極端酶研究進(jìn)展及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

劉欣，魏雪，王鳳忠，辛鳳姣

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京 100193

極端酶研究進(jìn)展及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

劉欣，魏雪，王鳳忠，辛鳳姣

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京 100193

辛鳳姣，博士，博士生導(dǎo)師，研究員，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所食品酶研究與應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年英才，中國(guó)農(nóng)學(xué)會(huì)食物與營(yíng)養(yǎng)專業(yè)委員會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)。長(zhǎng)期從事農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域關(guān)鍵酶的生化性質(zhì)及晶體結(jié)構(gòu)研究，微生物代謝調(diào)控研究，酶制劑等生物制品開(kāi)發(fā)等。主持創(chuàng)新工程、自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等項(xiàng)目5項(xiàng)；發(fā)表高水平論文10余篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利6項(xiàng)。E-mail: xinfengjiao@caas.cn

酶是一種高效的生物催化劑，因其反應(yīng)條件溫和、能耗低、特異性強(qiáng)、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于食品、紡織、飼料、醫(yī)藥、能源等各個(gè)領(lǐng)域中。隨著食品工業(yè)的迅猛發(fā)展，食品制造綠色化的需求急劇增加，食品酶在整個(gè)酶制劑市場(chǎng)中所占的份額日益越大。大部分食品加工工藝都涉及高溫、高壓等較為嚴(yán)苛的條件，因此極端酶在食品工業(yè)中顯示出了極大優(yōu)勢(shì)。綜述了嗜熱酶、嗜冷酶等極端酶的研究進(jìn)展，主要從結(jié)構(gòu)生物學(xué)的角度闡明了其耐熱、耐冷等適應(yīng)機(jī)制，并對(duì)其在食品工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

食品酶；極端酶；食品加工；晶體結(jié)構(gòu)

2017年初，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、工業(yè)和信息化部關(guān)于促進(jìn)食品工業(yè)健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)（發(fā)改產(chǎn)業(yè)［2017］19號(hào)）中多次強(qiáng)調(diào)要“綠色制造”、“提升科技創(chuàng)新能力”、“促進(jìn)食品工業(yè)發(fā)生質(zhì)的轉(zhuǎn)變”。酶作為“綠色制造”的核心工具，在推動(dòng)食品工業(yè)發(fā)展中扮演著至關(guān)重要的角色。

酶是一類具有高催化效率、高專一性、高多樣性、反應(yīng)條件溫和的生物催化劑，除了具有催化活性的RNA（核酶）之外，幾乎均為蛋白質(zhì)。自1833年P(guān)ayen和Persoz從麥芽的水抽提物中首次發(fā)現(xiàn)淀粉酶以來(lái)[1]，已發(fā)現(xiàn)4000多種酶，但實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的僅60多種。 Dewan在2014年發(fā)布的全球工業(yè)酶市場(chǎng)研究報(bào)告中指出，在未來(lái)5年中，工業(yè)酶制劑市場(chǎng)將以8%的速度增長(zhǎng)，到2018年將達(dá)到71億美元[2]。諾維信公司作為該領(lǐng)域的龍頭老大，占據(jù)了全球近一半（2016年為48%）的市場(chǎng)，其中食品酶在其整個(gè)銷售額中的占比超過(guò)1/4（2016年為26%）。食品工業(yè)廣泛使用的酶有20多種，主要為果膠酶、木聚糖酶、葡聚糖酶、淀粉酶、糖化酶、葡萄糖異構(gòu)酶、蛋白酶、脂肪酶等，普通酶在高溫、高壓、高滲、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等常用食品加工條件下非常不穩(wěn)定、易失活，因此，開(kāi)發(fā)可應(yīng)用在極端條件下仍能保持高活力、高穩(wěn)定性的酶——極端酶，對(duì)促進(jìn)食品工業(yè)的綠色化發(fā)展尤為迫切與重要。

1 極端酶的分類及其基本性質(zhì)

