第七届青教赛一等奖第一名教师的讲课也太赞了吧！
今天给大家分享的是第七届青教赛工科组一等奖第一名教师的讲课逐字稿，来自中国农业大学程楠老师的作品《食品卫生与安全控制》，在这堂课中，程老师的讲述娓娓道来，不仅丝滑地融入了课程思政，还非常具有食品专业的特色，建议搭配视频一起观看哟~
各位同学大家好，请大家通过长江雨课堂扫码签到。食品安全是对每个人生命来说至关重要的保障，同时也是我国最基本的民生战场。想要将食品安全问题消灭于萌芽，让未雨绸缪代替亡羊补牢，那就离不开我们食品人的专业守护。而今天我们上课的内容就是食品质量与安全专业，食品卫生与安全控制这门必修课的第六章，食品添加剂与食品安全的一个节选：亚硝酸盐——天使还是魔鬼。
同学们还记得这个风靡海内外的美食纪录片吗？舌尖上的中国里面介绍的金华火腿令人久久难忘，它这样描述：金华火腿，肌红脂白，香气浓郁，滋味鲜美，这是盐腌日晒的功劳，也是中国人绵延千年的智慧。那么这肌红脂白、盐腌日晒的背后，到底是什么样的中国智慧呢？原来呀在火腿加工的过程当中，往往需要添加亚硝酸盐作为腌制混合盐的成分，这种做法已经有上千年的历史，早在宋史科技卷中就有记载，并于 13 世纪传入欧洲，直至今日仍在世界各国广泛使用。但是同学们不禁要问了，我们经常在媒体报道上看到说，亚硝酸盐致癌呀，那为什么还要添加在火腿当中？我们又该如何检测它呢？
带着这两个问题，让我们一起走进今天的课程。希望同学们能够达成以下学习目标：结合亚硝酸盐的基本特征，去分析它的作用原理，然后再进一步设计相应的检测方案。参考了同学们在线上教育平台进行课前自测的情况，下面就让我们一起来学习一下共性的知识盲点和我们这节课的重点和难点。
首先，我们来学习亚硝酸盐的基本特征。从宏观上来看呢，亚硝酸盐是这种的白色粉末，没有任何气味，易溶于水，味道微微咸。而它的微观结构呢，是呈现一个v字形，两个氮氧键，键角 115 度，正三甲的氮。由于这个正三价呀，是处于一个中间价态，所以使它具有良好的转化性，可以在肉中乳酸的作用下，转化成正二价氮的一氧化氮。而这个一氧化氮的性质非常活跃，可以引发一系列的生化反应，这也是它为什么可以作为火腿当中腌制混合盐的科学基础。那么它到底会引发什么样的生化反应呢？下面我们就来学习一下它的作用原理。
同学们，首先请大家来观察一下这两块肉，一块是无添加，一块是已经添加了亚硝酸盐，大家觉得它俩有什么最明显的区别？颜色不同对吧，一块是褐色，一块是鲜红色。这就是亚硝酸盐发挥的第一重作用——护色。决定肉色的关键其实就是肌红蛋白当中血红素的配体以及铁离子的价态，而这个配体呢，可以是一氧化氮或者氧气等等。而这个铁离子的价态，同学们想想可以是几价的？可以是二价，也可以是三价对吧？它既可以是正二，也可以是正三。
具体的过程是这样的，在一个新鲜的肉当中，它是正二价的，此时就是肌红蛋白，肉呈现一个紫红色。当空气中的氧气和它进行配位，形成了这个氧合肌红蛋白，肉就变成了鲜红色。但是随着储存时间的延长，这个二价铁逐渐被氧化成了三价铁，生成了高铁肌红蛋白，这个肉就成了看起来不那么新鲜的褐色，这时候就需要护色剂来出手了。
