高锐--转基因技术改良食物品质的研究进展

1、兰州交通大学化学与生物工程学院综合能力训练文献综述题目：转基因技术改良食物品质的研究进展作者：高锐学号：201207724指导教师：谢放完成日期：2014-7-16转基因技术改良食物品质的研究进展高锐 201207724 摘要：转基因技术改良食品品质的实例近几年已屡见不鲜，本文在此基础上介绍了用于改良食品品质的转基因技术及其特点，并列举了转基因技术在植物性食品及动物性食品上的应用，包括转基因技术在改良小麦品质、稻米淀粉品质上的应用，以及转基因技术在加速食用动物生长迅度和提高泌乳动物的产奶量上的应用，转基因技术在生产活性物质或功能因子上的应用。最后介绍了转基因食品对人体的安全性问题。旨在对基因技

2、术在食品品质改良上的应用做出一个全面而又概括性的介绍、描述与展望。 关键词：转基因技术 食品品质 转基因食品 危害 1. 前言 将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中,由于导入基因的表达, 引起生物体性状的可遗传的修饰, 这一技术称之为转基因技术。人们常说的遗传工程、基因工程、遗传转化均为转基因的同义词1。经转基因技术修饰的生物体在媒体上常被称为“遗传修饰过的生物体”，而经转基因改良的食品则成为“转基因食品”。转基因技术与传统技术是一脉相承的, 其本质都是通过获得优良基因进行遗传改良。但在基因转移的范围和效率上, 转基因技术都要优于传统技术。 食品品质是由各种要素组成的。这些要素被称为食

3、品所具有的特性，不同的食品特性各异。因此，食品所具有的各种特性的总和，便构成了食品质量的内涵2。“要求”可以包括安全性、营养性、可食用性、经济性等几个方面。安全性是指食品在消费者食用、储运、销售等过程中，保障人体健康和安全的能力。营养性是指食品对人体所必须的各种营养物质、矿物质元素的保障能力。可食用性是指食品可供消费者食用的能力。经济性指食品在生产、加工等各方面所付出或所消耗成本的程度3。 近十年来，转基因技术被广泛地应用于食品品质的改良方面，人们利用基因拼接技术和DNA重组技术来改良小麦、乳酸菌发酵剂的品质，通过转基因技术改良稻米等农作物的品质，从而衍生出大量的转基因食品。这些通过转基因技术

4、改良的食品在培养、产量以及富含的营养上都要优于普通食品，由此可见，随着转基因技术的深入发展和不断完善，通过转基因技术来改良食品品质，将是改善我国居民食物结构和提高居民营养水平的重要手段之一，其前景也将更加广阔4。 2.1. 转基因技术在植物性食品上的应用 （一）基因工程改良小麦品质的研究进展 小麦优质育种工作包括两方面的内容: 其一是通过改造小麦主要贮藏物质之一的蛋白质,改变其各组分的组成和含量来改良营养品质. 这包括解决籽粒蛋白含量与产量负相关问题,在高产同时提高籽粒蛋白含量和必需氨基酸含量,特别是赖氨酸含量,以期改良蛋白品质.其二是改良其加工品质(主要包括制粉品质、蒸煮品质和烘烤品质) ,

5、以适应不同食品对加工特性的要求.在小麦品质改良领域,目前主要有3个热点: 培育高赖氨酸的小麦品种; 增加对面包加工品质特别有利的某些蛋白组分的含量,以提高烘烤品质;调节淀粉生物合成途径以培养具有较少直链淀粉成分的新蜡质小麦品种,改良淀粉品质,以期在食品、工业、医药等方面有更广泛的应用。 小麦籽粒中主要贮藏物质之一是蛋白质,其平均含量为13. 4% ,而且分类较复杂,不同生态条件下、不同品种间有较大波动. 小麦籽粒蛋白质根据其在不同溶剂中溶解性不同分为4类: 溶于水的清蛋白( 9% )、溶于盐的球蛋白( 5% )、溶于酒精溶液的醇溶蛋白( 40% )和溶于稀酸或稀碱的谷蛋白( 46% ) 5。

