食品基因技术现况与趋势

食品基因技术现况与趋势

以DNA重组为核心内容的基因工程技术是一种新兴的现代生物技术。利用基因工程技术不但可以提高食品的营养价值,去除食物原料中的有害成分,同时还可以通过对农作物品种改良,减少种植过程中农药、化肥等化学品的使用量。目前,经基因工程改造的产品已在农业、医药、环保等领域占据了重要的地位,特别是在食品工业中越来越显示了它的优越性和发展前景[1]。基因工程技术在食品领域中的作用目前涉及到对食品资源的改造、对食品品质的改造、新产品的开发、食品添加剂的生产以及食品卫生检测等方面[2]。基因工程问世30多年来,无论是基础理论研究领域,还是在生产实际应用方面,都取得了惊人的成绩,给国民经济的发展和人类社会的进步带来了深刻而广泛的影响,同时为食品工业开拓了广阔的发展空间。

1基因工程技术

1·1基因工程定义

基因工程技术是指按照预先设计好的蓝图,利用现代分子生物学技术,特别是酶学技术,对遗传物质DNA直接进行体外重组操作与改造,将一种生物的基因转移到另外一种生物中去,从而实现受体生物的定向改造与改良[3]。

基因工程的基本程序[4]:获取所需的目的基因;把目的基因与选好的载体连接在一起,即重组;把重组载体转入宿主细胞;对重组分子进行选择;表达成蛋白,采用合适条件,获得高表达的产品。

1·2发展

1973年美国斯坦福大学和旧金山大学Coken和Boyer两位科学家成功地进行了DNA分子重组试验,揭开了基因工程发展的序幕。1984年,Be-van[5]报告了从粪链球菌中提取的基因植入烟草的基因组,开创了转基因生物时代。1994年,美国农业部和美国食品与药品管理局批准第一个转基因作物产品———延熟保鲜转基因番茄进入市场之后,大量的转基因生物作为食品进入人们的生活[6]。

2基因工程在食品工业中的应用

2·1改善食品原料品质

基因工程应用于植物食品原料的生产上,可进行品种改良,新品种开发与原料增产,如选育抗病植物、耐除草剂植物、抗昆虫或抗病毒植物、耐盐或耐旱植物[2]。除增加产量外,还应用于改良农作物品种特性方面,例如,豆类植物中蛋氨酸的含量普遍较低,但赖氨酸的含量很高;而谷类作物中的两者含量正好相反,通过基因工程技术,可将谷类植物基因导入豆类植物,开发蛋氨酸含量高的转基因大豆[7]。

维生素A缺乏在发展中国家是一种常见的营养缺乏症,通过基因改造的黄金米,可以产生VA的前体物质β-胡萝卜素,为防治VA缺乏症提供了解决办法,但其使用的有效性和安全性一直以来未作深入研究。Stein等[8]结合健康和营养以及社会经济政策等因素,通过对黄金米进行的以试验为依据的研究表明黄金米有望极大地减少VA缺乏症的发生。此外,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取得了相似的效果,且减少了脂肪,增加了瘦肉率[9]。在不影响奶质量的前提下,美国康乃尔大学利用基因工程技术研究了一种牛生长激素,将它注射到乳牛体内,便可提高乳牛的产奶量[10]。花生过敏源是一种严重的食品过敏源,也是最常见的可能威胁到生命的致敏反应。尽管普遍的引发过敏反应的阈值范围在1个花生仁左右,但痕量也可能触发对花生的过敏反应。研究认为Arah1、Arah2和Arah3是花生中3种很重要的蛋白质过敏源[11]。Dodo等[12]研究发现,通过RNA干涉技术可以使花生中Arah2的表达受到抑制,从而生产出低致敏源的花生。

2·2改良食品工业用菌种

最早成功应用的基因工程菌是面包酵母菌。人们把编码麦芽糖透性酶及麦芽糖酶的基因转移至该食品微生物中,通过表达使该酵母含有的麦芽糖透性酶及麦芽糖酶的含量大大提高,从而在面包发酵过程中产生较多的CO2气体,使面包膨发性能良好、松软可口。另据Meyer[13]报道,由于丝状真菌具有独特的高容量表达和分泌蛋白的能力,可利用其生产真菌或非真菌来源的酶类,通过基因工程技术可以有效地提高产率及减少非需要的副产物的形成,为此建立一种有效的转化方法至关重要,目前可以应用在真菌上的转化方法有原生质体介导转化法、电穿孔转化法、基因枪转化法以及农杆菌介导转化法。

2·3生产酶制剂

酶的传统来源是动物肝脏和植物种子,后来因发酵工程技术的发展,使得利用微生物生产各类酶成为可能,20世纪50年代初开始,分子生物学和生物化学的发展使基因工程技术在酶制剂方面的应用越来越广泛。凝乳酶是第一次应用基因工程技术把小牛胃中的凝乳酶基因转移到细菌或真核微生物生产的酶,利用基因工程菌生产凝乳酶是解决凝乳酶供不应求的理想途径。Geoffrog等[14]将编码牛凝乳酶的基因克隆到乳酸克鲁维酵母中发现,乳酸克鲁维酵母能有效地把凝乳酶原分泌到培养基质,并成功地进行了大规模的工业生产。

