《食品科学》：哈尔滨商业大学辛嘉英教授等：机械酶学在食品加工应用中的研究进展

  机械化学是一种由剪切、拉伸或研磨产生的机械力介导的化学转变，酶作为生物催化剂和机械力作为活化剂的组合使用已形成了一个前景广阔的领域：机械酶学。机械力化学条件对许多酶完全适宜，从而促进了机械酶学领域的发展。最近的研究表明，各种酶已发展到可以在没有水溶剂的情况下催化反应。该领域的突破性发展是人们慢慢地认识到无溶剂机械酶催化反应相对于传统溶液反应的有利特征，如图1所示。

  机械化学的引入明显提升了该反应过程的可持续性，在废物预防、原子经济、衍生物减少和良性化学等方面充足表现了绿色化学原则。基于此，哈尔滨商业大学食品科学与工程重点实验室的毕海鑫、辛嘉英*、孙立瑞等对机械酶学在食品加工应用中的应用研究进行了综述。

  机械化学活化和酶作为催化剂的有效结合具有高产率、高效率、多功能性以及显著的化学、区域和立体选择性。酶的必要合成步骤可能涉及水解、对映选择性、缩合反应，甚至多组分反应，这些过程可以在间歇式或连续反应器中以几克的规模进行。在无溶剂机械酶催化反应中，机械化学使用短暂或连续的机械混合，反应通过研磨介质的冲击或剪切力而加速。随着科学技术的持续发展与创新，各种自动化研磨设备不断涌现，如图2所示。其中使用最广泛的是振动球磨机（以所需的频率来回摆动研磨罐）、行星式球磨机（以“行星运动”旋转罐）和挤出机，前两者都可以在添加或不添加研磨球的情况下使用。相比之下，反应挤出为一种连续的加工技术，反应混合物在所需温度下通过一个或两个旋转螺杆被迫通过受限空间。

  碰撞是球磨机中的主要能量传递方式，球磨反应器中球体的摩擦和撞击产生的应力在反应混合物中产生高温微位点，促进基体中键的断裂和新键的形成，以提供对应的产物。酶是天然可用的分子，代表无毒试剂和可生物降解的分子，其作为催化剂的大部分特性来源于分子结构（由数百个不等的氨基酸残基通过肽键相连组成的蛋白质）。从实践角度来看，氨基酸、肽和酶这些有价值分子的应用会受到其在传统有机溶剂中溶解度的限制。近年来，通过机械化学技术已经能够在球磨条件下克服这些限制因素，机械酶催化反应已被证明优于基于溶液的方法。

  自2006年开始，氨基酸在球磨条件下的结构弹性就被用于有机催化，以进行不对称反应。例如，L-脯氨酸在酮和醛之间的无溶剂机械化学不对称羟醛反应过程中被证明高度稳定，使用催化量的L-脯氨酸可以在短时间研磨后以高产率形成羟醛产物，并具备优秀能力的非对映选择性和对映选择性。Rodríguez等报道了在球磨机中进行(S)-脯氨酸催化的不对称羟醛反应，如图3所示。与溶液中进行的相同反应相比，该过程不仅去除了溶剂而且反应时间更短、对映体诱导率更高，经过短时间研磨后获得了具有高对映选择性的羟醛产物。

  在球磨反应中还报道了氨基酸的低聚。无溶剂条件下以Na2CO3·10H2O作为研磨添加剂，在振动球磨机中合成寡聚(L-苯丙氨酸)的产率达到99%，聚合度（DP）为5；在行星式球磨机中反应规模扩大10 倍，实现了完全转化并将DP提高到8。与溶液内反应相比，使用球磨可将反应时间从24 h缩短至2 h。这一根据结果得出产物沉淀并不是DP的限制因素，可能是生长的聚合物链对酶的亲和力以及由此产生的空间位阻，尤其对于甘氨酸这种体积较小的氨基酸能够最终靠机械酶催化聚合使DP达到26。就外因（E因子）而言，球磨中亮氨酸低聚的E因子（行星式球磨机中为3.26）比这些低聚物在溶液内（E因子为100）的合成低两个数量级。此外，研究人员还发现酶催化的球磨反应具有高对映选择性。Hernández等首次报道了通过球磨、动力学拆分仲醇的对映选择性反应，根据结果得出1-苯基乙醇的分离转化率达到47%（理论最大值为50%），乙酸酯产物的ee高于99%，对映体比率大于200，回收的醇ee达到90%，该过程在行星球磨机中以克级进行时获得几乎相同的转化率和选择性。对于1,4-二氢吡啶衍生物的机械酶催化合成，在无溶剂条件下仅进行3 h的球磨即可达到87%的高产率。因此，无溶剂条件下的酶催化球磨技术不仅仅可以实现高效的反应过程，而且相较于传统溶液中的化学转化方法展现出更高的产物收率。

