第一章食品生物技术概述

第一章食品生物技术概述第一节生物技术一、什么是生物技术二、生物技术的发展简史三、生物技术内容及其内在联系四、生物技术及其产品的特点五、生物技术在各个领域的应用一、什么是生物技术生物技术一词最早是在1919年由匈牙利农业经济学家艾里基（K.Ereky）提出的，当时他对生物技术的定义为“凡是以生物机体为原料，不论其用何种生产方法进行产品生产的技术”。20世纪70年代末、80年代初，由于分子生物学、DNA重组技术的出现以及某些基因工程产品如重组胰岛素、重组人生长激素等的问世，人们又缩小了“生物技术”这一概念的范畴，认为只有基因工程等一类具有现代化生物技术内涵或以分子生物学为基础的技术才称得上为生物技术，而把原先已相当成熟的发酵技术、酶催化技术、生物转化技术、原生质体融合技术等都排斥在外。后来，由国际经济合作与发展组织（IECDO）在1982年提出的对生物技术的定义才为多数人所接受。此定义为：生物技术（Biotechnology）是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。二、生物技术的发展简史（一）经验生物技术时期（二）近代生物技术建立时期（三）近代生物技术的全盛时期（四）现代生物技术（一）经验生物技术时期经验生物技术时期是指传统生物技术时期的初期形式，传统生物技术从史前时代起就一直为人们所利用。在旧石器时代后期，先民就会利用谷物造酒。公元10世纪，已经使用活疫苗预防天花。在西方，苏美尔人和巴比伦人在公元前6000年就已开始啤酒发酵。埃及人则在公元前4000年就开始制作面包。另有公元前25世纪时古代巴尔干地区的人开始制作酸奶。根据生物技术的定义，上述的生活或生产实践都应归属于生物技术。但因科学技术的落后，这些活动只局限于实践的范畴，而没有上升到理论阶段，所以这一阶段发展缓慢。尽管如此，经验生物技术还是十分宝贵的，它为其后相关理论的创立打下了一定的基础。（二）近代生物技术建立时期这一时期是与显微镜的发明、微生物的发现和微生物学的创立密切相关的。19世纪60年代，法国科学家L.Pasteur首先证实了发酵是由微生物引起的。随后Koch建立了微生物的纯培养技术，从而为发酵技术的发展提供了基础，使发酵技术进入了科学的发展轨道。19世纪中后期，酶学和酶生物技术开始萌芽。首先是1876年德国L.Kunne创造了“Enzyme”一字，即“酶”；1892年德国的E.Büchner发现了磨碎后的酵母细胞仍能进行酒精的发酵，并认为这是酵母细胞中的一系列酶在起作用的缘故；1913年德国的L.Michaelis和M.L.Mentem利用物理化学原理提出了酶反应动力学的表达式；1926年美国的生物学家嗄萨姆纳（J.Sumner）证明了结晶脲酶、胃蛋白酶和过氧化氢酶是蛋白质。1929年英国的医生A.Fleming发现青霉素，并开始了对其进行长达10多年的不懈研究。1937年马摩里（Mamoli）和维赛龙（Vercellone）提出了微生物转化法。本时期是微生物学家通过对微生物形态、生理的研究后建立的，并直接为生产提供了更多的技术服务，催生了不少的新产业。此外，还出现了一些与微生物学相关的分支学科，如细菌学、工业微生物学等，为推动近代生物技术进入全盛时期创造了条件。（三）近代生物技术的全盛时期到了20世纪20年代，工业生产中开始采用大规模的纯种培养技术发酵化工原料，如丙酮、丁醇等。20世纪50年代，在青霉素大规模发酵生产的带动下，发酵工业和酶制剂工业进入了迅速发展阶段。这一时期的起始标志是青霉素工业开发获得成功，主要技术特征是利用了微生物的纯培养技术、深层通气搅拌发酵技术和代谢控制发酵技术等。它带动了一批微生物次级代谢和新的初级代谢物产品的开发，并激发了原有生物技术产业的技术改造。此外，一批以酶为催化剂的生物转化过程生产的产品问世，加上酶和细胞固定化技术的应用使近代生物技术产业达到了一个全盛时期。相对于下面所述的现代生物技术，经验生物技术时期、近代生物技术建立和全盛时期又称为传统生物技术时期。（四）现代生物技术现代生物技术是以20世纪70年代DNA重组技术的建立为标志。1944年Avery等阐明了DNA是遗传信息的携带者。1953年Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，阐明了DNA的半保留复制模型，从而开辟了分子生物学研究的新纪元。1961年M.Nirenberg等破译了遗传密码，揭开了DNA编码的遗传信息是如何传递给蛋白质的秘密。