春節(jié)將至，年夜飯的籌備也提上了日程。回味綿長的美酒、入口即化的紅燒肉、松軟有嚼勁的大饅頭、清爽解膩的酸奶……餐桌上的不少佳肴之所以如此美味，其中都少不了食品酶的助力。
食品酶的創(chuàng)制離不開酶工程技術(shù)。作為一種生物技術(shù)，酶工程技術(shù)具有高效、安全、綠色的特點。它不僅在食品加工中有著廣泛的應(yīng)用，也有助于從根本上保障食品品質(zhì)，守護“舌尖上的健康”。
酶技術(shù)讓食品口感越來越好
酶是一個十分龐大的家族，全球已報道發(fā)現(xiàn)的酶的種類有3000多種。“酶是一種生物催化劑，是生物體產(chǎn)生的具有生物催化功能的物質(zhì)。”天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院教授劉逸寒介紹，酶的分子結(jié)構(gòu)是以氨基酸長鏈為基礎(chǔ)的。它本質(zhì)上屬于蛋白質(zhì)，在加快新陳代謝、促進化學(xué)反應(yīng)等方面發(fā)揮著巨大作用。
基于酶的反應(yīng)原理，可以把酶分為氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶、連接酶、轉(zhuǎn)位酶等類別。它們在生物體內(nèi)具有不同的生理功能。而每一類酶又分為若干種，比如水解酶可分為蛋白酶、糖酶、酯酶等。其中，蛋白酶可以將不同種類的蛋白質(zhì)水解成小分子的肽、氨基酸等物質(zhì)，從而促進生物體的蛋白質(zhì)代謝和新陳代謝。
與其他催化劑相比，酶催化具有多重優(yōu)點，如反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)效率高、底物專一性強、節(jié)省能源、環(huán)境友好等。但是，酶并不好駕馭。它在催化作用中容易受到一些因素的影響，導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，活性消失。
“這就需要通過酶工程技術(shù)，對酶進行分離、提純、固化以及加工改造，使酶能夠充分發(fā)揮快速、高效、特異的催化功能，更好地幫助人類生產(chǎn)各種產(chǎn)品，或促進某些生化反應(yīng)過程進行，從而達到預(yù)定的目的。”中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員孫媛霞說。
隨著現(xiàn)代生物化工技術(shù)的發(fā)展和進步，以及人們對基因工程、細胞工程的研究不斷深入，酶的工業(yè)化量產(chǎn)不斷取得突破性進展。與此同時，酶工程技術(shù)也在食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。“特別是在食品領(lǐng)域。我們常用的食品酶包括蛋白酶、脂肪酶及糖苷酶等。如今，食品酶早已悄悄走進了千家萬戶。”孫媛霞說，比如用于制作奶酪和酸奶的凝乳酶、增加肉的鮮嫩程度的木瓜蛋白酶、提升面包口感的木聚糖酶，以及降低果汁飲料黏稠度的果膠酶等。
食品酶研究走向智能高效
“酶工程技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，離不開這項技術(shù)創(chuàng)新研究的快速推進。”天津科技大學(xué)黨委副書記、校長路福平認為，近年來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，分子模擬和人工智能技術(shù)在食品酶研發(fā)中發(fā)揮了不同程度的作用。這些技術(shù)主要用于催化機理解析、高效酶分子理性設(shè)計以及新酶挖掘三個方面。
利用分子模擬技術(shù)，科研人員可以更直觀地觀察到食品酶分子的三維構(gòu)象，從而進一步加深對食品酶催化機制的了解，并指導(dǎo)食品酶分子的高效理性設(shè)計。路福平舉例說，為了提高反應(yīng)速率，工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要食品酶具有耐高溫的特性。利用計算機模擬和大數(shù)據(jù)分析，尋找食品酶的活性位點和影響酶熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵氨基酸殘基，科研人員就可以進一步對其進行理性設(shè)計，從而獲得耐高溫的酶分子。同樣的，還可獲得耐堿性、耐酸性以及催化效率提升的新型酶分子。
除了對已有食品酶進行改造，隨著生物數(shù)據(jù)庫的指數(shù)級增長，計算機模擬技術(shù)在篩選及挖掘新型食品酶分子方面同樣具有競爭力。“我們現(xiàn)在獲取和已知的酶只是冰山一角。自然界中的酶太多了，靠人工從微生物、動植物里篩選，遠遠不能滿足酶工程發(fā)展的技術(shù)需求。”孫媛霞說，現(xiàn)在通過基因組數(shù)據(jù)分析，科研人員可以快速挖掘和發(fā)現(xiàn)有用的酶基因片段。
有了基因片段，還需要合成各種酶。“這個過程可以依賴現(xiàn)有的人工智能技術(shù)，先預(yù)測酶蛋白的3D結(jié)構(gòu)，而后進行精準設(shè)計，再通過酶工程手段結(jié)合高通量篩選平臺對酶蛋白分子進行改造，最終實現(xiàn)新型食品酶的創(chuàng)制與開發(fā)，以適應(yīng)各類食品加工行業(yè)的需求。”孫媛霞進一步解釋。