極端酶由極端微生物產(chǎn)生。極端微生物目前主要發(fā)現(xiàn)于古生菌和細(xì)菌領(lǐng)域，極端微生物可以在包括溫泉或高溫帶的高溫條件、冰川或深海的低溫條件、工業(yè)或礦上廢水的酸堿pH條件、鹽湖中的高鹽濃度條件、高放射性條件和極度干燥的沙漠條件下生長(zhǎng)和繁殖。極端微生物進(jìn)化并適應(yīng)了環(huán)境，通過(guò)發(fā)展出獨(dú)特復(fù)雜的機(jī)制來(lái)維持它們細(xì)胞組成的穩(wěn)定和活性。通常情況下，極端微生物生產(chǎn)的酶可以耐受極端條件。

食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用的極端酶主要分為嗜熱酶、嗜冷酶、嗜壓酶、嗜鹽酶、嗜酸酶、嗜堿酶等[3]。其中，嗜熱酶和嗜冷酶的應(yīng)用較多，也是以下討論的重點(diǎn)。

1.1 嗜熱酶的基本性質(zhì)

嗜熱微生物是研究的最為廣泛的極端微生物之一，可以在55～121℃穩(wěn)定生存[4]。已從嗜熱微生物中鑒定出大量嗜熱酶，如纖維素酶、淀粉酶、普魯蘭酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、果膠酶、幾丁質(zhì)酶、蛋白酶、脂肪酶、酯酶、植酸酶。嗜熱酶的耐受溫度通常在55～80℃，極端嗜熱酶的耐受溫度可達(dá)80～113℃。

1.2 嗜冷酶的基本性質(zhì)

地球上有超過(guò)3/4的區(qū)域處于低溫環(huán)境，地球上大部分的生物質(zhì)都是在5℃以下生成的[5]。嗜冷微生物通常生存在-2～20℃。從嗜冷微生物中分離、鑒定到的嗜冷酶在常溫下不穩(wěn)定、易失活。

1.3 嗜壓酶的基本性質(zhì)

嗜壓菌指在流體凈力壓大于40MPa的高水壓下仍能正常生活的細(xì)菌，多存在于深海環(huán)境中[6]。在高壓條件下，溶劑黏度降低、底物的溶解度增加，有利于提高傳質(zhì)速度和反應(yīng)速度。因此，嗜壓酶在工業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，但迄今為止，關(guān)于嗜壓酶的理論研究相對(duì)較少，有待深入闡述。

1.4 嗜鹽酶的基本性質(zhì)

嗜鹽微生物可以在高鹽環(huán)境下生存，根據(jù)鹽濃度不同，可分為三類：極端嗜鹽菌（2.5～5.2mol/L NaCl）、溫和嗜鹽菌（0.5～2.5mol/L NaCl）和輕度嗜鹽菌（0.2～0.5mol/L NaCl）[7]。通常情況下，嗜鹽菌指的是極端嗜鹽菌。與普通酶相比，嗜鹽酶中含有更高比例的酸性氨基酸（絲氨酸、蘇氨酸等），尤其在酶的表面，有利于結(jié)合大量水合離子，進(jìn)而減少表面疏水性，防止聚集沉淀。

1.5 嗜酸酶和嗜堿酶

嗜酸微生物通常生長(zhǎng)在pH4以下的環(huán)境中，嗜酸酶中含有的酸性氨基酸較多[8]；而嗜堿微生物主要生活在pH9以上的環(huán)境中，嗜堿酶中的堿性氨基酸含量相對(duì)較高。

2 極端酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適應(yīng)機(jī)理

極端酶是極端微生物為適應(yīng)極端環(huán)境而在細(xì)胞內(nèi)形成的、具有特殊環(huán)境適應(yīng)能力的酶。它們利用某些特殊的機(jī)制，能在極端環(huán)境中保持蛋白折疊和催化活性的穩(wěn)定，這可能與其氨基酸序列上的進(jìn)化相關(guān)，這些改變會(huì)影響酶的結(jié)構(gòu)、柔性、帶電性或疏水性，沒(méi)有特定的趨勢(shì)[9]。

