综述：L-天冬酰胺酶在减少传统中药物质和食品中的丙烯酰胺含量中的应用：作用机制、应用前景及发展动态

《Process Biochemistry》：L-asparaginase to decrease acrylamide in traditional Chinese medicinal substances and food products: Mechanisms, applications, and developments

丙烯酰胺作为2A类致癌物广泛存在于传统中药及加工食品中，主要通过马氏反应和丙烯醛途径形成。L-天冬酰胺酶因其高效特异性被用作生物酶解法，通过降解天冬酰胺阻断反应路径。本文系统综述了该酶在各类食品及中药基质中的应用进展，并深入探讨理性设计、定向进化及固定化技术对酶热稳定性、催化效率和重复利用性的优化策略。同时展望了人工智能辅助的酶定向进化与物联网实时监测系统在传统中药现代化中的集成应用前景，为食品及中医药安全控制提供新思路。

　　

罗林宇|刘子丹|张胜宇|王明琴|周京波|龙梦飞|郑楠

西南大学药学院，中国重庆400715

摘要

丙烯酰胺被归类为2A类致癌物，广泛存在于传统中药和加工食品中。其形成主要通过美拉德反应发生，涉及天冬酰胺途径和丙烯醛途径。鉴于其多种毒性作用对人类健康的严重威胁，开发可行的策略来降低丙烯酰胺含量至关重要。L-天冬酰胺酶是一种高效、选择性强且安全的生物酶，能够水解天冬酰胺，从而有效抑制丙烯酰胺的生成。本综述系统总结了L-天冬酰胺酶在各种食品和草药基质中降低丙烯酰胺的应用进展，证明了其在不改变感官品质或营养价值的情况下显著降低丙烯酰胺含量的能力。此外，我们还讨论了通过工程方法提高L-天冬酰胺酶的热稳定性、催化效率和可重复使用性的策略。最后，我们展望了L-天冬酰胺酶在食品安全控制及传统中药加工现代化方面的应用前景，为相关领域的科学研究和技术进步提供了宝贵见解。

引言

自2002年以来，丙烯酰胺作为一种潜在的致癌物一直备受全球食品安全关注[1]。它主要通过天冬酰胺与还原糖之间的美拉德反应产生，同时也有少量通过丙烯醛途径生成[2]、[3]、[4]。其神经毒性、遗传毒性和潜在的致癌性对人类健康构成严重威胁[5]、[6]，尤其是在薯片、咖啡和烘焙食品等常见食品中，丙烯酰胺含量较高[7]。在各种干预措施中，使用L-天冬酰胺酶的酶法处理因其高特异性和对感官品质影响小而受到青睐[8]。通过将天冬酰胺水解为天冬氨酸和氨，L-天冬酰胺酶能够在源头上有效阻断丙烯酰胺的生成，在多种食品系统中显示出巨大潜力[9]。

值得注意的是，某些亚洲食品和经过高温处理的传统中药材料（如油炸、烘焙或煎煮）中反复检测到异常高的丙烯酰胺含量[10]。例如，一些油炸面团食品、烘焙中药片和加工人参产品的丙烯酰胺浓度显著超过了欧盟的基准水平或西方同类产品的水平[11]、[12]、[13]。这些高含量通常源于原材料中的高前体物质以及传统的烘焙或油炸工艺。虽然Acrylaway?和PreventASe?等商业酶在烘焙和薯片行业已得到广泛应用[14]，但它们往往难以适应亚洲菜肴和中药加工特有的极端温度和复杂基质。因此，迫切需要通过合理设计、定向进化和固定化等技术，开发出具有更强热稳定性和催化效率的“超级酶”变体[8]、[15]。因此，必须通过合理设计、定向进化、化学修饰和固定化技术，开发出具有更高热稳定性、改进效率及更强鲁棒性的新型酶（或对现有酶进行改良），以适应多样的食品或中药加工方法。

现有综述广泛研究了丙烯酰胺的各个方面，包括其存在和毒性[16]、传统食品加工中的缓解技术[4]以及生物传感器等分析检测方法[17]。例如，最近的研究详细介绍了咖啡生产链中的丙烯酰胺降低策略[18]或评估了不同化学添加剂的效力[19]。尽管这些综述为传统的缓解方法和毒理学风险提供了宝贵见解，但仍缺乏将先进的酶工程技术与传统中药行业的具体标准化需求相结合的全面系统概述。因此，本综述提供了以下新颖的观点和贡献：(i) 专注于酶法消除丙烯酰胺，超越传统加工方法；(ii) 首次探讨了利用人工智能驱动的蛋白质工程进行“超级酶”设计的应用；(iii) 整合基于物联网的“感知-决策-执行”系统以实现智能缓解；(iv) 专门分析了中药中的丙烯酰胺控制问题，这是以往文献中经常被忽视的领域；(v) 为食品和中药行业中酶辅助加工的数字化和现代化制定了前瞻性路线图。

丙烯酰胺的形成机制

丙烯酰胺在食品中的毒性引起了广泛关注，促使人们深入研究其形成机制以改进缓解策略。目前，丙烯酰胺的合成主要通过两条途径发生：天冬酰胺途径和丙烯醛途径（图1）。

L-天冬酰胺酶在中药和食品中的应用

土豆、烘焙产品和中药材料的高温加工会导致天冬酰胺与还原糖反应生成丙烯酰胺（图2）。L-天冬酰胺酶通过水解天冬酰胺来降低丙烯酰胺含量，并在食品和中药加工中得到越来越广泛的应用。

L-天冬酰胺酶的改造

尽管L-天冬酰胺酶在降低丙烯酰胺生成方面表现出显著效果，但其天然形式在实际工业应用中仍存在局限性，包括热稳定性不足、催化效率有待提高以及可重复使用性较差。为克服这些挑战，已经开发了多种酶改造策略来优化其性能。如图3所示，这些方法主要包括合理设计、定向进化和化学修饰等。

研究展望

随着人工智能（AI）和深度学习技术的快速发展，L-天冬酰胺酶的研发和应用将从经验性的试错方法转向智能设计。未来的酶工程可能会利用先进的蛋白质语言模型（如AlphaFold及其衍生模型）和机器学习算法，从大量数据中解析复杂的结构-功能关系。

CRediT作者贡献声明

龙梦飞：撰写——综述与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。郑楠：撰写——综述与编辑、监督、资金获取、概念构思。罗林宇：撰写——初稿撰写、可视化、方法论、概念构思。刘子丹：撰写——综述与编辑、验证、实验设计、数据整理。张胜宇：撰写——综述与编辑、监督、资源协调。王明琴：验证、资源协调、实验设计。周京波：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号22408296、22508305）、中央高校基本科研业务费（SWU-KQ24009）以及重庆市自然科学基金（CSTB2025NSCQ-GPX0488）的支持。我们感谢Tolbert Osire博士对稿件的仔细校对和富有洞察力的建议。