  球磨代表间歇工艺策略，而挤出是一种连续流动型机械酶催化反应策略。挤出机由内部装有一个或多个螺杆的挤出机筒（可配备加热器）、电机、进料斗和出口模具组成，螺杆的剪切作用代表了一种高效的混合系统。在机械化学领域，单螺杆和双螺杆挤出机均已得到应用，双螺杆挤出机由于输送、反向和捏合元件的可变配置以及改进的微混合而表现出高度的多功能性，与反向旋转螺杆相比可以使用同向旋转螺杆进行操作以产生高效径向剪切力，广泛用于反应挤出。

  Spinella等首次报道了通过反应挤出在无溶剂条件下使用南极假丝酵母脂肪酶B（商品名为Novozym 435，以下简称CALB）催化ω-十五内酯开环聚合为聚(ω-十五内酯)，产率可达99%以上，相较于溶液中的工艺实现了更高的DP。此后，通过反应挤出合成共聚物，即在无溶剂条件下通过Novozym 435将ω-十五内酯和δ-戊内酯共聚为聚(ω-十五内酯-共-δ-戊内酯)，温度为90 ℃时单体在6 h内几乎完全转化（转化率＞98%），而70 ℃时转化率降低至16% δ-戊内酯和50% ω-十五内酯。该研究说明了温度作为反应参数的重要性，通过反应挤出ω-十五内酯和δ-戊内酯获得了更高分子质量的共聚物。双螺杆挤出技术也可以进行氨基酸的均聚寡聚化的放大，实现克级同源寡肽的合成。传统上，通过机械酶途径合成的同源寡肽被限制为具有低DP，对该结果的典型解释为生长的同源肽在进行寡聚反应的反应介质中溶解度差，所以短同源肽的过早沉淀被认为阻止生物催化剂进一步延长肽。然而，通过机械酶催化反应证明氨基酸的均聚可以在不需要大量溶剂的情况下实现。此外，反应性挤出具有减少合成的环境因素的潜力，使用挤出进行木瓜蛋白酶低聚(L-Phe)时E因子达到4.53，而溶液内合成的E因子为100。

  在挤出过程中，碳水化合物聚合物也会因机械剪切力而发生断裂，例如淀粉和β-葡聚糖。自20世纪30年代中期以来，挤出技术就被用于食品工业中的面食生产和谷物加工，淀粉的挤压用于通过淀粉酶生产麦芽糖，酶催化挤压的大米可用作发酵原料，蛋白酶在挤出过程中能够裂解面筋中的肽键以改善面团结构。最初应用机械酶催化反应的研究是通过α-淀粉酶进行淀粉液化和糖化。研究表明当地衣芽孢杆菌的热稳定α-淀粉酶引入液化步骤时，在90～100 ℃温度范围内该酶维持较高的活性，温度高于100 ℃时酶部分失活，超过160 ℃时酶几乎完全失活。因此，挤出过程中操作温度对酶的活性影响显著，将糖化区的温度控制在低于酶最适温度范围内可以确保酶的催化效率。

  综上所述，无溶剂机械酶催化避免了有机溶剂的限制，在短时间内实现高产率的同时能够在无毒害、安全的条件下进行，这对于食品工业尤其重要。在机械催化过程中高温和高机械摩擦可能会限制酶的作用，正如上述研究中水合物对挤出过程的极大影响，因为机械剪切力会随着含水量的降低而增大，而含水量的高低与所需反应温度和螺杆速度呈正相关，螺杆速度的调节可以改变施加在挤出物上的机械力。因此，在机械催化过程中剪切场和高温的作用可能会使参与反应的酶发生变性，进而导致机械催化过程中酶结构的改变及活性的丧失。酶作为催化剂，其回收率、稳定性、选择性和抑制性等关键特性是开发和改善酶性质过程中的必要考虑因素，这将对于保留酶在机械作用下的催化活性至关重要。

