第十章 食品生物技术

第十章食品生物技术§10.1概述一、食品生物技术发展中的重大事件1、公元前6000年，古埃及和古巴比伦人就开始发酵生产酒精、酿造啤酒，我国也在石器时代开始谷物酿酒；2、公元前4000年，古埃及人开始应用酵母菌发酵制作面包；3、公元前221年，我国周朝后期就开始制作豆腐、酱油和醋；4、近期，1865年孟德尔利用豌豆育种实验，建立了遗传规律学说；5、1885年巴斯德首次证实发酵是由微生物引起的，建立纯种培养技术，为发酵技术发展奠定了理论基础，并进入科学轨道；7、20世纪20年代，亚历山大.弗来明发现了青霉素，拥有疾病治疗。到了40年代开始，大规模液体深层发酵生产，带动发酵工业；8、50年代，日本人首次实现了L－谷氨酸的代谢调控大规模发酵生产；9、60年代酶制剂工业的迅速发展，生产糖化酶、纤维素酶、脂肪酶等；10、60年代末，单细胞蛋白发酵生产兴起，从而缓解世界蛋白质资源不足问题。6、1909年摩尔根利用果蝇作遗产实验，建立了基因学说；传统生物技术的缺陷与不足1.传统的生物技术对生物体自身或生物体转换产物的产量提高幅度十分有限。2.为了获得优质高产的生物物种，传统的诱变和筛选方法十分琐碎，而且效果不是很显著。3.传统诱变育种只改善生物体原有的生物物质，而不能赋予其新的遗传特性。现代生物技术的发展1、1953年沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构，奠定了现代分子生物学的研究基础。2、60年代，Berg第一次完成重组DNA，从而实现从最基础的DNA水平上改造生物体。3、1972年，美国加州大学的Boyer实验室从大肠杆菌中分离出一种限制性内切酶。4、1977年，Sanger设计出一种测定DNA序列的双脱氧法。5、1984年，出现了单克隆抗体技术。6、1990年，人类基因组计划（HGP）开始实施。7、1997年，英国克隆出第一头哺乳动物绵羊“多莉”。1998年产下一只小羊，2003年2月14日因肺部感染而实施了安乐死。据英国媒体11月30日报道，英国罗斯林研究所科学家基思·坎贝尔不久前透露，他们已于3年前重新克隆了4只多莉。二、食品生物技术的概念与范畴生物技术一词最初是在1917年提出的，随着生物技术的发展和其涉及的应用领域不断拓展，出现了许多关于生物技术的解释和定义。