2.1 嗜熱酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適應(yīng)機(jī)理

與嗜常溫酶和其他蛋白相比，嗜熱酶在氨基酸序列和結(jié)構(gòu)上都有一些明顯的變化。①氨基酸組成差異。將在105℃生長(zhǎng)的Pyrococcus furiosus中的嗜熱谷氨酸脫氫酶與嗜常溫酶比較發(fā)現(xiàn)，其具有更高含量的疏水氨基酸，但極性氨基酸和帶電氨基酸含量下降，甘氨酸殘基數(shù)量也有所減少（圖1）。②疏水核心更加致密。蛋白的穩(wěn)定性依賴于小的非共價(jià)力，這些疏水相互作用的高度協(xié)作對(duì)提高蛋白的穩(wěn)定性非常重要，因此，高度致密堆積的疏水核心結(jié)構(gòu)，減少了疏水核心與溶劑的相互作用，起到了較好的穩(wěn)定作用。③化學(xué)鍵增加。嗜熱酶內(nèi)部具有更多的氫鍵、二硫鍵、疏水相互作用等[10]，以維持其在高溫條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通常來(lái)說(shuō)，這些鍵的數(shù)量與酶的穩(wěn)定性成正比。④蛋白比表面積下降。蛋白表面區(qū)域比例相較于蛋白體積大小的下降，有助于減少其與溶劑的接觸，提高穩(wěn)定性[11-13]。極端嗜熱蛋白的結(jié)構(gòu)與相對(duì)應(yīng)的嗜常溫蛋白的結(jié)構(gòu)更保守，這表明這些保守殘基在功能上的重要性。最大的不同是在蛋白與溶劑相互作用的區(qū)域，包括α螺旋、β折疊的大小差壓和末端的離子修飾等[13-14]。整體來(lái)看，極端嗜熱蛋白的結(jié)構(gòu)堆積更加緊密，但并沒(méi)有改變其最終的三維構(gòu)象。

2.2 嗜冷酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適應(yīng)機(jī)理

圖1 Pyrococcus furiosus中的嗜熱谷氨酸脫氫酶（Pf GluDH）與Clostridium symbiosum中的嗜常溫谷氨酸脫氫酶（Cs GluDH）結(jié)構(gòu)比較示意圖

圖2 Pseudoalteromonas haloplanktis中的嗜冷α-淀粉酶（AHA）與其同源的嗜常溫α-淀粉酶（PPA）結(jié)構(gòu)比較示意圖

相較于嗜熱酶和嗜常溫酶，嗜冷酶有更柔軟的結(jié)構(gòu)，使它們?cè)诘蜏貤l件下也能保持較高的催化活力[15]。這些適應(yīng)性與特殊的遺傳變化相關(guān)，是長(zhǎng)期選擇進(jìn)化的結(jié)果（圖2）。嗜冷酶有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)核心區(qū)域疏水性降低，但表面疏水性增加；②氨基酸組成改變，如更低的精氨酸/賴氨酸比例，更多的甘氨酸，在環(huán)狀區(qū)有較少的脯氨酸，而在α螺旋區(qū)有豐富的脯氨酸，蛋白表面有較多的非極性殘基；③較弱的蛋白相互作用，如結(jié)構(gòu)域之間和亞基之間的相互作用，較少的二硫鍵、氫鍵和其他靜電相互作用，及較少的金屬結(jié)合位點(diǎn)；④較少的二級(jí)結(jié)構(gòu)和寡聚，但環(huán)狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量和長(zhǎng)度增加；⑤未折疊蛋白的構(gòu)象熵值增加[16-17]。由于這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，溫度降低時(shí)，嗜冷酶的反應(yīng)速率相對(duì)中性和嗜熱酶下降的更緩慢[18]。Collins等[19]比較了嗜冷和嗜常溫木聚糖酶，證明嗜冷酶在低溫時(shí)活力更高，但溫度上升時(shí)不耐熱。