  根据已有研究发现，通过球磨或挤出引发的机械酶催化反应类型较为广泛。从催化剂、反应方式、反应条件及反应产物等方面对已报道的无溶剂机械酶催化反应进行总结，如表1所示。

  为了使机械酶催化反应过程更具可持续性，有关生物催化剂的稳定性和回收的可行性是该过程中必不可少的考虑因素。虽然酶因其独特的催化特性被广泛研究，但通常需要受控的反应条件才能发挥最大的催化活性，升高的温度、机械应力、高pH值或添加剂的存在都是诱导酶结构发生可逆或永久构象变化的因素。Valle-Orero等对机械变形与蛋白质加速老化之间的研究发现，使蛋白质反复折叠和展开会降低蛋白质恢复原始构象的能力，将此结果拓展到机械酶反应意味着当生物催化剂暴露于恶劣的机械条件（如球磨机中经历的条件）时很容易发生变性。因此，深入了解酶在机械过程中所遭受的结构和功能变化将有益于确立机械酶催化反应的理想条件。

  实现高效机械酶催化反应的关键是探索提高酶稳定性的策略，克服其在反应条件下（例如高温、高剪切力和溶剂限制）的不稳定特性。研究人员已经尝试了多种方法增强酶的稳定性，包括酶的修饰、使用特定的载体材料进行固定化以及在反应体系中加入辅助添加剂等。因此，根据目前的文献报道结合酶催化反应与一系列机械化学条件的相容性，从以下3 个方面对影响酶稳定性的因素进行解析。

  酶的固定化过程首先是要选择具有适宜表面化学性质的载体材料，其次评估实验条件以优化操作性能、确保高固定化率和表达活性，再对所得生物催化剂在操作条件下的催化行为进行表征。

  酶与载体材料的附着可分为共价键合、吸附和交联。共价附着是通过对载体材料进行表面功能化完成，在功能化表面之间形成席夫碱进而形成共价连接酶和蛋白质的氨基，以提高机械催化反应中酶的稳定性和可重复使用性。酶吸附是利用载体表面和酶的静电相互作用，通过引入带电或离子基团产生具有pH值依赖性的生物催化剂性能，该原理已用于吸附米曲霉中的β-半乳糖苷酶和红酵母中的D-氨基酸氧化酶。此外，可以修饰载体材料的表面以诱导与酶的弱相互作用，如脂肪酶的吸附通过在载体表面引入疏水基团（例如辛基和苯基）实现，这些基团与脂肪酶活性中心的疏水区域相互作用，在疏水表面的存在下借助界面激活机制使疏水口袋暴露于介质中，底物更容易接近活性部位进而稳定酶的活性构型并促进其在机械作用下催化活性的表达。Urrutia等以疏水性壳聚糖为载体将CALB和米黑根毛霉脂肪酶（RML）固定化，基于壳聚糖的纳米纤维具有提高酶的固定化效率及酶在各种操作条件下的特性，包括生物降解性、增强的孔隙率、机械性能、稳定性和可重复使用性等优异性能。研究发现，使用具有较长烷基链的壳聚糖时CALB的表达活性高于RML。该结果说明载体与CALB之间具有更强的相互作用，与载体材料相连接的烷基链长度是固定化酶最终行为的关键因素，主要影响生物催化剂的活性和稳定性，且这种影响会因酶的来源不同而变化。基于此，Weißbach等报道了球磨机中不同来源的固定化脂肪酶催化木质素模型化合物的酯化反应，以促进β-O-4木质素模型化合物的单乙酰化，如表2和图4所示。反应混合物在未添加固定化酶的球磨条件下无任何产物，在固定化脂肪酶存在的相同条件下仅1 h就获得了收率93%的单乙酰化产物，与化学酯化方法相比仅生成产率较低的二乙酰化产物。由不同来源脂肪酶对酯化反应的影响结果可以证明，非固定化酶在受到机械应力时稳定性降低。固定化脂肪酶对底物γ位的脂肪族伯羟基的高选择性使其在球磨机中的催化活性和稳定性方面具有优越性，这一发现对于以受控方式向载体引入不同程度的疏水性具有重要意义。