技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用轉(zhuǎn)化面臨挑戰(zhàn)
目前，食品安全國家標準《食品添加劑使用標準》（GB 2760-2014）批準使用的酶制劑，可應(yīng)用于植物提取、蛋白水解、油脂加工和淀粉加工等食品生產(chǎn)的多個環(huán)節(jié)。“食品酶技術(shù)已被應(yīng)用在淀粉制品制造、調(diào)味品制造、酒和飲料制造、乳制品制造、烘焙食品制造、食品添加劑制造等領(lǐng)域。”劉逸寒介紹，食品酶的催化，創(chuàng)造了食品的不同形態(tài)、味道及色澤，提升了食品的功能、營養(yǎng)及品質(zhì)。
據(jù)了解，食品酶在改善食品的質(zhì)構(gòu)特性，提高食品的風(fēng)味和營養(yǎng)價值，穩(wěn)定有效成分和食品體系，降低食品安全風(fēng)險，簡化加工工藝等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。而且，一般加工后都會將酶滅活。失去活性的酶將作為一種蛋白被分解，不會給食品帶來安全風(fēng)險。
隨著人們對食品的健康、營養(yǎng)以及安全性要求的提高，食品酶也面臨著更大的挑戰(zhàn)。雖然有了創(chuàng)新技術(shù)的加持，但是真正用于工業(yè)生產(chǎn)的食品酶制劑還不足百種。
“制約酶工程技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用最主要的原因，就是食品酶對安全性的要求很高。”孫媛霞說，世界各國及國際組織對食品酶的管理模式，主要分為食品添加劑或者加工助劑模式。這兩種模式均要求對未列入使用名單的食品酶制劑進行安全性評價。
食品酶制劑安全性評價主要包括來源安全和生產(chǎn)加工過程安全兩類。因此，食品酶的“門檻”非常高：要具有非致病性，不產(chǎn)生毒素、抗生素和激素等物質(zhì)；經(jīng)各種安全性試驗證明無害；需進行致敏性、致癌性和致畸性測試等生物分析并滿足相關(guān)要求。
“針對種類繁多的食品加工底物和加工過程條件，如何能夠精準開發(fā)基于應(yīng)用效果和應(yīng)用場景的多酶協(xié)同作用的復(fù)合酶制劑，從而‘量身定制’出可以滿足食品加工業(yè)個性化、多樣化、精細化需求的酶制劑產(chǎn)品，也是目前酶技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用轉(zhuǎn)化中的難點。”劉逸寒補充說。
春節(jié)將至，年夜飯的籌備也提上了日程?；匚毒d長的美酒、入口即化的紅燒肉、松軟有嚼勁的大饅頭、清爽解膩的酸奶……餐桌上的不少佳肴之所以如此美味，其中都少不了食品酶的助力。
食品酶的創(chuàng)制離不開酶工程技術(shù)。作為一種生物技術(shù)，酶工程技術(shù)具有高效、安全、綠色的特點。它不僅在食品加工中有著廣泛的應(yīng)用，也有助于從根本上保障食品品質(zhì)，守護“舌尖上的健康”。
酶技術(shù)讓食品口感越來越好
酶是一個十分龐大的家族，全球已報道發(fā)現(xiàn)的酶的種類有3000多種。“酶是一種生物催化劑，是生物體產(chǎn)生的具有生物催化功能的物質(zhì)。”天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院教授劉逸寒介紹，酶的分子結(jié)構(gòu)是以氨基酸長鏈為基礎(chǔ)的。它本質(zhì)上屬于蛋白質(zhì)，在加快新陳代謝、促進化學(xué)反應(yīng)等方面發(fā)揮著巨大作用。
基于酶的反應(yīng)原理，可以把酶分為氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶、連接酶、轉(zhuǎn)位酶等類別。它們在生物體內(nèi)具有不同的生理功能。而每一類酶又分為若干種，比如水解酶可分為蛋白酶、糖酶、酯酶等。其中，蛋白酶可以將不同種類的蛋白質(zhì)水解成小分子的肽、氨基酸等物質(zhì)，從而促進生物體的蛋白質(zhì)代謝和新陳代謝。
與其他催化劑相比，酶催化具有多重優(yōu)點，如反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)效率高、底物專一性強、節(jié)省能源、環(huán)境友好等。但是，酶并不好駕馭。它在催化作用中容易受到一些因素的影響，導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，活性消失。
“這就需要通過酶工程技術(shù)，對酶進行分離、提純、固化以及加工改造，使酶能夠充分發(fā)揮快速、高效、特異的催化功能，更好地幫助人類生產(chǎn)各種產(chǎn)品，或促進某些生化反應(yīng)過程進行，從而達到預(yù)定的目的。”中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員孫媛霞說。