生物技术涉及三个主要方面：1.总的概念是一门多学科融合、综合的学科，是研究、控制、利用和服务生命活动过程的本质和现象的一门应用科学技术。2.生物过程生物技术涉及的过程无论是生物自身的生长繁殖，还是底物转化的生化反应，或者是改造生物体自身的遗传性状，都需要有生物催化剂酶或细胞的参与。3.最终目标是利用微生物、动物、植物或细胞生产出粮食、药物、化工原料、能源等有用的产品，或达到预防、诊断和治疗疾病以及检测和治理环境污染等的目的，为人类可持续发展服务。生物学工程学化学生物化学生物工程化学工程生物技术生物技术的学科交叉范畴生物技术涉及的学科生物学－－生物化学、微生物学、微生物生理学、免疫学、细胞生物学、分子生物学、动植物生理学、遗传学、生物物理化学、生物育种等；化学－－有机化学、分析化学、结构化学、电化学等；工程学－－化学工程、机械工程、电子工程、计算机工程、信息工程、工程数学等。还包括很多医学、药学、农学等方面的内容。生物技术研究的内容1.基因工程；2.细胞工程；3.酶工程；4.发酵工程；5.蛋白质工程；6.下游分离技术；7.现代分子检测技术用一棵大树表示：基因工程是树干；细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白工程及下游分离技术、现代分子检测技术是树枝；各个相关学科是基础树根。三、我国食品生物技术的现状①生物技术产品的种类有限，创新能力不够；②实验室技术水平较先进，而产业化水平落后；③产业化有一定的规模，但是企业规模均偏小，重复建设严重；④有一定规模的技术人才队伍，但缺乏技术转化和经营人才；⑤资金投入严重不足。四、我国食品生物技术的发展①传统发酵食品的技术改造；②各种酶制剂的研究与应用；③食品添加剂的开发、生产；④单细胞蛋白的开发；⑤转基因动植物的研究、开发与应用。五、食品生物技术的展望①食品安全与检测（包括食品成分、生理活性物质的检测，食品转基因成分检测，食品中微生物的检测、毒素的检测、残留农药的检测等）②有机食品和绿色食品；有机食品又称生态食品、自然食品，是指来自于有机农业生产体系，满足国际农业生产要求和标准，并通过有机食品认证的农副产品，包括粮食、蔬菜、水果、奶制品、畜禽等。“国际有机农业运动联合会”制定的标准是：①有机食品的原料必须来自于不使用人工合成的肥料、农药、生长剂和饲料添加剂的农业产品；②有机食品的生产和加工过程应符合环境标准，不使用化学合成的品；③有机食品必须是经过授权的有机食品颁证组织进行质量检查，符合其生产加工标准并颁发证书的食品；④有机食品的包装也应符合环保和安全的要求。绿色食品是指遵循可持续发展的原则。按照特定的方式生产和加工，经专门机构认定，许可使用绿色食品标志商标的无污染的安全、优质、营养类食品。我国绿色食品的特点：①强调产品出自最佳生态环境，通过原料产地及其周围的生态环境因子进行严格的检测，判定其是否具备生产绿色食品的基础条件；②对产品实行全程质量控制，对生产实行“从土地到餐桌”全程质量控制，以保证产品整体质量水平；③对产品依法实行标志管理，采用质量认证与商标管理相结合的方式约束和规范生产者的行为，并保护消费者的权益。绿色食品产业的发展前景未来我国农业与食品产业要实现的四个目标：①减轻常规农业对资源、环境生产的负面影响；②保持农业综合生产能力的提高；③满足人民对食品质量更高档次的需求；④提高农产品在国际市场上的竞争力。为此,未来的研究重点工作表现在：①围绕生物肥料、生物农药、天然食品添加剂及饲料添加剂、动植物生长调节剂等生产资料的研制开展技术攻关；②通过建设不同类型的生产开发示范基地以及开展不同层次、不同类型的知识和技术培训，推广先进实用的生态农业及绿色食品生产技术；③按照科学性、权威性和可操作性的要求，继续完善绿色食品的标准体系，为产品开发和质量管理进一步创造条件；④加快绿色食品国内外市场建设步伐，为绿色食品产业发展拓宽市场空间。§10.2基因工程及其在食品工业中的应用

基因工程研究的主要内容是指基因工程在食品工业中的应用，即以重组DNA为主要手段，通过实现同种或异种生物（包括动物、植物和微生物）之间优良基因的转移或重组，从而达到如下目的：①提高动、植物甚至微生物生产食品原料的产量或降低生产成本；②改良和提高食品原料的营养价值和加工性能；③拓宽食品加工原料的来源；④改良食品加工和食品酶制剂生产过程中所用微生物菌种的性能；⑤利用转基因动物、植物和其细胞以及微生物生产保健食品的有效成分。一、基因工程概况1.基因工程的定义和内容基因（Gene）：是指DNA分子中的某一功能性片段，是编码蛋白质或RNA分子遗传信息的基本遗传单位，还应包括与转录和翻译相关的所有遗传结构信息。基因组（Genome）：是指一个生物体的全部基因序列。对于多数只有一条染色体的原核生物来说，基因组就是这条染色体，对于含有多条染色体的高等生物，基因组是指细胞中所含染色体的的总和。人类有23对，46条染色体，3.0×109个碱基对。基因工程（Geneticengineering）：是指按照人们的意愿和设计方案，以分子生物学、分子遗传学、生物化学和微生物学为理论基础，通过将一种生物细胞的基因分离出来或人工合成的新基因，在体外进行酶切和连接并插入载体分子构成遗传物质的新组合，导入道自身细胞或另一种生物细胞中进行复制和表达等实验手段，有目的地实现动物、植物和微生物等物种之间地DNA重组和转移，使现有的物种在短时间内趋于完善或创造出新的生物特性。基因工程的内容：