  因此，固定化生物催化剂的性能通常受到载体上酶的随机性和异质性的影响，严格筛选固定化条件、最终生物催化剂的适当表征或为每种酶及其应用条件设计特定的固定化方法都是固定化过程中必须考虑的关键因素。该过程的相互作用高度依赖于酶的三维结构，共价键合和吸附相结合能够有效控制酶的方向性，引导固定化朝向稳定和活性的生物催化剂，有利于机械催化过程中酶与载体之间的相互作用，进而改变酶的稳定性和选择性等特性。

  根据溶液中的反应过程可以发现，溶剂通过改变酶表面的水合状态对酶的稳定性产生影响。Pérez-Venegas等报道了在环境温度下无溶剂的高速球磨（HSBM）反应，通过N-苄基化-β3-氨基酯的水解拆分生产β3-氨基酸，如图5所示。仅向反应混合物中添加半当量的水和0.2 mL的2-甲基-2-丁醇（2M2B）作为液体研磨助剂。与溶液体系相比，CALB的底物偏好基本不受机械应力或无溶剂环境影响，反应以高对映体选择性和区域选择性进行且时间缩短、产率相当，ee高达98%。同一球磨条件下CALB于随后的水解循环中仍被证明具有活性，在扩大一个数量级的同时保持了产物的对映体过量（初次反应产物ee达91%，第二次循环产物ee为84%）。Zhang Rui等以二水磷酸二氢钠-柠檬酸缓冲液为辅助添加剂，建立了一种利用复合酶制剂在机械球磨条件下从植物中提取酚类化合物的新方法。与传统提取程序相比可以在更短提取时间内获得高达2～6 倍的提取效率。在此过程中，因辅助添加剂pH值的可调节特性使复合酶制剂在机械球磨过程中维持活性稳定，有效减少了环境因素导致的酶失活现象。

  因此，液体辅助添加剂对研磨反应中酶的稳定性具有积极影响，在添加剂的选择过程中不仅应考虑第一循环的产量和选择性，还应关注其对酶重复使用稳定性的影响。通过调整辅助液体的参数以调控酶的效率和选择性，少量（通常是等物质的量）添加的液体可以加速或实现固体之间的反应，这对于难溶性底物非常有利，因为它们能够与无溶剂机械酶催化体系和液体辅助研磨相容。

  目前，半纤维素生物质酶法解聚主要依赖于溶液体系，通常需要对材料和大量水进行化学预处理且效率较低。Ostadjoo等报道了一种无需大量水、有机或无机溶剂的新型酶法，采用来自疏棉状嗜热丝孢菌的木聚糖酶（E.C. 3.2.1.8）水解不同来源的木聚糖。由原始生物质底物（如麦秆和甘蔗渣）的降解与不同纯化木聚糖（如桦木木聚糖和燕麦木聚糖）之间的比较可知，纯木聚糖的最佳η为0.6 μL/mg，原始生物质的最佳η为1 μL/mg，原始生物质的初始反应速率高于纯化木聚糖，当酶负载量为0.08%时产量高达70%，这可能是由于球磨过程中恶劣的条件导致生物质对酶的稳定作用造成影响。基于此，Hammerer等证明了在球磨条件下向纤维二糖水解过程中添加微晶纤维素（MCC）可以提高β-葡萄糖苷酶的稳定性。在没有MCC的情况下（η＜1 μL/mg）葡萄糖产率低于5%，即使经过RAging循环后产率仍低于10%，而用MCC代替一半质量的纤维二糖组成反应混合物并保持其他参数不变的情况下产率超过50%，如图6所示，相当于最终葡萄糖浓度约为3 mol/L，这在常规的溶液条件下很难达到。同时，添加不同的木聚糖、纤维素纳米晶体、甲壳素以及合成聚合物（刚性聚合物如聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，或水溶性聚合物如聚乙二醇4000）也能够达到类似的稳定性。因此，在无溶剂机械化学条件下酶催化的反应不仅可以达到平衡，而且在研磨过程中通过添加天然或合成聚合物可以改善酶的反应性、保护酶免受机械力的影响，证明聚合物辅助研磨是提高酶在恶劣研磨条件下稳定性的有力选择。