3 極端酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

幾百年來(lái)，酶在食品和飲料中被廣泛應(yīng)用。在乳品業(yè)中，酶被用于乳酪的生產(chǎn)和乳制品的制備；在烘焙業(yè)中，酶可以提升面包的品質(zhì)；在飲料業(yè)，酶用于維持酒的顏色和透明度，并減少硫含量。一些工業(yè)酶可以用于增加過(guò)濾性和提高產(chǎn)品風(fēng)味。食品和飲料用酶構(gòu)成了工業(yè)用酶的最大市場(chǎng)。但在應(yīng)用過(guò)程中，尤其是在高溫（如烘焙、烘干等）、低溫（如低溫發(fā)酵、果汁澄清等）、高壓（如研磨、擠壓等）、高滲（如鹽漬、糖漬等）、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等較為苛刻的加工條件時(shí)，酶通常會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定、活力低，甚至失活的現(xiàn)象[12，20-21]。因此，極端酶在食品加工領(lǐng)域備受青睞（表1）。

3.1 嗜熱酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用

3.1.1 嗜熱淀粉酶

自1973年以來(lái)，淀粉加工工業(yè)逐漸成為酶的最大銷售市場(chǎng)。酶法水解淀粉通過(guò)液化、糖化和異構(gòu)化過(guò)程形成糖漿。淀粉水解的產(chǎn)物，如葡萄糖、麥芽糖和寡糖可用于生產(chǎn)多種非食品類產(chǎn)品，包括酒精、多元醇、抗壞血酸、賴氨酸等。在制作糖漿時(shí)，液化和糖化都是在60～70℃的高溫下進(jìn)行[27]。α-淀粉酶可在液化過(guò)程中催化淀粉形成麥芽糊精和麥芽漿。諾維信公司Avantec?、Termamyl?SC和Liquozyme?產(chǎn)品催化淀粉液化，使其更適于發(fā)酵，進(jìn)而提高產(chǎn)量、降低成本。在糖化過(guò)程中，支鏈淀粉酶和葡糖淀粉酶（諾維信公司的Spirizyme?）可在70℃條件下，利用液化產(chǎn)物進(jìn)一步產(chǎn)生糖。這些極端嗜熱酶可實(shí)現(xiàn)淀粉最大程度的轉(zhuǎn)化，并且能在各種麥芽漿和生產(chǎn)條件下持續(xù)發(fā)酵。支鏈淀粉酶和葡糖淀粉酶可以用于生產(chǎn)葡萄糖糖漿，支鏈淀粉酶和β-淀粉酶可用來(lái)生產(chǎn)麥芽糖糖漿。由Verenium公司研發(fā)和推廣的嗜熱α-淀粉酶Fuelzyme?，在88～91℃時(shí)發(fā)揮作用，可有效降低淀粉在低pH條件下液化時(shí)的麥芽漿黏度。通常，從極端嗜熱菌中分離的酶的最適溫度是80～110℃，pH是4.0～7.5，與淀粉液化的最優(yōu)工藝吻合（100℃和pH4.0～5.0）[28]。因此，新的極端嗜熱酶的特性研發(fā)對(duì)于工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。

表1 用于食品工業(yè)的商業(yè)化極端嗜熱、冷酶[4，22-26]