刚刚我们学习了亚硝酸盐在肉中乳酸的作用下，可以转化成什么？一氧化氮。这个一氧化氮它和二价铁之间的亲和性是氧气的10万倍，所以它就会优先和二价铁进行结合，生成这种亚硝基肌红蛋白。这种复合物的稳定性非常之强，可以使肉长久的保持鲜艳的红色，从而成就了肌红脂白中的肌红。而这个一氧化氮呢，它其实还是个多面手，它还能解决脂白的问题。其实请大家就回顾一下我们在食品化学课上学习过的脂质自动氧化的知识，当时我们学习脂质自动氧化说它由链引发、链传递最终生成的醛类物质，这个里面有两个关键控制点，一个呢是它的引发剂二价铁，还有一个就是自由基。而这个时候一氧化氮再次出手，它可以分别和它们发生反应，可以和二价铁之间生成铁一氧化氮配位，还可以和烷基自由基和过氧自由基之间以扩散极限的速度相互结合，这样它就终止了这个链引发，又终止了链传递，最终就没有办法生成醛类物质，也就没有办法发生脂质的自动氧化，这样就成就了肌红脂白中的脂白。
下面我们再次回到这两块肉，同学们它除了护色之外，它还能对我们在食品微生物课上学习
过的肉毒梭状芽孢杆菌带来什么影响呢？当时我们说过这个肉毒梭状芽孢杆菌产生的肉毒素是肉制品当中最为凶险的隐患，它的毒性啊是非常之毒，论砒霜都比不过它，说砒霜比不上氰化钾，氰化钾也比不上肉毒素。它们之间的毒性差距是1万倍，这么凶险的肉毒梭状芽孢杆菌它的克星居然正是亚硝酸盐，所以它发挥的第二个作用就是抑菌。
具体的抑菌机制是这样的，在肉毒梭状芽孢杆菌进行能量代谢产生自身ATP的过程当中，会用到一个关键的含铁酶，叫做铁氧还蛋白氧化还原酶，PFOR。而这个过程当中它的铁依然可以和一氧化氮相互作用，生成铁一氧化氮配位，这样就造成了酶的失活以及细菌的死亡。这就是它发挥的第二重作用，抑菌。
下面我们第三次再回到这两块肉，除了护色抑菌之外，它还能发挥什么作用？其实啊，还能发挥一个改善风味的作用。一方面呢我们刚刚学习了它能够减少醛类物质的产生，还能够减少刺激性的气味，同时，它不仅如此，还能改变肌原纤维蛋白的结构。大家来看，它从这样的松散，改成了这样的致密的空间网状结构，这样就增加了肉制品Q弹的那种口感。与此同时它还能够作用在肌红细胞当中，改善它的渗透压，这样就使肉获得了那种特殊的咸味和腊肉风味。
这里我们做一个小结，我们发现这个一氧化氮发挥作用的原因就是围绕着这个铁一氧化氮配位的核心，从而使亚硝酸盐具备了护色、抑菌和改善风味的三重作用，其实这就回答了我们课程开始时提出的第一个问题，就是为什么要在火腿里添加亚硝酸盐。但其实也远远不止在火腿当中，这个亚硝酸盐深深地埋藏在我们中国的传统饮食文化里。比如说相声的经典桥段报菜名里就有说到蒸羊羔蒸熊掌蒸鹿尾烧花鸭烧雏鸡烧子鹅，卤煮咸鸭酱鸡腊肉松花小肚晾肉香肠什锦拼盘熏鸡白肚，清蒸八宝猪江米酿鸭子，这17道菜里，有一半以上都要用到亚硝酸盐，可见它深深地埋藏在我们中国的传统饮食文化当中。
但是在现代食品工业里呢，这种添加不是没有限制的。我们的食品安全国家标准，国标2760规定，亚硝酸钠、亚硝酸钾可以限量添加在腌腊肉制品、酱卤肉制品和熏烧烤肉制品当中。其中，它的添加量是不能超过30毫克每千克，为什么？因为如果一旦过量添加，就可能给我们身体带来潜在的风险，比如说急性毒性和慢性毒性。首先，如果长时间地大量摄入，那就是慢性毒性，如果一次性地大量摄入就是急性毒性。其实这些知识我们在食品毒理学的课上都学习过，但是大家最为关注的就是它的这个致癌性，其实就是因为亚硝酸盐可以和我们体内的物质发生反应，生成了致癌性的亚硝胺，而它可以造成DNA的烷基化损伤。
同学们来看图中这些高亮之处，就是ATCG碱基当中容易烷机化的位点。而大量烷机化位点的累积，就会造成我们人体相应的靶器官出现癌变。但是我们说了，这是食品毒理学课上教给我们的知识，而这节课我们还有一个重要的学科思想，那就是不能脱离剂量去谈毒性。我们有什么方法可以去量化和评估它所带来的这种致癌的风险呢？
