第三节 现代食品酶学发展

20世纪50年代开始，由于分子生物学和生物化学的发展，对生物细胞核中存在的DNA结构与功能有了比较清晰的阐述。20世纪70年代初实现了DNA重组技术（又称克隆技术），极大地推动着食品科学与工程的发展，也促使酶学研究进入新的发展阶段。

现代食品酶学发展有如下几个新的突破：

1.酶及细胞固定化技术的开发应用

作为一种催化剂，在催化过程中自身不发生变化，可以反复使用。但是酶是水溶性的，不易回收，其提纯比较困难，有些酶反应尚需ATP及辅酶，后者价格昂贵，这些都限制了酶的使用范围。若用物理或化学方法将酶与不溶性载体结合而固定化，便可以从反应体系中回收而重复使用。并且可以装入反应器进行连续化反应。那么不仅酶不会进入产品，而且可以节约酶的用量，有利于产品的提纯，反应器也可大大缩小。

酶及产酶细胞的固定化技术从酶学理论到生产实践得到迅速的发展，引起食品、发酵工业一场大变革。例如，美国从20世纪70年代初开始采用这一新技术，使玉米淀粉经酶法液化、糖化和异构化并采用固定化技术，已成功地工业生产第一代、第二代和第三代高果糖浆（high fructose glucose syrup，HFGS），代替蔗糖作为可口可乐、百事可乐公司等饮料食品的甜味剂，提高了饮料质量，适应人们身体健康的需要。这是一个非常成功的技术革新。

2.基因工程与高新技术的应用

20世纪50年代初分子生物学的诞生，70年代初基因工程的诞生和生物工程的兴起，大大地推动了食品酶工程的发展。当今，许多产酶微生物菌种的选育不仅靠传统的物理、化学方法，而且采用基因工程技术改造的菌种，其产酶活力及其稳定性远远超过传统方法改造的菌种。世界上最大的酶制剂生产企业诺维信（Novozyme）公司所生产的酶制剂约有75%以上是通过基因工程改造过的菌种（称为工程菌）生产的。同时酶的分子修饰及提高酶的稳定性，其最新研究成果也离不开基因工程和蛋白质工程等高新技术的应用。

3.传统的生物催化剂理论受到挑战

在20世纪80年代初以前，学术界一直认为，酶的化学本质是蛋白质。但是，1981年美国科罗拉多大学博尔德分校的Thomas Cech研究了四膜虫细胞内26S rRNA转录加工时发现，并一再研究证实RNA也具有催化活性，从而改变了酶化学本质的传统概念。1986年Cech等对自我剪接机制进行研究，发现该实验的过程是这样的，四膜虫细胞核rRNA前体有6400个核苷酸碱基（nt），其中含有一个内含子（intron）或称间隔序列（intervening sequence，IVS）及两个外显子（exon）。在成熟过程中内含子被切除，而两个外显子连接形成成熟的rRNA。这一过程需要鸟苷（或5′-GMP）和Mg2 +参与，但无需别的酶参与，也不需要ATP或GTP。这种反应本质被Cech称为自我剪切（self splicing）反应，同时，把这种具有酶催化活性的RNA命名为核酶（ribozyme）或称R酶。

剪接反应释放出来的线性IVS可通过转磷酸酯反应而自身环化，证实IVS具有多种催化剂的功能。核酶的结构改性和固定化技术也已陆续有成功的报道，并已在工业上、医学上获得应用。例如，将核酶构建于特定载体上，在爪蟾卵母细胞、Hela细胞等已表达成功，产生的核酶能阻断特定基因（氯霉素酰基转移酶基因等）的表达，在医疗保健等领域具有应用前景。

4.抗体酶的发现

1986年，美国R.A.Lerner和P.G.Schultz领导的研究组发现了具有催化功能的抗体分子，将其成功制备出来，并将这种分子称为抗体酶（abzyme）。它是antibody与enzyme的组合词。抗体酶又称为催化性抗体（catalytic antibody）。

Lerner研究组用三乙撑四氨Co（Ⅲ）盐-肽复合物为半抗原，获得了能专一切割Gly-phe之间肽键的抗体酶。它是一种序列专一性多肽水解酶（sequencespecific peptidase）。同时又研究获得了对底物不饱和脂的旋光性有严格选择性的抗体酶2H6，可将反应速度提高103～105倍。

Schultz研究组研究成功一个中性磷酸二酯作为过渡态类似物，所获得的抗体酶可催化氨酰化反应，比非催化反应快108倍。随着抗体酶研究的发展，将进一步拓宽催化反应和蛋白质改性的应用范围，特别是对那些天然酶不能催化的反应，则可制备抗体酶来进行催化。在医学上可用于诊断和治疗，在有机合成中抗体酶可解决外消旋混合物对映体的拆分等难题，也可应用于生物传感器，应用于食品安全的检测。现在，抗体酶技术已受到国内外高度重视，美国I GE N公司已实现抗体酶技术商品化。

