酶制剂是食品产业的“芯片”。优质食品酶的制备、催化与转化是食品绿色制造不可或缺的组成部分。随着蛋白质工程和基因工程的不断发展，大量新型酶制剂被不断发掘，其催化类型逐步多样化，在食品领域得到广泛应用。国外大型酶制剂企业对食品酶制剂的研究和开发起步较早，已建立了一系列标准化、高生产强度、高产酶水平的微生物表达体系。相较于国外，我国食品酶领域的科技创新不足，相关技术研究的力量比较薄弱。基于此，开发具有自主知识产权、高效、安全的食品级表达系统，更多自主知识产权的优质食品酶品种，对于突破国际跨国企业的束缚，促进我国食品酶制剂行业转型升级和食品产业高质量发展具有重要的意义。

酶工程作为现代生物技术的重要组成部分，主要研究酶及其应用的综合性科学技术，而基因组学、蛋白质组学、生物信息学、酶的定向进化技术高通量筛选技术等的快速发展，为食品酶工程研究提供了更多有效的技术手段。为了满足食品领域和环境的可持续发展，研究和开发优质食品酶已成为酶工程领域的热点课题，采用优质食品酶创制高端配料已成为发展趋势。

技术创新催生新型食品酶大市场

目前，随着食品绿色加工产业的发展和环境资源压力的推动，人们对于新型食品酶的应用和需求迅速增加，因此新型食品酶的挖掘和开发具有重要意义。

新型食品酶主要来源于自然界中的微生物。传统的酶挖掘方法是从自然界中分离筛选产酶菌株，包括产酶菌株的富集培养、纯种分离、初筛和复筛等步骤，已经鉴定和表征了多种生物催化剂用于工业生产。

由于，自然界中可培养的微生物所占比例不足微生物总量的1%，限制了新型食品酶的发现。而许多工业微生物经过改造，可以高效分泌目标食品酶蛋白，并减少副产物的产生。

如采用宏基因组技术对微生物进行改造，具有无需微生物培养、操作步骤简单等优势，已经成为挖掘新酶常用且成熟的方法。随着结构生物学以及生物信息学的发展，大大增加了数据库中的酶基因序列与蛋白结构信息。基于宏基因组和数据库的挖掘，结合高通量筛选方法，在新型食品酶的发现和筛选方面具有极大的发展潜力。

从天然环境中或借助宏基因组技术筛选出新型食品酶基因，借助高效表达菌株对该酶基因进行表达，可有效提高酶的产量，为获得高性能的新型食品酶奠定基础。目前，许多革兰氏阳性菌，如枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒状杆菌、地衣芽孢杆菌和短芽孢杆菌等被用于构建高效的蛋白表达系统。此外，一些真菌，如解脂耶氏酵母、巴斯德毕赤酵母、李氏木霉等，也是蛋白异源表达的理想宿主，被广泛应用于食品酶的高效生产。企业在使用时应注意，生产宿主必须是经GB2760-2024《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》批准使用的微生物。

近年来，极端环境（如火山口、深海、含硫温泉和冰川土壤等）中的微生物，成为开发新型食品酶的一类重要资源。在极端环境下，酶的稳定性常因原始来源菌株的种类及其生存条件的不同而具有较大差异。了解与分析极端微生物酶的特殊性质与其结构-功能之间的关系，对于开发具有理想性质的新型食品酶尤为重要。目前，挖掘极端微生物新酶可对工业应用潜力较大的酶，如淀粉酶、蛋白酶、水解酶等进行筛选，其主要方法是传统的培养筛选方法，然而，许多极端微生物不适于标准化培养方式，通常需要依靠宏基因组技术以促进极端微生物中新型食品酶的筛选。

宏基因组技术可直接从环境中分离宏基因DNA，而不需要微生物的培养，能有效弥补传统新酶筛选方法的不足。其筛选方法包括基于功能的筛选和基于序列的筛选。

基于功能的宏基因组文库筛选依赖于基因产物在宿主机体中的成功异源表达，根据酶的活性进行筛选。该方法的优点是不需要了解序列相关信息，直接进行筛选，可以获得与现有基因序列无任何相似性的新基因序列。

