食品酶工程关键技术及其安全性评价

2023-01-12汪寄宇

生物化工 2022年3期

汪寄宇

（上海拜朗生物科技有限公司，上海 201401）

随着时代的进步与发展，人们的经济与生活水平不断提高，对食物的需求不仅仅只满足于“吃饱”，而更加注重“吃好”的问题，食品的营养价值、安全卫生、口感等都是现代人所重点关注的。食品酶工程是将酶工程的技术理论运用到食品的生产加工中，将酶工程与食品工程有机结合，为新型食品及原材料的开发生产、技术改良及工艺改进提供了有力支持。

1 食品酶工程关键技术

食品酶工程的作用包括：稳定或增加营养价值；改良食品的颜色、风味、形态和质地；方便储存；便于加工；增加食品价值和品类；批量自动生产；剔除不良成分和保护有效成分；进行食品快速、专一、高灵敏度检测分析[1]。由于生产的食品越来越多，酶的使用范围也越来越广，但很多酶的成分和作用不能充分满足食品产业需要，研制新型的食品酶、攻克技术难题是目前应该重视和解决的问题。

1.1 酶的提纯与分离

食品酶工程中的基础技术为酶的提取及分离纯化。直接提高酶的产出率和保持高活性的状态，是其他技术的应用基础[2]。当前，分离纯化的方法大致有6类。（1）沉淀分离：经加入其他物质或更改一些条件，让酶不易溶解而从溶液中沉淀析出。（2）离心分离：依靠离心力让质量、密度、大小不同的物质在不同的条件下分别析出。（3）过滤和膜分离：利用过滤介质过滤混合物中不同大小、形状的物质，从而实现分离。（4）层析技术（色谱技术）：依赖物质具有不同的物理化学性质，把不同成分的化合物分开。（5）电泳分离：不同酶表面的电荷不同，根据酶的运动方向与本身所带电荷相反、运动速度与电荷数量和分子量等固有性质相关等原理而实现分离。（6）萃取分离：根据各种化合物在两种互不相溶的溶剂中的溶解性不同而获得分离。

1.2 固定化酶技术

固定化酶技术是经过特殊的方法，将游离酶固定在特定的载体或空间内，酶无法自由活动但结构仍然完整未被破坏。固定化酶的优点很多，如同一类型的固定化酶能反复使用很多次、连续完成自动化的生产工艺流程等[3]。酶被固定化后能与反应物快速分离，从而可以有效掌控生产过程，也可以减少不良加工条件造成的酶失活问题发生，还为研究酶动力学提供了良好的环境。目前，固定化酶的常用制作方法有吸附法、包埋法、共价结合法、结晶法、分散法和热处理法，常见的固定化材料有无机、有机载体材料，复合载体、磁性纳米材料等新型固化材料相继问世，加快了固定化酶产业的发展。

1.3 动植物细胞培养酶技术

动植物细胞培养酶技术是利用特殊技术手段获取优质的动植物细胞，然后在特定条件下对获得的细胞进行体外规模化培养，从而获得所需要的酶。蛋白酶、抗氧化酶等多从植物细胞中获得，而胰蛋白酶、凝乳酶等一般从哺乳动物细胞中获得。

1.4 生物酶解技术

动物蛋白质在对应蛋白酶催化作用下分解为小分子的蛋白肽及氨基酸，适度水解不仅可以保存或增加食品的营养价值，而且在酶解过程中释放的气体含有类似肉香气物质，提高食品的感官品质。应用此项技术后，更利于营养物质的消化吸收，降低过敏反应的发生率。淀粉酶能水解淀粉，生成可溶性糊精及少量的麦芽糖和葡萄糖，在制酒工艺中起到一定作用。另外，利用酶解法还可以提取各种植物膳食纤维，如采用酶解法可以提取菠萝叶可溶性膳食纤维；利用淀粉酶、胰蛋白酶和糖化酶对甘薯渣进行酶解，可提取出膳食纤维等。

1.5 酶联免疫分析技术

该技术基本原理是将抗原-抗体免疫学反应与酶学催化反应结合，以酶促反应所具有的放大作用来显示初级免疫反应。在底物参与下，复合物上的酶催化底物，水解或氧化还原为另一种物质。由于所产生的降解底物与显色程度呈正比，可根据显色程度间接确定其是否存在未知抗原并计算其含量。该方法灵敏度高、特异性强，简便快捷，应用广泛，可以检验食物中残留的药物、重金属、病菌等成分。

1.6 酶生物传感器技术

1967年，Updike等[4]将葡萄糖氧化酶电极用于定量检测血清中葡萄糖的含量，这是酶生物传感器发展的开端。此后，酶生物传感器经历了3个发展阶段：第一代酶生物传感器是以氧为中继体的电催化；第二代是基于酶介体的电催化，目前应用最广泛；第三代是酶与电极直接进行电子传递，尚未大规模应用。

酶生物传感器的基本结构单元由固定化酶膜（识别元件）和基体电极（信号转换器）构成，当酶膜发生酶促反应，基体电极对产生的电活性物质发生响应，让化学信号变成电信号，从而能准确地检验复杂混合物中的特定成分[5]。与传统的分析技术相比，酶生物传感器成本低、体积小、灵敏度高，能连续快速地监测。该技术多用于食品检验领域，如使用特定的酶生物传感器对食品中的亚硝酸盐进行快速检验。

