數據驅動型模型技術助力解讀食品風味密碼

——北京工商大學食品與健康學院王蓓教授團隊

近年來，風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，但食品中關鍵風味組分及其作用不明晰、風味化合物形成途徑及作用機制不清楚、產品風味品質穩(wěn)態(tài)化評價技術缺乏等核心關鍵技術難題仍長期存在。立足國情，以風味為導向的新型食品品質判別技術開發(fā)是提升我國食品品質和推動我國各項食品特色化的有效途徑。

數據驅動型模型技術是一種基于數據的決策支持系統(tǒng)，核心思想是通過挖掘和分析大量數據，發(fā)現數據背后的規(guī)律和關系，進而為科學研究提供有力支持?；谶@一發(fā)展理念，北京工商大學食品與健康學院王蓓教授團隊（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味物質進行了系統(tǒng)性分析與鑒定，解析其風味形成機理及代謝途徑，建立了高精度食品風味品質判別、產品真?zhèn)闻袆e等統(tǒng)計學模型，并自主研發(fā)了食品風味品質分析軟件，在奶酪分級分析、煎炸油品質快速判別、特色地標產品品質評價等領域應用廣泛，取得了良好的經濟效益。

1　提出“風味感官組學”這一食品中風味組分研究新方法論

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

風味組學和感官組學是兩種常用的食品風味成分分析方法。感官組學是將儀器分析與人類獲得的嗅覺信號相結合，專注于風味活性化合物，目的是識別對感官有直接聯(lián)系的揮發(fā)性化合物。風味組學能夠處理大量的風味數據，基于數據驅動型模型的建立來識別與感官相關的揮發(fā)物。團隊創(chuàng)新性地提出“感官風味組學”這一研究方法，將風味組學機器學習等數據驅動型模型建立中確定的ID化合物與感官組學技術中得到的感官活性化合物相結合，揭示食品風味的產生秘密，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據庫

針對食品中常見的關鍵風味組分信息缺乏以及其對應的感官特征數據缺失的問題，團隊基于不同種類乳制品、大宗糧油、特色地標農產品等常見食品特征風味組分研究基礎，得到食品中500種常見關鍵風味組分信息。在此基礎上，他們進一步通過標準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、保留指數等關鍵數據，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味物質間的協(xié)同作用關系。這一成果從分子層面闡明了食品風味形成的作用機制。研究發(fā)現，風味物質間的相互作用隨濃度比例的變化而變化，且當濃度接近閾值濃度時，更容易發(fā)生風味協(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鍵風味組分信息，建立了快速、準確判別乳制品、大宗糧油、特色地標農產品等常見十幾大類食品特征風味物質的方法；明晰賦予各食品不同香韻屬性的關鍵風味組分，特別是基于質譜多反應監(jiān)測技術對微量風味化合物的準確鑒定；首次建立了食品中常見500種香氣組分特色大型數據庫，登記軟件著作權3件，奶酪品質快速判別技術成果達到國際領先水平，彌補了現有國內食品香氣數據庫的缺失，相關研究成果已在專業(yè)分析儀器公司和乳制品公司開展推廣應用。

3　創(chuàng)制基于身份標識性風味組分的食品感官品質判別技術

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

團隊明確了奶酪、板栗、咖啡、綠茶、牛奶等食品的身份標識性特征風味組分，并且利用機器學習等先進統(tǒng)計學建模方法建立了精準的食品感官品質判別模型。此外，采用信息化手段分析、預測食品品質變化，展現了食品行業(yè)的現代化設計理念，解決了企業(yè)常出現的商品品質不均一、貯藏期某一批次產品出現質量問題等難題，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　食品風味分析關鍵技術的創(chuàng)新與示范應用

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

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

5　結語

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鍵風味組分，攻克了我國食品產業(yè)風味組分研究方法單一、準確度低、無法進行感官預測等關鍵問題。相關研究不僅深化了對食品風味本質的認識，還開發(fā)出多項實用技術，為食品加工企業(yè)帶來了經濟效益，同時也為食品相關產業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展注入新的活力。同時，團隊的創(chuàng)新技術成果直接應用于我國大型分析儀器公司和食品加工企業(yè)，實現了產學研緊密結合。此外，研發(fā)成果有力地推動了我國食品工業(yè)的現代化進程，為推廣具有地理標識的產品和推動我國乳品產業(yè)進一步發(fā)展提供助力。

責任編輯：曾瑞鑫

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