  在机械酶催化反应中催化剂的回收和重复使用是实现原子经济性和可持续性的关键因素。正如上文所述，通过特定的固定化技术有效地将酶固定在载体上，不仅可以提高酶的长期运行稳定性，而且可以在一定程度上完成酶的快速回收和再利用，使其在多次重复使用后仍能保持一定催化活性。然而在实际操作中，催化剂与底物的分离技术会影响固定化催化剂的性能，如果在分离过程中未能有效控制条件可能导致酶活性的损失或诱发副反应从而影响反应效率。因此，高效的酶分离技术对于提高无溶剂机械酶催化反应中催化剂的回收与重复利用具有积极影响。

  磁性固体载体的磁分离技术在外部磁场的作用下利用磁性材料的特性分离酶，对酶活性影响较小。据报道，将游离酶固定在磁性载体上可以提高运行稳定性和回收性能从而降低成本并提高效率。然而，磁性载体必须具有足够的强度才能使催化剂的回收和重复使用成为可能。Tu Hongyi等开发了一种新型磁性热敏聚合物复合载体并用于青霉素G酰化酶的固定化，通过在低临界相变温度之上和之下表现出不同的状态（亲水/疏水状态）实现酶分离。当温度低于低临界相变温度时载体以亲水状态存在；温度高于低临界相变温度时转变为疏水状态，热敏磁性复合载体收缩导致密度增加，固定化酶表现出低温均相催化和磁分离的优势，从而使催化剂在重力场和磁场的双重作用下很容易被分离和回收。回收后的酶在重复使用12 个循环后活性依然维持初始值的87.4%，回收率达到96.22%。此外，缩回的热敏磁性载体尺寸减小使固定化酶被包裹起来，这既可以保护固定化酶免受机械应力的损伤又防止酶失活。因此，制备具有足够强度的磁性载体、设计具有良好综合性能（包括高负载能力、高酶活回收率和高重复使用性等关键参数）的新型固定化酶将有助于机械酶催化过程中催化剂的分离、回收和再利用。

  水洗分离技术在不损害酶活性的前提下利用酶与底物或产物的水溶性差异实现高效分离。Habulin等报道了使用氨丙基功能化二氧化硅作为载体固定脂肪酶和蛋白酶以提高固定化酶的性能，该研究在酶与底物分离过程中将生物催化剂过滤，采用水洗的方式彻底分离以对生物催化剂进行表征，发现静电和疏水相互作用赋予固定化酶较高的稳定性，蛋白酶和脂肪酶的产率分别高达56.8%和61.4%。Urrutia等以疏水性壳聚糖作为载体对脂肪酶进行固定化，成功采用相同的技术分离酶，评估了酶的热稳定性和活性。研究发现，由于脂肪酶具有α/β水解酶折叠结构，且其活性中心是由丝氨酸、组氨酸、天冬氨酸或谷氨酸组成的催化三联体，当与疏水表面接触时疏水残基暴露、亲水残基隐藏在内，在丝氨酸残基周围形成一个亲电区，如图7所示，羧基侧链位于外部疏水区的外围。因此，当接近疏水表面时“盖子”打开使催化三联体供底物接触，疏水材料通过将酶构象结构重新排列成开放形式来提高催化活性，同时允许酶容易在水洗过程中分离。

  考虑到固定化过程会影响酶的亲水性，色谱分离也是实现酶与底物分离的可选择技术之一，如在离子交换色谱中酶能够与带电的底物或反应产物通过静电相互作用实现分离。然而，色谱分离技术会受到酶的性质、底物的特性以及色谱操作条件的影响，如酶的非特异性吸附和底物的非特异性结合、pH值和温度等因素。据报道，亲水性载体可以通过交联酶聚体制备的固定化酶提高机械作用强度和耐受性、减少反应过程中酶的变性，这有助于酶的回收和分离进而增加酶的催化稳定性和重复使用次数。此外，超滤分离作为一种基于膜分离的技术能够根据分子的大小和形状筛选和分离酶，在分离过程中小于膜孔径的底物和小分子产物可以通过膜孔，较大的分子如催化剂被留在膜的一侧。这些发现为研究人员进一步优化酶分离的研究奠定了坚实基础，为无溶剂机械酶催化反应中催化剂的回收与重复利用提供了有力依据。

