第六章 食品生物技术

第六章食品生物技术第1页，共56页，2023年，2月20日，星期三第一節生物技術概論生物技術的定義生物技術之發展生物技術相關產業第2页，共56页，2023年，2月20日，星期三生物技術的定義生物技術(biotechnology)是由生命科學與工程科學所組成的整合技術，可視為一群技術的總稱。生物技術〝biotechnology〞就字根意義而言，bio-為使用生物程序(biologicalprocesses)，-technology為解決問題或製造有用產品之意。廣義的生物技術泛指一切利用生物（動物、植物、微生物）或生物的一部分來解決問題或製造有用產品；而狹義的生物技術則專指使用細胞(cellular)或分子(molecular)程序來解決問題或製造有用產品，也有人將其稱為「新」生物技術。第3页，共56页，2023年，2月20日，星期三生物技術之發展在二次大戰之前，人類致力於如何提高農業的生產，並製造足夠的食物以供溫飽。農業與食品工業可說是最早應用生物技術來改進生活品質的工業。在第二次世界大戰期間，青黴素生產技術的成功，開啟了應用微生物發酵生產大量特定物質的大門。在1950年前後，學者專家對去氧核醣核酸(deoxyribonucleicacid；DNA)有了較多的認識，生物技術突飛猛進，並逐步擴展到各產業的應用。第4页，共56页，2023年，2月20日，星期三生物技術相關產業生物技術的應用領域極廣，相關產業包括：醫藥工業、特殊用化學品工業、食品、農業生物技術、環保生物技術及生物資訊等。第5页，共56页，2023年，2月20日，星期三第二節生物技術基礎工具傳統生物技術包括：發酵技術、生化製程及生物轉化；新生物技術則包括：單株抗體、細胞培養、基因選殖、重組DNA、蛋白質工程、生物感測器、組織工程及微列陣技術等。傳統生物技術新生物技術第6页，共56页，2023年，2月20日，星期三傳統生物技術醱酵技術生化製程生物轉化第7页，共56页，2023年，2月20日，星期三醱酵技術發酵技術包括發酵菌種或細胞之取得、菌種純化或改良、菌種或細胞的保存、培養基的探討、發酵方式的選擇、發酵最佳化條件的設計及發酵控制等，為生物技術的基礎，不論是傳統生物技術或新生物技術，都會應用到。第8页，共56页，2023年，2月20日，星期三生化製程(Bioprocessing)生化製程技術可分為(1)生物反應器(bioreactor)；(2)生物反應物料處理；(3)產物分離純化；(4)其他相關輔助系統。第9页，共56页，2023年，2月20日，星期三生物轉化(Bioconversion)生物轉化為利用細胞和酵素等生物系統作催化劑，進行生物分子氧化、還原、水解或結合反應，以生成新產物的技術，優點包括：選擇性良好、催化效率高、反應條件溫和、成本低及對環境污染較少等。生物轉化可以改變食品中的成分，使其更適合人類食用或增進其產品價值，例如：乳酸菌(Lactoacillus)應用於優酪乳及乳酪的生產、麴菌及酵母菌應用於各種酒類的生產、乳糖酶（lactase）可水解乳糖及生產半乳寡糖等。第10页，共56页，2023年，2月20日，星期三第11页，共56页，2023年，2月20日，星期三新生物技術單株抗體細胞培養基因選殖重組DNA蛋白質工程生物感測器組織工程微列陣第12页，共56页，2023年，2月20日，星期三單株抗體單株抗體在食品的應用，主要為各種食品成分、毒素、病毒及病原菌檢驗的免疫分析。第13页，共56页，2023年，2月20日，星期三細胞培養細胞培養技術為將細胞由活體中取出，以合適之條件，將取出的細胞於活體外培養之技術。植物細胞培養是基因轉殖作物的最基礎步驟，亦為醫藥原料、食品香料、色素等高價產品的重要來源。動物細胞培養主要應用於各種具商業價值的生技產品之生產，並可用於代替動物試驗，測試機能性食品及藥物之安全性與有效性。