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科技日报-酶工程技术:提升食物品质 守护“舌尖健康”

   日期:2024-02-04     来源:科技日报    浏览:187    评论:0    
核心提示:食品酶的创制离不开酶工程技术。作为一种生物技术,酶工程技术具有高效、安全、绿色的特点。它不仅在食品加工中有着广泛的应用,也有助于从根本上保障食品品质,守护“舌尖上的健康”。
  
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 编者按 党的二十大报告指出,树立大食物观,发展设施农业,构建多元化食物供给体系。食品生物技术是食品产业最具发展前景的前沿技术之一,对食品资源挖掘、加工制造、质量控制、营养和安全等具有重要意义,也是实现大食物观的关键技术和重要途径。今起,本版推出“聚焦食品生物技术”系列报道,关注现代食品生物技术领域的热点话题与发展趋势,助力生物技术赋能食品产业创新,推动食品产业高质量发展。
春节将至,年夜饭的筹备也提上了日程。回味绵长的美酒、入口即化的红烧肉、松软有嚼劲的大馒头、清爽解腻的酸奶……餐桌上的不少佳肴之所以如此美味,其中都少不了食品酶的助力。
食品酶的创制离不开酶工程技术。作为一种生物技术,酶工程技术具有高效、安全、绿色的特点。它不仅在食品加工中有着广泛的应用,也有助于从根本上保障食品品质,守护“舌尖上的健康”。
酶技术让食品口感越来越好
酶是一个十分庞大的家族,全球已报道发现的酶的种类有3000多种。“酶是一种生物催化剂,是生物体产生的具有生物催化功能的物质。”天津科技大学生物工程学院教授刘逸寒介绍,酶的分子结构是以氨基酸长链为基础的。它本质上属于蛋白质,在加快新陈代谢、促进化学反应等方面发挥着巨大作用。
基于酶的反应原理,可以把酶分为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、连接酶、转位酶等类别。它们在生物体内具有不同的生理功能。而每一类酶又分为若干种,比如水解酶可分为蛋白酶、糖酶、酯酶等。其中,蛋白酶可以将不同种类的蛋白质水解成小分子的肽、氨基酸等物质,从而促进生物体的蛋白质代谢和新陈代谢。
与其他催化剂相比,酶催化具有多重优点,如反应条件温和、反应效率高、底物专一性强、节省能源、环境友好等。但是,酶并不好驾驭。它在催化作用中容易受到一些因素的影响,导致蛋白质结构发生变化,活性消失。
“这就需要通过酶工程技术,对酶进行分离、提纯、固化以及加工改造,使酶能够充分发挥快速、高效、特异的催化功能,更好地帮助人类生产各种产品,或促进某些生化反应过程进行,从而达到预定的目的。”中国科学院天津工业生物技术研究所研究员孙媛霞说。
随着现代生物化工技术的发展和进步,以及人们对基因工程、细胞工程的研究不断深入,酶的工业化量产不断取得突破性进展。与此同时,酶工程技术也在食品工业、轻工业以及医药工业等领域中发挥着重要作用。“特别是在食品领域。我们常用的食品酶包括蛋白酶、脂肪酶及糖苷酶等。如今,食品酶早已悄悄走进了千家万户。”孙媛霞说,比如用于制作奶酪和酸奶的凝乳酶、增加肉的鲜嫩程度的木瓜蛋白酶、提升面包口感的木聚糖酶,以及降低果汁饮料黏稠度的果胶酶等。
食品酶研究走向智能高效
“酶工程技术在食品工业中的应用越来越广,离不开这项技术创新研究的快速推进。”天津科技大学党委副书记、校长路福平认为,近年来,随着计算机技术的快速发展,分子模拟和人工智能技术在食品酶研发中发挥了不同程度的作用。这些技术主要用于催化机理解析、高效酶分子理性设计以及新酶挖掘三个方面。
利用分子模拟技术,科研人员可以更直观地观察到食品酶分子的三维构象,从而进一步加深对食品酶催化机制的了解,并指导食品酶分子的高效理性设计。路福平举例说,为了提高反应速率,工业生产中经常需要食品酶具有耐高温的特性。利用计算机模拟和大数据分析,寻找食品酶的活性位点和影响酶热稳定性的关键氨基酸残基,科研人员就可以进一步对其进行理性设计,从而获得耐高温的酶分子。同样的,还可获得耐碱性、耐酸性以及催化效率提升的新型酶分子。
除了对已有食品酶进行改造,随着生物数据库的指数级增长,计算机模拟技术在筛选及挖掘新型食品酶分子方面同样具有竞争力。“我们现在获取和已知的酶只是冰山一角。自然界中的酶太多了,靠人工从微生物、动植物里筛选,远远不能满足酶工程发展的技术需求。”孙媛霞说,现在通过基因组数据分析,科研人员可以快速挖掘和发现有用的酶基因片段。
有了基因片段,还需要合成各种酶。“这个过程可以依赖现有的人工智能技术,先预测酶蛋白的3D结构,而后进行精准设计,再通过酶工程手段结合高通量筛选平台对酶蛋白分子进行改造,最终实现新型食品酶的创制与开发,以适应各类食品加工行业的需求。”孙媛霞进一步解释。
技术发展和应用转化面临挑战
目前,食品安全国家标准《食品添加剂使用标准》(GB 2760-2014)批准使用的酶制剂,可应用于植物提取、蛋白水解、油脂加工和淀粉加工等食品生产的多个环节。“食品酶技术已被应用在淀粉制品制造、调味品制造、酒和饮料制造、乳制品制造、烘焙食品制造、食品添加剂制造等领域。”刘逸寒介绍,食品酶的催化,创造了食品的不同形态、味道及色泽,提升了食品的功能、营养及品质。
据了解,食品酶在改善食品的质构特性,提高食品的风味和营养价值,稳定有效成分和食品体系,降低食品安全风险,简化加工工艺等方面发挥着越来越重要的作用。而且,一般加工后都会将酶灭活。失去活性的酶将作为一种蛋白被分解,不会给食品带来安全风险。
随着人们对食品的健康、营养以及安全性要求的提高,食品酶也面临着更大的挑战。虽然有了创新技术的加持,但是真正用于工业生产的食品酶制剂还不足百种。
“制约酶工程技术转化应用最主要的原因,就是食品酶对安全性的要求很高。”孙媛霞说,世界各国及国际组织对食品酶的管理模式,主要分为食品添加剂或者加工助剂模式。这两种模式均要求对未列入使用名单的食品酶制剂进行安全性评价。
食品酶制剂安全性评价主要包括来源安全和生产加工过程安全两类。因此,食品酶的“门槛”非常高:要具有非致病性,不产生毒素、抗生素和激素等物质;经各种安全性试验证明无害;需进行致敏性、致癌性和致畸性测试等生物分析并满足相关要求。
“针对种类繁多的食品加工底物和加工过程条件,如何能够精准开发基于应用效果和应用场景的多酶协同作用的复合酶制剂,从而‘量身定制’出可以满足食品加工业个性化、多样化、精细化需求的酶制剂产品,也是目前酶技术发展和应用转化中的难点。”刘逸寒补充说。(记者 陈曦) 
 
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