食品酶使用性能調控進入主動時代

大多數(shù)天然酶具有穩(wěn)定性差，催化效率低，選擇性不足等缺陷，限制了其在食品中的工業(yè)化應用。利用生物技術手段設計并改造食品酶的結構，從而改善食品酶的使用性能，成為近年來食品酶工程領域的研究熱點。隨著計算機模擬、序列分析、基因突變與合成以及蛋白質工程等技術交叉融合，研究人員對食品酶結構和催化性能的改造更具有針對性，使食品酶使用性能調控進入了主動時代，有助于克服天然酶性能和應用的局限性。

酶蛋白的分子改造方法主要包括理性設計和非理性設計。 其中，理性設計是在充分了解食品酶蛋白的結構信息以及結構—功能關系的基礎上，準確鑒定出潛在的與穩(wěn)定性密切相關的殘基或者結構區(qū)域，再通過基因改造的手段，如定點突變、片段插入敲除等方法對這些殘基和結構進行精確的設計，從而改造食品酶的催化性能。理性設計的方法有多種。

基于序列的理性設計。相比于蛋白質三維結構的解析，目前對于蛋白質一級序列的測定技術手段更為成熟和高效，易于獲得有效結果，因此，研究人員通常將酶蛋白序列信息和其相應的功能結合分析，建立序列-功能關系數(shù)據(jù)庫，從而對一級序列信息相似的酶功能進行預測和設計，這種對酶的理性設計方法即基于序列的理性設計。

基于結構的理性設計。食品酶的蛋白結構是決定其催化活性、底物選擇性、產物特異性和穩(wěn)定性等性質的基礎。其中，催化活性氨基酸和底物結合口袋（Substrate binding pocket）是食品酶催化底物的結構基礎，通過深入研究并闡明這些關鍵氨基酸與底物相互作用的機制，有助于理性設計關鍵點和突變方向，從而有效改善食品酶的使用性能，甚至可以實現(xiàn)不同非活性蛋白的食品酶分子化和不同功能食品酶之間的轉換。

計算機模擬輔助的理性設計。通過計算機模擬食品酶與底物的結合過程，選擇性調節(jié)酶—底物結合口袋的形狀和大小，可有效調控食品酶對底物的專一性。這種計算機輔助的理性設計，通過引入一種或多種算法，對大量食品酶的氨基酸序列的結構信息進行分析計算和排序，相對于基于試驗結果設計的傳統(tǒng)方法，對于預測關鍵殘基以及相關突變體的催化特性更加精準、可控，具有高效、經濟的優(yōu)勢。

深度學習輔助的理性設計。蛋白質一級序列測定技術的成熟和完善，加速了人類對蛋白質一級結構的探索和研究， 這個涵蓋了上億條蛋白質一級序列的龐大數(shù)據(jù)庫中，隱藏了復雜的蛋白質氨基酸排列和進化的規(guī)律，亟待深入挖掘。隨著近年來計算機硬件的飛速發(fā)展，研究者能夠運用深度學習網絡提取其中的特征信息，以高效完成食品酶的功能結構預測、 分子理性設計等下游任務。

酶蛋白的從頭設計。蛋白質的從頭設計是更加前沿的食品酶理性設計方法，其目的是創(chuàng)造出尚未被人類所發(fā)現(xiàn)或自然界中不存在的食品酶蛋白，以完成特定的催化功能。計算機模擬技術和深度學習網絡的發(fā)展，也為酶蛋白骨架的精確預測、模擬以及從頭設計提供了堅實的技術保障。這種方法打破了傳統(tǒng)蛋白質工程研究對象的限制，成為相關領域的研究熱點。從目前來看，食品酶工程領域的人工智能方法，仍然需要在預測精度和學習蛋白質上位性效應等方面作出突破。

酶催化技術助力綠色高效生產

酶催化技術具有綠色高效、低碳可持續(xù)、安全性高、易于控制的特點，目前正快速滲透到食品行業(yè)，在推動食品產業(yè)轉型升級，培育新業(yè)態(tài)，打造產業(yè)高質量發(fā)展新動能等方面具有重要作用，有助于實現(xiàn)高端配料的創(chuàng)制和綠色高效生產。