嗜熱淀粉酶在食品加工中也有應(yīng)用，如烘焙、釀酒、易消化食品制造和蛋糕及果汁生產(chǎn)等[29]。諾維信公司的Novamyl?是一種嗜熱脂肪芽孢桿菌中的熱穩(wěn)定麥芽糖淀粉酶，在烘焙業(yè)中廣泛使用，用于提高面包品質(zhì)等；AlphaStar PLUS是一種來(lái)自于枯草芽孢桿菌的食品級(jí)別的α-淀粉酶，是一種內(nèi)切淀粉酶，能隨機(jī)水解淀粉α-D-（1→4）糖苷鍵，從而快速降低凝膠淀粉的黏度，并在90℃時(shí)仍保持活性穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于釀 酒業(yè)；Dyadic公司的GlucoStar PLUS是一種來(lái)源于曲霉菌的支鏈淀粉酶，可作為加工助劑，用于水解淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉及水解產(chǎn)物的糊精化。此外，Dyadic公司還開(kāi)發(fā)了一系列用于釀造業(yè)的嗜熱酶。

3.1.2 嗜熱葡萄糖異構(gòu)酶

葡萄糖異構(gòu)酶催化葡萄糖異構(gòu)為果糖，可用于制備果糖類糖漿。在60～90℃高溫時(shí)，葡萄糖到果糖的轉(zhuǎn)化率改變。諾維信公司的固定化鼠灰鏈霉菌中的葡萄糖異構(gòu)酶Sweetzyme?，可以在55～60℃發(fā)揮作用。由新阿波羅棲熱孢菌、海棲熱孢菌、熱棲水生菌和嗜熱細(xì)菌來(lái)源的木糖異構(gòu)酶也已經(jīng)被鑒定和表征[30]，但還沒(méi)有被商業(yè)化利用。最近有報(bào)道指出，從土壤中分離出的閃爍桿菌屬和芽孢桿菌屬的嗜熱葡萄糖異構(gòu)酶的最適溫度達(dá)70℃，表現(xiàn)出在工業(yè)應(yīng)用中巨大的潛力。

3.1.3 嗜熱木聚糖酶

諾維信公司的Panzea BG和Panzea 10X BG，是地衣芽孢桿菌來(lái)源的嗜熱木聚糖酶，主要用于烘焙行業(yè)。這些酶用于大規(guī)模生產(chǎn)構(gòu)造和外觀良好的面團(tuán)。諾維信公司生產(chǎn)的用于食品工業(yè)的極端嗜熱酶還包括：Fungamyl?（α-淀粉酶），可用于提高面包的色澤和體積；Lipopan?（脂肪酶）和Pentopan?（木聚糖酶），用來(lái)加強(qiáng)面團(tuán)的硬度；Gluzym?（葡萄糖氧化酶），用來(lái)獲得更強(qiáng)韌的面筋。

3.2 嗜冷酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用

低溫加工有利于保持食物品質(zhì)、減少風(fēng)味物質(zhì)揮發(fā)、減少副反應(yīng)發(fā)生、降低能耗等，在食品加工中的應(yīng)用越來(lái)越多。嗜冷酶可在低溫下催化酶促反應(yīng)高效進(jìn)行，經(jīng)溫和的熱處理即可使酶滅活，簡(jiǎn)化了加工工藝，并有效提高了產(chǎn)品品質(zhì)。目前食品和飲料工業(yè)的趨勢(shì)是用低溫加工代替高溫加工，低溫加工可以提高經(jīng)濟(jì)效益、降低環(huán)境污染、節(jié)約能源，并且可以預(yù)防污染和損壞，避免在高溫時(shí)不良化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，因此，許多嗜冷酶被用于食品和飲料市場(chǎng)。

3.2.1 嗜冷淀粉酶

淀粉酶可水解多種食物中的淀粉成分，廣泛應(yīng)用于啤酒和葡萄酒發(fā)酵、面包制作和果汁加工等行業(yè)。以前在上述工業(yè)中使用的多為嗜熱淀粉酶，近年來(lái)，嗜冷酶因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)受到了越來(lái)越多的關(guān)注和使用。自從第一個(gè)嗜冷α-淀粉酶從南極菌——交替單胞菌中分離、鑒定、并在嗜常溫的宿主大腸桿菌中被成功表達(dá)以來(lái)，研究人 員陸續(xù)從Gangotri冰川中的棒狀桿菌GA2以及海洋細(xì)菌Z. profunda中分離出多種嗜冷α-淀粉酶，這些酶在食品加工領(lǐng)域展現(xiàn)了潛在的應(yīng)用價(jià)值。諾維信也在嗜冷淀粉酶方面做了諸多技術(shù)及產(chǎn)品儲(chǔ)備。

