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          食品酶:食品制造產業的“芯片” 

          2022-05-25 10:35:28 中國食品報網

          天津科技大學黨委副書記、校長  路福平教授

            食品酶作為食品制造產業的“芯片”,可使食品變得越來越“酶”好,對于助力我國食品產業升級,實現食品產業高質量發展具有重要意義。然而,當前,我國食品酶產品品種和生產規模相對較少,結構不合理,產品質量不能夠完全滿足實際應用需求,高活性、高質量的復合酶將成為食品酶發展方向之一。

            本期中食智庫專題,特邀中食智庫專家、天津科技大學黨委副書記、校長路福平教授,圍繞“食品酶:食品制造產業的‘芯片’”撰寫署名文章,分享自己的獨到觀點。

          天津科技大學黨委副書記、校長、路福平教授 (右一)

            食品酶應用前景廣闊

            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酵法獲得。食品酶如同魔術師一般創造著食品的色、形、味,提升食品的功能和品質。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、能源節省、環境友好等特點,已被廣泛地應用于當今食品加工各個環節中,如同“芯片”一般雖然低調內斂但功能強大,在滿足人民對健康食品多樣化需求的同時,還具有數十倍甚至上百倍的下游市場放大效應,撬動著我國食品產業的綠色發展。因此,食品酶作為食品制造產業的“芯片”,可使食品變得越來越“酶”好,對于助力我國食品產業升級,實現食品產業高質量發展具有重要意義。

            食品酶是一種中間催化介質,市場中流通的產品常是其形成的終端產品,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、制備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粘度的納豆激酶,可緩解乳糖不耐受癥狀的乳制品中含有的乳糖酶等。

            食品酶的應用主要涉及淀粉制品制造、乳制品制造、烘焙食品制造、調味品制造、發酵制品制造、食品添加劑制造、酒和飲料制造等領域,國際上食品酶應用最多的是淀粉及淀粉制品行業、乳制品行業,而我國食品酶的應用規模相對較小,其應用主要集中在淀粉及淀粉制品行業、釀酒行業,其他食品行業的應用大多處于起步階段。目前,食品酶在改善食品的質構特性,提高食品的風味和營養價值,穩定有效成分和食品體系,降低食品安全風險,簡化加工工藝等方面發揮著越來越重要的作用。

            隨著人們對食品的健康、營養以及安全性要求的提高,食品酶也面臨著更高的挑戰。當前,我國食品酶產品品種和生產規模相對較少,結構不合理,產品質量不能夠完全滿足實際應用需求,高活性、高質量的復合酶將成為食品酶發展方向之一。不同于單一組份酶的催化,食品原料種類繁多,所含成分復雜多樣,對酶應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,開發針對不同食品原料和不同營養需求的“量身定制酶”,也將成為食品酶的主要發展方向;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的應用領域,進一步實現酶促改善提升食品的感官、質地、口感等物理、化學和機械性能,推動我國大健康產業的發展。

            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酶類。目前,主要是以蛋白質晶體學為主、核磁共振為輔,進行結構解析,為食品酶的功能改造奠定理論基礎。尤其是,近年來計算硬件以及軟件的發展,分子模擬(如同源建模、分子對接、分子動力學模擬和量化計算等)和人工智能技術在食品酶研究和開發中發揮了不同程度的作用,主要包括催化機理解析、高效酶分子理性設計以及新酶挖掘三個方面。

            利用分子模擬技術可以直觀觀察食品酶分子的三維構象,從而進一步加深對食品酶催化機制的了解,并指導食品酶分子的高效理性設計。例如,為了提高反應速率,工業生產中經常需要食品酶具有耐高溫的特性,利用計算機模擬和大數據分析尋找食品酶的活性位點和影響酶熱穩定性的關鍵氨基酸殘基,進一步對其進行理性設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,近年來隨著生物數據庫的指數級增長,使得計算模擬技術在篩選及挖掘新型食品酶分子方面同樣具有競爭力。