课前老师在线上教育平台上传了4080组相关致癌性的流行病学数据，已经让同学们在线上教育平台里面选择一个最典型的剂量反应模型，然后通过origin进行了拟合，我们来看看同学们选择的结果。大多数同学都选择了这个韦布尔分布模型，非常好。我们说，每种模型都有自己的特点和局限性，没有最好，只有最适合。而现在我们需要考虑的是4080组这样大量数据的一个复杂拟合，在这种情况下，大家选择的这个韦布尔分布模型确实是最适合的。
下面老师也用这个模型来进行一个拟合，这是老师绘制的曲线，我们来发现它有什么特征呢？在低剂量的时候是一个直线，中剂量的是曲线，而高剂量是一条接近于一的长尾。而接下来，我们将这样的曲线拟合成剂量反应方程，同学们来仔细核对一下，看看大家拟合的结果和老师的是否一致，请不一致的同学一定要重点关注一下模型的选择和参数的计算。因为这种基于实验数据去拟合剂量反应模型的能力非常重要，它可以帮助我们理解现象背后的本质科学规律。
好同学们，下面呢我们就进一步利用这个模型来进行一个高摄入量的案例分析。首先我们有一位同学，他呢体重是100千克也就是200斤，他每天都要吃二斤的腌辣酱卤肉制品，而这里面包含的亚硝胺的量，就按照我们国标2762中规定的上限，3微克每千克。在这种极端的情况下，我们来看看给他带来的额外致癌风险是多少。首先我们将这些数据代入其中，先来计算X，发现X等于每天每千克体重，3乘以10的-5次方毫克每千克。而接下来再将X带入到剂量反应方程，我们就能计算出P，发现P等于3.84乘以10的-5次方，这是一个不到十万分之四的概率，我们通过显著性分析发现它也没有显著性地增加额外致癌风险，况且我们大多数人也不会每天都吃二斤腌辣酱卤肉制品，所以同学们，这是不是就论证了我们那个最重要的学科思想，是什么？不能脱离剂量去谈毒性。
其实啊这就提示我们，以后谈到任何一种有毒物质的时候，大家一定要立刻就想到，我们的摄入量到底是多少，是否它真的能够达到相应的毒性剂量，从而以科学的态度进行思辨。同时，同学们，现在有一些研究表明，这些低剂量的亚硝酸盐甚至不仅没有增加额外致癌风险，它反而是对身体有益的。可以用于改善心肌梗死、中风和高血压等方面的疾病，看上去颠覆我们的认知，但是早在1000多年前敦煌莫高窟的《辅行诀》里，便记录着舌下含服消食，也就是亚硝酸盐来治疗心肌梗死的药方，这同样也是我们中国人绵延千年的智慧。
我们纵观古今不难发现，亚硝酸盐到底是天使还是魔鬼，关键呐在于剂量。那么我们怎么能够知道这个火腿当中亚硝酸盐的剂量到底是否超过了这个30毫克每千克呢？这就回到了我们课程开始时提出的第二个问题：如何检测。
其实我们之前已经学习过各种各样的检测方法，但是放在火腿当中，亚硝酸盐检测的特定场景和特定需求之下，我们又该如何设计检测方案呢？首先，食品安全监管部门表示，我们的检测方法必须得准。怎么才能实现？请大家回顾一下我们在食品分析课上学习过的这种分光光度法，它是基于朗伯比尔定律进行的检测方法，我们当时还做过实验，要2到3个小时才能获得它的检测结果。同时这种方法，也是我们的食品安全国家标准5009.33 2016规定的法定方法，我们把它称之为检测1.0，它的特点呢，就是准确。
但是同学们，是不是这种方法往往要用到这些叮叮当当的试管，以及专门的仪器设备、专用的操作人员和漫长的检测周期，这就给检测带来了滞后性，没有办法做到现场检测。而有些场景，比如说现场抽检执法，比如说有些肉制品生产经营企业，它们往往需要对大量样品进行快速筛查，这种时候它们就对检测方法提出了第二个需求，快。如何才能实现？随着纸基传感技术的发展，这种亚硝酸盐快速检测试纸就能实现。作为我们这节课的重点内容，我们跟随视频，先来感受一下它的检测速度。实验人员呢，将这样的一个试纸放在火腿样品的绢纸溶液当中，我们发现只需要几秒钟，它就变成了这种粉红色。然后再和标准比色卡进行对比，我们发现它的检出量是 5 毫克每千克，小于国标限量当中规定的 30 毫克每千克，是一个合格样品。