5.酶的非水相催化作用

1984年，美国麻省理工学院以Klibanov教授为首的研究小组，建立了非水酶学（nonaqueous enzymology）分支学科，在界面酶学和非水酶学的研究取得突破性进展，极大地促进了脂肪酶多功能催化作用的开发。随着油脂加工业的发展和脂肪食品的开发，有机相的生物催化成为当今酶工程的研究热点。在食品添加剂生产领域内，利用固定在有机相中的脂肪酶催化作用，将廉价的棕榈油和乌桕脂通过酯交换反应，变成可口的类可可脂，用于巧克力糖果的生产。这是一个诱人的研究课题，日本富士油脂公司已有这方面的发明专利。国外利用酶促酯交换反应把廉价的油脂转变成高品质的食用油脂。Eigtved等用人造奶油和不饱和脂肪酸的交换反应，使人造奶油熔点降低，改良了人造奶油的质量。山根等用脂肪酶选择性水解鱼油，使鱼油中n-3多不饱和脂肪酸（n-3PUFA）含量由原来的15%～30%提高到50%。Okada等用脂肪酶在微水介质中催化鱼油的酯交换反应也得到富含n-3PUFA的甘油三酯。Yoshimoto等用PEC脂肪酶（PEC lipase）催化二十碳五烯酸（EPA）和二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）的酯交换反应，制备了二十碳五烯酰棕榈卵磷脂（EPPC），这种含高不饱和脂肪酸的卵磷脂具有细胞分化诱导作用，可作为癌症治疗药物。

6.酶的定向进化改性研究

当今，蛋白质工程对酶的修饰改造引起广泛关注，从定位突变到定向进化取得一系列研究成果。研究表明，可通过酶的定向进化，在体外进行基因的人工随机突变，建立突变基因文库，在人工控制条件的特殊环境下，定向选择得到具有优良催化特性酶的突变体的技术过程，2004年A.Aharoni等采用基因家族分子重排定向进化技术使大肠杆菌磷酸酶活力提高40倍。

7.新酶源开发和极端酶的研究

自然界中有数亿种微生物。但是，人们已经发现并用于生产酶的微生物还不到1%。近年来，人们从生产实践出发，非常重视新酶源的开发。同时，对极端环境微生物，特别对耐高温微生物生产酶的开发，并在生产过程中应用具有重要的学术价值和经济意义。

8.酶在食品行业的应用促进酶工程产业化的形成和发展

20世纪70年代初，美国实现酶的固定化应用于玉米淀粉酶促降解转化为高果糖浆，并代替蔗糖作为甜味剂应用于饮料；70年代末，我国成功地采用 α-淀粉酶和糖化酶“双酶法”代替酸法从淀粉水解生产葡萄糖，彻底革除了原来葡萄糖生产中需要高温高压的酸水解工艺。后来，又相继成功地采用酶法生产麦芽糖、超高麦芽糖浆、功能性寡糖等。同时，大规模开展了固定化细胞、增殖性固定化研究并根据酶反应动力学理论，研究设计了多种类型的酶反应器，逐渐形成了较完整的酶工程。

9.酶工程在节能减排、循环经济和“三废处理”等方面应用的突破性进展

除汽油外，乙醇也是重要能源。在世界性的石油危机面前，乙醇汽油（在汽油中掺入10%乙醇）受到越来越多的关注。过去，我国的酒精发酵生产的原料主要是糖料作物（甘蔗、甜菜、甜高粱等）制糖生产的废糖蜜和木薯、马铃薯、玉米等淀粉作物。这些原料也是人类食物的来源，用它们来大量生产乙醇作燃料是不合适的。纤维素是最丰富的再生资源，植物通过光合作用利用太阳能生产大量的纤维素类物质。20世纪70年代开始进行纤维素酶的开发和应用，现在已能成功地应用纤维素酶把一些纤维废弃物如稻草、麦秸、锯木屑和蔗渣等转化为葡萄糖，然后再用酵母菌进行酒精发酵。纤维素酶是一组混合酶类，包括外切、内切纤维素酶、R酶和β-葡萄糖苷酶等。在具体应用时，还需添加半纤维素酶、果胶酶的协同作用，才能提高酶解纤维素的利用率，为能源生产开辟新的途径。

食品企业存在着大量“三废”（废气、废水和废渣）。大豆蛋白制品厂在加工生产分离蛋白后，剩余的“下脚料”含有丰富的可溶性膳食纤维，现在已能采用酶法分离并喷雾干燥制成优质的可溶性膳食纤维，应用于各种保健食品的生产。此外，屠宰和禽畜加工厂有大量的骨骼下脚料，同样可采用酶工程技术制备出各种营养品，如骨蛋白、骨粉、骨素和骨泥食品，均可“变废为宝”。