數(shù)據(jù)驅(qū)動型模型技術(shù)助力解讀食品風(fēng)味密碼

——北京工商大學(xué)食品與健康學(xué)院王蓓教授團隊

近年來，風(fēng)味多樣化與健康功能化逐漸成為我國食品行業(yè)的主流發(fā)展趨勢，對我國食品制造業(yè)發(fā)展提出了全新的要求。目前，我國的食品工業(yè)發(fā)展迅猛，但食品中關(guān)鍵風(fēng)味組分及其作用不明晰、風(fēng)味化合物形成途徑及作用機制不清楚、產(chǎn)品風(fēng)味品質(zhì)穩(wěn)態(tài)化評價技術(shù)缺乏等核心關(guān)鍵技術(shù)難題仍長期存在。立足國情，以風(fēng)味為導(dǎo)向的新型食品品質(zhì)判別技術(shù)開發(fā)是提升我國食品品質(zhì)和推動我國各項食品特色化的有效途徑。

數(shù)據(jù)驅(qū)動型模型技術(shù)是一種基于數(shù)據(jù)的決策支持系統(tǒng)，核心思想是通過挖掘和分析大量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和關(guān)系，進而為科學(xué)研究提供有力支持?；谶@一發(fā)展理念，北京工商大學(xué)食品與健康學(xué)院王蓓教授團隊（以下簡稱“團隊”）對不同種類奶酪、大宗糧油、板栗、牛奶、綠茶、咖啡等常見十幾大類食品的特征風(fēng)味物質(zhì)進行了系統(tǒng)性分析與鑒定，解析其風(fēng)味形成機理及代謝途徑，建立了高精度食品風(fēng)味品質(zhì)判別、產(chǎn)品真?zhèn)闻袆e等統(tǒng)計學(xué)模型，并自主研發(fā)了食品風(fēng)味品質(zhì)分析軟件，在奶酪分級分析、煎炸油品質(zhì)快速判別、特色地標(biāo)產(chǎn)品品質(zhì)評價等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，取得了良好的經(jīng)濟效益。

1　提出“風(fēng)味感官組學(xué)”這一食品中風(fēng)味組分研究新方法論

食品風(fēng)味是食品質(zhì)量的核心要素之一，直接影響著消費者的購買決策和食用體驗。因此，深入研究食品風(fēng)味，揭示其風(fēng)味形成機制，有助于食品企業(yè)開發(fā)出更符合消費者口味需求的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的市場占有率和經(jīng)濟效益，也可以促進食品生產(chǎn)工藝的改進和優(yōu)化，提高產(chǎn)品的風(fēng)味品質(zhì)和穩(wěn)定性。

風(fēng)味組學(xué)和感官組學(xué)是兩種常用的食品風(fēng)味成分分析方法。感官組學(xué)是將儀器分析與人類獲得的嗅覺信號相結(jié)合，專注于風(fēng)味活性化合物，目的是識別對感官有直接聯(lián)系的揮發(fā)性化合物。風(fēng)味組學(xué)能夠處理大量的風(fēng)味數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動型模型的建立來識別與感官相關(guān)的揮發(fā)物。團隊創(chuàng)新性地提出“感官風(fēng)味組學(xué)”這一研究方法，將風(fēng)味組學(xué)機器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)驅(qū)動型模型建立中確定的ID化合物與感官組學(xué)技術(shù)中得到的感官活性化合物相結(jié)合，揭示食品風(fēng)味的產(chǎn)生秘密，解決了很多行業(yè)實際問題。

2　建立常見食品香氣組分特色數(shù)據(jù)庫

針對食品中常見的關(guān)鍵風(fēng)味組分信息缺乏以及其對應(yīng)的感官特征數(shù)據(jù)缺失的問題，團隊基于不同種類乳制品、大宗糧油、特色地標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品等常見食品特征風(fēng)味組分研究基礎(chǔ)，得到食品中500種常見關(guān)鍵風(fēng)味組分信息。在此基礎(chǔ)上，他們進一步通過標(biāo)準(zhǔn)品確定了每一種香氣組分的特征離子碎片信息、樣品感官特征、化合物閾值、保留指數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并且采用香氣活性值、S型曲線模型、σ－τ圖法、Feller加性模型、PDE模型等手段揭示了食品中風(fēng)味物質(zhì)間的協(xié)同作用關(guān)系。這一成果從分子層面闡明了食品風(fēng)味形成的作用機制。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)味物質(zhì)間的相互作用隨濃度比例的變化而變化，且當(dāng)濃度接近閾值濃度時，更容易發(fā)生風(fēng)味協(xié)同作用。

該團隊的研究首次從大規(guī)模食品中明確多種關(guān)鍵風(fēng)味組分信息，建立了快速、準(zhǔn)確判別乳制品、大宗糧油、特色地標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品等常見十幾大類食品特征風(fēng)味物質(zhì)的方法；明晰賦予各食品不同香韻屬性的關(guān)鍵風(fēng)味組分，特別是基于質(zhì)譜多反應(yīng)監(jiān)測技術(shù)對微量風(fēng)味化合物的準(zhǔn)確鑒定；首次建立了食品中常見500種香氣組分特色大型數(shù)據(jù)庫，登記軟件著作權(quán)3件，奶酪品質(zhì)快速判別技術(shù)成果達到國際領(lǐng)先水平，彌補了現(xiàn)有國內(nèi)食品香氣數(shù)據(jù)庫的缺失，相關(guān)研究成果已在專業(yè)分析儀器公司和乳制品公司開展推廣應(yīng)用。