2·4改良食品加工性能

啤酒制造中对大麦醇溶蛋白含量有一定要求,如果大麦中醇溶蛋白含量过高就会影响发酵,容易使啤酒产生混浊,也会使其过滤困难。采用基因工程技术,使另一蛋白基因克隆到大麦中,便可相应地使大麦中醇溶蛋白含量降低,以适应生产的要求。在牛乳加工中如何提高其热稳定性是关键问题,牛乳中的酪蛋白分子含有丝氨酸磷酸,它能结合钙离子而使酪蛋白沉淀。现在采用基因操作,增加k-酪蛋白编码基因的拷贝数和置换,k-酪蛋白分子中Ala-53被丝氨酸所置换,便可提高其磷酸化,使k-酪蛋白分子间斥力增加,以提高牛乳的稳定性,这对防止消毒奶沉淀和炼乳凝结起重要作用。在烘烤工业中,将含有地丝菌属LIPZ基因的质粒转化到面包酵母中,可以使面包蓬松,内部结构较均匀,优化了加工工艺[15]。

2·5生产保健食品

目前,保健食品的开发可采用转基因手段,在动、植物细胞中得到基因表达而制造有益于人类健康的保健成分或保健因子。例如,2002年,中国农科院生物技术研究所通过重组DNA技术选育出具有抗肝炎功能的番茄,这种番茄被人食用后,可以产生类似乙肝疫苗的预防效果[16]。此外,基因工程技术还可以用于提高食品中矿物质和天然存在的抗氧化维生素等保健因子水平,这些物质可以减慢和阻止氧化作用,如在番茄和甜椒中大量存在的番茄红素已经用转基因技术得到生产。

2·6食品检测

近年来DNA探针杂交技术在食品微生物检测中的应用研究十分活跃,DNA探针杂交技术具有特异性强、灵敏度高及操作简便快速等特点,将是今后食品微生物检测技术的一个重要发展方向。目前该技术已用于多种食品中致病菌的检测。蜡质芽孢杆菌是一种很重要的经食物携带,能引起人体疾病的微生物,其产生的肠毒素可能会引起腹泻、呕吐等症状。为此,检测这类致病菌显得极其重要。传统的检测方法如平板接种、生化特征描述等方法费时费力,近年来人们通过利用PCR和DNA探针技术来检测此类病原菌。Subramanian等[17]通过用限制性内切酶BglII从蜡质芽孢杆菌质粒中获得了一段大小为3kb的DNA片段为探针,研究发现,此DNA探针对鉴定蜡质芽孢杆菌有高度专一性。

3转基因食品及其安全性

3·1转基因食品定义

转基因食品是指以转基因生物为原料加工生产的食品,利用分子生物学手段,将某些生物基因转移至其他生物上,使其出现原物种不具备的性状或产物,针对某一或某些特性,以植入异源基因或改变基因表现等生物技术方式,进行遗传因子的修饰,使动植物或微生物具备或增加特性,进而达到降低生产成本,增加食品或食品原料价值的目的[15]。

转基因食品包括转基因动物性食品、转基因植物性食品和转基因微生物性食品。转基因动物性食品主要以提高动物的生长速度、瘦肉率、饲料转化率,增加动物的产奶量和改善奶的组成成分为主要目标,主要应用于鱼类、猪、牛等。转基因植物性食品主要培育延缓成熟、耐极端环境、抗病毒、抗枯萎等性能的作物,提高生存能力;培育不同脂肪酸组成的油料作物、多蛋白的粮食作物等以提高作物的营养成分,主要品种有小麦、玉米、大豆、蔬菜、水稻、土豆和番茄等。转基因微生物性食品主要改造有益微生物,生产食用酶,提高酶产量和活性,主要有转基因酵母、食品发酵用酶等[18]。利用转基因技术生产的食品是现代生物技术和当代科学成功和进步的标志。

3·2转基因食品的接受度

人们对转基因食品的接受度取决于他们对基因工程总的看法。许多研究表明,人们对转基因技术在食品中的应用持怀疑态度,但是也有研究发现,尽管人们对转基因技术本身有负面的看法,但在评价一个具体的产品时并不是无条件的和整个技术联系在一起。例如,消费者在转基因技术涉及植物时比其涉及动物更容易被接受[19]。葛立群等[20]对辽宁省10个城市消费者进行问卷调查,调查分析结果表明,有64·8%的受访者听说过转基因食品,在转基因食品与同类普通食品价格相同的情况下,约占55·5%的受访者表示愿意购买转基因食品。若是受访者得知该转基因食品有益于人身体健康,表示愿意购买的比例增加到了57·9%。辽宁省消费者愿意购买转基因食品的比例相比于国内其他城市处于较高水平。2004年对南京市的消费者调查表明,仅有27·3%的人愿意在价格相同的条件下购买转基因食品[21]。此外,消费者的购买意愿会受其个体特征、社会经济因素、初始态度及认知水平的影响。Chen等[22]对台湾消费者进行调查后发现人们普遍对转基因技术应用在科学研究方面持积极态度,而对其在食品中的应用持否定态度。