  Hernández等通过球磨进行仲醇的酶动力学拆分过程中测试了固定化CALB的可回收性，将研磨后的脂肪酶回收并在连续4 个循环中重复使用，结果证明了固定化酶的可回收性及在长时间球磨过程中的弹性，虽然转化程度有所损失但仍保持乙酰化产物的优异对映选择性，如表3和图8所示。Spinella等将CALB吸附于聚甲基丙烯酸酯珠（直径0.3～0.6 mm）上，回收后的CALB珠子仅存在机械表面缺陷，尺寸没有减小且仍保留75%的活性，酶活性的轻微降低可能由于研磨时酶从丙烯酸树脂中部分解吸。通过反应挤出进行机械酶催化合成共聚物的过程中将己内酯接枝到壳聚糖上，发现来自南极假丝酵母的热稳定脂肪酶（NovoCor）比CALB具有更强回收能力。因此，优化固定化技术能够提高酶的回收效率和重复使用次数以降低成本、提高生产效率，促进无溶剂机械酶催化反应的工业化应用。

  近年来，利用无溶剂机械酶催化合成的策略在食品领域引起广泛专注，该策略通过防止废物形成和提高收率实现了更可持续的生产。例如，在糖酯合成的研究中，传统方法往往通过高压均质和添加粗糖酯或减压条件解决半固体混合物难溶的问题。Hollenbach等首次证明了脂肪酶介导的葡萄糖脂肪酸酯的无溶剂机械酶法合成，如图9所示。这项研究成功克服了半固体体系的挑战，产率达到传统糖酯合成方法的2～6 倍。糖酯因独特的双亲分子结构而表现出显著的生物活性和表面活性，能有效降低表面张力且临界胶束浓度较低，分子结构中亲水头部和疏水尾部通过酯键连接确保了其在自然界中的可降解性，这种结构特征使其成为一种高效的泡沫稳定剂。

  机械酶催化合成的关键步骤是选择有利于两种底物（亲水性糖苷单元和疏水性长链烃单元）溶解性的反应介质，同时调节脂肪酶对合成的性质。Cabezas等通过Novozym 435催化合成果糖脂肪酸酯时实现了生物转化率（19.7%）和产率（9.45 µmol/L）之间的平衡。通过球磨提高了极性底物的表面积和果糖在酯化反应中的利用率，该研究为碳水化合物脂肪酸酯的无溶剂生物合成工艺奠定了基础，有助于采用目前所需的绿色替代品替代合成食品表面活性剂。这些非传统的反应体系通过增加界面能和降低活化能使机械酶反应性能显著提高，不仅简化了下游分离过程还可能延长酶的重复使用周期。

  随着健康和功能性食品的需求日益增长，食品成分的改性技术已成为研究人员的关注焦点。然而，传统的改性方法对于食品的理化和功能特性存在限制，如加热处理可能导致营养成分的损失，化学改性可能引入有毒有害物质。最近，无溶剂机械酶催化技术在食品成分的特定改性方面成为了一种温和、安全且环境友好的选择。

  Zhu Yulian等报道了通过机械球磨结合纤维素酶处理对沙棘不溶性膳食纤维进行改性的新方法。研究证明，由机械酶催化处理的改性不溶性膳食纤维粒径更小、结构更疏松，改善了其粗糙质地，保水性、锁油性和溶胀性均有所提高。此外，改性的不溶性膳食纤维可以通过增加分子相互作用和物理障碍形成来抑制淀粉消化，从而减少葡萄糖的形成和利用；还可以通过颗粒的屏障作用抑制葡萄糖在肠道内的扩散以增加葡萄糖吸附能力，具有体外降血糖作用。因此，机械酶催化处理可以有效提高不溶性膳食纤维的功能特性，将改性的不溶性膳食纤维开发为调节血糖水平的功能性成分，拓宽其在食品领域的应用。针对机械酶催化处理进行淀粉的改性以改善淀粉的一些不利特性，如在冷水中溶解性差和糊化后黏度高等问题。Juarez-Arellano等报道了利用高速球磨提供的机械能进行马铃薯淀粉改性，证明在无溶剂催化条件下马铃薯淀粉的理化性质发生改变，晶体结构的破坏导致溶解度和溶胀性增加，结晶度和高溶解度的损失使淀粉糊化度和凝沉黏度下降。阿魏酸淀粉作为改性淀粉的一种创新变体具有抗结直肠癌、心血管疾病治疗和血栓调节等多种功能特性，在抑制淀粉老化、酶降解和消化吸收效率方面至关重要。因此，机械酶催化作为淀粉改性技术拓展了淀粉在食品中的应用可能性，如乳化剂、脂肪替代品和包封所需化合物的壁材料以及作为面食中的改性成分