3.2.2 嗜冷β-半乳糖苷酶

β-半乳糖苷酶可以把乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，用于生產(chǎn)無(wú)乳糖產(chǎn)品，在干酪乳清生物降解、甜味劑生產(chǎn)等領(lǐng)域使用廣泛，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。有報(bào)道指出，一些商業(yè)化的食品級(jí)β-半乳糖苷酶，可在冷藏溫度下使牛奶發(fā)揮足夠的活力來(lái)使乳糖水解[31]。新型嗜冷β-半乳糖苷酶能簡(jiǎn)化和減少制造無(wú)乳糖產(chǎn)品的工藝并降低成本。從海洋嗜冷菌中分離出的β-半乳糖苷酶在pH6.5、20℃條件時(shí)能夠水解80%的乳糖[32]；2012年，Sto ugaard和Schmidt申請(qǐng)了一種嗜冷β-半乳糖苷酶的專利，其在小于8℃時(shí)仍有穩(wěn)定的酶活[33]；2014年，Voorde等[34]的研究指出，南極海洋細(xì)菌P. haloplanktis中的嗜冷β-半乳糖苷酶在低溫條件下能較好地水解乳清蛋白，這為乳清蛋白在低溫條件的水解及以此為原料進(jìn)行的高附加值產(chǎn)品精深加工（如塔格糖）奠定了基礎(chǔ)。

3.2.3 嗜冷果膠酶

果膠酶可以催化植物果膠降解，使果汁澄清、黏度降低，廣泛用于葡萄酒釀造、天然油提取、果汁加工等食品工業(yè)[35]。目前，大多數(shù)商業(yè)化的果膠酶都是從嗜常溫的菌種中獲得的，沒(méi)有劃分耐低溫的酶類。但是，部分果膠酶產(chǎn)品在低溫有活性，如諾維信的一種果膠甲基酯酶、Biocatalysts公司的果膠酶62L（為聚半乳糖醛酸酶和果膠裂解酶的混合物），其中，果膠酶62L在10～60℃都具有活力。加拿大Lallemand公司生產(chǎn)的Lallzyme?是一種黑曲霉中果膠酶的混合物（聚半乳糖醛酸酶、果膠酯酶和果膠裂解 酶），在5～20℃下有活力，可以用于果汁和葡萄酒的澄清。

3.2.4 嗜冷木聚糖酶

木聚糖酶可以分解半纖維素為可溶的糖，在面包加工中可使面包松軟。該過(guò)程發(fā)生在烘焙面包之前，溫度更適合嗜冷的木聚糖酶的轉(zhuǎn)化。P. haloplanktis TAH3A、 Flavobacterium sp. MSY-2和一株不知名細(xì)菌中的三種嗜冷木聚糖酶能有效改善面包的品質(zhì)。但目前關(guān)于嗜冷木聚糖酶的研究仍很少，具有潛在的研究與應(yīng)用價(jià)值[36]。

4 總結(jié)與展望

極端酶能較好地適應(yīng)冷、熱、酸、堿等極端環(huán)境，在工業(yè)應(yīng)用中已展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。迄今為止，各國(guó)研究者和酶制劑公司都對(duì)極端酶展開(kāi)了廣泛而深入的研究，并取得了很大進(jìn)展，但實(shí)際可應(yīng)用的極端微生物催化酶和微生物的數(shù)量仍很有限。為促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展，需要在如下方面進(jìn) 行創(chuàng)新與突破。

