浅谈基因工程在食品领域内的应用

1、浅谈基因工程在食品领域内的应用摘要:21世纪是生物技术的世纪。转基因技术作为生物技术的核心,在解决当今世界所面临的一系列重大的问题上发挥愈加显著的作用。这是一个新兴独立的技术领域,必将成为21世纪最具发展前景的高科技领域和国民经济的支柱产业之一。而基因工程在食品各个领域内的应用与研究更是被各国提上议程!关键词:转基因食品、基因工程、食品类型、食品的功能改良与贮存保鲜前言随着科学技术的日新月异,人民的物质文化需求越来越高。始终围绕着“提高人口素质”的主题来发展,这是当前社会和时代的必然趋势。而“民以食为天”这一条亘古不变的道理就像一根无形的指挥棒指导者科技工作者朝着这方面努力探求新知。在食品领域

2、内涌现出了一个又一个的奇葩,其中基因工程功不可没!下面详细介绍一下基因工程在各个食品领域内的突破与应用。1.基因工程在三大类食品领域内的应用1.1基因工程在蛋白质类食品中的相关应用蛋白质是人类赖以生存的营养素之一,植物是人类的主要蛋白供应源,蛋白原料中有65%来自植物。与动物蛋白相比,植物蛋白的生产成本低,而且便于运输和贮藏,然而其营养也较低。谷类蛋白质中赖氨酸(Lys和色氨酸(Trp,豆类蛋白质中蛋氨酸(Met和半光氨酸(Cys等一些人类所必需的氨基酸含量较低。通过采用基因导入技术,即通过把人工合成基因、同源基因或异源基因导入植物细胞的途径,可获得高产蛋白质的作物或高产氨基酸的作物。Yang

3、等合成了一个292个by的能编码高含量必需氨基酸DNA (high essential amina acid ecoding DNA,再把HEAAC-DNA导入马铃薯细胞中去,该基因在马铃薯细胞中能表达,表达水平为HEAA蛋白占总蛋白的0.35%。1990年Clercq等用Met密码子序列取代了拟南芥菜2s白蛋白的可复区域,所获得的转基因拟南芥菜可生产富含Met的2s白蛋白。这些工作说明通过导入人工合成基因来修饰编码蛋白质的基因序列,来提高蛋白质中必需氨基酸含量是可行的。植物体中有一些含量较低,但氨基酸组成却十分合理的蛋白质,如果能把编码这些蛋白质的基因分离出来,并重复导入同种植物中去使其过量

4、表达,理论上就可以大大提高蛋白质中必需氨基酸含量及其营养价值。小麦中有一富含赖氨酸(Lys的蛋白质,在其270位到370位区间有富含赖氨酸(Lys的片断,Singh 在1993年成功地克隆了编码该蛋白质的。DNA,并把该基因确定为小麦蛋白质工程的内源目的基因。目前同源基因的研究工作尚停留在目的基因的分离和监定阶段。异源基因是指从分类学关系较远的植物中分离获得的目的基因。巴西豆BN2s白蛋白富含Met (18%和Cys(8%, Altenabch在1991年把巴西豆编码BN2s 白蛋白的基因转移到烟草和油菜中去,发现BN2 s基因在转基因烟草中和油莱中能很好地表达,表达水平达8%。进一步研究还发

5、现,构建嵌合基因的起动子的种类会影响到BN2 s基因的表达水平。1.2基因工程在油脂类食品方面的应用人类日常生活及饮食所需的油脂高达70%来自植物。高等植物体内脂肪酸的合成由脂肪合成酶(FAS的多酶体系控制,因而改变FAS的组成就可以改变脂肪酸的链长和饱和度,以获得高品质、安全及营养均衡的植物油。目前,控制脂肪酸链长的几个酶的基因和控制饱和度的一些酶的基因已被克隆成功,并用于研究改善脂肪的品质。如通过导入硬脂酸-ACP脱氢酶的反义基因,可使转基因油菜种子中硬脂酸的含量从2%增加到40%。而将硬脂酞CoA脱饱和酶基因导入作物后,可使转基因作物中的饱和脂肪酸(软脂酸、硬脂酸的含量有所下降,而不饱和

