春節將至，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。
食品酶的創制離不開酶工程技術。作為一種生物技術，酶工程技術具有高效、安全、綠色的特點。它不僅在食品加工中有著廣泛的應用，也有助于從根本上保障食品品質，守護“舌尖上的健康”。
酶技術讓食品口感越來越好
酶是一個十分龐大的家族，全球已報道發現的酶的種類有3000多種。“酶是一種生物催化劑，是生物體產生的具有生物催化功能的物質。”天津科技大學生物工程學院教授劉逸寒介紹，酶的分子結構是以氨基酸長鏈為基礎的。它本質上屬于蛋白質，在加快新陳代謝、促進化學反應等方面發揮著巨大作用。
基于酶的反應原理，可以把酶分為氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂合酶、異構酶、連接酶、轉位酶等類別。它們在生物體內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水解成小分子的肽、氨基酸等物質，從而促進生物體的蛋白質代謝和新陳代謝。
與其他催化劑相比，酶催化具有多重優點，如反應條件溫和、反應效率高、底物專一性強、節省能源、環境友好等。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，導致蛋白質結構發生變化，活性消失。
“這就需要通過酶工程技術，對酶進行分離、提純、固化以及加工改造，使酶能夠充分發揮快速、高效、特異的催化功能，更好地幫助人類生產各種產品，或促進某些生化反應過程進行，從而達到預定的目的。”中國科學院天津工業生物技術研究所研究員孫媛霞說。
隨著現代生物化工技術的發展和進步，以及人們對基因工程、細胞工程的研究不斷深入，酶的工業化量產不斷取得突破性進展。與此同時，酶工程技術也在食品工業、輕工業以及醫藥工業等領域中發揮著重要作用。“特別是在食品領域。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
“酶工程技術在食品工業中的應用越來越廣，離不開這項技術創新研究的快速推進。”天津科技大學黨委副書記、校長路福平認為，近年來，隨著計算機技術的快速發展，分子模擬和人工智能技術在食品酶研發中發揮了不同程度的作用。這些技術主要用于催化機理解析、高效酶分子理性設計以及新酶挖掘三個方面。
利用分子模擬技術，科研人員可以更直觀地觀察到食品酶分子的三維構象，從而進一步加深對食品酶催化機制的了解，并指導食品酶分子的高效理性設計。路福平舉例說，為了提高反應速率，工業生產中經常需要食品酶具有耐高溫的特性。利用計算機模擬和大數據分析，尋找食品酶的活性位點和影響酶熱穩定性的關鍵氨基酸殘基，科研人員就可以進一步對其進行理性設計，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，隨著生物數據庫的指數級增長，計算機模擬技術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展的技術需求。”孫媛霞說，現在通過基因組數據分析，科研人員可以快速挖掘和發現有用的酶基因片段。
有了基因片段，還需要合成各種酶。“這個過程可以依賴現有的人工智能技術，先預測酶蛋白的3D結構，而后進行精準設計，再通過酶工程手段結合高通量篩選平臺對酶蛋白分子進行改造，最終實現新型食品酶的創制與開發，以適應各類食品加工行業的需求。”孫媛霞進一步解釋。
技術發展和應用轉化面臨挑戰
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，可應用于植物提取、蛋白水解、油脂加工和淀粉加工等食品生產的多個環節。“食品酶技術已被應用在淀粉制品制造、調味品制造、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域。”劉逸寒介紹，食品酶的催化，創造了食品的不同形態、味道及色澤，提升了食品的功能、營養及品質。
據了解，食品酶在改善食品的質構特性，提高食品的風味和營養價值，穩定有效成分和食品體系，降低食品安全風險，簡化加工工藝等方面發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險。
隨著人們對食品的健康、營養以及安全性要求的提高，食品酶也面臨著更大的挑戰。雖然有了創新技術的加持，但是真正用于工業生產的食品酶制劑還不足百種。
“制約酶工程技術轉化應用最主要的原因，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，不產生毒素、抗生素和激素等物質；經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，如何能夠精準開發基于應用效果和應用場景的多酶協同作用的復合酶制劑，從而‘量身定制’出可以滿足食品加工業個性化、多樣化、精細化需求的酶制劑產品，也是目前酶技術發展和應用轉化中的難點。”劉逸寒補充說。
