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在日常生活中，人们对食品的追求早已从“吃得饱”转向“吃得好”。然而，在食品加工过程中，风味提升与营养保留、甚至食品安全之间，往往存在难以调和的矛盾：高温加工带来诱人香气的同时，也可能造成营养流失，甚至产生潜在有害物质。
围绕这一关键科学问题，南开大学食品科学与健康研究团队近期在国际权威期刊发表系列研究成果，系统揭示了加工方式与加工环境对食品品质、结构、风味及安全性的协同影响机制，并提出可行的优化策略，为健康食品加工提供了新思路。
01 板栗加工研究：空气炸技术实现“风味+营养”双赢
板栗作为我国重要的特色经济作物，富含淀粉、蛋白质及多酚类活性物质，兼具营养价值与功能潜力。然而，不同热加工方式如何影响其品质，一直缺乏系统研究。借助赛默飞世尔的气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)，研究团队在发表于《Food Chemistry》的研究中，以两种典型板栗品种为对象，对蒸制(100℃)、空气炸(150℃)和烘烤(200℃)三种常见加工方式进行了系统比较。
该研究共鉴定出73种挥发性化合物，并发现不同加工方式对风味形成路径具有显著影响。研究发现，原始板栗中较为丰富的天然挥发物，在热加工过程中会发生显著转化。蒸制条件下，由于温度较低且环境湿润，一部分天然风味得以保留，例如具有青草和花香气息的醇类化合物仍然占据一定比例，使得整体风味呈现出较为清新自然的特征。然而，当加工方式转变为空气炸或烘烤时，随着温度升高以及水分降低，体系中美拉德反应和脂质氧化反应显著增强，挥发物组成发生根本性改变。尤其是在空气炸条件下，GC-MS检测到的挥发性物质种类明显增加，杂环化合物和含氧有机物比例上升，其中如2-呋喃甲醇等典型焦糖香气物质大量生成，使得板栗呈现出更加浓郁且层次丰富的烘焙风味。相比之下，高温烘烤虽然同样促进风味物质生成，但由于反应过于剧烈，会加速多酚损失，降低其潜在健康价值。同时也会产生如1-辛烯-3-醇等带有土腥或蘑菇气味的成分，这类物质往往被认为是不理想风味的重要来源。
通过对这些挥发物的系统分析可以看出，不同加工方式并不仅仅改变风味“强弱”，更重要的是改变了风味的“结构”。空气炸之所以在感官评价中表现最佳，正是因为其在GC-MS层面上形成了一种更加均衡的挥发物组合：既保留了一部分天然香气，又适度引入了焦糖和坚果类风味，同时避免了过度氧化带来的不良气味。这一结果从分子层面解释了消费者对不同加工板栗偏好的差异，也说明风味优化本质上是对挥发物体系的精准调控。
图1 板栗不同加工方式下营养及活性成分变化(点击查看大图)
图2 板栗挥发性风味物质组成与变化
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为了进一步揭示品质变化机制，研究团队引入了一系列先进分析技术，对板栗结构与质构进行深入解析，实现了从微观结构到感官体验的系统关联。结果表明，热加工会显著破坏淀粉结晶结构，但空气炸样品仍保持较高的相对结晶度，这一特性被认为可能与其更稳定的消化行为及潜在血糖调控能力相关。在质构方面，蒸制与空气炸处理显著降低了硬度，使板栗呈现更柔软、糯性的口感，而高温烘烤则使样品变硬、干燥，影响食用体验。同时，烘烤还会引发更强烈的褐变反应，使颜色加深。
图3 不同加工方式对板栗质构与色泽的影响
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图4 热加工方式显著影响板栗风味与质构
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在110名受试者参与的感官评价中，空气炸样品获得最高综合评分。进一步的相关性分析表明，“糯性”“外观”和“香气”是驱动消费者偏好的关键因素，其中糯性与整体喜好度的相关系数高达0.90。
最终，研究明确提出：150℃空气炸是兼顾营养保留与感官品质的最优加工方案。
02 低氧烘焙研究：破解风味与安全的长期矛盾
如果说板栗研究关注“如何更好吃”，那么另一项发表于《Journal of Agricultural and Food Chemistry》的研究，则进一步回答了“如何更安全地好吃”。在传统烘焙过程中，糖类、蛋白质和脂质发生复杂反应，生成丰富风味物质，但同时也会产生丙烯酰胺——一种被国际癌症研究机构列为潜在致癌物的有害物质。
如何在保证风味的同时降低有害物生成，成为食品科学领域的重要挑战。为此，研究团队创新性地引入“氧气浓度”这一关键变量，在190℃和210℃条件下，分别设置5%、10%和21%氧气环境，对黄油曲奇进行系统研究。
图5 不同氧气浓度下丙烯酰胺生成量
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图6 烘焙条件(温度、时间和氧气浓度)与感官属性及总体喜好之间的显著相关性(点击查看大图)
图7 饼干中风味物质与丙烯酰胺的主要生成途径
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实验结果显示，氧气浓度对丙烯酰胺生成具有决定性影响。在常规空气条件(21%氧气)下，其含量显著升高；而在低氧环境(5%)下，可降低约50%，显著提升食品安全性。与此同时，研究团队利用GC-MS对挥发性风味物质进行分析，并结合UPLC-MS/MS精确测定丙烯酰胺含量，通过主成分分析(PCA)构建风味与安全之间的关联模型。在该研究中，团队重点关注了一系列与美拉德反应及脂质氧化密切相关的关键挥发性化合物，如3-甲基丁醛(带有坚果和麦芽香气)、甲硫醛(具有熟土豆香气)、丁二酮(典型奶油香气)以及多种吡嗪类化合物，这些物质共同构成了烘焙食品的核心风味基础。通过GC-MS定量分析发现，这些风味物质的生成与氧气浓度密切相关：在较高氧气环境下，脂质氧化反应更为活跃，醛类和酮类物质含量显著增加，从而强化了烘焙香气；但与此同时，也会促进某些不良风味物质的形成，例如(E)-2-壬烯醛，这类化合物通常带有纸味或陈旧气味，会对整体风味产生负面影响。