6、脂肪酸(油酸、亚油酸的含量则明显增加,其中油酸的含量可增加7倍。除了改变油脂分子的不饱和度外,基因工程技术在改良脂肪酸的链长上也取得了实效。事实上,高油酸含量的转基因大豆及高月桂酸含量的转基因油料作物芥花菜(Canola在美国已经成为商品化生产的基因工程油料作物品种。1.3基因工程在碳水化合物类食品方面的应用利用基因工程来调节淀粉合成过程中特定酶的含量或几种酶之间的比例,从而达到增加淀粉含量或获得独特性质、品质优良的新型淀粉。高等植物体内涉及淀粉生物合成的关键性酶类主要有:ADP葡萄糖焦磷酸化酶(ADPGlcpyrophosphorylase, AGPP,淀粉合成酶(Starchsynthas

7、e,SS和淀粉分支酶(Starchbranchingenzyme, SBE,其中淀粉合成酶又包括颗粒凝结型淀粉合成酶(Granule-boundstarch synthase, GBSS和可溶性淀粉合成酶(Solublestarch synthase, SSS。淀粉含量的增加或减少,对作物而言,都有其利用价值。增加淀粉含量,就可能增加干物质,使其具有更高的商业价值。减少淀粉含量,减少淀粉合成的碳流,可生成其它贮存物质,如贮存蛋白的积累增加。目前,在增加或减少淀粉含量的研究方面都有成功的报道。Stark等人利用突变的大肠杆菌菌株618来源的AGPP基因和CMV35启动子构建了一个嵌合基因,并把此

8、基因导入烟草、番茄和马铃薯中去,结果得到极少的转达基因植物,表明AGPP基因的组成性表达对植物的生长、发育是有害的,它很可能改变了植物不同组织之间源库与沉积的关系。后来改用块茎特异表达的Patatin基因的启动子来构建嵌合基因,就得到了相当多的马铃薯,转基因马铃薯块茎中淀粉的含量比传统的马铃薯提高了35%。在减少淀粉含量方面,Mulle:等人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,转化马铃薯。在35S加上反向连接的AGPP 大亚基。DNA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A GPP活性降得更低,活性仅为野生型的2%。

9、分析转化植株淀粉含量,结果表明转化植株块茎淀粉含量仅为野生型的5%一3.5%。伴随这淀粉含量的下降,转化植株细胞内可溶性糖显著升高,蔗糖和葡萄糖分别占块茎干重的30%和8%。在已有的改变淀粉含量的研究之中,多数是针对AGPP的,反映出AGPP在控制淀粉合成速率方面的重要性。对动物类食品原料的基因改造研究远不如植物类那样普及,但也取得了很大的进展。其研究内容主要集中在改良家畜、家禽的经济性状和通过转基因动物进行药物或蛋白的生产等几个方面。继1980年Cordon等人用显微注射法育成带有人胸腺游酶基因片断的转基因小鼠,1982年Palmiter等人将人的生长素基因导入小鼠受精卵育成超级转基因“硕鼠

10、”,新型“硕鼠”比普通小鼠生长速度快2.4倍,体型大1倍。现已获得转基因兔、转基因羊,转基因猪、转基因牛和转基因鸡等多种转基因动物。如美国伊利诺斯大学研究出一种带有牛基因的猪,这种转基因猪生长快,个体大,瘦肉率高,饲料利用率高,可望给养猪业带来丰厚的经济效益;梁利群等克隆子大马哈鱼的生长激素因子,在体外经过和鲤鱼的MT启动子基因重组,导入黑龙江野鲤,选育出了“超级鲤”。另外,在提高奶牛产奶量和食用动物的脂肪与瘦肉的构成都取得了一定的成绩。2.基因工程在食品功能改良与储存保鲜领域内的应用2.1基因工程在改良果蔬采收后品质增加其贮藏保鲜性能方面的应用随着对番茄、香蕉、苹果、菠菜等果蔬成熟及软化机理

11、的深入研究和基因工程技术的迅速发展,使通过基因工程的方法直接生产耐储藏果蔬成为可能。事实上,现在无论在国外还是国内都已经有了商品化的转基因番茄。促进果实和器官衰老是乙烯最主要的生理功能。在果实中乙烯生物合成的关键酶主要是乙烯的直接前体l-氨基环丙烷一1-梭酸合成酶(ACC合成酶和ACC氧化酶。在果实成熟中这两种酶的活力明显增加,导致乙烯产生急剧上升,促进果实成熟。在对这两种酶基因克隆成功的基础上,可以利用反义基因技术抑制这两种基因的表达,从而达到延缓果实成熟,延长保质期的目的。利用反义RNA技术抑制酶活力已有许多成功的例子,其中最为成功的就是延缓成熟和软化的反义RNA转基因番茄。Hamilto