2 食品酶技术的应用

2.1 在焙烤行业的应用

在各种酶的作用下，一定程度上可以改善面粉、面团的质量，使面团质地更加柔软、推迟老化过程，提高面粉白度、延长存储时间。如蛋白酶可以促进面团快速发酵，淀粉酶能适当延长面类物质的老化，脂肪酸氧合酶可以分解不饱和脂肪酸，产生羰基化合物等香气物质，改良食品品质。

2.2 在啤酒行业的应用

在啤酒加工过程中，存在麦芽糖化不充分、黏度大、过滤率低等问题。加入高效的复合酶制剂（β-葡聚糖酶、木聚糖酶、中性蛋白酶），可以有效降解麦汁中的黏性物质，提高氨基氮量，提高啤酒的稳定度；α-乙酰乳酸脱羧酶可以促进发酵过程，减少制作时间；还可以添加脯氨酸蛋白内肽酶，防止冷浑浊形成，维持起泡特性[6]；另外，可以添加葡萄糖氧化酶来消除溶解在啤酒和储存啤酒容器内的氧，延长啤酒的保质期。

2.3 在调味品行业的应用

人们现在追求的色香味俱全离不开食品调味料的支持，其中酱油、醋等发酵调味料占据了调味品的半壁江山。过去，使用酸法发酵的过程中很难避免有毒甚至致癌物质的产生，如三氯丙醇等。随着酶工程的发展和工艺的改进，现在的发酵调味品制作安全高效、工艺简单、生产成本低，符合国家食品质量要求。耐高热的α-淀粉酶能够快速提高酱油、食醋等的生产过程，加速原材料中淀粉的分解，减少产品黏性，节约粮食成本。葡萄糖淀粉酶补充酿造曲中酶的不足，提高曲的糖化能力，减少了曲的用量，有助于产量的提高和质量的稳定[7]；酸性蛋白水解酶使酱醅中的氨基态氮含量增多，缩短发酵时间和促进香气、风味物质的形成；α-乙酰乳酸脱羧酶有效控制制造过程中双乙酰的积累浓度和阈值，增强对调味品口感的调控能力，从而使产品质量更加稳定。

2.4 在食品保鲜中的应用

在食品的制作和保存过程中，很容易受到各种因素的影响而变质。为应对食品保鲜保质的问题，制作商多采用添加防腐剂或高温杀菌等办法，但防腐保鲜剂大多为人工化学物质，有致癌的风险，而高温杀菌也会破坏食物的热敏性有效成分，使食品营养价值降低。酶工程技术的应用为食品的保鲜提供了一种新的思路，如瓶装的饮料、酸奶等，利用葡萄糖氧化酶去除瓶中的氧气来延长货架时间；某些肉类食品、水产、水果等存储运输中易受细菌污染，可使用溶菌酶达到保鲜的效果[8]。

3 食品酶工程的安全性评价

酶在食品行业中的应用越来越广泛，带来诸多便利的同时，也有着不少安全隐患。首先，酶是一种蛋白质，跟随食物进入体内，而外源性的蛋白质会在一定程度上诱发过敏反应。其次，生物酶制剂并不是100%安全，也存在部分致敏和有害物质；另外，本身底物没有毒性，但在酶的催化过程中有可能反应生成有害物。最后，有些食品营养成分在酶的作用下被破坏，导致食物的品质降低。目前，我国对食品酶安全评价的标准不够完善，这些隐患急需相关部门和人员的重视和解决。

3.1 食品酶生产菌株溯源

食品酶的生产原料的安全是保障酶制剂能够安全发挥作用的基石。一般情况下，微生物来源的酶的安全隐患比动植物来源的大，微生物菌种带来的有害毒素可能具有潜在的刺激性、过敏性、致病性与致癌性，甚至可能引起突变，影响生育功能或引起胎儿畸形，因此应严格落实食品加工过程中使用的酶达到食品级的要求。有些未经安全认证的微生物产酶菌株，虽在选育中表现出良好的特性，但由于未获得安全审批，不能直接在食品加工中使用。当前，我国食品业中大多数微生物酶是食品级的，但部分企业无法提供其所使用酶试剂的来源，为保证我国食品安全，建立和完善食品酶生产菌株溯源体系刻不容缓。

3.2 食品酶安全生产过程控制

当前，我国食品酶生产过程中暴露出很多问题，不管是原材料的选择较少，还是生产设备落后和工艺粗糙，必然造成酶的生产质量达不到国际要求，食品安全性无法保障。因此，研制开发新的高效食品酶品类、建立并完善大规模自动化生产体系、搭建食品酶安全性评价平台，是解决食品酶工程中安全隐患问题的关键。

可以通过制定原材料安全选择标准规范流程，根据标准采购符合食品安全要求的原材料，从源头上遏制有害物质进入食物导致的食品安全事件的发生。同时，在制作和使用食品酶制剂的过程中，也要尽量避免有害物质的产生，无法避免的情况下，也应该及时对有害物质如污染物、废气、废水、固体废物等进行环保处理，减少酶制剂生产环节对环境安全的危害。