基因工程技术在食品工业中的应用

基因工程技术在食品工业中的应用

一、科学研究的技术来源(一)系统工程的检测互补工程方法是根据相同的设计方案重新组合不同生物或合成的dna，并将其与特定细胞和载体结合在一起。基因工程主要包括两个步骤:首先是从某些生物细胞中取得所需要的DNA片段,或在人工控制下合成这种DNA片段,即获得目的基因,再取得基因的载体,使二者进行体外重组;然后将重组的DNA转化到受体的活细胞中去,改变受体细胞的遗传特性。基因工程包括DNA重组、表达和克隆,是生物工程核心内容。(二)见成熟技术研究进展20世纪50年代初开始,由于分子生物学和生物化学的发展,对生物细胞核中存在的脱氧核糖核酸(DNA)结构和功能有了比较清晰的阐述。70年代初实现了DNA重组技术或称为克隆技术,逐步形成了以基因工程为核心内容,包括细胞工程、酶工程、发酵工程的生物技术。这一技术发展到今天,正形成产业化并列为世界领先专业技术领域之一,广泛应用于食品、医药、化工、农业、环保、能源和国防等许多部门,并日益显示出其巨大的潜力,将为世界面临的蛋白质缺乏、能源、环保和癌症治疗等问题的解决提供广阔的应用前景。1973年美国斯坦福大学和旧金山大学医学院Co-ken和Boyer两位科学家成功地实现了DNA分子重组试验,揭开了基因工程发展序幕。1982年转基因“超级鼠”的构建成功,1985年转基因鱼的问世,标志基因工程在食品工业应用的开端,基因工程食品由此走上了历史舞台。二、1食品产业的应用(一)新质低效酶的创造酶的传统来源是动物脏器和植物种子,后来随着发酵工程的发展,逐渐出现了以微生物为主要酶源的格局。近年来,由于基因工程技术的发展,更使我们可以按照需要来定向改造酶,甚至创造出自然界从未发现的新酶种。现在,蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、糖化酶和植物酶等均可利用基因工程技术进行生产(如表1所列)。(二)食品原料的转化1.可减少炼焦生产的差距转基因植物可被改革而具有抗病虫害的能力,这具有深远的经济意义。土豆原产地在南美,但由于气候和病虫害以及灌溉、肥料、农药等原因,其产量和美国相差很多,利用基因工程可以减少这种差距。我国及菲律宾培育出“超级水稻”和“超超级水稻”,为人口日益增长、粮食日益短缺的世界带来一线光明。DNA重组技术和细胞融合技术相结合,培育出高产、抗病、抗虫、生长快、抗逆、高蛋白的基因改良植物,对食品工业具有重要意义。2.基因鱼的生长和功能转基因动物尚未达到高等转基因植物的发展水平,但人们仍设法用它来表达高价值蛋白。转基因技术在家畜及鱼类育种上初见成效。中科院水生生物研究所在世界上率先进行转基因鱼的研究,成功地将人生长激素基因和鱼生长的激素基因导入鲤鱼,育成当代转基因鱼,其生长速度比对照快并从子代测得生长激素基因的表达。中国农大生物学院瘦肉型猪基因工程育种取得初步成果,获得第二、三、四代转基因猪215头。我国已生产出生长速度快、节约饵料的转基因鱼上万尾,为转基因鱼的实用化打下基础。1997年9月上海医学遗传研究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,既可以食用,又可以药用,为通过动物廉价生产人类的珍贵药物迈出了重大的一步。3.微生物资源的开发和复配发酵工业关键是优良菌株的获取,除选用常用的诱变、杂交和原生质体融合等传统方法外,还与基因工程结合,大力改造菌种,给发酵工业带来生机。而作为基因工程和蛋白质工程,为便于目的表达产品的大量工业化生产,最后大多选用微生物进行目的基因表达而生产出“基因工程菌”,再通过发酵工业大量生产各种新产品。微生物的遗传变异性及生理代谢的可塑性都是其他生物难以比拟的,故其资源的开发有很大的潜力。美国的Biotechnica公司克隆了编码黑曲霉的葡萄糖淀粉酶基因,并将其植入啤酒酵母中,在发酵期间,由酵母产生的葡萄糖淀粉酶将可溶性淀粉分解为葡萄糖,这种由酵母代谢产生的低热量啤酒不需要增加酶制剂,且缩短了生产时间。4.