食品酶：食品制造产业的“芯片”

天津科技大学党委副书记、校长  路福平

　　本期“奋进新征程·建功新时代”栏目特邀中食智库专家，天津科技大学党委副书记、校长路福平教授，围绕“食品制造产业的‘芯片’——食品酶”分享独到观点。路福平指出，食品酶作为食品制造产业的“芯片”，对于助力我国食品产业升级、实现食品产业高质量发展具有重要意义。然而，当前我国食品酶产品品种和生产规模相对较少且结构不合理，产品质量不能完全满足实际应用需求，高活性、高质量的复合酶将成为食品酶发展方向之一。

天津科技大学党委副书记、校长路福平（右一）

食品酶应用前景广阔

　　食品酶普遍存在于动物、植物及微生物中，可通过提取法或者发酵法获得。食品酶如同魔术师一般创造着食品的色、形、味，提升食品的功能和品质。在众多的食品加工方式中，生物酶催化由于具有条件温和、高效专一、能源节省、环境友好等特点，已被广泛应用于当今新食品加工各个环节中，如同“芯片”一般，虽然低调内敛，但却功能强大，在满足人民对健康食品多样化需求的同时，还具有数十倍甚至上百倍的下游市场放大效应，撬动着我国食品产业的绿色发展。因此，食品酶作为食品制造产业的“芯片”，对于助力我国食品产业升级，实现食品产业高质量发展具有重要意义。

　　食品酶是一种中间催化介质，市场中流通的产品常是其形成的终端产品，消费者往往对其比较陌生。但事实上，食品酶早已悄悄走进了千家万户的生活，默默地发挥着重要的作用，比如可以用于制作奶酪和酸奶的凝乳酶、增加肉鲜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。人们食用的纳豆中含有可溶解血栓和降低血黏度的纳豆激酶，可缓解乳糖不耐受症状的乳制品中的乳糖酶等。

　　食品酶的应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、调味品制造、发酵制品制造、食品添加剂制造、酒和饮料制造等领域。国际上，食品酶应用最多的是淀粉及淀粉制品行业、乳制品行业，而我国食品酶的应用规模相对较小，其应用主要集中在淀粉及淀粉制品行业、酿酒行业，其他食品行业的应用大多处于起步阶段。目前，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。

　　随着人们对食品的健康、营养以及安全性要求的提高，食品酶也面临着更高的挑战。当前，我国食品酶产品品种和生产规模相对较少，结构不合理，产品质量不能够完全满足实际应用需求，高活性、高质量的复合酶将成为食品酶发展方向之一。不同于单一组分酶的催化，食品原料种类繁多，所含成分复杂多样，对酶应用过程中的催化能力、催化条件以及酶的耐受性提出了更高的要求。为解决食品多样化需求和食品酶精细化程度较低之间的矛盾，开发针对不同食品原料和不同营养需求的“量身定制酶”，也将成为食品酶的主要发展方向。另外，食品酶有别于其他食品添加剂，在食品的改性方面更具有针对性。未来，食品酶将逐渐打破传统应用领域，进一步实现酶促改善提升食品的感官、质地、口感等物理、化学和机械性能，推动我国大健康产业的发展。

食品酶研究趋于智能高效

　　常用的食品酶可分为糖酶、蛋白酶、脂肪酶、氧化还原酶类以及异构酶类。目前主要以蛋白质晶体学为主、核磁共振为辅进行结构解析，为食品酶的功能改造奠定理论基础。尤其是近年来计算硬件以及软件的发展，分子模拟（如同源建模、分子对接、分子动力学模拟和量化计算等）和人工智能技术在食品酶研究和开发中发挥了不同程度的作用，主要包括催化机理解析、高效酶分子理性设计以及新酶挖掘3个方面。

　　利用分子模拟技术可以直观观察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。例如，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，进一步对其进行理性设计而获得耐高温的酶分子，同样还可获得耐碱性、耐酸性以及催化效率提升的新型酶分子。除了对已有食品酶的改造，近年来，随着生物数据库的指数级增长，使得计算模拟技术在筛选及发掘新型食品酶制剂方面同样具有竞争力。