6、一般清蛋白和球蛋白约占蛋白质总量的20%左右,其氨基酸组成比较平衡,赖氨酸、色氨酸含量较高,因而其营养价值高.与小麦加工品质密切相关的是麦醇蛋白和麦谷蛋白。两者加工特性不同,麦醇蛋白使面筋具有粘性和延展性,对饼干和面条制作有利；高分子量麦谷蛋白使面筋有弹性,对烘烤面包有利6。麦醇蛋白和麦谷蛋白占总蛋白的80%左右,但是在它们之中赖氨酸所占比例很低,所以赖氨酸为小麦第一限制性氨基酸。 小麦种子另一种重要贮藏物质为淀粉,分为直链淀粉( 20% 30% )和支链淀粉( 70% 80% )两类.Waxy 蛋白、是决定小麦中直链淀粉含量的重要因素,研究发现,缺蜡质蛋白,直链淀粉含量降低甚至没有,此面粉生

7、产出的食品(如面条)韧性大,不粘,弹性好7。 加工不同食品所需蛋白含量标准不同(烘烤面包所需蛋白含量为14% 16% ,生产饼干为9% 11% ,馒头为12. 5% 13. 5% ) ,美国学者对1. 2万个普通小麦品种分析表明,蛋白质平均含量美国为12. 97% 、澳大利亚为14. 9%、阿根廷为14. 80% .与国外相比,我国小麦的蛋白质含量属中等偏上,变异幅度在7. 5% 28. 9%之间,平均为15. 10% . 虽然我国有相当的种质资源达到要求,但是由于产量与品质之间存在负相关的矛盾,优质低产的品种难以被推广12。同时由于我国长期以来习惯食用馒头、面条等面食,忽视了用于烘烤优质面包

8、的小麦品种的选育,因此我国每年需耗资21亿美元进口面包专用小麦,所以通过传统或基因工程的手段来培育面包小麦是一项利国利民的事业.此外小麦等禾谷类作物赖氨酸含量普遍很低,也大大影响了小麦食品的营养价值和加工品质8。 河北农大种质中心9测试了2万多份小麦样品,赖氨酸的变幅为0. 25%0. 80% ,平均值为0. 438% ,按照国外以不低于0. 5% 为高赖氨酸优质资源,从总供试材料中可以得到9. 8%的高赖氨酸品系,并且赖氨酸含量种性之间差异较小,与蛋白质含量呈正相关. 但是蛋白质含量除与基因型有关外,还受环境、纬度、生长温度等诸多外因影响,因此仅通过常规育种的手段来提高赖氨酸含量以达到改良品

9、质潜力不大.赖氨酸含量高达0. 8%的品系,仍然存在加工品质不佳的问题. 因此应用分子生物学手段培育高赖氨酸品种是小麦品质育种的有效途径. 直链淀粉在加工方面起的作用仅次于蛋白质,目前属于优质种的小麦面粉仍存在加工品质差、粘弹性不理想的问题,尤其是制作面条时表现较为明显,这与直链淀粉密切相关. 研究表明,直链淀粉含量低甚至没有的面粉生产出的食品,如面条韧性大、适口性好、不粘。这无疑表明,在进行蛋白质及氨基酸改良的同时,应进行淀粉品质的改良.目前许多实验室积极应用分子生物学手段创造高相对含量支链淀粉成分的小麦新品种. （二）转基因技术改良稻米淀粉品质的研究进展 改良稻米品质的途径主要有两个方面:

10、 改变淀粉含量和改变淀粉质量。因AGPPase 是淀粉合成过程中的限速酶, 因此可以通过改变其活性来改变淀粉含量10。反义AGPP 的异位表达或有关AGPP 编码基因突变都可引起淀粉含量下降, 这清楚地证明了AGPP在淀粉合成中的重要性。例如在玉米胚乳突变体brittle-1的种子中, ADPG 的积累比正常种子高13 倍以上, AGPP含量为正常的2 倍, 而淀粉合酶活性与正常种子相当。除了分子水平上的调控外, 淀粉合成的水平还受AGPP 异构调节的控制。我们已经知道, 体内的3- 磷酸甘油酸(3-PGA)为AGPP 的激活剂, 可加快促进向淀粉的转化; 而无机磷酸(Pi)为AGPP活性的抑

11、制剂, 阻止反应向淀粉合成方向进行。显而易见, AGPP异构调节对淀粉生物合成起主导控制作用。体内3-PGA 浓度、Pi 浓度和3-PGA/Pi 浓度比率都可直接影响AGPP的活性, 进而影响淀粉合成的快慢和多少。基于上述结果, 提高体内3-PGA 浓度或降低Pi浓度, 都能直接活化AGPP活性, 促进淀粉的大量合成, 这一研究结果为淀粉合成的基因工程奠定了可靠的技术基础11。 到目前为止, 通过反义基因来调控稻米淀粉含量还未见相关报道, 而更多的是将改造后的基因转入其它作物(如马铃薯)中来进行研究。David等(1992)将含有块茎特异性表达的patatin基因启动子的表达载体导入烟草愈伤组

12、织中, 获得了高直链淀粉含量的转基因烟草。Müller 等(1992)利用含有不同启动子和反向连接的AGPP 大或小亚基cDNA 的融合基因构建表达载体, 并转化马铃薯。在35S 启动子加上反向连接的AGPP 大亚基cDNA 的融合基因转化植株中, 叶片的AGPP 活性仅为野生型的5%-30%, 块茎中AGPP 活性更低, 仅为野生型的2%。分析转化植株的淀粉含量, 结果表明转化植株块茎淀粉含量仅为野生型的3.5%-5%12。 2.2. 转基因技术在动物性食品上的应用 虽然转基因鸡、转基因鱼、转基因猪及利用转基因技术开发的动物乳腺反应器等的研究都取得了很大的进展, 但相对于植物食品和

13、微生物发酵食品, 利用基因工程技术改良动物食品品质的研究相对较少13。 传统上, 畜牧业和养殖者为了使其饲养的动物能有较好的生长状况和较好的品质, 通常只能从饲料和生长环境上加以控制, 但有时依然无法克服动物本身的限制。而以基因工程的方法则可通过转入适当的外源基因或对自身的基因加以修饰的方法, 来降低结缔组织的交联度, 从而使肉质得到改善, 或获得风味及营养价值符合消费者需求的肉品或鱼品。生长激素转基因鱼中, 通过外源生长激素在受体鱼中的表达, 可使转基因鱼的肌肉蛋白含量和饲料转换效率明显提高, 生长速度加快。生长激素转基因猪也有相似的结果, 且减少了脂肪,增加了瘦肉率14。 （一）利用转基因

14、技术加速食用动物生长迅度, 提高泌乳动物的产奶量 金属硫蛋白生长激素融合基因能够提高饲料效率和生长速度, 减少胴体脂肪, 相继有10个实验室报道了转基因动物获得成功, 其中, 转基因猪的增重率提高15% , 饲料效率提高18% , 胴体脂肪减少80%15。 1999年我国首例转基因牛(陶陶) 产奶是可望达到1000kg; 运用反转录病毒为载体携生长激素导入动物, 相继培养出快速生长的转基因猪、羊、牛、鸡、兔等。采用牛生长激素( BST)来提高乳牛的产奶量是近来迅速发展起来的一项高新生物技术, 牛生长激素( BST ) 是一种垂体多肽激素( ST ) 或生长激素( GH) , ST在反刍家畜的泌