①方法創(chuàng)新。極端微生物和極端酶更需要在非標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行理論和應(yīng)用研究，因此，亟待創(chuàng)新和發(fā)展新的理論和技術(shù)等。許多目前使用的經(jīng)典微生物和生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)工具不能用在極端微生物的研究中，因?yàn)樗鼈儾痪邆浠瘜W(xué)或機(jī)械屬性來(lái)經(jīng)受極端的條件。同樣，研究普通微生物的技術(shù)需要進(jìn)一步地調(diào)整以滿足極端微生物的需求。此外，從在實(shí)驗(yàn)室條件下生產(chǎn)一種酶到獲得最終商業(yè)化的產(chǎn)品之間存在很大的技術(shù)鴻溝，這仍是阻滯新型生物催化劑開(kāi)發(fā)的巨大難題。希望通過(guò)科研人員和產(chǎn)業(yè)界的共同努力，逐一攻克技術(shù)難題，最大限度地實(shí)現(xiàn)極端酶在工業(yè)中的應(yīng)用。

②技術(shù)突破。大自然提供了大量的生物催化劑來(lái)源。然而，為一種特殊的應(yīng)用找到合適的酶制劑仍非常困難。新酶篩選及酶活力分析依賴于高效的、精準(zhǔn)的方法和技術(shù)，如宏基因組篩選、基因組挖掘及通過(guò)功能篩選直接開(kāi)發(fā)極端酶等[3]。但不同的酶基因挖掘方法中仍存在著諸多技術(shù)瓶頸，如突破難培養(yǎng)微生物的培養(yǎng)技術(shù)、高質(zhì)量的DNA提取技術(shù)、極端微生物的裂解技術(shù)等。技術(shù)瓶頸不僅存在于新酶挖掘過(guò)程中，也存在于酶的改造及工業(yè)化應(yīng)用等方面。直接培養(yǎng)極端微生物用來(lái)生產(chǎn)極端酶存在諸多局限性，目前使用的策略是在嗜常溫的宿主中克隆和表達(dá)編碼產(chǎn)品的基因，產(chǎn) 生高活力的和溫度穩(wěn)定的酶，如熱鏈狀芽孢桿菌中表達(dá)嗜熱堿脂肪酶[37]。然而，在大腸桿菌和其他宿主中重組表達(dá)極端嗜熱酶仍會(huì)導(dǎo)致基因錯(cuò)譯等[38]。因此，新的培養(yǎng)宿主和分子工具的開(kāi)發(fā)、新的基因和蛋白編輯技術(shù)的應(yīng)用將極大推動(dòng)極端酶的研究和在不同工業(yè)中的應(yīng)用。

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Research progress of extremozymes and its application in food industry

LIU Xin，WEI Xue，WANG Fengzhong，XIN Fengjiao
Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China

Enzyme is an efficient biocatalyst, which is widely used in food, textile, feed, medicine, energy and other fields, because of its mild reaction conditions, low energy consumption, strong substrate specificity and environmental protection. With the rapid development of the food industry, the demand for bio-manufacturing of food industry increases dramatically, and the share of food enzymes in the whole enzyme preparation market is also increasing. Most of the food processing processes involve high temperature, high pressure and other stricter conditions, so the extremozymes show outstanding advantages in the food industry. This paper reviews the research progress of extremozymes, expecially their adaption mechanisms from the perspective of structural biology and their applications in the food industry, especially thermophilic enzymes and psychrophilic enzymes.

food enzymes; extremozymes; food processing; crystal structure

10.3969/j.issn.1674-0319.2017.04.009

劉欣，助理研究員，研究方向：生物酶研究與應(yīng)用。E-mail：liuxin_023@163.com

魏雪，在讀碩士，研究方向：生物酶研究與應(yīng)用。E-mail：weixue 15701202366@163.com

王鳳忠，研究員，研究方向：功能食品與生物活性物質(zhì)。E-mail：wangfengzhong@sina.com

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)（2017YFD0400200）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31571963）