　　另外，合成生物技术、高通量筛选、高效基因编辑等技术体系的发展使食品酶性能改造更加精准快捷。合成生物学以设计—构建—测试—学习为核心，为高活性食品酶的设计开发提供了新的发展方向，各种食品酶结构解析越来越透彻，与底物互作关系越来越清晰，为适应复杂应用环境、性能更加稳定高效的新型突变体获得提供了保障。随着流式细胞仪、液滴微流控等仪器设备的普及，以及相配套的替换性荧光产物、荧光蛋白的融合表达等食品酶高通量筛选技术体系的开发，使得特种食品酶的优化效率得到进一步提升。同时，伴随着CRISPR/Cas9等高效基因编辑技术在食品酶表达宿主中的开发利用，使食品酶表达体系与重构宿主的适配性持续提升，酶的表达效率不断实现新突破。

食品酶标准至关重要

　　食品酶制剂相关国家和行业标准，在规范食品酶的生产和使用方面发挥着关键作用。世界各国及国际组织对食品酶的管理模式大体上分为两种，食品添加剂模式或者加工助剂模式。尽管模式不尽相同，但是均要求对未列入使用名单的食品酶制剂进行安全性评价。

　　关于食品酶安全性评价主要包括其来源安全和生产加工过程安全两类。联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）食品添加剂联合专家委员会（JECFA）在1978年WHO第二届大会对酶制剂来源安全性提出了评估标准：一是来源于动植物可食部位及食品发酵微生物的酶制剂，可作为食品对待，不需要进行毒理实验。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产的酶需做短期毒性实验。三是由非常见微生物所产生的酶需做广泛毒性实验，包括实验动物的长期喂养实验。该标准为各国酶的生产提供了安全性评估依据。

　　据此，微生物来源的酶生产菌种必须具备以下特征：一是非致病性的，不产生毒素、抗生素和激素等生理活性物质。二是经各种安全性试验证明无害。三是对于毒素的测定，除化学分析外，还需做生物分析，包括致敏性、致癌性和致畸性测试等。另外还要考虑酶与其他食品成分之间的反应和酶对消费者的直接作用等。而对于食品酶生产加工过程安全评价，要求食品酶必须符合食品添加剂要求，在生产时需符合GMP要求。需要严格控制生产方法和培养条件，保证食品酶生产原料尤其是生产菌不会成为毒素和有碍健康物质的来源。美国微生物食品酶制剂生产协会（AMFEP）于1994年制定了酶制剂的最低化学和微生物指标。我国食品监督检验机构在此基础上，制定了更为详尽的食品酶控制标准，对大肠菌群、沙门氏菌、真菌毒素、抗生素、重金属含量等均进行了限定。

　　因此，对于食品酶标准而言，安全性评价就成为重要指标。美国食品与药品监管局（FDA）在《酶制剂：食品添加剂化学建议和GRAS认定申请》中，对食品酶的审批环节，要求食品酶辅料需明确所用的稀释剂、载体及稳定剂成分，基因改造的菌株要披露改造的详细步骤和措施，微生物来源酶制剂不得含有抗生素、真菌毒素、肠毒素以及可使抗生素失活蛋白的DNA编码序列，另外也要明确酶制剂应用的食品种类和范围。欧盟食品科学委员会（SCF）在《食品酶制剂提供资料导则》中，要求经过基因改造的微生物宿主及其载体和插入序列等基因元件必须经鉴定和评价，产品中辅助添加的各种助剂必须提供详细资料；在食品酶的稳定性及在食品中的转归评价中，要求对酶制剂处理后可能形成的不属于正常食品成分的催化产物进行评价。

　　我国食品用酶制剂作为加工助剂按食品添加剂进行管理，目前已列入《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》（GB 2760—2014）的食品用酶制剂有54种，未列入名单的食品用酶制剂新品种须按《食品添加剂新品种管理办法》进行申报，批准后方可生产销售和使用。我国规范食品工业用酶制剂产品的国家标准《食品安全国家标准食品 添加剂食品工业用酶制剂》（GB 1886.174—2016），相比此前标准，增加了酶活力的术语和定义、产品分类、酶制剂的活力测定方法等。现行标准在产品安全指标方面限定了重金属污染物指标、微生物常规指标和抗菌活性，尚没有针对真菌毒素、培养基原料控制等进行限定。GB/T 23531—2009 《食品加工用酶制剂企业良好生产规范》，规定了食品加工用酶制剂生产企业生产过程的基本要求，但也缺乏对培养基原料以及生产助剂和产品添加剂的详细要求。不断完善相关标准，对于保障食品安全、促进我国酶制剂产业健康发展具有重要意义。