天津科技大學(xué)黨委副書記、校長  路福平

　　本期“奮進新征程·建功新時代”欄目特邀中食智庫專家，天津科技大學(xué)黨委副書記、校長路福平教授，圍繞“食品制造產(chǎn)業(yè)的‘芯片’——食品酶”分享獨到觀點。路福平指出，食品酶作為食品制造產(chǎn)業(yè)的“芯片”，對于助力我國食品產(chǎn)業(yè)升級、實現(xiàn)食品產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。然而，當(dāng)前我國食品酶產(chǎn)品品種和生產(chǎn)規(guī)模相對較少且結(jié)構(gòu)不合理，產(chǎn)品質(zhì)量不能完全滿足實際應(yīng)用需求，高活性、高質(zhì)量的復(fù)合酶將成為食品酶發(fā)展方向之一。

天津科技大學(xué)黨委副書記、校長路福平（右一）

食品酶應(yīng)用前景廣闊

　　食品酶普遍存在于動物、植物及微生物中，可通過提取法或者發(fā)酵法獲得。食品酶如同魔術(shù)師一般創(chuàng)造著食品的色、形、味，提升食品的功能和品質(zhì)。在眾多的食品加工方式中，生物酶催化由于具有條件溫和、高效專一、能源節(jié)省、環(huán)境友好等特點，已被廣泛應(yīng)用于當(dāng)今新食品加工各個環(huán)節(jié)中，如同“芯片”一般，雖然低調(diào)內(nèi)斂，但卻功能強大，在滿足人民對健康食品多樣化需求的同時，還具有數(shù)十倍甚至上百倍的下游市場放大效應(yīng)，撬動著我國食品產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展。因此，食品酶作為食品制造產(chǎn)業(yè)的“芯片”，對于助力我國食品產(chǎn)業(yè)升級，實現(xiàn)食品產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

　　食品酶是一種中間催化介質(zhì)，市場中流通的產(chǎn)品常是其形成的終端產(chǎn)品，消費者往往對其比較陌生。但事實上，食品酶早已悄悄走進了千家萬戶的生活，默默地發(fā)揮著重要的作用，比如可以用于制作奶酪和酸奶的凝乳酶、增加肉鮮嫩程度的木瓜蛋白酶、提升面包口感的木聚糖酶、合成功能多肽的蛋白酶等。人們食用的納豆中含有可溶解血栓和降低血黏度的納豆激酶，可緩解乳糖不耐受癥狀的乳制品中的乳糖酶等。

　　食品酶的應(yīng)用主要涉及淀粉及淀粉制品制造、乳制品制造、烘焙食品制造、調(diào)味品制造、發(fā)酵制品制造、食品添加劑制造、酒和飲料制造等領(lǐng)域。國際上，食品酶應(yīng)用最多的是淀粉及淀粉制品行業(yè)、乳制品行業(yè)，而我國食品酶的應(yīng)用規(guī)模相對較小，其應(yīng)用主要集中在淀粉及淀粉制品行業(yè)、釀酒行業(yè)，其他食品行業(yè)的應(yīng)用大多處于起步階段。目前，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。

　　隨著人們對食品的健康、營養(yǎng)以及安全性要求的提高，食品酶也面臨著更高的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，我國食品酶產(chǎn)品品種和生產(chǎn)規(guī)模相對較少，結(jié)構(gòu)不合理，產(chǎn)品質(zhì)量不能夠完全滿足實際應(yīng)用需求，高活性、高質(zhì)量的復(fù)合酶將成為食品酶發(fā)展方向之一。不同于單一組分酶的催化，食品原料種類繁多，所含成分復(fù)雜多樣，對酶應(yīng)用過程中的催化能力、催化條件以及酶的耐受性提出了更高的要求。為解決食品多樣化需求和食品酶精細化程度較低之間的矛盾，開發(fā)針對不同食品原料和不同營養(yǎng)需求的“量身定制酶”，也將成為食品酶的主要發(fā)展方向。另外，食品酶有別于其他食品添加劑，在食品的改性方面更具有針對性。未來，食品酶將逐漸打破傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，進一步實現(xiàn)酶促改善提升食品的感官、質(zhì)地、口感等物理、化學(xué)和機械性能，推動我國大健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

食品酶研究趨于智能高效

　　常用的食品酶可分為糖酶、蛋白酶、脂肪酶、氧化還原酶類以及異構(gòu)酶類。目前主要以蛋白質(zhì)晶體學(xué)為主、核磁共振為輔進行結(jié)構(gòu)解析，為食品酶的功能改造奠定理論基礎(chǔ)。尤其是近年來計算硬件以及軟件的發(fā)展，分子模擬（如同源建模、分子對接、分子動力學(xué)模擬和量化計算等）和人工智能技術(shù)在食品酶研究和開發(fā)中發(fā)揮了不同程度的作用，主要包括催化機理解析、高效酶分子理性設(shè)計以及新酶挖掘3個方面。

　　利用分子模擬技術(shù)可以直觀觀察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。例如，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，進一步對其進行理性設(shè)計而獲得耐高溫的酶分子，同樣還可獲得耐堿性、耐酸性以及催化效率提升的新型酶分子。除了對已有食品酶的改造，近年來，隨著生物數(shù)據(jù)庫的指數(shù)級增長，使得計算模擬技術(shù)在篩選及發(fā)掘新型食品酶制劑方面同樣具有競爭力。

