剂量和暴露评估模型建立风险表征模型，定 性和定量推断食源性危害的风险等级，提出人群膳食风险控制措施，为限量标准 的制订，掌握食源性疾病的 变化趋势和制订食源性疾病控制对策提供重要依据。 预期目标： (1) 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； (2) 提出基于组学技术和毒性通路的 21 世纪毒理学测试技术(TT21C)的中国技 术路线图，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； (3) 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； (4) 在 SCI 期刊上 发表论 文 2025 篇，申请专利 810 项，培养 68 名博士研究 生，1520 名硕士研究生，制 订食品行业国际/ 国内安全 标准 1618 项。 主要承担单位：中国疾控中心、上海交通大学 课题负责人：吴永宁 经费比例：14.5% 课题五：食品加工过程优化理论与控制策略研究 主要研究内容 基于对典型加工过程中食品组分的特定变化规律和多目标危害物的特征辨 识方法，建立组分变化、品质评价、危害物消 长等系 统模型，进行模型的鲁棒性 和容错性分析，并结合加工体系中的流变特性、 传热传质规律和过程动力学，确 定危害物生成的单目标和多目标控制函数。在此基础上，探索在复杂加工条件下 食品组分- 加工条件- 危害程度的相互作用规律，发展食品加工过程中危害物的阻 断、抑制、控制和消除策略。 (1) 单一有害物在食品加工过程中生成规律的模型化及过程模拟 针对典型食品加工过程中危害物的形成，如高温加工淀粉食品中丙烯酰胺、 油炸食品中反式脂肪酸以及高蛋白食品中杂环胺等，在不同的流变特性、传热传 质规律、反 应动力学体系中，采用模糊神经网络等方法建立描述危害物的形成与 关键变量( 如温度梯度变化、 时间动态迁移、前体及底物浓度分布等)之间的数学 模型，进 行模型参数的灵敏性和适用性分析， 预测危害物(以丙烯酰胺、反式脂肪 酸、杂环 胺为代表) 的产生规律。 (2) 多元有害物生成和迁移转化的系统动力学分析及实时预测 基于食品加工过程中可能存在多种危害物(丙烯酰胺、反式脂肪酸、 杂环胺) 同时形成的特点，利用多目 标动态系统的特征标识法，多尺度关联过程条件与危 害物消长，确定各种危害物 产生和迁移转化规律及模式；利用遗传规划建立基于 SCP(统计过程控制)和 FMECA(失效模式、影响及危害程度分析) 方法的系统动力 学模型，研究模型系统辨识方法及参数估计收敛条件的鲁棒性、容错性，最 终获 得可准确预测过程条件最大信任度区间和多元危害物浓度变化的动力学模型。 (3) 食品品质及关键危害物的多目标优化与控制策略 以建立的食品加工过程中组分变化状态模型、食品品质评价模型、危害物产 生和迁移转化的实时预测模型为基础，深入解析关键加工参数对系统模型中食 品品质表征因子和危害物抑制因子的影响，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、多因素函数，利用具有量子行为的粒子群优化算法 进行参数寻优，获得最佳食品加工参数，确定最 优控制策略，为最终实现安全风 险最小化和食品品质最佳化奠定理论基础。 预期目标： (1) 获得 23 个关键危害因子产生与消除的预测和干预模型； (2) 提出 23 个典型食品加工过程的最佳控制策略； (3) 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； (4) 开发 34 个典型食品加工过程的系统控制软件包； (5) 在 SCI 期刊上 发表论 文 2025 篇，申请专利 810 项，培养 68 名博士研究 生，1520 名硕士研究生，出版食品安全加工过程理论与技术专著 1 部。 主要承担单位：中国农业大学、南昌大学 课题负责人：胡小松 经费比例：14.5% 课题六：食品安全全程控制的食品制造过程设计与构建 主要研究内容 选择易发生美拉德反应的