钙离子的情况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。现在可以采用基因操作,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,可提高其磷酸化,使K-酪蛋白分子间斥力增加,以提高牛奶的热稳定性,这对防止消毒奶沉淀和炼乳凝结起重要作用。5.反式-脂肪酸这方面典型的例子是豆油的生产。经过脱色、除臭和精制处理的烹饪用豆油常常需被还原以延长其储藏时间及提高其在烹调时的稳定性。但是,这种还原作用却导致豆油中富含反式-脂肪酸,而反式-脂肪酸在摄入人体后,会增加人患冠心病的可能性。作为色拉油的精制豆油,虽然没有经过还原作用,但其中却富含软脂酸,而软脂酸的摄入也能导致冠心病的发生。因此,人们经过选择,挑选出合乎需要的基因和启动子,再通过重组DNA技术来改造豆油的组分构成。现在,相应的多种基因工程产品已投放市场,其中,有的豆油不含有软脂酸,可用作色拉油;有的豆油富含80%油酸,可用于烹饪;有的豆油含30%以上的硬脂酸,适用于人造黄油以及使糕饼松脆的油。利用基因工程改造的豆油的品质和商品价值显然是大大提高了。(三)见生物技术的应用人类在知道有微生物以前,就利用自然界无处不在的微生物酿酒制酱,自从知道了微生物以后,特别是进入20世纪后,更是不断地利用各种微生物来发酵生产各种产品。例如工业用的丙酮,食品中用的柠檬酸、味精等。不论是什么产品,都无非是利用每一种微生物的特性,生产特定种类的产品。自从有了基因工程,情况就大不相同了,人们可以使大肠杆菌生产动物的生长激素、蜘蛛丝蛋白等等。利用基因工程手段只要把生长因子基因进行克隆,把运载这一基因载体导入合适的微生物细胞,便能用它来进行发酵生产。同样直径的蜘蛛丝和钢丝的拉力相似,但是它具有其他一些优点。例如,可以拉长10倍,并返回原来的状态等。然而人们既无法大量地收集天然的蜘蛛丝蛋白,也不能像养蚕那样养蜘蛛。可是只要把运载着蜘蛛的丝蛋白基因的载体导入微生物细胞,就能在发酵缸里大量的生产这种蛋白质了。应用微生物发酵生产基因工程产品除了必须取得所需要的基因以外还得选择合适的微生物。所谓合适的微生物首先必须是不致病的,此外还应该是便于培养的,产品能分泌到培养液中以便于提取、转化,而且最好是对它有充分的了解等等。美国的食品和药品管理局已批准用基因工程菌生产凝乳酶用来制造奶酪,英国的农业、渔业与粮食部已批准用基因工程面包酵母生产面包,芬兰的一家酒精生产公司首先用基因工程芽孢杆菌生产α-淀粉酶,日本也有不少关于应用基因工程菌于食品添加剂的报道。用生物技术的手段可以生产出动、植物的新品种,从而获得新食品。例如,人类应用遗传工程手段已经培育出高赖氨酸的玉米、高蛋白的小麦、无毒素的棉籽等,改善了日常食品的质量,丰富了食品资源,各种细菌和酵母菌的发酵藻类为人类提供了新型的营养来源。三、食用安全性基因工程应用于食品工业已给人们带来了巨大的社会经济效益,但基因工程体(Gmos)及基因工程食品的环境释放安全性及食用安全性也越来越受到广泛的关注。基因工程食品除应有较高的营养价值和可消化性,它必须对人体无毒副作用,必须安全;其次,它的口味、气味与颜色,均应为食用者所接受。四、流程再造,推动基因食品的发展尽管在世界范围内对基因食品有很多争议,但这并不影响基因食品技术的迅速发展,新的基因食品还是在不断的问世,而且发展速度也越来越快。可以预计,基因食品在新世纪将很快成为人类食品的主要来源。我们既要充分认识转基因食品的优点,又要高度重视其潜在的安全性问题。我国对转基因技术和基因食品的研究和应用采取了积极扶持的政策,在转基因水稻、小麦、番茄、甜椒等方面的研究和应用已达到国际同类研究领先水平。我国政府把生物技术列于微电子、信息、航天、新能源、新材料等高技术的首位,组织跟踪和攻关,并给予高强度支持。只有培育出高产的粮食作物及基因工程食品,才能满足日益增多的人口对食物的巨大需求,这也是我们发展基因工程食品的最重要的驱动力。尽管目前还难以让人们从观念上完全接受基因工程对食品工业的改造,但是,在过去几年里利用分子生物学技术生产的基因食