3　創(chuàng)制基于身份標(biāo)識性風(fēng)味組分的食品感官品質(zhì)判別技術(shù)

針對食品儀器分析得到的客觀風(fēng)味組分檢測結(jié)果與感官評價專家小組感官評價主觀結(jié)果之間缺乏相關(guān)性的問題，團隊基于已有風(fēng)味數(shù)據(jù)庫信息，進一步結(jié)合感官評價結(jié)果和信息增益等統(tǒng)計學(xué)分析方法，確定并得到不同食品種類中預(yù)期關(guān)鍵感官屬性相關(guān)的身份標(biāo)識性特征風(fēng)味組分。在此基礎(chǔ)上，團隊進一步構(gòu)建訓(xùn)練集，用支持向量機等統(tǒng)計學(xué)建模方法建立判別模型，從而對食品感官品質(zhì)判別、產(chǎn)品真?zhèn)闻袆e等進行確定。模型準(zhǔn)確率達85％以上，具有較高的商業(yè)價值，解決了客觀風(fēng)味組分檢測結(jié)果與感官評價主觀結(jié)果之間缺乏相關(guān)性的問題。

團隊明確了奶酪、板栗、咖啡、綠茶、牛奶等食品的身份標(biāo)識性特征風(fēng)味組分，并且利用機器學(xué)習(xí)等先進統(tǒng)計學(xué)建模方法建立了精準(zhǔn)的食品感官品質(zhì)判別模型。此外，采用信息化手段分析、預(yù)測食品品質(zhì)變化，展現(xiàn)了食品行業(yè)的現(xiàn)代化設(shè)計理念，解決了企業(yè)常出現(xiàn)的商品品質(zhì)不均一、貯藏期某一批次產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題等難題，同時可以優(yōu)化人工成本，減輕企業(yè)用工難的問題，進而解決行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

4　食品風(fēng)味分析關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新與示范應(yīng)用

在技術(shù)理念創(chuàng)新的同時，團隊開發(fā)了食品風(fēng)味分析軟件，在島津企業(yè)管理（中國）有限公司氣質(zhì)儀器上進行應(yīng)用研發(fā)，并投入實際生產(chǎn)。目前，該分析軟件已應(yīng)用到牛奶感官品質(zhì)快速判定、酸奶香氣快速分型技術(shù)以及奶酪奶香味分級判別等方面?；谘邪l(fā)的成果數(shù)據(jù)庫，團隊已與相關(guān)軟件分析公司、儀器公司對接，首次推出了一款應(yīng)用范圍廣（涉及乳制品、大宗糧油、板栗、肉制品等10項產(chǎn)品）、針對性強（數(shù)據(jù)庫可針對乳制品進行運用）、準(zhǔn)確度高的食品風(fēng)味分析軟件。近兩年，這一軟件已經(jīng)在各食品領(lǐng)域投入實際生產(chǎn)，島津企業(yè)管理（中國）有限公司將該技術(shù)應(yīng)用于食品感官品質(zhì)判別相關(guān)領(lǐng)域，取得了良好的經(jīng)濟效益。

團隊依托上述研究成果，近5年發(fā)表SCI期刊論文60余篇，參與制定地理標(biāo)識性產(chǎn)品地方標(biāo)準(zhǔn)1項，登記軟件著作權(quán)3件，獲得上海市科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎、全國市場監(jiān)管科研成果獎一等獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科學(xué)技術(shù)獎特等獎、中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)新獎二等獎等多項獎勵。這些技術(shù)成果在提升我國食品產(chǎn)業(yè)感官品質(zhì)中發(fā)揮重要作用，創(chuàng)制的軟件和技術(shù)已應(yīng)用于乳品、糧食、板栗加工等行業(yè)，突破了我國食品產(chǎn)業(yè)風(fēng)味組分研究方法準(zhǔn)確度低、應(yīng)用范圍窄等技術(shù)難題。

5　結(jié)語

王蓓教授團隊立足我國食品行業(yè)發(fā)展的基本境況，充分研究各類常見食品的關(guān)鍵風(fēng)味組分，攻克了我國食品產(chǎn)業(yè)風(fēng)味組分研究方法單一、準(zhǔn)確度低、無法進行感官預(yù)測等關(guān)鍵問題。相關(guān)研究不僅深化了對食品風(fēng)味本質(zhì)的認識，還開發(fā)出多項實用技術(shù)，為食品加工企業(yè)帶來了經(jīng)濟效益，同時也為食品相關(guān)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展注入新的活力。同時，團隊的創(chuàng)新技術(shù)成果直接應(yīng)用于我國大型分析儀器公司和食品加工企業(yè)，實現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合。此外，研發(fā)成果有力地推動了我國食品工業(yè)的現(xiàn)代化進程，為推廣具有地理標(biāo)識的產(chǎn)品和推動我國乳品產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展提供助力。

責(zé)任編輯：曾瑞鑫

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