酶制劑是食品產(chǎn)業(yè)的“芯片”。優(yōu)質(zhì)食品酶的制備、催化與轉(zhuǎn)化是食品綠色制造不可或缺的組成部分。隨著蛋白質(zhì)工程和基因工程的不斷發(fā)展，大量新型酶制劑被不斷發(fā)掘，其催化類型逐步多樣化，在食品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。國外大型酶制劑企業(yè)對食品酶制劑的研究和開發(fā)起步較早，已建立了一系列標(biāo)準(zhǔn)化、高生產(chǎn)強(qiáng)度、高產(chǎn)酶水平的微生物表達(dá)體系。相較于國外，我國食品酶領(lǐng)域的科技創(chuàng)新不足，相關(guān)技術(shù)研究的力量比較薄弱?；诖?，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、高效、安全的食品級表達(dá)系統(tǒng)，更多自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)質(zhì)食品酶品種，對于突破國際跨國企業(yè)的束縛，促進(jìn)我國食品酶制劑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級和食品產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要的意義。

酶工程作為現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分，主要研究酶及其應(yīng)用的綜合性科學(xué)技術(shù)，而基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、生物信息學(xué)、酶的定向進(jìn)化技術(shù)高通量篩選技術(shù)等的快速發(fā)展，為食品酶工程研究提供了更多有效的技術(shù)手段。為了滿足食品領(lǐng)域和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，研究和開發(fā)優(yōu)質(zhì)食品酶已成為酶工程領(lǐng)域的熱點課題，采用優(yōu)質(zhì)食品酶創(chuàng)制高端配料已成為發(fā)展趨勢。

技術(shù)創(chuàng)新催生新型食品酶大市場

目前，隨著食品綠色加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和環(huán)境資源壓力的推動，人們對于新型食品酶的應(yīng)用和需求迅速增加，因此新型食品酶的挖掘和開發(fā)具有重要意義。

新型食品酶主要來源于自然界中的微生物。傳統(tǒng)的酶挖掘方法是從自然界中分離篩選產(chǎn)酶菌株，包括產(chǎn)酶菌株的富集培養(yǎng)、純種分離、初篩和復(fù)篩等步驟，已經(jīng)鑒定和表征了多種生物催化劑用于工業(yè)生產(chǎn)。

由于，自然界中可培養(yǎng)的微生物所占比例不足微生物總量的1%，限制了新型食品酶的發(fā)現(xiàn)。而許多工業(yè)微生物經(jīng)過改造，可以高效分泌目標(biāo)食品酶蛋白，并減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

如采用宏基因組技術(shù)對微生物進(jìn)行改造，具有無需微生物培養(yǎng)、操作步驟簡單等優(yōu)勢，已經(jīng)成為挖掘新酶常用且成熟的方法。隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)以及生物信息學(xué)的發(fā)展，大大增加了數(shù)據(jù)庫中的酶基因序列與蛋白結(jié)構(gòu)信息?；诤昊蚪M和數(shù)據(jù)庫的挖掘，結(jié)合高通量篩選方法，在新型食品酶的發(fā)現(xiàn)和篩選方面具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

從天然環(huán)境中或借助宏基因組技術(shù)篩選出新型食品酶基因，借助高效表達(dá)菌株對該酶基因進(jìn)行表達(dá)，可有效提高酶的產(chǎn)量，為獲得高性能的新型食品酶奠定基礎(chǔ)。目前，許多革蘭氏陽性菌，如枯草芽孢桿菌、谷氨酸棒狀桿菌、地衣芽孢桿菌和短芽孢桿菌等被用于構(gòu)建高效的蛋白表達(dá)系統(tǒng)。此外，一些真菌，如解脂耶氏酵母、巴斯德畢赤酵母、李氏木霉等，也是蛋白異源表達(dá)的理想宿主，被廣泛應(yīng)用于食品酶的高效生產(chǎn)。企業(yè)在使用時應(yīng)注意，生產(chǎn)宿主必須是經(jīng)GB2760-2024《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》批準(zhǔn)使用的微生物。

近年來，極端環(huán)境（如火山口、深海、含硫溫泉和冰川土壤等）中的微生物，成為開發(fā)新型食品酶的一類重要資源。在極端環(huán)境下，酶的穩(wěn)定性常因原始來源菌株的種類及其生存條件的不同而具有較大差異。了解與分析極端微生物酶的特殊性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)-功能之間的關(guān)系，對于開發(fā)具有理想性質(zhì)的新型食品酶尤為重要。目前，挖掘極端微生物新酶可對工業(yè)應(yīng)用潛力較大的酶，如淀粉酶、蛋白酶、水解酶等進(jìn)行篩選，其主要方法是傳統(tǒng)的培養(yǎng)篩選方法，然而，許多極端微生物不適于標(biāo)準(zhǔn)化培養(yǎng)方式，通常需要依靠宏基因組技術(shù)以促進(jìn)極端微生物中新型食品酶的篩選。

宏基因組技術(shù)可直接從環(huán)境中分離宏基因DNA，而不需要微生物的培養(yǎng)，能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)新酶篩選方法的不足。其篩選方法包括基于功能的篩選和基于序列的篩選。

基于功能的宏基因組文庫篩選依賴于基因產(chǎn)物在宿主機(jī)體中的成功異源表達(dá)，根據(jù)酶的活性進(jìn)行篩選。該方法的優(yōu)點是不需要了解序列相關(guān)信息，直接進(jìn)行篩選，可以獲得與現(xiàn)有基因序列無任何相似性的新基因序列。