昆蟲細胞的分裂時間較哺乳動物細胞短、營養需求較低且不需太多的特殊培養裝置，目前研究方向主要為外源蛋白的生產。第14页，共56页，2023年，2月20日，星期三基因選殖基因選殖是一種基因工程技術，為將特定DNA與適當載體接合後，送入宿主體內，經宿主繁殖複製後，獲得大量的特定DNA。特定DNA可藉由生物資訊，利用聚合酶鏈鎖反應(polymerasechainreaction；PCR)、酵素剪切、基因庫(genebank)、DNA探針(DNAprobe)偵測等各種工具及方法，由微生物、植物、昆蟲、動物或人類中取得。第15页，共56页，2023年，2月20日，星期三重組DNA重組DNA技術為將基因以限制酶剪切或加入DNA片斷以形成新的基因，此技術可將不同來源基因物質組合在一起，原核生物重組DNA技術流程如表6-1。第16页，共56页，2023年，2月20日，星期三第17页，共56页，2023年，2月20日，星期三蛋白質工程蛋白質工程技術通常與基因重組技術並用，藉由改變蛋白質的胺基酸組成及立體結構，來改善現有的酵素、抗體及細胞受體等天然蛋白質，使其更適用於各種需求，或根據生物資訊，開發新的非天然蛋白質。第18页，共56页，2023年，2月20日，星期三生物感測器生物感測器為結合生物學及微電子的科學，其組成包括：(1)一個生物成分如生物體分子、組織部分、細胞、酵素、抗體等，為生物感測器信號接收或產生部分；(2)物理換能器(transducers)：將生物接收或產生的信號精確且快速轉變為可以儀器偵測的物理信號，如：pH儀、生物感測器可偵測極低濃度的標的物質。生物感測器可應用於醫藥、動物藥品、生物科技、食品、農業及環境監測等領域。在食品上的應用如偵測食品的營養價值、新鮮度及食品衛生安全等。第19页，共56页，2023年，2月20日，星期三組織工程組織工程為結合細胞生物學及材料科學等領域的一門技術，藉著結合細胞與天然或合成的細胞支架(scaffold)，在體外建構人工組織或臟器，發展可植入的替代組織，達到重建、維持、改善組織功能或替換組織等目的。第20页，共56页，2023年，2月20日，星期三微列陣生物晶片(biochip)結合了分子生物學、生物化學、生物資訊、分析化學、微機電等科學及技術，具有快速、精確、低成本之分析檢驗能力。微陣列是發展及應用較為成熟的生物晶片技術之一，可在一個晶片(chip)上排列放置數千至數萬個DNA或蛋白質，形成DNA晶片或蛋白質晶片，因此可同時分析超過上千個基因或蛋白質。在食品領域的研究，目前主要集中於食品微生物的檢驗及食品機能性的研究。第21页，共56页，2023年，2月20日，星期三第三節

生物技術在食品產業的應用生物技術在食品產業的應用範圍極廣，包括：食品原料、加工製程、品質管制或廢棄物的處理及應用等。其應用目的可大致區分為：(1)改善食品原物料品質及降低生產成本；(2)提升產品品質及營養價值；(3)食品新素材及添加物的生產及改良；(4)食品加工製程改良；(5)菌(starter)改良；(6)食品檢驗技術及衛生安全；(7)食品加工廢棄物的處理、利用及廢水處理。第22页，共56页，2023年，2月20日，星期三改善食品原物料品質及降低生產成本提高產品品質及營養價值食品新素材及添加物的生產及改良食品加工製程改良菌篩選及改良食品檢驗技術及衛生安全食品加工廢棄物的處理、利用及廢水處理第23页，共56页，2023年，2月20日，星期三改善食品原物料品質及降低生產成本生物技術在食品原料應用之主要目的為增加產量、降低成本及改善品質，而其應用方向主要有傳統育種、基因轉殖動植物及添加物的使用等。傳統育種基因轉殖動植物添加物或生長促進劑其他第24页，共56页，2023年，2月20日，星期三傳統育種選取不同特性的同一類或相近的品種進行雜交繁殖，今日所見許多的蔬果及動植物皆是以傳統育種方法所培育出來的，如無子西瓜等。