食品酶使用性能调控进入主动时代

大多数天然酶具有稳定性差，催化效率低，选择性不足等缺陷，限制了其在食品中的工业化应用。利用生物技术手段设计并改造食品酶的结构，从而改善食品酶的使用性能，成为近年来食品酶工程领域的研究热点。随着计算机模拟、序列分析、基因突变与合成以及蛋白质工程等技术交叉融合，研究人员对食品酶结构和催化性能的改造更具有针对性，使食品酶使用性能调控进入了主动时代，有助于克服天然酶性能和应用的局限性。

酶蛋白的分子改造方法主要包括理性设计和非理性设计。 其中，理性设计是在充分了解食品酶蛋白的结构信息以及结构—功能关系的基础上，准确鉴定出潜在的与稳定性密切相关的残基或者结构区域，再通过基因改造的手段，如定点突变、片段插入敲除等方法对这些残基和结构进行精确的设计，从而改造食品酶的催化性能。理性设计的方法有多种。

基于序列的理性设计。相比于蛋白质三维结构的解析，目前对于蛋白质一级序列的测定技术手段更为成熟和高效，易于获得有效结果，因此，研究人员通常将酶蛋白序列信息和其相应的功能结合分析，建立序列-功能关系数据库，从而对一级序列信息相似的酶功能进行预测和设计，这种对酶的理性设计方法即基于序列的理性设计。

基于结构的理性设计。食品酶的蛋白结构是决定其催化活性、底物选择性、产物特异性和稳定性等性质的基础。其中，催化活性氨基酸和底物结合口袋（Substrate binding pocket）是食品酶催化底物的结构基础，通过深入研究并阐明这些关键氨基酸与底物相互作用的机制，有助于理性设计关键点和突变方向，从而有效改善食品酶的使用性能，甚至可以实现不同非活性蛋白的食品酶分子化和不同功能食品酶之间的转换。

计算机模拟辅助的理性设计。通过计算机模拟食品酶与底物的结合过程，选择性调节酶—底物结合口袋的形状和大小，可有效调控食品酶对底物的专一性。这种计算机辅助的理性设计，通过引入一种或多种算法，对大量食品酶的氨基酸序列的结构信息进行分析计算和排序，相对于基于试验结果设计的传统方法，对于预测关键残基以及相关突变体的催化特性更加精准、可控，具有高效、经济的优势。

深度学习辅助的理性设计。蛋白质一级序列测定技术的成熟和完善，加速了人类对蛋白质一级结构的探索和研究， 这个涵盖了上亿条蛋白质一级序列的庞大数据库中，隐藏了复杂的蛋白质氨基酸排列和进化的规律，亟待深入挖掘。随着近年来计算机硬件的飞速发展，研究者能够运用深度学习网络提取其中的特征信息，以高效完成食品酶的功能结构预测、 分子理性设计等下游任务。

酶蛋白的从头设计。蛋白质的从头设计是更加前沿的食品酶理性设计方法，其目的是创造出尚未被人类所发现或自然界中不存在的食品酶蛋白，以完成特定的催化功能。计算机模拟技术和深度学习网络的发展，也为酶蛋白骨架的精确预测、模拟以及从头设计提供了坚实的技术保障。这种方法打破了传统蛋白质工程研究对象的限制，成为相关领域的研究热点。从目前来看，食品酶工程领域的人工智能方法，仍然需要在预测精度和学习蛋白质上位性效应等方面作出突破。

酶催化技术助力绿色高效生产

酶催化技术具有绿色高效、低碳可持续、安全性高、易于控制的特点，目前正快速渗透到食品行业，在推动食品产业转型升级，培育新业态，打造产业高质量发展新动能等方面具有重要作用，有助于实现高端配料的创制和绿色高效生产。

利用新型酶制剂以生物基原料生产高端食品配料，具有产量高，成本低，安全性高，节能减排等特点，是目前最具竞争力的生产方式之一。研究食品酶创制高端配料的内在规律及作用机制，已成为酶工程技术领域的热点课题。

以天然油脂为例，近年来，通过对油脂进行改性，开发出了易消化、可调节能量代谢，具有功能性成分的结构脂质，成为油脂研究领域的新热点。其中，酶法改性是实现功能性油脂安全制备的有效技术解决方案之一。脂肪酶是油脂酶法改性工艺使用的主要酶类，具有良好的特异性和异相反应能力，作用位点在甘油三酯的羧酸酯键，目前已得到广泛应用。

不同的脂肪酶可以定向调整脂肪酸分子的迁移和骨架的构型变化，改性得到的功能性油脂具有特殊的分子结构与骨架，其结构不同，生理代谢功能不同。以甘油二酯为例，具有改善脂代谢功能，目前通常采用甘油酶解法和酯化法两种工艺，但是这两种方法得到的产物中甘油二酯纯度低，副产物甘油三酯难于分离，需添加有机溶剂等。有研究者通过探究脂肪酶催化特异性，创新水解—酯化两步酶法耦联的全酶法制备工艺，同时得到中等纯度和高纯度的甘油二酯，原料利用率高，副产物少。

再如糖，是一类不能被人体肠胃消化吸收且具有促进益生菌生长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，可以作为功能性食品添加剂或蔗糖的替代原料。在功能性低聚糖的传统生产工艺中，多种酶制剂通常依次作用于原料，生产效率低下，且容易引起产物抑制，严重制约酶反应效率和效果。

革新功能性低聚糖的酶法生产技术，提高多酶协同催化效率，降低产物抑制，实现酶解产物全利用，有必要分析不同种类食品酶在生产功能性低聚糖过程中的协同催化机制，利用酶结构解析、理性设计、高通量筛选等技术手段，对酶进行分子改造，优化多酶耦联应用的适应性和协同效应，从而构建高效的多酶耦联催化体系。

活性肽又称功能肽，可由蛋白酶酶解蛋白质制得。酶解法制备活性肽时，原料和蛋白酶种类的差异直接影响酶解产物，水解度的不同直接影响酶解产物的分子质量，不同原料以及不同酶解方式生产的活性肽的功能不同。

在活性肽的酶法制备工艺中，蛋白酶的选取至关重要，不同蛋白酶的切割位点具有特异性，包括碱性蛋白酶、中性蛋白酶等微生物源蛋白酶，胃蛋白酶、胰蛋白酶等动物源蛋白酶，以及菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶等植物源蛋白酶。因此，需要根据原料和目标产物的结构，选择合适的蛋白酶，也可以针对不同底物，采用具有不同特异性的蛋白酶复配，实现协同增效，有助于缩短酶解时间，提高水解度，进而实现特定氨基酸序列、特定聚合度、特定功能活性肽的设计和高效制备。

今后一个时期，我国食品酶工程领域发展挑战和机遇并存。酶制剂是食品产业的“芯片”。我国亟需组织科研力量，集体攻关从酶学理论到酶工程技术的“卡脖子”问题，形成完整的优质食品酶制剂创制链条，实现酶制剂的国产化替代，实现高端食品配料制造的源头创新，促进食品产业的高质量发展。同时，基于生物信息学、细胞生物学、结构生物学等多学科手段的交叉融合创新，深入探究高端高值食品酶的催化机制，明确酶分子改造的结构基础，为食品高端配料的酶法创制提供理论基础和实践指导，也是未来食品科技的核心竞争内容。相关科学问题和关键技术的突破，将大力推动高端配料创制和食品生物加工技术的快速发展，在食品产业提质升级、绿色、低碳可持续发展中发挥更大的作用。

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