1973年Boyer和Cohen建立了DNA体外重组技术，标志着生物技术的核心技术—基因工程技术的开始。1982年美国的Eli-Lilly药厂将第一个基因工程产品—胰岛素投入市场。随着细胞融合技术及单克隆抗体技术的相继成功，实现了动植物细胞的大规模培养技术，同时固定化生物催化剂也得到广泛应用，新型反应器不断涌现，形成了具有划时代意义的现代生物技术。现代生物技术的主要技术特征是运用了DNA重组技术、细胞融合技术、单克隆抗体技术、细胞固定化技术、动植物细胞大规模培养技术和现代化生物化工技术的成果进行产品开发和生产，使生物技术从原有的鲜为人知的传统产业，一跃成为代表21世纪的技术发展方向、具有远大发展前景的新兴学科和朝阳产业。三、生物技术内容及其内在联系（一）基因工程（Geneengineering）（二）细胞工程（Cellengineering）（三）酶工程（Enzymeengineering）（四）发酵工程(Fermentationengineering)（五）蛋白质工程（Proteinengineering）（一）基因工程（Geneengineering）基因工程也叫基因操作、遗传工程或重组体DNA技术，其主要原理是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；也可以使新的遗传信息在新的宿主细胞中大量表达，以获得基因产物（多肽或蛋白质）。这种创造新生物并给予新生物以特殊功能的过程就称为基因工程。但严格的讲，基因工程的含义更为广泛，还可以包括除DNA重组技术以外的一些其它可使生物基因组结构得到改造的技术。目前，基因工程有一些成功应用的报道。如利用微生物生产动物蛋白质、人体生长激素、干扰素等。在食品工业上，细菌和真菌的改良菌株已影响到传统的面包焙烤和干酪的制备，并对发酵食品的风味和组分进行控制；在农业上，基因工程已用于品种的改良，如培育出玉米新品种（高直链淀粉含量、低胶凝温度以及无脂肪的甜玉米）和番茄新品种（高固体含量强风味）等。（二）细胞工程（Cellengineering）细胞工程是指应用细胞学的方法，以组织、细胞和细胞器为对象进行操作，在体外条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞的某些生物学特性按人们的意愿进行改造，从而达到改良生物品种和创造新品种，加速动、植物个体的繁育，或获得某种有用的物质。它包括动、植物细胞的体外培养技术、细胞融合技术及细胞器移植技术等。目前利用细胞融合技术已培育出番茄、马铃薯、烟草和短牵牛等杂种植株；利用植物细胞培养可以获得许多特殊的产品，如生物碱类、色素、激素、抗肿瘤药物等；利用动物培养可以用来大规模地生产药品，如干扰素、人体激素、疫苗和单克隆抗体等。（三）酶工程（Enzymeengineering）酶工程是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它包括酶的生产技术和固定化技术、细胞固定化技术、酶分子修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。酶工程的主要任务是：通过人们的预先设计、经过人工操作控制而获得大量所需的酶，并通过各种方法使酶发挥其最大的催化功能。（四）发酵工程(Fermentationengineering)利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊的特点，在适宜的条件下，通过现代化工工程技术手段，利用微生物的某种特定功能生产出人类需要的产品的过程称为发酵工程，也称微生物工程。它处于生物工程的中心地位，大多数生物工程的目标产物都是通过发酵工程来实现的。（五）蛋白质工程（Proteinengineering）蛋白质工程是20世纪80年代初诞生的一个新兴生物技术领域，它是指在基因工程基础上，结合蛋白质结晶学和蛋白质化学等多学科，通过对基因的定向改造而对蛋白质分子进行定位突变，从而达到对蛋白质进行改造，从而生产出能够满足人们需要的新型蛋白质。四、生物技术及其产品的特点（一）生物技术的特点（二）生物技术产品的特点（一）生物技术的特点1．发展迅速2．高效低耗3．不可取代性4．竞争激烈5．涉及社会问题1．发展迅速近年来，现代生物技术取得了突飞猛进的发展。首先，在农业方面，自1983年转基因烟草和马铃薯首次问世以来，转基因水稻、小麦、玉米、马铃薯、棉花、大豆、油菜等转基因植物相继出现并大面积种植，现已有120多种转基因植物。