第25页，共56页，2023年，2月20日，星期三基因轉殖動植物基因技術日漸成熟之後，可將能表現某些特性的基因，藉由各種工具送入動植物體內，使其後代能表現此基因之特性。目前基因轉殖動植物以抗病、抗蟲害、抗除草劑、適合加工特性、生長快速、營養成分的改善及生產特定物質為主，許多商品已被開發成功。第26页，共56页，2023年，2月20日，星期三添加物或生長促進劑在動物方面，抗生素(antibiotics)用於動物疾病治療及促進生長，益生菌(probiotics)被用為飼料添加劑，以幫助消化、維護健康並促進動物的生長等。在植物方面，植物荷爾蒙可促進植物生長；含氮添加物如魚漿、動物及禽類糞便發酵的有機肥、海藻抽出物等可幫助植物生長；酵母抽出物等含核酸物質可使植物花朵顏色鮮豔、果實香甜；許多生物製劑可以幫助植物生長或吸收養分、有效微生物(effectivemicroorganisms；EM)及土壤改良用菌種可改善土壤環境，使植物體質健康不易被病原菌感染致病。第27页，共56页，2023年，2月20日，星期三提高產品品質及營養價值利用生物技術可提高食品品質及營養價值，亦可增進穀物中蛋白質的品質及維生素與礦物質的含量。此外，許多食品中具有對人體有益的成分。使用生化製程可部分純化這些具有生理活性的成分，以製造機能性食品，亦可經由生物技術提高這類食品中的有效成分含量。第28页，共56页，2023年，2月20日，星期三食品新素材及添加物的生產及改良食品新素材及添加物的生產與改良為目前生物技術在食品工業應用的重要項目，以發酵或酵素方法生產的添加物包括：鮮味劑、酵素、香料、有機酸、醣類、防腐劑及維生素等。食品新素材則主要為有改善食品品質及保健訴求的新素材。酵素鮮味劑、色素及香料醣類第29页，共56页，2023年，2月20日，星期三第30页，共56页，2023年，2月20日，星期三酵素水解型酵素非水解型酵素第31页，共56页，2023年，2月20日，星期三水解型酵素目前市場上使用的酵素，有90%屬於水解碳水化合物、脂肪和蛋白質的水解酵素，如真菌之α-澱粉酶（α-amylase)、木聚糖酶(xylanase)、脂肪酶(lipase)應用於麵包工業。第32页，共56页，2023年，2月20日，星期三非水解型酵素非水解型酵素在食品加工上的應用是目前極受注目的酵素應用新領域，如葡萄糖氧化酶(glucoseoxidase)可用來氧化並去除葡萄糖。第33页，共56页，2023年，2月20日，星期三第34页，共56页，2023年，2月20日，星期三鮮味劑、色素及香料食品加工常用的鮮味劑有味精及核苷酸味精為利用發酵法製成的麩胺酸鈉，高鮮味精所用的核苷酸是從酵母菌菌體中萃取。紅麴菌(Monascus)發酵可生成紅色的紅麴色素(monascuscolor)。由黃梔子(gardenia)果實中可萃取出一種geniposide配糖體，利用β-葡萄醣苷酶酵素或可將geniposide分解，再與胺基酸結合後可生成梔子藍食用色素等。微生物可生成各種揮發性油脂及香味成份，梅納反應(Maillardreaction)亦可生成各種香味成份。第35页，共56页，2023年，2月20日，星期三醣類多醣體為例，經由酵素、化學或物理方法切割成各式較小片段後，會具有不同的特性及功能。傳統多醣體大多由植物種子及藻類萃取，近年來微生物生產的膠類亦逐漸被開發，如三仙膠、聚三葡萄糖(pullulan)、纖維素等逐漸普及。第36页，共56页，2023年，2月20日，星期三第37页，共56页，2023年，2月20日，星期三食品加工製程改良生物技術可應用於食品工業製程的改良，以提高生產效率、降低成本或改善品質。