春節將至，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。
食品酶的創制離不開酶工程技術。作為一種生物技術，酶工程技術具有高效、安全、綠色的特點。它不僅在食品加工中有著廣泛的應用，也有助于從根本上保障食品品質，守護“舌尖上的健康”。
酶技術讓食品口感越來越好
酶是一個十分龐大的家族，全球已報道發現的酶的種類有3000多種。“酶是一種生物催化劑，是生物體產生的具有生物催化功能的物質。”天津科技大學生物工程學院教授劉逸寒介紹，酶的分子結構是以氨基酸長鏈為基礎的。它本質上屬于蛋白質，在加快新陳代謝、促進化學反應等方面發揮著巨大作用。
基于酶的反應原理，可以把酶分為氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂合酶、異構酶、連接酶、轉位酶等類別。它們在生物體內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水解成小分子的肽、氨基酸等物質，從而促進生物體的蛋白質代謝和新陳代謝。
與其他催化劑相比，酶催化具有多重優點，如反應條件溫和、反應效率高、底物專一性強、節省能源、環境友好等。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，導致蛋白質結構發生變化，活性消失。
“這就需要通過酶工程技術，對酶進行分離、提純、固化以及加工改造，使酶能夠充分發揮快速、高效、特異的催化功能，更好地幫助人類生產各種產品，或促進某些生化反應過程進行，從而達到預定的目的。”中國科學院天津工業生物技術研究所研究員孫媛霞說。
隨著現代生物化工技術的發展和進步，以及人們對基因工程、細胞工程的研究不斷深入，酶的工業化量產不斷取得突破性進展。與此同時，酶工程技術也在食品工業、輕工業以及醫藥工業等領域中發揮著重要作用。“特別是在食品領域。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
“酶工程技術在食品工業中的應用越來越廣，離不開這項技術創新研究的快速推進。”天津科技大學黨委副書記、校長路福平認為，近年來，隨著計算機技術的快速發展，分子模擬和人工智能技術在食品酶研發中發揮了不同程度的作用。這些技術主要用于催化機理解析、高效酶分子理性設計以及新酶挖掘三個方面。
利用分子模擬技術，科研人員可以更直觀地觀察到食品酶分子的三維構象，從而進一步加深對食品酶催化機制的了解，并指導食品酶分子的高效理性設計。路福平舉例說，為了提高反應速率，工業生產中經常需要食品酶具有耐高溫的特性。利用計算機模擬和大數據分析，尋找食品酶的活性位點和影響酶熱穩定性的關鍵氨基酸殘基，科研人員就可以進一步對其進行理性設計，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，隨著生物數據庫的指數級增長，計算機模擬技術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展的技術需求。”孫媛霞說，現在通過基因組數據分析，科研人員可以快速挖掘和發現有用的酶基因片段。
有了基因片段，還需要合成各種酶。“這個過程可以依賴現有的人工智能技術，先預測酶蛋白的3D結構，而后進行精準設計，再通過酶工程手段結合高通量篩選平臺對酶蛋白分子進行改造，最終實現新型食品酶的創制與開發，以適應各類食品加工行業的需求。”孫媛霞進一步解釋。
技術發展和應用轉化面臨挑戰
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，可應用于植物提取、蛋白水解、油脂加工和淀粉加工等食品生產的多個環節。“食品酶技術已被應用在淀粉制品制造、調味品制造、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域。”劉逸寒介紹，食品酶的催化，創造了食品的不同形態、味道及色澤，提升了食品的功能、營養及品質。
據了解，食品酶在改善食品的質構特性，提高食品的風味和營養價值，穩定有效成分和食品體系，降低食品安全風險，簡化加工工藝等方面發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險。
隨著人們對食品的健康、營養以及安全性要求的提高，食品酶也面臨著更大的挑戰。雖然有了創新技術的加持，但是真正用于工業生產的食品酶制劑還不足百種。
“制約酶工程技術轉化應用最主要的原因，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，不產生毒素、抗生素和激素等物質；經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，如何能夠精準開發基于應用效果和應用場景的多酶協同作用的復合酶制劑，從而‘量身定制’出可以滿足食品加工業個性化、多樣化、精細化需求的酶制劑產品，也是目前酶技術發展和應用轉化中的難點。”劉逸寒補充說。
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