基于序列的筛选方法是指从宏基因组文库中利用简并引物PCR或DNA探针获得目标基因。该策略利用宏基因组文库或数据库获取酶的同源序列，将其克隆到合适的表达载体中，最后进行酶的活性筛选。通过此种方法已发现多种酶，如双加氧酶、几丁质酶、醇脱氢酶、甘油脱水酶、羰基还原酶等。

宏基因组技术的快速发展、基因组序列和蛋白结构的数据规模以指数增长的形式膨胀，为发现新型食品酶基因序列提供了基础。目前，针对酶的基因序列、蛋白功能和蛋白结构信息，研究人员设计了各种类型的蛋白资源数据库，极大地促进了新型食品酶基因的挖掘和筛选工作。

人工智能技术不断渗入酶工程研究领域

随着生命科学与技术的不断发展，研究者对生物酶的认识更加深入，酶的分离纯化手段也更加高效和丰富，使得应用的酶种类大幅增加。

根据国际生物化学与分子生物学联盟对酶催化反应类型的分类，酶可分为六大类：氧化水解酶、异构酶、还原酶、裂解酶、转移酶、连接酶。大多数工业酶制剂主要催化水解反应，用于降解各种天然组分，具有高效、专一、条件温和以及催化活性可控等优势，被广泛应用于各类食品的生产和加工过程中。例如，蛋白酶主要在乳制品行业中广泛用于水解蛋白质，淀粉酶则主要应用于淀粉的酶解转化等场景。

酶促反应属于特定的催化作用，每种酶只能对一类或者一种结构相似的特定底物进行催化作用，例如蛋白质水解反应主要由蛋白酶催化。在食品工业实际应用中，选择酶制剂需要考虑其底物偏好性、产物特异性、反应速率、热稳定性、pH值稳定性以及对底物的亲和力等催化特性。近年来，结构生物学的快速发展为食品酶结构及催化机制的解析奠定了坚实基础。例如：大多数脂肪酶属于α/β水解酶，其活性位点是由Ser、His和Asp残基组成的催化三联体构成，周围存在 Gly-X-Ser-X-Gly组成的五肽结构，具有一个α螺旋形成的“盖子”结构，其外表面相对亲水，内表面则相对疏水，该结构直接影响酶活性和酶对底物的特异性和稳定性。淀粉酶主要由结构域A、结构域B、结构域C组成核心结构，还具有数量可变的氨基端结构域或羧基端端结构域，各个结构域在酶催化过协同工作，进而完成酶对底物催化的整个过程，并决定酶的催化特性。因此，明确食品酶，尤其是高端高值食品酶的结构和催化机制，有助于深入了解酶的使用性能，并为其性能改造提供理论依据。

随着结构生物学的发展，蛋白结构的解析技术也得到极大的进步，不仅提供了一个展示高端高值食品酶三维结构获得晶体结构数据的方法，也为高端高值食品酶的改造提供了分子层面的信息。目前，获得脂肪酶蛋白三维结构的方法包括冷冻电镜三维重构技术、X-射线衍射晶体学、核磁共振光谱成像、AlphaFold2和RoseTTAFold同源建模等。

酶的结构功能研究是生命科学领域中的核心问题，许多重大科学问题的揭示和酶应用场景的挖掘都依赖于结构-功能构效关系和酶催化机制的认知。通过计算机辅助方法，如同源比对、分子对接以及动力学模拟等，可以深入研究高端高值食品酶的结构特征和催化过程中的构象变化，有助于了解其催化机制和结构-功能关系，为高端高值食品酶的性能优化和工业应用奠定基础。

随着计算机运算能力的不断提升和新算法在食品酶工程研究中的广泛应用，计算模拟技术将更加理性和准确地用于高端高值食品酶的结构预测、催化机制解析、构象动力学模拟以及分子设计和理性改造。此外，机器学习算法也为酶工程研究提供了全新手段。随着人工智能技术不断渗入酶工程研究领域，高端高值食品酶的功能和催化机制解析将变得更加高效、便捷。

（来源：中国食品学报）

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