其次，转基因动物如转基因鼠、鱼、猪、牛、鸡已经陆续被克隆出来。尤其是转基因羊“多莉”、“元元”、“阳阳”、“欢欢”和“庆庆”的出现，使克隆技术又上了一个新台阶。人类基因组计划自1990年以来不断加速，同时也使细胞工程、酶工程、发酵工程及蛋白质工程的应用得到迅猛的发展，使生物技术进入了一个全新的阶段。2．高效低耗现代生物技术以可再生的生物资源为原料生产食品或药品，从而可获得过去难以得到的足量的产品。如1g胰岛素须要从7.5公斤新鲜胰脏中才能提取得到，目前世界上糖尿病患者有6,000万人，每人每年约需1g胰岛素，这样总计需要45亿公斤新鲜胰脏做原料。而利用基因“工程菌”生产1g胰岛素，只需20升发酵液。我国有13亿人口，占世界人口的22%，而耕地只占世界的7%；未来25年全球的粮食需求将增长60%，但耕地却有可能不断减少。生物技术的发展，特别是转基因植物能够大幅度提高粮食产量，从而为彻底解决世界人口增长速度高于粮食增长速度所带来的温饱问题提供了根本性的出路。由此可见，生物技术的应用具有高效低耗的特点。3．不可取代性在生物技术中，基因工程的商业价值集中体现在生物制药行业，生物制药的焦点又集中在寻找疾病相关基因上。一个基因可以成就一个企业，甚至带动一个产业，其商业价值难以估计。一个具有重要功能的相关疾病基因的专利，转让价值一般以千万美元计，而以此开发的基因药物年销售额可高达几十亿美元。例如，肥胖基因的技术转让费用总计超过了7,000万美元；促红细胞生成素(EPO)的全球市场销售额已达到34亿美元。因此生物技术无论从技术效益方面或者是经济效益，与其他技术相比具有不可取代的作用。4．竞争激烈由于基因是一种有限的资源，其商业价值又如此之高，该领域已出现了趋于白热化的“基因争夺战”。一些发达国家和跨国公司争相对发展中国家进行基因偷猎，以期得到和克隆相关疾病的基因，并竞相申请专利，从中获取高额利润。例如，据报道，美国的塞莱拉公司已经申请了１万多项关于基因的专利，因塞特公司申请了6,300多项基因专利，人类基因科学公司（HGS）也已经申请了6,700多项基因专利。另外日本、法国、我国也积极加入了这场激烈的争夺战。5．涉及社会问题由于生物技术的飞速发展，正在引发越来越多的法律、政治、经济、宗教、社会公德及伦理道德等十分棘手的问题。例如，是否可以对人的基因授予专利，基因是否属于科学发现，是否应当鼓励干细胞研究，转基因食品是否安全，生物技术会不会影响生态平衡和造成环境污染等。所有这些问题，都需要得到及时而有效的解决，以避免现代生物技术引发社会动乱和变成人类的灾难。（二）生物技术产品的特点1．生物技术产品概述2．生物技术产品的特点1．生物技术产品概述生物技术工业产品的出现只有近百年的历史，按照其发展的过程可分为古时代、巴斯德时代和现代生物技术时代三个产品阶段。古时代的生物技术产品有：啤酒、苹果酒、发酵面包等；当时，人们还没有认识微生物与发酵的关系，一切靠经验，所以产品的附加值很低；巴斯德时代的生物技术产品有：抗生素、单细胞蛋白、酶、有机溶剂、维生素、生物杀虫剂等；由于微生物技术、细胞工程、发酵工程等生物技术的产生及发展，这个时期生物技术产品的附加值比较高；现代生物技术产品有：基因工程药物、转基因植物、克隆动物、DNA芯片、生物传感器等；由于现代生物技术与信息技术、新材料技术、新能源技术、海洋技术等一起构成了新技术革命的主力，使食品、医药、化学、能源、采矿等工业部门的生产效率极大的提高，产品的附加值很高。时期名称采用技术附加值第一代产品啤酒、苹果酒、发酵面包、醋自然发酵很低

第二代产品抗生素、单细胞蛋白质、酶、乙醇、丙酮、维生素、氨基酸初步的物理、化学遗传分析、细胞杂交、物理化学、诱变育种等高第三代产品基因药物、DNA芯片、生物导弹基因工程、细胞工程等很高表1-1生物技术各期产品2．生物技术产品的特点（1）目的产物产率低（2）初始物料组成复杂（1）目的产物产率低通过生物技术获得的产品，一方面受到生物体或生物原料的内部复杂结构的影响，另一方面还受到技术条件和环境条件的制约，使得生物技术产品的目的产物产率比较低。例如一种基因工程药物生产的主要程序是：目的基因的克隆，构建DNA重组体，将DNA重组体转入宿主菌构建工程菌，外源基因表达产物及其分离纯化等，具体的步骤还会随着生产条件的不同而有所改变，如受到原料理化性质、产物代谢、高技术、精密仪器设备的制约，还受到温度、pH、渗透压等很多环境条件的影响，造成了目的产物的产量较低。