这具体是什么原理呢？其实就是基于著名的格里斯偶联反应，首先亚硝酸盐会和这个试纸上
预先包被的这个对氨基苯磺酰胺发生反应，生成重氮盐。然后这个重氮盐又会和预先包被的盐酸萘乙二胺发生反应，接下来它就生成了这个粉红色的偶氮类化合物，而粉红色的深浅，就和样品当中亚硝酸盐的浓度成正比。这样我们就实现了一个快速的检测，这种方法我们把它称之为检测2.0，它的特点就是快速。但是大家发现没有，其实啊它只能是一个半定量的结果，没有办法给出绝对的定量。那么，有什么方法可以实现一个又准又快的结果呢？
随着数字传感技术的发展，检测3.0就可以实现这个目标。可以将这样的亚硝酸盐试纸，放在一个装置当中，然后通过智能手机去采集它的粉色信号，这样就通过一测一拍的简单操作，就获得了样品当中亚硝酸盐的随时随地检测。这个就是老师科研团队当中，你们一位师兄研发的一套磁吸式的数字传感装置，它不仅呀，可以这样吸上之后去读取亚硝酸盐试纸的信号，其实它还可以通过更换模块，来适配不同的应用场景。感兴趣的同学呢，课间休息的时候，可以到讲台来体验一下这种用户友好型的检测模式。
我们通过检测1.0的准，2.0的快，3.0又准又快的不断升级，不知道大家有没有和老师一样感受到，科技创新的趋势，其实正是从原理越来越复杂，但是操作却越来越简单，再到不断满足人民对食品安全的需求与期待。但是目前现有的这些检测技术其实全部都是针对中产品，一旦检出就已经造成了不可逆的损失。那么是否有一些更加前沿的检测技术，可以将食品安全检测的端口前移，实现风险的提前预知呢？
目前呀随着工业4.0时代的到来，我们的检测技术其实也正在进入智能化的4.0时代。在最新的十四五重点研发项目当中，许多科研团队正在将人工智能、大数据生物传感等技术应用在全产业链的前端，并且正在攻克检测数据的提取、解释校正等一系列的关键科学问题，期待不久的将来，可以真正实现食品安全检测的端口前移，让我们传统的被动检测，彻底转变为智能化的主动预警，从而确保端上餐桌的腌辣酱卤肉制品都是安全的。
其实这也论证了我们另一个重要的学科思想，那就是——安全的食品不是检测出来的，而是生产出来的。我们的检测技术永远是为了生产出安全的食品，提供保驾护航的武器，而这个武器未来也必将更准确、更快速、更智能。学到这里，同学们是不是觉得亚硝酸盐也没有那么可怕了，虽然它能生成致癌物，但是它的风险可防可控。这就是科学和技术的保驾护航，同时这也是我们每个食品学子的使命，那就是在餐桌这个最基本的民生战场里，用我们的专业知识和创新精神去守护每个人舌尖上的安全。
总结一下这节课，我们从微观视角和分子水平，学习了亚硝酸盐的基本特征Root，以及它的作用原理Reaction，还有它的检测方案Regulation，形成了一个完整的3R知识体系，不仅回答了我们课程开始时提出的那两个问题，也训练了大家的专业思维。并且在我们学习的过程当中还不知不觉地用到了很多曾经大二和大三上学期学习的知识，比如说食品化学、食品分析、食品微生物、食品毒理学等等，我们把它称之为，专业课程之间的融会贯通。而同学们，你们可以进一步尝试一下跨学科和跨专业之间的交叉融合，就请大家以我们这种4.0思维为突破口，去设计一个智能防控火腿当中，亚硝酸盐风险的双创方案，并提交到线上教育平台，在下节课进行翻转课堂的路演。感兴趣的同学，还可以阅读一下这些资料。以上就是我们这堂课的全部内容，谢谢大家。
