食品生物化学

食品生物技术 中南林业科技大学食品学院罗非君luofeijun 第一章绪论 第一节食品生物技术涵义一 生物技术生物技术 biotechnology 是以生命科学为基础 利用生物 或生物组织 细胞及其他组成部分 的特性和功能 结合先进的工程技术手段 设计 构建具有预期性能的新物质或新品系 加工生产产品或提供服务的综合性技术 二 食品生物技术食品生物技术 foodbiotechnology 是指在食品工业领域里所应用的生物技术 BiotechnologyfortheFoodIndustry 是食品科学技术与生物技术相互渗透而形成的一门交叉学科 FoodBiotechnology 一 传统生物技术生物技术的发展与食品发展的历史是密不可分的 对促进人类社会的文明发展有着非常重要的意义 其发展简史如下 BC6000年 古埃及人和古巴比仑人利用微生物发酵生产酒精 我国也在石器时代后期 开始利用谷物酿酒 BC4000年 古埃及人开始用酵母菌发酵生产面包 BC221年 周代后期我国人民开始制作豆腐 酱油和醋 生物技术的形成和发展 1865年当时属奥地利的布隆 Brunn 基督教修道院的修士格里高 孟德尔 GregorJohannMendel 根据他8年植物杂交实验的结果 2月8日在当地的科学协会上宣读了一篇题为 植物杂交实验 的论文 1866年正式发表在该协会的会刊上 但这一伟大的发现被搁置了35年 孟德尔临终前说 等着瞧吧 我的时代总有一天要来临 1900年 孟德尔定律的二次发现 1 荷兰阿姆斯特丹大学的教授狄夫瑞斯 deVries 他进行了月草杂交试验 发现F2的分离比为3 1 1900年3月26日其论文 杂种分离法则 发表在 德国植物学会杂志 狄夫瑞斯曾从L H拜莱的 植物育种 中查到孟德尔的工作 他在德文版中提到了孟德尔的工作 但在法文版中却只字未提 2 德国土宾根大学的教授科伦斯 Correns C E 他于1900年4月21日阅读了狄夫瑞斯法文版的论文 发现其结论和自己的实验结果相同 尽管文中未提到孟德尔 但科伦斯已从老师未格里处知道了孟德尔的工作 于是他撰写了 杂种后代表现方式的孟德尔法则 一文 1900 4 24日发表在 德国植物学会杂志 18 158 168 这对重新发现孟德尔法则起了重要的作用 3 奥地利维也纳农业大学的讲师切尔迈克 Tschermak 他也作了豌豆杂交试验 发现了分离现象 撰写了 关于豌豆的人工杂交 的讲师就职论文 清样出来后他读到了狄夫瑞和斯科伦斯的论文 于是急忙投寄论文摘要 于1900 6 24日也发表在 德国植物学会杂志 三个人的工作都发表在 德国植物学会杂志 都证实了孟德尔法则 以上3位植物学家几乎同时证明了孟德尔遗传规律 从此揭开了遗传学研究的新纪元 HugodeVries 1848 1935 CarlErichCorrens 1864 1933 ErichvonTschermak 1871 1962 1885年 巴斯德 LouisPasteur 首先证实发酵是由微生物引起的 并建立了微生物纯种培养技术 20世纪20年代 工业生产中大规模采用纯种培养技术发酵生产丙酮和丁醇 同时代 AlexanderFleming爵士发现了青霉菌可以产生青霉素 50年代青霉素大量生产 为人类疾病治疗做出了巨大贡献 同时带动了发酵工业和酶制剂工业的发展 以上属于传统传统意义上的食品生物技术 也是近代生物技术的建立和全盛时期 细菌的发现 我们已经知道 单个的细菌是十分微小的 它们的奥秘是怎样被发现的 细菌的发现者是谁 他为什么能发现细菌 细菌的发现者是谁 17世纪的荷兰人列文虎克并非职业科学家 但是他十分热衷自己制造显微镜经过几年的努力 他制造了能放大300倍的显微镜 是世界先进水平 列文 虎克用自制的显微镜观察河水 人的精液 人的牙垢等 发现了一个新的世界 他为什么能发现细菌 他是怎样让世人知道他的发现的 列文 虎克把自己的发现仔细记录下来他把观察结果寄给了当时的权威科学机构 英国皇家学会 从此名扬天下 被誉为细菌学的开创者 他的成功是偶然的吗 他善于发现和提出问题 微小的世界是怎样的 制定实施实验计划 自制显微镜 坚持观察各种微小物体60年 做详细记录善于表达和交流 把观察结果寄给英国皇家学会他的做法就是一个标准的科学探究过程他还发现了毛细血管 