  目前，用于葡萄糖生产的木质纤维素（主要由纤维素、半纤维素和木质素构成）的大规模加工通常依赖于高温和酸性或碱性条件。然而，极端条件会产生有毒化学物质并破坏产品的天然品质。相对于化学方法，无溶剂机械酶催化反应的操作条件温和、产率相当且不会产生有害副反应，可以将这些天然聚合物解聚为亲水性小分子以实现葡萄糖的高效生产。Hammerer等在无需大量溶剂、酸、过渡金属或底物预处理的情况下将纤维素催化裂解成葡萄糖，该方法产生的葡萄糖浓度是传统方法获得的最高浓度的3 倍，避免了溶解度问题和在溶液中较高底物含量下损害纤维素酶活性的“固体效应”。Navarro等开发了一种将机械研磨与酶催化反应相结合的新方法解聚木质纤维素，糖化效率高达80%。Mais等采用球磨技术降解α-纤维素，提高糖化率的同时降低酶负荷，实现了100%的收率。

  木质纤维素在解聚过程中也容易释放天然活性成分（如多酚类化合物），产生用于各种材料的芳香族结构单元，这对于食品加工制造具有极大的潜力。基于此，Xu Wenhao等提出在无溶剂情况下利用机械球磨结合漆酶将木质素解聚为功能性芳香族单体，成功解决了木质素在溶剂中溶解性差的难题，芳香酸和苯酚的收率分别高达94%和90%。芳香族基团、甲氧基、羟基和羧基等多种官能团的化学性质使其成为食品领域的一种高附加值材料，如用作苯酚、苯甲酸和丁香酸等芳香族化合物的前体。

  在食品生产、加工及消费过程中产生的废弃物，除少部分被回收利用外大部分被丢弃或通过填埋、焚烧等方式处理，造成资源浪费、细菌滋生、土壤和水污染等问题。无溶剂机械酶催化技术的开发为食品废弃物的降解提供了新思路。以虾和蟹壳等甲壳类废弃物的降解为例，传统化学工艺是利用强酸或强碱降解甲壳素，容易腐蚀设备并产生大量废水，天然甲壳素（由单体N-乙酰-D-葡萄糖胺（GlcNAc）组成）的层结构和层间的氢键使得其不溶并且难以被酶降解和利用。基于此，Yu Xinjun等在无溶剂环境下利用3 种不同功能的几丁质酶为催化剂，通过LAG和RAging循环降解虾和蟹壳中的甲壳素以生产GlcNAc。研究发现，底物甲壳素质量浓度达到300 g/L时产物GlcNAc的最高产率达到61.3 g/L，每克酶获得高达102.2 g GlcNAc的产率。Lv Jiran等利用从海洋细菌南极微小杆菌中发现的新型几丁质酶（EaChi40）在球磨条件下将小龙虾壳水解为甲壳素低聚糖，实现了小龙虾壳的高效降解，水解率高达76.1%，这项研究有望成为食品和生物领域生产甲壳低聚糖的理想策略。此外，对于废弃植物油（如烹饪后的煎炸油）的降解，Lopresto等报道了以废弃或低质量的植物油为底物进行固定化脂肪酶催化的酯交换反应，将废弃植物油降解以生产生物柴油。

  因此，在无溶剂的条件下通过机械能和酶的协同作用能够高效降解食品废弃物，不仅解决了环境污染和资源浪费等问题还提高了降解效率，因反应周期短和反应条件温和等优势使其成为一种新兴的绿色技术，具有良好的经济和生态效益，在食品加工过程中展现出广阔的应用前景

  机械酶学正在突破传统溶液中生物催化反应的界限，使原本需要有机试剂和苛刻条件的反应成为可能。无溶剂机械条件下的酶催化反应意味着总反应体积减小，具有简化操作、减少废物产生、提高反应速率和产率等优势。本文介绍了无溶剂条件下酶催化球磨和挤压技术这两种机械酶催化过程的主要实现形式，分析了机械酶催化中酶的固定化、辅助添加剂等影响生物催化剂稳定性和回收可行性的必要考虑因素及机械酶学在食品加工中的应用，为食品制造业提供了一种绿色可持续发展的新策略。