15、乳中具有相当的作用, 而且垂体激素的浓度与奶牛泌乳量成正比关系。BST用于提高乳牛产奶量, 现已经达到商业化生产, 注射BST可以提高15% 左右的产奶量16。 （二）利用转基因技术生产活性物质或功能因子 利用转基因动物生产某些具有生物活性的蛋白质, 是当前转基因动物研究的热点, 作为生物反应器的转基因动物, 主要是利用其乳腺组织和血液组织进行基因的定位表达, 特别是用乳腺组织生产具有生物活性的多肽药物和具有特殊营养意义的蛋白质17。目前世界上多家公司致力于这方面的研究, 已成功地在山羊、绵羊、猪乳中生产了组织血纤维蛋白酶原激活因子、抗凝血因子等, 在转基因家畜血液中获得了人免疫球蛋白、干扰素

16、等。抗菌肽是生物体产生的一种具有广谱抗菌活性的多肽, 是生物先天免疫的重要组成成分。 迄今为止, 已在许多生物包括昆虫、鸟类、动物、植物及原核生物中发现300多种内源性抗菌活性肽, 由于抗菌肽具有广谱杀菌作用, 相对分子量较小, 热稳定, 水溶性好等优点, 更为重要的是抗菌肽对真核细胞几乎没有作用, 仅作用于原核细胞和发生病变的真核细胞。因此, 通过基因工程技术来调节动物体内自然抗菌肽的功能显得极为重要, 尤其是通过抗菌肽基因的克隆与表达而大量生产抗菌肽是目前研究的热点之一18。 2.3. 经转基因技术所得食品对人体的安全性分析 传统食品是通过自然选择或人为的杂交育种来进行。虽然转基因技术与传

17、统的以及新近发展的亚种间杂交技术相比，在基本原则是并无实质差别，但转基因技术着眼于从分子水平上，进行基因操作（通过重组DNA技术做基因的修饰或转移），因而更加精致、严密和具有更高的可控制性19。其在食品品质上具有如下特点： 1.安全性保鲜性能增强。例如，利用反义DNA技术抑制酶活力来延迟成熟和软化的反义RAN转基因番茄，延长贮藏和保鲜时间。 2.营养性食品的品质和营养价值提高。例如，通过转基因技术可以提高谷物食品赖氨酸含量以增加其营养价值，通过转基因技术改良小麦中谷蛋白的含量比以提高烘焙性能的研究也取得一定的成果。 3.可食用性转基因作物结出的果实,无论外形还是味道都别具风味20。 而在具有这

18、些对人体有益的优点之外，转基因食品也对人体具有危害： 1. 产生毒性物质 （1）提供基因的生物可能是不能作为食物的生物，其基因转入作为食品生物后，产生对人体有毒的物质。 （2）新基因的转入改变了生物基因的原“管理体系”，有可能将某些产生毒素的沉默基因开启，而产生有毒物质。自然界中，生物的生存与繁衍都是按照生存的需要和规律进行的，而不是以成为人类的食物为目的。目前已知的植物毒素就有1 000 余种，如生物碱、酶类、过敏物质、天然致癌物等; 微生物毒素主要有细菌毒素、霉菌毒素和真菌毒素等21。 （3）在体细胞变异、与宿主其他基因相互作用和表达环境等因素影响下，外源基因由于导入位点的不一致，可能引起

19、基因缺失、错码等突变，使得应表达的蛋白产物的部位、数量以及性状与预期不相符，而产生出有毒物质或抗营养因子等，对人体健康造成不良的影响。因此，在转基因食品在正式批准上市之前，必须接受严格的检测与化验，对外源基因表达物质进行毒理学检测，对转基因作物及其产品中新生产的物质进行评价22。 2.转基因食品产生过敏原 食物过敏是世界性的公共卫生问题，全世界约有2%的人群对某些食品产生过敏性反应。1996 年美国先锋种子公司试验将巴西坚果的某种基因转入大豆中，研究发现对巴西坚果过敏的人群也对该大豆也产生了过敏，故该项研究未能被批准进行商业化生产23。另外，研制转基因作物时，除了可能引入已知过敏原外，还可能引