12、n等于1990年首次构建了ACC氧化酶反义 RNA转基因番茄,在纯合的转基因番茄果实中,乙烯的合成被抑制了97%,从而使果实的成熟延迟,储藏期延长。导入ACC合成酶反义基因的番茄也得到了类似的结果。转基因番茄的乙烯合成也被抑制了99.5%,果实中不出现呼吸跃变,叶绿素降解和番茄红素合成也都被抑制。果实不能自然成熟,不变红,不变软,只有用外源乙烯处理6d后才能使转基因番茄恢复正常成熟。因此,利用反义基因技术可以成功的培育耐储藏果蔬。目前,有关的研究正在继续进行,并已扩大到了草莓、梨、香蕉、芒果、甜瓜、桃、西瓜、河套蜜瓜等,所用的目的基因还包括与细胞壁代谢有关的多聚半乳糖醛酸酶(PG、纤维素酶和果

13、胶甲脂酶基因。反义PG转基因番茄还具有更强的抗机械损伤和真菌侵染能力,且有更高的果酱产率。2.2基因工程在改善酶及发酵制品的品质并降低成本方面的应用酱油风味的优劣与酱油在酿造过程中所生成氨基酸的量密切相关,而参与此反应的梭肤酶和碱性蛋白酶的基因已克隆并转化成功,在新构建的基因工程菌株中碱性质白酶的活力可提高5倍,梭肤酶的活力可大幅提高13倍。酱油制造中和压榨性有关的多聚半乳糖醛酸酶、葡聚糖酶和纤维素酶、果胶酶等的基因均已被克隆,当用高纤维素酶活力的转基因米曲霉生产酱油时,可使酱油的产率明显提高。另外,在酱油酿造过程中,木糖可与酱油中的氨基酸反应产生褐色物质,从而影响酱油的风味。而木糖的生成与制

14、造酱油用曲霉中木聚糖酶的含量与活力密切相关。现在,米曲霉中的木聚糖酶基因已被成功克隆。用反义RNA技术抑制该酶的表达所构建的工程菌株酿造酱油,可大大地降低这种不良反应的进行,从而酿造出颜色浅、口味淡的酱油,以适应特殊食品制造的需要。在正常的啤酒发酵过程中,由啤酒酵母细胞产生的二-乙酞乳酸经非酶促的氧化脱梭反应会产生双乙酞。当啤酒中双乙酞的含量超过阈值(0.02-0.10 mg/L时,就会产生一种令人不愉快的馊酸味,严重破坏啤酒的风味与品质。去除啤酒中双乙酞的有效措施之一就是利用-乙酞乳酸脱梭酶。但由于酵母细胞本身没有该酶活性,因此,利用转基因技术将外源-乙酞乳酸脱梭酶基因导入啤酒酵母细胞,并使

15、其表达,是降低啤酒中双乙酞含量的有效途径。Sone等用乙醇脱氢酶的启动子和穿梭质粒载体Yep13将产气肠杆菌+-乙酸孚L酸脱梭酶基因导入啤酒酵母,并使其表达。当用此转基因菌株进行啤酒酿造时,可使啤酒中的双乙酞含量明显降低,且不影响其他的发酵性能和啤酒中的正常风味物质。但由于用此法所构建的基因工程菌株中-乙酞乳酸脱梭酶基因是存在于酵母的质粒而不是染色体上,因而使该基因易于随着细胞分裂代数的增加而发生丢失,造成性能的不稳定。因此,Yaman。等将外源的oa-乙酞乳酸脱梭酶整合入啤酒酵母的染色体中,从而构建了能稳定遗传的转基因啤酒酵母。使用这种转基因酵母酿制啤酒,也能明显地降低啤酒中的双乙酚含量,而

16、且不会对啤酒酿造过程中的其他发酵性能造成不良影响。另外,利用基因工程技术可生产出高效能高质量的酶产品,目前能利用遗传技术生产大多数常用的酶产品,并投放市场。世界上第一个应用在食品上的基因工程酶为凝乳酶。将牛胃蛋白酶的基因克隆入微生物体内,由细菌生产这种动物来源的酶类,解决了奶酪工业受制于牛胃蛋白酶来源不足的问题,并降低了生产成本。2.3基因工程在开发新型功能性食品方面的应用利用基因工程技术可以研制特种保健食品的有效成份。例如将一种有助于心脏病患者血液凝结溶血作用的酶基因克隆至羊或牛中,便可以在羊乳或牛乳中产生这种酶。1997年9月上海医学遗传所与复旦大学合作的转基因羊的乳汁中含有人的凝血因子,为通过动物大量廉价生产人类的新型功能性食品和药品迈出了重大的一步以上即为基因工