基于序列的篩選方法是指從宏基因組文庫中利用簡并引物PCR或DNA探針獲得目標(biāo)基因。該策略利用宏基因組文庫或數(shù)據(jù)庫獲取酶的同源序列，將其克隆到合適的表達(dá)載體中，最后進(jìn)行酶的活性篩選。通過此種方法已發(fā)現(xiàn)多種酶，如雙加氧酶、幾丁質(zhì)酶、醇脫氫酶、甘油脫水酶、羰基還原酶等。

宏基因組技術(shù)的快速發(fā)展、基因組序列和蛋白結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)規(guī)模以指數(shù)增長的形式膨脹，為發(fā)現(xiàn)新型食品酶基因序列提供了基礎(chǔ)。目前，針對酶的基因序列、蛋白功能和蛋白結(jié)構(gòu)信息，研究人員設(shè)計了各種類型的蛋白資源數(shù)據(jù)庫，極大地促進(jìn)了新型食品酶基因的挖掘和篩選工作。

人工智能技術(shù)不斷滲入酶工程研究領(lǐng)域

隨著生命科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者對生物酶的認(rèn)識更加深入，酶的分離純化手段也更加高效和豐富，使得應(yīng)用的酶種類大幅增加。

根據(jù)國際生物化學(xué)與分子生物學(xué)聯(lián)盟對酶催化反應(yīng)類型的分類，酶可分為六大類：氧化水解酶、異構(gòu)酶、還原酶、裂解酶、轉(zhuǎn)移酶、連接酶。大多數(shù)工業(yè)酶制劑主要催化水解反應(yīng)，用于降解各種天然組分，具有高效、專一、條件溫和以及催化活性可控等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各類食品的生產(chǎn)和加工過程中。例如，蛋白酶主要在乳制品行業(yè)中廣泛用于水解蛋白質(zhì)，淀粉酶則主要應(yīng)用于淀粉的酶解轉(zhuǎn)化等場景。

酶促反應(yīng)屬于特定的催化作用，每種酶只能對一類或者一種結(jié)構(gòu)相似的特定底物進(jìn)行催化作用，例如蛋白質(zhì)水解反應(yīng)主要由蛋白酶催化。在食品工業(yè)實際應(yīng)用中，選擇酶制劑需要考慮其底物偏好性、產(chǎn)物特異性、反應(yīng)速率、熱穩(wěn)定性、pH值穩(wěn)定性以及對底物的親和力等催化特性。近年來，結(jié)構(gòu)生物學(xué)的快速發(fā)展為食品酶結(jié)構(gòu)及催化機(jī)制的解析奠定了堅實基礎(chǔ)。例如：大多數(shù)脂肪酶屬于α/β水解酶，其活性位點是由Ser、His和Asp殘基組成的催化三聯(lián)體構(gòu)成，周圍存在 Gly-X-Ser-X-Gly組成的五肽結(jié)構(gòu)，具有一個α螺旋形成的“蓋子”結(jié)構(gòu)，其外表面相對親水，內(nèi)表面則相對疏水，該結(jié)構(gòu)直接影響酶活性和酶對底物的特異性和穩(wěn)定性。淀粉酶主要由結(jié)構(gòu)域A、結(jié)構(gòu)域B、結(jié)構(gòu)域C組成核心結(jié)構(gòu)，還具有數(shù)量可變的氨基端結(jié)構(gòu)域或羧基端端結(jié)構(gòu)域，各個結(jié)構(gòu)域在酶催化過協(xié)同工作，進(jìn)而完成酶對底物催化的整個過程，并決定酶的催化特性。因此，明確食品酶，尤其是高端高值食品酶的結(jié)構(gòu)和催化機(jī)制，有助于深入了解酶的使用性能，并為其性能改造提供理論依據(jù)。

隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展，蛋白結(jié)構(gòu)的解析技術(shù)也得到極大的進(jìn)步，不僅提供了一個展示高端高值食品酶三維結(jié)構(gòu)獲得晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的方法，也為高端高值食品酶的改造提供了分子層面的信息。目前，獲得脂肪酶蛋白三維結(jié)構(gòu)的方法包括冷凍電鏡三維重構(gòu)技術(shù)、X-射線衍射晶體學(xué)、核磁共振光譜成像、AlphaFold2和RoseTTAFold同源建模等。

酶的結(jié)構(gòu)功能研究是生命科學(xué)領(lǐng)域中的核心問題，許多重大科學(xué)問題的揭示和酶應(yīng)用場景的挖掘都依賴于結(jié)構(gòu)-功能構(gòu)效關(guān)系和酶催化機(jī)制的認(rèn)知。通過計算機(jī)輔助方法，如同源比對、分子對接以及動力學(xué)模擬等，可以深入研究高端高值食品酶的結(jié)構(gòu)特征和催化過程中的構(gòu)象變化，有助于了解其催化機(jī)制和結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系，為高端高值食品酶的性能優(yōu)化和工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

隨著計算機(jī)運算能力的不斷提升和新算法在食品酶工程研究中的廣泛應(yīng)用，計算模擬技術(shù)將更加理性和準(zhǔn)確地用于高端高值食品酶的結(jié)構(gòu)預(yù)測、催化機(jī)制解析、構(gòu)象動力學(xué)模擬以及分子設(shè)計和理性改造。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)算法也為酶工程研究提供了全新手段。隨著人工智能技術(shù)不斷滲入酶工程研究領(lǐng)域，高端高值食品酶的功能和催化機(jī)制解析將變得更加高效、便捷。

（來源：中國食品學(xué)報）

免責(zé)聲明：凡本網(wǎng)注明“來源：XXX(非中國食品新聞網(wǎng))”的作品，均轉(zhuǎn)自其他媒體，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多的信息，僅供網(wǎng)友學(xué)習(xí)參考使用，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點。著作權(quán)及版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載無意侵犯版權(quán)，如有內(nèi)容、版權(quán)和其他相關(guān)問題，請速與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將盡快處理。