如，青霉素是微生物所产生的次级代谢产物，其产量远比初级代谢产物量低，结构复杂，性能又不稳定，青霉素的产量不高。（2）初始物料组成复杂生物技术产品不同于其他的一般产品，它的初始物料是生物原料。生物原料则指生物体的某一部分及生物生长过程所能利用的物质，如淀粉、糖蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机化学品，甚至某些矿石，组成复杂，组分差别很大。特别是生物制品，它的原辅料都是采用血液、脏器组织、微生物、寄生虫、动物毒素等生物活性材料为起始材料，所以生物技术产品的初始物料组成具有不确定性、不稳定性和复杂性的特点。五、生物技术在各个领域的应用（一）生物技术与农牧业（二）生物技术与医药卫生（三）生物技术与环境保护（四）生物技术与食品工业（一）生物技术与农牧业现代科学技术的发展，已使生物技术渗透到农业生产的各个方面。生物技术在农牧业生产中的应用主要是运用现代遗传学的工具来增强动、植物的有益性状，以促进产品增产。如转基因的抗病、抗虫植物，包括抗虫棉、抗虫水稻、抗虫烟草、抗虫番茄。植物组培快繁和植株脱毒，现在已经广泛运用于花卉、果树的种苗培育，包括香蕉、柑桔、苹果、葡萄、马铃薯、甘薯、草莓无毒苗等。酶工程目前主要应用于饲料加工领域，加入淀粉酶可提高饲养动物对非淀粉多糖(NSP)的利用率，加入蛋白酶可提高动物对蛋白质的吸收率，加入酶制剂，可以去除抗营养因子，改善动物的内分泌，增强抗病能力，增强动物的消化吸收能力。另外，植物单倍体培养、原生质体融合、胚胎移植在动植物育种和繁殖方面都取得了一定的成就；单细胞蛋白生产与微藻类培养使人们把未来农业的希望寄托在微生物上，目前取得较大进展；同时有益生物菌制剂、组培生产次生代谢产物、植物人工种子、兽用生物制品的开发都为农牧业生产解决了生物技术之外技术不可解决的问题。（二）生物技术与医药卫生生物技术首先在医药卫生领域主要用于临床医药生产方面的应用，利用基因工程可以生产天然稀有的医用活性多肽或蛋白质，如干扰素和白细胞介素、尿激酶原激活因子、各种疫苗、胰岛素和其它生长激素等，基因工程制药产业已经初步形成。特别是青霉素的大规模液体深层发酵，对它的研究与生产开创了现代发酵工程之先河。随着基因工程和酶工程的发展，抗生素及其它微生物代谢药物的生产进入一个新阶段。例如更高效的抗肿瘤药物羟基喜树碱和前列腺素；通过基因诱变，使微生物产生新的合成途径，从而获得新的代谢产物；利用微生物产生的酶，对药物进行化学修饰，例如多种半合成青霉素的生产。其次，生物技术应用于医疗诊断和设备方面。限制性酶的酶解片段长度多态性分析方法可以检测出突变的基因；等位特异性寡核苷酸探针检测法可以诊断某些遗传病；聚合酶链式反应也用于诊断疾病。免疫导向药物又可称为“生物导弹”，因其带有单克隆抗体而能自动导向，在生物体内能够与特定目标细胞或组织结合，并由其携带的药物产生治疗作用。此外，生物技术还应用于疫苗研制方面。目前用于人类疾病防治的疫苗有20多种，可分为传统疫苗和新型疫苗。前者主要包括减毒活疫苗和灭活疫苗，后者则以基因疫苗为主。基因工程疫苗的成功应用为人类抵制传染病的侵袭，确保整个群体的优生优育提供了强有力的保障。目前，我国开发重点是乙肝基因疫苗、狂犬疫苗和流感疫苗。（三）生物技术与环境保护生物技术在污染治理、环境监测等方面发挥着重要的作用，现已广泛应用于工业清洁生产、工业废弃物和城市生活垃圾的处理，有毒有害物质的无害化处理等各个方面。它可以在常温常压和中性的条件下就地实施，具有设备简单、成本低廉、效果好、操作简便等优势。（四）生物技术与食品工业食品工业是生物技术应用的非常重要的领域。第二节食品生物技术概论一、什么是食品生物技术二、食品生物技术的发展现状三、未来食品生物技术的展望一、什么是食品生物技术食品生物技术是现代生物技术在食品领域中的应用，是指以现代生命科学的研究成果为基础，结合现代工程技术手段和其他学科的研究成果，用全新的方法和手段设计新型的食品和食品原料。食品生物技术包括在食品加工制造上的所有生物技术，涉及到基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程以及生物工程下游技术和现代分子检测技术。它涵盖了分子生物学、细胞生物学、免疫学、生理学、遗传学、生物化学、微生物学、生物物理学等生物类学科，同时涉及信息学、电子学和化学等学科，是一门多学科相互渗透的综合性技术。二、食品生物技术的发展简史食品生物技术包括传统食品生物技术和现代食品生物技