            另外,合成生物學、高通量篩選、高效基因編輯等技術體系的發展使食品酶性能改造更加精準快捷。合成生物學以設計—構建—測試—學習為核心,為高活性食品酶的設計開發提供了新的發展方向,各種食品酶結構解析越來越透徹、與底物互作關系越來越清晰,為適應復雜應用環境、性能更加穩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備的普及,以及相配套的替換性熒光產物、熒光蛋白的融合表達等食品酶高通量篩選技術體系的開發,使得特種食品酶的優化效率得到進一步提升。另外,伴隨著CRISPR/Cas9等高效基因編輯技術在食品酶表達宿主中的開發利用,使食品酶表達體系與重構宿主的適配性持續提升,酶的表達效率不斷實現新突破。

            食品酶標準至關重要

            食品酶制劑相關國家和行業標準,在規范食品酶的生產和使用方面發揮著關鍵作用。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。

            關于食品酶安全性評價主要包括其來源安全和生產加工過程安全兩類。聯合國糧農組織(FAO)和世界衛生組織(WHO)食品添加劑專家委員會(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準:一、來源于動植物可食部位及食品發酵微生物的酶制劑,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、凡由非致病性的一般食品污染微生物所生產的酶需做短期毒性實驗;三、由非常見微生物所產生的酶,需做廣泛毒性實驗,包括實驗動物的長期喂養實驗。該標準為各國酶的生產提供了安全性評估依據。據此,微生物來源的酶,生產菌種必須具備以下特征:一、非致病性的,不產生毒素、抗生素和激素等生理活性物質;二、經各種安全性試驗證明無害;三、對于毒素的測定,除化學分析外,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和酶對消費者的直接作用等。而對于食品酶生產加工過程安全評價,要求食品酶必須符合食品添加劑要求,在生產時需符合GMP要求。需要嚴格控制生產方法和培養條件,保證食品酶生產原料尤其是生產菌不會成為毒素和有礙健康物質的來源。美國微生物食品酶制劑生產協會(AMFEP)于1994年制定了酶制劑的最低化學和微生物指標。

            因此,對于食品酶標準而言,安全性評價就成為重要指標。美國食品與藥品管理局(FDA)在《酶制劑:食品添加劑化學建議和GRAS認定申請》中,對食品酶的審批環節,要求食品酶輔料需明確所用的稀釋劑、載體及穩定劑成分,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用的食品種類和范圍。歐盟食品科學委員會在《食品酶制劑提供資料導則》中,要求經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鑒定和評價,產品中輔助添加的各種助劑必須提供詳細資料;在食品酶的穩定性及在食品中的轉歸評價中,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物進行評價。

            我國食品工業用酶制劑按食品添加劑加工助劑進行管理,標準的制定以保證食品安全、保護人民健康為基本原則,對于標準項目指標的設置要最大限度保證產品的安全和有效使用。目前列入《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》GB2760-2014及后期陸續批準的食品用酶制劑已有60余種。未列入名單的食品工業用酶制劑新品種須按《食品添加劑新品種管理辦法》和《食品添加劑新品種申報與受理規定》進行申報,批準后方可生產、銷售和使用。我國規范食品工業用酶制劑產品的國家標準《食品安全國家標準食品添加劑食品工業用酶制劑》GB1886.174,相比此前標準《食品安全國家標準食品工業用酶制劑》GB25594-2010,增加了酶活力的術語和定義、產品分類、理化要求、給出了部分酶制劑的活力測定方法?,F行標準在產品安全指標方面規定了污染物限量、微生物指標和抗菌活性,尚沒有針對酶制劑使用輔料做出規定。GB/T 23531-2009《食品加工用酶制劑企業良好生產規范》,規定了食品加工用酶制劑生產企業生產過程的基本要求,但也缺乏對培養基原料以及生產助劑和產品添加劑的詳細要求。不斷完善相關標準,對于保障食品安全、促進我國酶制劑產業健康發展具有重要意義。

            

          責任編輯:肖之涵   審核:王金臣

           

           

           

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