人类的精子 多种原生动物 成功绝非偶然遗憾 微生物从哪来 自然发生说 微生物学之父 法国人路易斯 巴斯德 巴斯德以严谨的科学精神向世人揭示了细菌的许多秘密 例如 细菌不会在自然界凭空出现 著名的巴斯德鹅颈瓶实验让认为细菌是自然产生的人彻底闭嘴 鹅颈瓶实验的启示 1细菌可以用高温杀灭 2经杀菌的食物不接触细菌就不会腐败 鹅颈瓶实验原理的应用 1 外科手术用具的消毒 挽救了许多病人的生命 鹅颈瓶实验原理的应用 2 巴氏消毒法 这种灭菌法由巴斯德发明 因此得名 牛奶 啤酒和葡萄酒 罐头等 加热到70 80 维持5 30分钟 就能消灭绝大部分细菌 但不会影响味道和营养 二 现代食品生物技术的发展 R Franklin Wilkins在1952年底拍得了DNA的X 射线衍射照片 1953年 沃森 J D Watson 和克里克 H F C Crick 提出DNA分子是双螺旋结构 doublehelix 奠定了现代分子生物学研究的基础 1962年 Wilkins Watson和Crick获的诺贝尔医学和生理学奖 1965年 法国科学家Jacob和Monod提出了著名的乳糖操纵子学说 开创了基因表达调控研究的先河 1968年 美国科学家Nirenberg破译了DNA的密码 Holly阐明了酵母丙氨酸tRNA的核苷酸序列 Khorana首次合成核酸分子 并且人工复制了酵母基因 从而三人分享了诺贝尔医学和生理学奖 FigureThelacoperonincludesthreegenes MarshallW Nirenberg RobertW Holley HarGobindKhorana 20世纪60年代末 斯坦福大学的生物化学教授PaulBerg开始研究猴病毒SV40 于1972年获得了世界第一例重组DNA 1980获得诺贝尔化学奖 生物技术时代的新纪元 PaulBerg WalterGilbert FrederickSanger 1972年 美国加州大学的Boyer教授从大肠杆菌中分离出一种新的核酸酶EcoR 它可以特异性地切割DNA 这种新的核酸酶就是限制性内切酶 生物学家有了强大的生物刀 随后 陆续发现了近百种内切酶 可以更加自如地对DNA进行操作 Boyer教授成为美国第一家上市生物公司Genentech的副总裁 HerbertBoyer 1977年 美国科学家Sanger设计出了一种DNA测序的方法 即双脱氧法 同年 Maxam和Gilberg也发明了一种化学测序方法 两种方法为DNA序列分析提供了有力工具 极大地推动了分子生物学的研究 FrederickSanger WalterGilbert 1980年获得了诺贝尔医学和生理学奖 1984年 德国人Kohler 美国人Milstein和丹麦人Jerne由于发展了单克隆抗体技术 完善了极微量蛋白质的检测技术而分享了诺贝尔医学和生理学奖 NielsK Jerne C sarMilstein GeorgesJ F K hler 1986年 美国科学家Mullis发明了聚合酶链式反应技术 PolymeraseChainReaction PCR 为分子检测 基因突变 基因工程提供了有力的工具 因此 1993年获得诺贝尔化学奖 forhisinventionofthepolymerasechainreaction PCR method KaryB Mullis 1 2oftheprize 当然 以上内容只是促进现代生物技术发展的几个重要研究成果和里程碑 其实 还有许多重要的研究成果 如 1928年格里菲斯 FrederickGriffith 的细菌转化实验 Avery的离体转化实验等证明DNA是遗传物质 Meselson和Stahl关于DNA的半保留复制等为现代基因工程技术奠定了坚实的基础 与此同时 细胞培养技术 细胞融合技术 现代发酵工程 现代酶工程 生物工程下游技术和现代分子检测技术等也取得了长足的发展 第二节食品生物技术主要研究内容 一 生物技术的基本内容及各内容间的关系 生物技术的基本内容1基因工程 geneengineering 2发酵工程 fermentationengineering 3酶工程 enzymeengineering 4细胞工程 cellengineering 5蛋白质工程 proteinengineering 