路福平 黄爱岚 赵 蕾 刘晓凤 郭 宵 陈 宁 刘夫锋

    (工业发酵微生物教育部重点实验室 天津市工业微生物重点实验室 工业酶国家工程实验室天津科技大学生物工程学院 天津300457)

    酶是一类具有高效催化活性的蛋白质，催化活性与其三维结构密切相关。高温、高压、高渗透压、极端pH 值等食品工业生产环境会破坏酶的三维结构，使其失活，从而极大限制了其在食品工业领域中的应用[1-2]。针对此问题，对食品用酶进行结构改造以提升其催化性能，或者从头设计(de novo design)[3-4]以获得自然界中不存在的酶就变得非常必要。

    常用的蛋白质改造方法主要有随机进化、半理性设计和理性设计3 种[5-6]。随机进化是在实验室中模拟自然进化，构建随机突变体文库，通过多轮迭代获得性状改善的突变体，然而突变体文库受库容量及高通量筛选方法限制，有益突变体占比不高。为进一步提升定向进化的效率，(半)理性设计应运而生。该技术基于酶的结构与功能，借助计算机辅助设计方法发现潜在突变位点，设计小而精的突变文库，从而针对性设计和改造蛋白质，是目前研究的热点之一[7-9]。

    1 食品工业常用酶制剂分类

    食品工业用酶制剂作为一种高效、安全、环保的生物催化剂，以它独特的优势在食品工业中起着重要作用[10]。酶制剂的使用能够改变食品的形状和质地，增加食品的营养功能，改善食品风味。食品工业酶制剂现已广泛应用于乳制品、食品酿造、肉类、焙烤、饮料、果汁和啤酒等食品工业中。目前食品工业中常用酶的种类超过55 种，主要包括：α-淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、谷氨酰胺转氨酶、普鲁兰酶、葡萄糖异构化酶、木瓜蛋白酶、葡萄糖氧化酶、脂肪酶等[11-17]。表1列出了常见的食品工业用酶制剂及其用途。

    2 食品工业用酶设计的分子模拟方法

    食品工业生产过程中的极端条件不适合大多数天然酶充分发挥其催化性能。除了定向进化实验技术之外，利用计算机模拟技术理性设计获得在工业环境中性能优良的酶也是常用的方法之一。计算机模拟辅助酶工程改造通过分析蛋白序列、结构与功能之间的关系，预测突变位点，限定突变范围，可显著增加有效突变体的占比，从而大大缩短实验周期，减少实验工作量和节省成本。在食品工业用酶分子设计中常用的计算工具主要有以下5 类：同源建模、分子对接、分子动力学模拟、自由能计算和在线网络预测服务。

    2.1 同源建模

    蛋白质的三维结构决定其功能。酶的高效特异催化性能依赖于其错综复杂的三维结构。目前蛋白结构解析主要有X-射线晶体衍射、核磁共振及冷冻电镜技术3 种试验方法 ......