  虽然无溶剂机械酶催化技术已在食品添加剂的高效合成、食品成分改性和食品废弃物降解等方面显示出巨大的应用潜力，但该领域仍存在亟待解决的问题。目前关于机械酶催化研究的催化剂主要为天然酶制剂，由于不同酶制剂结构的差异导致所需机械催化条件和载体性质之间的构效关系尚不明确，机械酶催化反应机理缺乏深入研究，同时这些酶制剂也面临着操作稳定性不足、环境适应性差和生产成本高昂等挑战。因此，针对机械酶学未来的研究可从以下几个方向展开：一是开发新型的固定化技术和探索多样化的辅助研磨材料以优化机械酶催化稳定性、回收与重复利用性，逐步提升催化效率；二是继续开展有关酶分子结构及功能变化的研究，为机械酶催化反应机理的深入探究提供足够的实验数据支撑；三是通过模拟天然酶制剂的关键特征（如活性位点、辅助位点和微环境）开发适应性及耐受性更强且结构明确的酶模拟物（人工酶），这些酶模拟物可具备在特定条件下模拟天然酶催化活性的独特能力及多种选择性支架，例如蛋白质、胶束、纳米颗粒、微纤维或水凝胶等，从而拥有更特异的结合位点和复杂的催化位点以克服天然酶制剂的主要障碍。因此，未来随着研究人员对机械酶催化反应不断地深入探索将为这一前沿领域提供更多创新性应用前景，从而推动机械酶学在食品领域的快速发展。

  辛嘉英，教授，哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江省食品科学与工程重点实验室主任。博士生导师，黑龙江省二级教授，黑龙江省食品科学领军人才梯队学科带头人。国务院特殊津贴专家，新世纪百千万人才工程国家级人选，教育部新世纪优秀人才支持计划入选者，省杰出青年基金获得者，龙江学者特聘教授。被聘任为中国能源学会专家委员会副主任委员，黑龙江省化学会副理事长，黑龙江省生物工程学会副理事长，材料科学与机械工程国际会议技术程序委员会（TPC）成员。先后荣获省科学技术进步一等奖、省自然科学二等奖、省高校科学技术一等奖、哈尔滨市青年科技奖等科研奖励，获评全国优秀教师、省高校师德先进个人、省“三育人先进工作者”、省第十三届劳动模范、省道德模范提名奖获得者、省优秀研究生导师。围绕食品、医药、化工、能源等领域进行生物催化与转化探索，主要进行食品添加剂、手性药物及精细化学品的生物合成，甲烷氧化菌及代谢产物应用，单细胞蛋白生产，金属离子生物催化还原和非水相酶催化等领域的研究。先后主持完成国家自然科学基金面上项目、省自然科学基金项目和中央支持地方高校高水平人才项目、国家重点实验室开放课题等20余项，发表国内外核心期刊论文200余篇，SCI/EI收录100余篇，SCI被引上千次，主编专著教材5 部，授权中国发明专利6 项，国际专利1 项。

  毕海鑫哈尔滨商业大学食品工程学院博士研究生。研究方向为生物催化在食品领域的应用，以第一作者、通信作者或参与者发表学术论文10余篇，其中SCI收录4篇。授权发明专利1项。

  本文《机械酶学在食品加工应用中的研究进展》来源于《食品科学》2025年46卷第13期394-405页，作者：毕海鑫，辛嘉英，孙立瑞，崔添玉，谢金晖，张健雄，夏春谷。DOI:10.7506/spkx1225-216。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

  实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

  为进一步促进动物源食品科学理论的完善与创新，加速科研成果向实际生产力的转化，助力产业实现高质量、可持续发展，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、中国食品杂志社将与江西农业大学、江西科技师范大学、 南昌师范学院、 家禽遗传改良江西省重点实验室 共同举办的“ 2025年动物源食品科学与人类健康国际研讨会 ”，将于 2025年10月25-26日 在 中国 江西 南昌 召开。

  北京食品科学研究院、中国食品杂志社和全国糖酒会组委会将于2025年10月16-18日在江苏省南京市南京国际博览中心举办第113 届全国糖酒会食品科技成果交流会。食品科技成果交流会期间举办食品科技成果展，本届科技成果展以我国当前食品产业科技需求为导向，重点邀请“十四五”以来获得国家和省部级重要科研项目支持产出的食品科技新成果、新技术、新产品参展，并针对企业技术需要开展精准对接服务。