隨著現(xiàn)代生物化工技術(shù)的發(fā)展和進步，以及人們對基因工程、細胞工程的研究不斷深入，酶的工業(yè)化量產(chǎn)不斷取得突破性進展。與此同時，酶工程技術(shù)也在食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。“特別是在食品領(lǐng)域。我們常用的食品酶包括蛋白酶、脂肪酶及糖苷酶等。如今，食品酶早已悄悄走進了千家萬戶。”孫媛霞說，比如用于制作奶酪和酸奶的凝乳酶、增加肉的鮮嫩程度的木瓜蛋白酶、提升面包口感的木聚糖酶，以及降低果汁飲料黏稠度的果膠酶等。
食品酶研究走向智能高效
“酶工程技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，離不開這項技術(shù)創(chuàng)新研究的快速推進。”天津科技大學(xué)黨委副書記、校長路福平認為，近年來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，分子模擬和人工智能技術(shù)在食品酶研發(fā)中發(fā)揮了不同程度的作用。這些技術(shù)主要用于催化機理解析、高效酶分子理性設(shè)計以及新酶挖掘三個方面。
利用分子模擬技術(shù)，科研人員可以更直觀地觀察到食品酶分子的三維構(gòu)象，從而進一步加深對食品酶催化機制的了解，并指導(dǎo)食品酶分子的高效理性設(shè)計。路福平舉例說，為了提高反應(yīng)速率，工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要食品酶具有耐高溫的特性。利用計算機模擬和大數(shù)據(jù)分析，尋找食品酶的活性位點和影響酶熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵氨基酸殘基，科研人員就可以進一步對其進行理性設(shè)計，從而獲得耐高溫的酶分子。同樣的，還可獲得耐堿性、耐酸性以及催化效率提升的新型酶分子。
除了對已有食品酶進行改造，隨著生物數(shù)據(jù)庫的指數(shù)級增長，計算機模擬技術(shù)在篩選及挖掘新型食品酶分子方面同樣具有競爭力。“我們現(xiàn)在獲取和已知的酶只是冰山一角。自然界中的酶太多了，靠人工從微生物、動植物里篩選，遠遠不能滿足酶工程發(fā)展的技術(shù)需求。”孫媛霞說，現(xiàn)在通過基因組數(shù)據(jù)分析，科研人員可以快速挖掘和發(fā)現(xiàn)有用的酶基因片段。
有了基因片段，還需要合成各種酶。“這個過程可以依賴現(xiàn)有的人工智能技術(shù)，先預(yù)測酶蛋白的3D結(jié)構(gòu)，而后進行精準設(shè)計，再通過酶工程手段結(jié)合高通量篩選平臺對酶蛋白分子進行改造，最終實現(xiàn)新型食品酶的創(chuàng)制與開發(fā)，以適應(yīng)各類食品加工行業(yè)的需求。”孫媛霞進一步解釋。
技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用轉(zhuǎn)化面臨挑戰(zhàn)
目前，食品安全國家標準《食品添加劑使用標準》（GB 2760-2014）批準使用的酶制劑，可應(yīng)用于植物提取、蛋白水解、油脂加工和淀粉加工等食品生產(chǎn)的多個環(huán)節(jié)。“食品酶技術(shù)已被應(yīng)用在淀粉制品制造、調(diào)味品制造、酒和飲料制造、乳制品制造、烘焙食品制造、食品添加劑制造等領(lǐng)域。”劉逸寒介紹，食品酶的催化，創(chuàng)造了食品的不同形態(tài)、味道及色澤，提升了食品的功能、營養(yǎng)及品質(zhì)。
據(jù)了解，食品酶在改善食品的質(zhì)構(gòu)特性，提高食品的風(fēng)味和營養(yǎng)價值，穩(wěn)定有效成分和食品體系，降低食品安全風(fēng)險，簡化加工工藝等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。而且，一般加工后都會將酶滅活。失去活性的酶將作為一種蛋白被分解，不會給食品帶來安全風(fēng)險。
隨著人們對食品的健康、營養(yǎng)以及安全性要求的提高，食品酶也面臨著更大的挑戰(zhàn)。雖然有了創(chuàng)新技術(shù)的加持，但是真正用于工業(yè)生產(chǎn)的食品酶制劑還不足百種。
“制約酶工程技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用最主要的原因，就是食品酶對安全性的要求很高。”孫媛霞說，世界各國及國際組織對食品酶的管理模式，主要分為食品添加劑或者加工助劑模式。這兩種模式均要求對未列入使用名單的食品酶制劑進行安全性評價。
食品酶制劑安全性評價主要包括來源安全和生產(chǎn)加工過程安全兩類。因此，食品酶的“門檻”非常高：要具有非致病性，不產(chǎn)生毒素、抗生素和激素等物質(zhì)；經(jīng)各種安全性試驗證明無害；需進行致敏性、致癌性和致畸性測試等生物分析并滿足相關(guān)要求。
“針對種類繁多的食品加工底物和加工過程條件，如何能夠精準開發(fā)基于應(yīng)用效果和應(yīng)用場景的多酶協(xié)同作用的復(fù)合酶制劑，從而‘量身定制’出可以滿足食品加工業(yè)個性化、多樣化、精細化需求的酶制劑產(chǎn)品，也是目前酶技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用轉(zhuǎn)化中的難點。”劉逸寒補充說。
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