生化製程第38页，共56页，2023年，2月20日，星期三生化製程可提高微生物及酵素在食品加工應用的潛力，例如：限外過濾：可進行溶液的分子量分割，應用於蛋白質溶液中胜、蛋白質的回收及澄清化等。逆滲透：用於濃縮，可避免使用蒸發罐濃縮時造成褐變及風味變化。單寧分解酵素蛋白酶及單寧分解酵素：用於啤酒澄清化。菌：應用於發酵乳等發酵產品的生產，節省傳統方法菌種保存及活化所需的人力及時間，使大規模生產更為容易。高果糖糖漿生產時，採用固定化葡萄糖異構酶將葡萄糖轉化成果糖，可降低成本。第39页，共56页，2023年，2月20日，星期三第40页，共56页，2023年，2月20日，星期三菌篩選及改良為有效控制食品品質，許多有用菌株被篩選出來，作為發酵或特殊用途使用的菌。生物技術在此領域的應用包括：(1)優良菌株篩選；(2)菌株特性改良；(3)新功能菌株。優良菌株篩選菌株特性改良新功能菌株的設計第41页，共56页，2023年，2月20日，星期三優良菌株篩選為有效控制發酵品質，可由天然發酵食品中篩選特性良好的菌株，經純化後作為發酵食品用菌，目前菌的應用以酒、發酵乳製品及發酵肉品為大宗。在機能性食品盛行後，具有特殊活性菌的開發成為新的篩選標的。第42页，共56页，2023年，2月20日，星期三菌株特性改良由於自然界分離出來的菌株有其特性上的限制。為突破這些限制，科學家進行了許多菌種改良的研究，最初菌種改良主要以突變劑(NTG)等來進行誘變，及至基因重組技術成熟後，菌的改良也正式邁入基因時代。第43页，共56页，2023年，2月20日，星期三新功能菌株的設計將各種來源基因送入微生物體內，建構具有我們想要功能的新菌株。第44页，共56页，2023年，2月20日，星期三食品檢驗技術及衛生安全食品不論是原料、半成品或成品，在加工過程及上市前，都需要對其規格及衛生安全進行嚴格控管。生物技術可提供許多迅速可靠的食品檢驗技術，包括食品成分分析、食品中的有害病原菌及毒素的檢測等，提供食品產業迅速而簡便的方法。食品成分分析食品安全性檢測污染源追蹤及流行病學調查清潔度檢查第45页，共56页，2023年，2月20日，星期三食品成分分析許多食品成分的分析，可藉助酵素系統來進行。生物技術在食品衛生安全的應用上已有很長的一段時間，許多生物技術方法可縮短傳統檢驗方法的時間，或增加分析的靈敏度，因此可提供我們對食品及其原料是否安全，更迅速且完善的資訊。第46页，共56页，2023年，2月20日，星期三食品安全性檢測DNA探針、單株抗體廣用於李斯特菌、沙門氏菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等食品病原菌及其產生之毒素的檢驗，並可用以區分其產毒的毒素類型。以快速檢驗法檢驗，僅需進行增殖培養後，便可直接進行檢測，大幅縮短了檢驗所需時間。第47页，共56页，2023年，2月20日，星期三污染源追蹤及流行病學調查脈衝式電場膠體電泳(pulsed-fieldgelelectrophoresis；PFGE)、核糖核酸分類(ribotyping)及以聚合酶鏈鎖反應為基礎的各種分子分類技術，可用於汙染源的追蹤及流行病學調查。第48页，共56页，2023年，2月20日，星期三清潔度檢查生物體中的ATP於生物死後會快速消失，利用此原理的ATP檢驗系統，已廣泛應用於工廠清潔度的檢驗。第49页，共56页，2023年，2月20日，星期三食品加工廢棄物的處理、利用及廢水處理減少廢棄物及廢水排放量有用成分的回收及再利用廢水及廢棄物處理第50页，共56页，2023年，2月20日，星期三減少廢棄物及廢水排放量酵素及許多生化技術可應用於製程改善，以減少廢棄物及廢水排放量。降低廢水中有機質含量，使排放的廢水易於處理。第51页，共56页，2023年，2月20日，星期三有用成分的回收及再利用食品加工過程會產生許多廢棄物，有時這些廢棄物中尚具有可利用價值的