3·3转基因食品营养学评价

成分分析是食品原料营养评价的基础,转基因作物组成分析评价要考虑原作物的自然变异情况,转基因食品的营养评价应包括:营养组成,食品中营养成分的生物效能,膳食摄入量和营养性作用[23]。1997年以来,德国的联邦农业研究中心进行了18项转基因植物喂养动物试验,包括乳牛、公牛、乳猪和成年猪、母鸡、肉鸡和鹌鹑等动物。大部分试验喂养的是第一代转基因植物诸如Bt-玉米,Pat-玉米,Gt-大豆,Gt-马铃薯等。有两项研究是使用第二代转基因植物,结果发现,在营养价值方面第一代转基因植物与非转基因品种没有明显的差异,也没有从被喂养的动物组织或器官发现重组DNA片段[24]。

3·3·1蛋白质评价

GMF的蛋白质评价是转基因食品营养素评价的内容之一。Shireen等[25]对GST大豆中的EPSPS基因的表达作了营养评价。科学家用大肠杆菌表达的CP4EPSPS蛋白做了小鼠口服急性毒性试验,结果表明,不同剂量组之间在体重、累积体重和摄食方面没有统计学差异,解剖未发现异常。

3·3·2脂类的评价

Robert[26]研究发现,把海藻中的omega-3长链多不饱和脂肪酸基因转入陆地油料作物中,从大西洋鲑鱼提取的omega-3-LC-PUFA和转基因油料作物生产的omega-3-LC-PUFA的营养效果一致。

3·3·3矿物质的评价

Drakakaki[27]发现转基因玉米表达曲霉的植酸酶后,能够帮助小鼠高效吸收铁。有关GMF中主要营养素评价的文献资料表明转基因食品的营养素变化不大。

3·4转基因食品的安全性

3·4·1转基因食品安全性问题的起因

1998年8月,英国的Pusztai[28]用转雪花莲凝集素基因的马铃薯饲养大鼠,发现大鼠出现了器官生长异常、体重减轻等症状,免疫系统也遭到破坏,对于人类而言,类似结果可能导致癌症发病率和死亡率大幅上升。这一试验结果引起世界范围对转基因食品安全性的质疑。1999年,美国康乃尔大学Losey等[29]报道,用拌有转Bt基因抗虫玉米花粉的马利筋草喂养大斑蝶幼虫,以喂正常花粉或不加花粉的作为对照组,4d后喂Bt花粉的幼虫死亡率达44%,从而引发了“转基因植物对生态环境是否安全”的争议。2000年,美国Aventiscropscienc公司生产的“里联”转基因玉米因可能导致部分人皮疹、腹泻或呼吸系统的过敏反应,只准予作动物饲料,但检测发现该转基因玉米被混入加工食品中,从而引起全球300多种含玉米产品的回收潮。此后,美国政府于2001年1月出台了转基因食品管理草案;2005年5月英国《独立报》报道,MonSant公司的研究表明,食用了转基因玉米的老鼠肾脏变小,血液的构成发生变化。由于转基因大豆在我国国内油料市场占有举足轻重的地位,由此引发了中国消费者对食用转基因大豆油安全性的担忧[30]。

3·4·2转基因食品潜在的安全性问题

3·4·2·1毒性问题

关于转基因食品的毒性问题,目前只有一些相关的试验报道,尚无人体的研究报告。1998年,英国Rowett研究院的Putsai博士[31]用转雪花莲凝集素基因的马铃薯喂大鼠,声称大鼠食用后体重和器官重量减轻,免疫系统受到破坏。而据Poulsen等[32]的研究,通过用表达雪花莲凝集素基因的大米喂养大鼠,采用90d喂养试验发现,虽然喂养转基因大米组与正常对照组存在明显的统计学差异,但并没有数据能说明转基因米对大鼠的生长产生有害的影响。

3·4·2·2过敏反应问题

第一次与转基因食品有关的过敏问题的提出是在1996年,当时研究人员发现,在从巴西坚果向大豆转移一个主要过敏原的过程中,同样也转移了它引发过敏的能力,它能够在本来对巴西坚果过敏的个体中引发过敏反应。被讨论的这个基因编码是2S白蛋白,用于提高饲用大豆的营养状况[33]。这一发现促使人们对转基因食物潜在过敏性进行更加全面的测试。

3·4·2·3对抗生素的抵抗作用

抗生素抗性基因是目前转基因植物食品中常用的标记基因,但抗生素标记基因对人体的健康是否会造成不利的影响,例如,是否会水平转移到肠道微生物或上皮细胞,从而降低抗生素在临床治疗中的有效性,一直受到人们的关注[34]。虽然目前人们倾向于认为这种可能性比较小,但在评估潜在健