基因工程的核心是重组DNA技术，又称DNA克隆、分子克隆、基因克隆，其主要内容或步骤：4步①在供体细胞中用限制性内切酶切割基因，以分离出含有特定的基因片断或人工合成的目的基因并制备运载体（病毒、噬菌体、质粒）；②把获得的目的基因和制备好的运载体用DNA连接酶连接成重组体；③把重组体引入宿主细胞或受体细胞，包括大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等；④筛选、鉴定含有外源目的基因的菌体或个体。简称：“切”、“接”、“贴”和“检查修复”，各个过程都有特定的酶作为工具。2.基因工程的应用性研究①基因工程药物研究；（人胰岛素、干扰素、生长激素等）②基因治疗研究；（基因缺陷、遗传性疾病、肿瘤等）基因治疗存在的问题：基因治疗要获得成功，必须有切实有效的基因；外源基因在人体内的有效表达和表达调控；目前基因资料方案多采用体外方法，但受体细胞经体外长期培养和增殖后，细胞学特性是否发生改变；要充分估计导入外源基因对机体的不利影响。③转基因动物；④转基因植物；⑤转基因微生物。

3.人类基因组计划（HGP）1986年美国生物学家Dulbecco最早提出人类基因组研究计划设想，在当年出版的《Science》杂志上发表了题为《肿瘤研究的一个转折点－－人类基因组的全序列分析》的文章，提出包括癌症在内的人类疾病的发生都和基因的改变有着直接或间接的关系，呼吁科学家们联合起来，从整体上研究和分析人类的基因组序列。1987美国国立卫生研究院和能源部联合提出了这项计划，1990美国国会批准，投资30亿美元，花费15年时间测定人类基因组的3.0×109个碱基对序列，我国从1994年也开始参与此项计划，于2001年提前有美国、英国、法国、德国、日本和中国等6国科学家完成。获得了四张人类基因序列图谱：遗传图、物理图、序列图和转录图，前三张图是精度不同的序列图，后一张图是表示DNA分子上那些核苷酸序列或基因是可以编码蛋白质的。此后进入人类后基因组计划（HumanpostgenomeprojectHPGP）－－－阐明人体中全部基因的相对位置、结构、功能、表达调控方式以及致病基因突变等。最终揭示人类的“生、老、病、死”。二、基因工程相关技术DNA重组DNA序列分析寡核苷酸序列合成PCR扩增技术基因表达基因突变等包括核心DNA重组基因表达生物酶尤其是限制性内切酶和基因载体是DNA重组的重要工具。三、植物性食品资源的改良自1983年采用农杆菌介导法培育出第一例转基因植物－－转基因烟草以来，植物转基因工程得到飞速发展，已有百余种植物相继被转基因，转基因植物食品资源已成为食品工业中一支不可忽视的新生力量。在转基因作物种植的面积居世界首位（占72％）的美国，消费的50％的大豆和30％以上的玉米来自转基因植物，生产的4000多种食品含有转基因成分。我国转基因耐储存番茄—“华番一号”和转基因抗虫棉于1997年进入商品化生产。1.转基因植物的生产和品质性状①提高作物产量