更为关键的是，GC-MS结果还揭示了氧气在食品加工中的“双重作用”。一方面，氧气作为反应参与者，可以促进风味物质的生成，使食品具有更浓郁的香气；另一方面，它又通过促进脂质氧化和相关反应路径，加速丙烯酰胺等有害物质的形成。在低氧条件下，这种平衡关系发生了变化。GC-MS数据显示，当氧气浓度降低至5%时，不良挥发物明显减少，而关键香气物质的含量并未显著下降，说明风味并没有简单地“减弱”，而是趋于更加纯净和协调。这一结果与感官评价高度一致：低氧条件下的样品在香气表现上更加柔和自然，整体接受度反而更高。
结果表明，氧气不仅参与脂质氧化和美拉德反应，还会影响关键风味物质的生成路径。在低氧条件下，不良风味物质显著减少，而关键香气成分保持稳定，实现了风味与安全的平衡。
图8 加工条件与风味、安全指标的关联分析(PCA)
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感官评价结果进一步验证了这一趋势：在190℃、5%氧气条件下，样品在香气、口感及整体喜好度方面均表现最佳。
研究最终提出：低氧烘焙是一种兼顾风味品质与食品安全的有效策略。
03 构建食品加工新范式：精准调控驱动品质升级
两项研究虽然对象不同，却在核心科学问题上形成了高度统一：通过精准调控加工条件，实现食品“风味—营养—安全”的协同优化。无论是空气炸技术对热传递方式的优化，还是低氧环境对反应路径的调控，本质上都体现了食品加工从经验驱动向科学调控的转变。
从两项研究可以看出，GC-MS不仅提供了风味物质的“清单”，更重要的是揭示了食品加工过程中复杂的化学反应网络。无论是板栗的热加工，还是曲奇的低氧烘焙，其风味差异都可以追溯到挥发物生成路径的变化，而这些路径又受到温度、氧气等加工条件的精细调控。通过对挥发性物质的深入解析，研究人员得以从分子层面理解“好吃”的来源，并进一步找到在风味、营养与安全之间实现平衡的关键节点。
也正是在这一意义上，GC-MS让食品科学从经验驱动走向机制驱动，使“风味优化”不再依赖反复试验，而是可以通过调控关键参数实现精准设计。这不仅提升了研究的科学性，也为食品工业提供了更加可控和可推广的技术路径。
参考文献：
Yu Z. et al. Comparative analysis of quality, structural, and flavor alterations in chestnuts subjected to different thermal processing techniques. Food Chemistry, 2025.
Deng J. et al. Advancing Butter Cookie Quality: Low-Oxygen Baking as a Dual Approach for Sensory Enhancement and Acrylamide Mitigation. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2025.
作者信息
吕莹爽
副教授，南开大学公共卫生与健康研究院，天津市食品科学与健康重点实验室团队。吕莹爽于美国伊利诺伊大学香槟分校食品科学与人类营养专业获得博士学位， 曾全职担任知名食品与香精公司研发科学家。多次在北美食品科学技术(IFT)及国际食品保护学会(IAFP) 等国际会议年会上进行学术汇报，其科研成果先后4次于IFT年会参评获奖，发表高水平SCI期刊论文数篇，得到了国际同行的广泛认可。在担任公司感官评定部门的负责人期间，主持了风味以及新产品的评估与改良，对多尺度测量结果进行建模分析。
王硕
南开大学特聘杰出教授、博士生导师。国家杰出青年基金获得者、长江学者特聘教授、国家万人计划科技领军人才、教育部“新世纪优秀人才支持计划”人员、国家“百千万人才工程”国家级人选、IUFoST国际食品科学院Fellow、IUFoST执委。“安全科学与工程”第七届学科评议组成员、国家食品安全标准审评委员会委员、国家食品风险评估专家委员会委员、中国营养学会营养与保健食品分会委员、中国营养保健食品协会肠道微生物专业委员会委员、享受国务院特殊津贴。
近年来主要致力于食品营养与健康、食品安全、食品加工过程控制等方向研究，在肠道免疫、能量代谢和机体免疫，基于膳食成分与肠道微生物的互作，母乳功能成分、膳食功能因子与营养素的分泌代谢规律和健康效应，功能纳米材料食品安全精准体外检测和体内可视化研究方法，纳米抗体免疫检测理论和检测技术，加工食品营养素消化性和生物可利用性，加工危害物减控机制及健康危害控制等方面开展大量工作。
以第一作者或通讯作者身份在国内外知名SCI学术刊物上发表论文791篇，总他引次数14218次，H-index为70。2015~2023年连续九年入选Elsevier发布的中国高被引学者榜单。主持和参与出版了9部食品领域专著，获得50余项发明专利授权。近五年先后承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部和人事部等国家级重大科研项目30余项。获得国家科技进步二等奖1项，国家专利优秀奖1项，天津市科技进步一等奖1项，天津市专利金奖1项，教育部、天津市自然科学和科技进步二等奖4项。
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