　　另外，合成生物技術(shù)、高通量篩選、高效基因編輯等技術(shù)體系的發(fā)展使食品酶性能改造更加精準(zhǔn)快捷。合成生物學(xué)以設(shè)計—構(gòu)建—測試—學(xué)習(xí)為核心，為高活性食品酶的設(shè)計開發(fā)提供了新的發(fā)展方向，各種食品酶結(jié)構(gòu)解析越來越透徹，與底物互作關(guān)系越來越清晰，為適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境、性能更加穩(wěn)定高效的新型突變體獲得提供了保障。隨著流式細胞儀、液滴微流控等儀器設(shè)備的普及，以及相配套的替換性熒光產(chǎn)物、熒光蛋白的融合表達等食品酶高通量篩選技術(shù)體系的開發(fā)，使得特種食品酶的優(yōu)化效率得到進一步提升。同時，伴隨著CRISPR/Cas9等高效基因編輯技術(shù)在食品酶表達宿主中的開發(fā)利用，使食品酶表達體系與重構(gòu)宿主的適配性持續(xù)提升，酶的表達效率不斷實現(xiàn)新突破。

食品酶標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要

　　食品酶制劑相關(guān)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)范食品酶的生產(chǎn)和使用方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。世界各國及國際組織對食品酶的管理模式大體上分為兩種，食品添加劑模式或者加工助劑模式。盡管模式不盡相同，但是均要求對未列入使用名單的食品酶制劑進行安全性評價。

　　關(guān)于食品酶安全性評價主要包括其來源安全和生產(chǎn)加工過程安全兩類。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）和世界衛(wèi)生組織（WHO）食品添加劑聯(lián)合專家委員會（JECFA）在1978年WHO第二屆大會對酶制劑來源安全性提出了評估標(biāo)準(zhǔn)：一是來源于動植物可食部位及食品發(fā)酵微生物的酶制劑，可作為食品對待，不需要進行毒理實驗。如小牛凝乳酶、木瓜蛋白酶等均是安全的。二是凡由非致病性的一般食品污染微生物所生產(chǎn)的酶需做短期毒性實驗。三是由非常見微生物所產(chǎn)生的酶需做廣泛毒性實驗，包括實驗動物的長期喂養(yǎng)實驗。該標(biāo)準(zhǔn)為各國酶的生產(chǎn)提供了安全性評估依據(jù)。

　　據(jù)此，微生物來源的酶生產(chǎn)菌種必須具備以下特征：一是非致病性的，不產(chǎn)生毒素、抗生素和激素等生理活性物質(zhì)。二是經(jīng)各種安全性試驗證明無害。三是對于毒素的測定，除化學(xué)分析外，還需做生物分析，包括致敏性、致癌性和致畸性測試等。另外還要考慮酶與其他食品成分之間的反應(yīng)和酶對消費者的直接作用等。而對于食品酶生產(chǎn)加工過程安全評價，要求食品酶必須符合食品添加劑要求，在生產(chǎn)時需符合GMP要求。需要嚴(yán)格控制生產(chǎn)方法和培養(yǎng)條件，保證食品酶生產(chǎn)原料尤其是生產(chǎn)菌不會成為毒素和有礙健康物質(zhì)的來源。美國微生物食品酶制劑生產(chǎn)協(xié)會（AMFEP）于1994年制定了酶制劑的最低化學(xué)和微生物指標(biāo)。我國食品監(jiān)督檢驗機構(gòu)在此基礎(chǔ)上，制定了更為詳盡的食品酶控制標(biāo)準(zhǔn)，對大腸菌群、沙門氏菌、真菌毒素、抗生素、重金屬含量等均進行了限定。

　　因此，對于食品酶標(biāo)準(zhǔn)而言，安全性評價就成為重要指標(biāo)。美國食品與藥品監(jiān)管局（FDA）在《酶制劑：食品添加劑化學(xué)建議和GRAS認(rèn)定申請》中，對食品酶的審批環(huán)節(jié)，要求食品酶輔料需明確所用的稀釋劑、載體及穩(wěn)定劑成分，基因改造的菌株要披露改造的詳細步驟和措施，微生物來源酶制劑不得含有抗生素、真菌毒素、腸毒素以及可使抗生素失活蛋白的DNA編碼序列，另外也要明確酶制劑應(yīng)用的食品種類和范圍。歐盟食品科學(xué)委員會（SCF）在《食品酶制劑提供資料導(dǎo)則》中，要求經(jīng)過基因改造的微生物宿主及其載體和插入序列等基因元件必須經(jīng)鑒定和評價，產(chǎn)品中輔助添加的各種助劑必須提供詳細資料；在食品酶的穩(wěn)定性及在食品中的轉(zhuǎn)歸評價中，要求對酶制劑處理后可能形成的不屬于正常食品成分的催化產(chǎn)物進行評價。

　　我國食品用酶制劑作為加工助劑按食品添加劑進行管理，目前已列入《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》（GB 2760—2014）的食品用酶制劑有54種，未列入名單的食品用酶制劑新品種須按《食品添加劑新品種管理辦法》進行申報，批準(zhǔn)后方可生產(chǎn)銷售和使用。我國規(guī)范食品工業(yè)用酶制劑產(chǎn)品的國家標(biāo)準(zhǔn)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品 添加劑食品工業(yè)用酶制劑》（GB 1886.174—2016），相比此前標(biāo)準(zhǔn)，增加了酶活力的術(shù)語和定義、產(chǎn)品分類、酶制劑的活力測定方法等?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)在產(chǎn)品安全指標(biāo)方面限定了重金屬污染物指標(biāo)、微生物常規(guī)指標(biāo)和抗菌活性，尚沒有針對真菌毒素、培養(yǎng)基原料控制等進行限定。GB/T 23531—2009 《食品加工用酶制劑企業(yè)良好生產(chǎn)規(guī)范》，規(guī)定了食品加工用酶制劑生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)過程的基本要求，但也缺乏對培養(yǎng)基原料以及生產(chǎn)助劑和產(chǎn)品添加劑的詳細要求。不斷完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對于保障食品安全、促進我國酶制劑產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。