（生物固氮、抗病虫害等）②改良作物品质

（谷物蛋白质、植物油、淀粉等）③延熟保鲜

2.转基因植物的抗逆性状①抗病虫害、病毒②抗除草剂③抗逆境胁迫

（包括抗旱、抗盐碱、抗涝、抗寒等）3.植物转基因的方法①农杆菌介导法②原生质体融合法③基因枪法④电击法⑤花粉管通道法①农杆菌介导法

在植物转基因工程方法中，以根瘤农杆菌介导的基因转移方法应用最为广泛。多数农杆菌含有Ti质粒，该质粒上有一段DNA片断，能较容易地转移并整合到植物的基因组中，是理想的植物克隆载体。其操作过程大致如下：（1）将含有目的基因的外源DAN插入到Ti质粒的T－DNA中，构成重组质粒分子；（2）将重组质粒转化给大肠杆菌细胞；（3）通过细菌结合作用，将含有外源基因的重组质粒从大肠杆菌转移到农杆菌，并与其固有的Ti质粒发生同源重组，即外源基因被转移到固有的Ti质粒上；（4）将农杆菌直接接种在植物的伤口部位或通过植物原生质体共培养的方法转化植物细胞；（5）培育转化细胞或组织，再生出转基因植株。改进后的工程农杆菌广泛应用于双子叶植物的转化，但对于单子叶植物却很困难。该方法具有转化简单有效，转化的外源DNA完整，整合位点稳定，转化基因拷贝数少，转化率高，转换后变异小等优点。②原生质体融合法

原理利用某些多聚物（如聚乙二醇、多聚赖氨酸、多聚鸟苷酸等）与一些二价离子（Ca2＋、Mg2＋）及DNA分子在原生质体表面形成沉淀颗粒，这些颗粒通过原生质体的内吞作用被吸入受体中，从而达到转基因的目的。玉米、水稻等都可以用这种方法进行转基因。③基因枪法

将裸露DNA分子直接导入植物细胞的方法。该方法先用CaCl2、亚精胺或聚乙烯醇沉淀DNA，然后将沉淀的DNA包裹成直径1～4μm的金弹或钨弹，再利用基因枪把金弹或钨弹以300～600m/s的高速度，透过植物细胞壁和细胞膜进入细胞，一旦进入细胞，外源基因就以一种目前还不了解的方式整合道植物的基因组的DNA中。通过此方法转基因的有大豆、棉花、玉米、水稻、小麦等。但基因枪法也存在一个缺陷，即整合入植物细胞基因组中的外源基因通常是多拷贝的，这有可能导致植物本身的某些基因不能正常表达。⑤花粉管通道法是利用植物受粉后，将外源基因DNA涂于受粉的柱头，使之沿天然的花粉管通道通过珠心进入胚囊，转化尚不具备正常细胞壁的卵、合子及早期的胚胎细胞。该方法特点是操作简便易行，而且能够避免体细胞变异，有一定的价值和应用前景。四、动物性食品资源的改良第一例转基因动物是1982年美国学者将大鼠的生长素基因导入小鼠的受精卵里，再把受精卵转移到借腹怀胎的雌鼠体内，生下的小鼠生长速度比普通小鼠快50％，并且还可以遗传给下一代。目前科学家们已经成功培育了各种转基因动物如转基因牛、转基因羊、转基因猪、转基因鸡、转基因鱼等，设计的性状有：

高生长速度、高产奶率、高产蛋率、瘦肉型化、抗冻、抗病以及生产药用蛋白等。多莉多莉1.动物转基因的方法①逆转录病毒法②DNA显微注射法③胚胎干细胞法DNA显微注射法利用显微注射手段将裸露DNA分子注射到受精卵核中的一种转基因方法，该方法的操作步骤：①注射激素促进供体小鼠超量排卵；②待供体小鼠交配后杀死，取出受精卵；③将外源基因注射到受精卵的精前核；④将受精卵移入待孕母鼠子宫中，大约生长3周，生产小鼠；⑤转基因小鼠的鉴定以及转基因小鼠品系的鉴定。显微注射法缺点：①所注射的基因在宿主基因组中是随即整合的，因此有可能转入基因碰巧整合到具有重要功能的基因之中，从而干扰该基因的正常表达；②有的外源基因的表达具有时间性，得到转基因动物可能只在