各内容间的内在关系四者彼此密切联系 难以分割 酶工程是从发酵工程分离出来的一部分 被称为 分子水平上的发酵工程 细胞工程中的动植物细胞大规模培养技术也有人认为应列入发酵工程 蛋白质工程又称第二代基因工程 基础和归宿是发酵工程和酶工程 一 基因工程 Geneengineering 是20世纪70年代以后兴起的一门新技术 也称DNA重组技术主要原理 以分子遗传学为基础 利用人工方法把生物的遗传物质分离出来 在体外进行切割 拼接和重组 然后将重组的DNA导入某种宿主细胞中 从而改变它们的遗传性质 这种创造新生物并赋予新生物以特殊功能的过程称为基因工程 二 细胞工程 Cellengineering 基本原理体外大量培养技术 细胞融合技术 也称细胞杂交技术 细胞拆分 染色体工程和繁殖生物学技术等 二 细胞工程 Cellengineering 基本原理体外大量培养技术 细胞融合技术 也称细胞杂交技术 细胞拆分 染色体工程和繁殖生物学技术等 三 发酵工程 Fermentationengineering 主要原理包括微生物生长动力学 发酵条件的优化和控制 生化反应器的设计 以及产品的分离 提取和精制等技术 四 酶工程 Enzymeengineering 主要原理酶固定化技术 细胞固定化技术 酶化学修饰技术和酶反应器设计等技术 五 蛋白质工程 Proteinengineering 主要原理 二 食品生物技术的研究内容 1研究开发和生产食品新组分 新产品 特别是微生物细胞和真核细胞培养代谢物 以及用于功能性食品的天然活性物质和功能性因子 2应用生物技术 特别是酶和酶系 研究和解决食品及农产品的加工过程和保藏中的问题 3提高传统食品的品质和工业化水平 4应用酶法分析 免疫酶联分析和DNA探针等生物技术研究食品 粮油 油脂与植物蛋白以及饲料的快速分析和质量控制 请对照教材P2 4学习 三 食品生物技术的发展趋势 1传统酿造食品的技术改造2微生物酶制剂的开发和应用3酵母系列产品及单细胞蛋白 SCP 的开发4酶法淀粉糖的发展5利用生物技术开发出的新食品材料不断涌现6利用生物技术获得功能性食品基料大有可为 第三节生物技术的应用 一 农业二 医药三 环保四 化工 一 农业 1 转基因农作物 目前 世界种植的主要转基因农作物有4种 玉米 棉花 大豆和油菜籽 其它转基因农作物包括烟草 番木瓜 土豆 西红柿 亚麻 向日葵 香蕉和瓜菜类 发达国家已经或正在进行的田间试验达数千次 发展中国家目前正在对约200种转基因农作物进行田间试验 其中在拉丁美洲田间试验的转基因农作物达152种 非洲为33种 亚洲为19种 从性能上区别 现有的转基因农作物可分为4个种类 一是Bt农作物 可抵御害虫的侵害 减少杀虫剂使用量 二是抗除草剂农作物 三是抗病毒农作物 四是营养增强型农作物 转基因农作物正面临市场危机 科学上引起的激烈争论 1 基因转移对生态环境的潜在影响 2 抗病毒和抗害虫农作物的负面影响 3 植入基因对人类和动物健康的负面影响 经济和社会原因 1 国家之间的经济利益冲突 2 各国之间的技术竟争 3 消费者的经济利益 4 消费者的文化背景和宗教信仰差异 转基因农作物发展前景 第一 与世界情况相反 美国转基因农作物种植面积仍处在不断增长之中 比5年前增加24倍 第二 世界转基因农作物业已说服几乎所有的国家政府和世界组织支持这一正在激烈争议之中生物技术 第三 随着生物技术不断完善 数年后肯定会出现可以同时给农场主和消费者都带来巨大好处的新型转基因农作物品种 第四 世界各国相关法律强化对转基因农作物的管理 但并不是绝对禁止 一种植转基因玉米中色氨酸含量提高20 而色氨酸是人体必需氨基酸 转基因油菜籽不饱和脂肪酸含量明显增加 对心血管有利 转基因米 所含的维生素A比普通大米多23倍 推广这种大米 将有助于人们补充食物中维生素A的不足 尤其是对儿童 可以避免他们患眼盲症 而现在 全世界每年有50万儿童因维生素A缺乏而患病 第一代金大米 2 转基因家畜 转基因牛奶 增加乳铁蛋白 抗病因子含量 而脂肪含量则有所降低 日本 抗疯牛病转基因牛 美转基因猪能长鱼肉 猪体内含有可制造omega 3不饱和脂肪酸的基因 人乳铁蛋白转基因牛 二 医药 环保 化工 利用转基因动物生产蛋白质和制造药物 加拿大 环保型转基因猪 同普通猪相比 这种猪排出的粪便所含的污染物显著