利用新型酶制劑以生物基原料生產高端食品配料，具有產量高，成本低，安全性高，節(jié)能減排等特點，是目前最具競爭力的生產方式之一。研究食品酶創(chuàng)制高端配料的內在規(guī)律及作用機制，已成為酶工程技術領域的熱點課題。

以天然油脂為例，近年來，通過對油脂進行改性，開發(fā)出了易消化、可調節(jié)能量代謝，具有功能性成分的結構脂質，成為油脂研究領域的新熱點。其中，酶法改性是實現(xiàn)功能性油脂安全制備的有效技術解決方案之一。脂肪酶是油脂酶法改性工藝使用的主要酶類，具有良好的特異性和異相反應能力，作用位點在甘油三酯的羧酸酯鍵，目前已得到廣泛應用。

不同的脂肪酶可以定向調整脂肪酸分子的遷移和骨架的構型變化，改性得到的功能性油脂具有特殊的分子結構與骨架，其結構不同，生理代謝功能不同。以甘油二酯為例，具有改善脂代謝功能，目前通常采用甘油酶解法和酯化法兩種工藝，但是這兩種方法得到的產物中甘油二酯純度低，副產物甘油三酯難于分離，需添加有機溶劑等。有研究者通過探究脂肪酶催化特異性，創(chuàng)新水解—酯化兩步酶法耦聯(lián)的全酶法制備工藝，同時得到中等純度和高純度的甘油二酯，原料利用率高，副產物少。

再如糖，是一類不能被人體腸胃消化吸收且具有促進益生菌生長等特殊功效的碳水化合物，包括功能性稀少糖、功能性糖醇、功能性低聚糖、功能性多糖等，可以作為功能性食品添加劑或蔗糖的替代原料。在功能性低聚糖的傳統(tǒng)生產工藝中，多種酶制劑通常依次作用于原料，生產效率低下，且容易引起產物抑制，嚴重制約酶反應效率和效果。

革新功能性低聚糖的酶法生產技術，提高多酶協(xié)同催化效率，降低產物抑制，實現(xiàn)酶解產物全利用，有必要分析不同種類食品酶在生產功能性低聚糖過程中的協(xié)同催化機制，利用酶結構解析、理性設計、高通量篩選等技術手段，對酶進行分子改造，優(yōu)化多酶耦聯(lián)應用的適應性和協(xié)同效應，從而構建高效的多酶耦聯(lián)催化體系。

活性肽又稱功能肽，可由蛋白酶酶解蛋白質制得。酶解法制備活性肽時，原料和蛋白酶種類的差異直接影響酶解產物，水解度的不同直接影響酶解產物的分子質量，不同原料以及不同酶解方式生產的活性肽的功能不同。

在活性肽的酶法制備工藝中，蛋白酶的選取至關重要，不同蛋白酶的切割位點具有特異性，包括堿性蛋白酶、中性蛋白酶等微生物源蛋白酶，胃蛋白酶、胰蛋白酶等動物源蛋白酶，以及菠蘿蛋白酶、木瓜蛋白酶等植物源蛋白酶。因此，需要根據(jù)原料和目標產物的結構，選擇合適的蛋白酶，也可以針對不同底物，采用具有不同特異性的蛋白酶復配，實現(xiàn)協(xié)同增效，有助于縮短酶解時間，提高水解度，進而實現(xiàn)特定氨基酸序列、特定聚合度、特定功能活性肽的設計和高效制備。

今后一個時期，我國食品酶工程領域發(fā)展挑戰(zhàn)和機遇并存。酶制劑是食品產業(yè)的“芯片”。我國亟需組織科研力量，集體攻關從酶學理論到酶工程技術的“卡脖子”問題，形成完整的優(yōu)質食品酶制劑創(chuàng)制鏈條，實現(xiàn)酶制劑的國產化替代，實現(xiàn)高端食品配料制造的源頭創(chuàng)新，促進食品產業(yè)的高質量發(fā)展。同時，基于生物信息學、細胞生物學、結構生物學等多學科手段的交叉融合創(chuàng)新，深入探究高端高值食品酶的催化機制，明確酶分子改造的結構基礎，為食品高端配料的酶法創(chuàng)制提供理論基礎和實踐指導，也是未來食品科技的核心競爭內容。相關科學問題和關鍵技術的突破，將大力推動高端配料創(chuàng)制和食品生物加工技術的快速發(fā)展，在食品產業(yè)提質升級、綠色、低碳可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。

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