20、起无食用史的过敏原。因此在研制过程中要将转基因作物制造的新蛋白与已知的500 多种过敏原的化学成分与结构进行比较，如果具有一定的相似性，那么这种作物就要被淘汰; 同时由于大部分过敏原都难以消化，因此还要检测新的蛋白质是否易于消化，若难以消化，则该转基因食品也不能推广使用。在严格的检测与管理下，含有过敏原的转基因食品上市的可能性将降到极低24。 3.转基因食品使人体产生抗药性 当一个外来基因转入植物或动物中，该基因将会与其他基因重组在一起，人们在食用了这种改良食物后，食物会在人体内将抗药性基因传给体内的致病细菌，使人体产生抗药性25。2002 年英国进行了转基因食品DNA 人体残留试验，7名做过

21、切除大肠组织手术的志愿者食用转基因大豆做成的汉堡包之后，在其小肠肠道的细菌中检测到了转基因DNA 的残留物。转基因食品对人体健康的诸多影响，可能需要经过很长时间才能逐渐表现和检测出来26。 4.转基因食品改变食品的营养品质 人为转入外源性基因极有可能促使原有的基因发生突变，使其表达的蛋白质发生变化，从而降低食品的营养价值。一种美国生产的耐除草剂转基因大豆，其抗癌成分异黄酮就比一般大豆低12% 14%27。 3. 总结 自上世纪70年代以来，转基因技术发展日新月异，产业化步伐日益加快。解决粮食安全问题，需要在育种方面突破抗病虫害、抗灾害、抗盐碱、抗干旱等技术，传统的育种技术已经很难满足要求，而依

22、靠现代生物技术尤其是转基因技术，不仅可以降低生产成本，提高作物单位面积产量，还可以使开发农作物的时间大为缩短。 我国早在上世纪80年代中期就开始了转基因作物研究。90年代中期，随着转基因抗虫棉的研制成功，我国一举打破国外技术垄断，成为第二个自主研发并拥有抗转基因技术专利的国家。如今，国产抗虫棉已经占抗虫棉面积的90%以上，目前国内不少转基因技术都处于国际先进水平。从目前育种业的实际情况来看，转基因作物虽然不是十全十美，不可能一劳永逸地解决困扰了人类农业近万年的问题，但它的确具有传统作物品种不具有的很多优势，而我们也不用始终用有色眼睛看待转基因食品。 正如前文所说，随着基因技术的深入发展和不断完

23、善，通过转基因技术改良食品品质，将是改善我国居民食物结构和提高居民营养水平的重要手段之一，其前景将更加广阔。 4. 参考文献 1 张启发。转基因作物研发、产业化、安全性与管理R。中科院第十二次院士大会学 术报告会,2004年 2 李晓东。基因工程改良棉花纤维品质研究进展J。生物技术通报，2012年 3 谢启光。基因工程改良小麦品质的研究进展和展望M。河北师范大学学报自然科学 版，2001年 4 赵江红。转基因技术改良稻米淀粉品质的研究进展J。植物学通报 5 飞雪。关于转基因食品的几则流言J。食品与生活。2013年，12 6 杭东，张元。转基因食品的是是非非J。中国烹饪，2014年，1 7 郭霞。转基因来了：转基因食品到底是神马是否你也谈“转”色变？ J。华东科技， 2013年，8 8 冯华。转基因食品能否放心食用J。农产品市场周刊，2006年，26 9 梅晓宏等。新型转基因植物及其食用安全性评价对策研究进展J。食品科学，2013 年，5 10 陈娟。我国转基因食品的发展前景分析J。北京农业：下