第二章 基因工程在食品中的应用

孙荣欣轻化工程系

Theapplicationofgeneticengineeringinfoodanditssafety

《食品生物技术概论》基因工程在食品中的应用及其安全性一、基因工程概述二、基因工程技术在食品中的应用三、转基因技术对食品安全性的影响观看电视辩论：转基因食品，是天使还是魔鬼？

/Article/Class4/201003/139220.html

主要内容：

二十一世纪被誉为“生物技术世纪”，基因工程是生物技术领域的先导技术，它正以爆炸式的方式迅速发展。渗透到农业、食品工业、医药业等各行各业，深刻地影响着人类本身及人类社会进程。转基因动植物的研究开发对于解决人类面临的生存发展问题显示出巨大的作用。但是，基因工程产品，尤其是转基因食品带来的安全性问题也引起了全世界范围内的密切关注。这样的香蕉你见过么？这样的猪你见过吗？如此梦幻般的蓝玫瑰呢？

Haveyouseen?不管你愿不愿意，你己经或者正在把转基因食品吃进肚里！转基因食品已经走进我国百姓的生活。我国已经成为世界上第四大转基因食品的生产国家。Haveyoueatengeneticallymodifiedfoods?近几年来，我国大量从美国、阿根廷等国进口大豆，其中大部分是转基因大豆。我国有一半以上的大豆色拉油含有转基因成分。2010年4月，中国最重要的水稻产地湖南、湖北的种子市场上发现正违法出售的转基因水稻种子。

转基因食品有哪些？

中国农业部已经批准种植的转基因农作物有甜椒、西红柿、土豆。进口的转基因食品有大豆油、菜籽油、大豆等。目前只有花生油不是转基因的。麦当劳、肯德基的食品基本全部是转基因的。在我国，转基因大米也在悄悄流入市场。转基因甜椒转基因西红柿转基因大豆转基因甘薯转基因番茄转基因甜椒转基因苹果转基因鱼转基因水稻转基因土豆转基因玉米问题的提出基因工程在食品中有哪些应用？究竟什么是转基因食品？转基因食品是否安全？它是否存在长期的隐患？基因工程又叫转基因技术，应用这项技术，人们可以按照自身的意愿，向生物体植入一个或多个遗传物质—基因，以对该生物进行遗传“修改”，使其具备某个或某几个原来不具备的新性状，如抗病性、高产性等。

第一节基因工程概述一、相关概念1、基因2、转基因3、基因工程（转基因技术）4、转基因生物5、转基因食品1、什么是基因（Gene）？基因的定义是“含特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传信息的功能单位”。它是决定生物特性的物质基础。当DNA是遗传物质时，基因是有遗传效应的DNA片段。当RNA是遗传物质时，基因是有遗传效应的RNA片段。要指出的是：并非所有的DNA序列都是基因，只有其中某一特定的核苷酸区段才是基因的编码区。2、什么是转基因（GeneticallyModified）？

是指将不同来源的DNA分子进行重组，克服了天然物种生殖隔离的屏障，将具有某种特性的基因分离和克隆，再转接到另外的生物细胞内。从而可以按照人们的意愿创造出自然界中原来并不存在的新的生物功能和类型。

3、基因工程（GeneticEngineering）又称分子克隆、DNA重组技术、转基因技术。是指使用转基因技术或分子生物学技术(不包括传统育种、细胞及原生质体融合、杂交、诱变、体外受精、体细胞变迁及多倍体诱导等技术)，将遗传物质导入活细胞或生物体中，产生基因重组现象，使之表达并遗传的相关技术。4、转基因生物（GeneticallyModifiedOrganisms）定义：是指遗传物质基因被改变的生物，其基因改变的方式是通过转基因技术，而不是以自然增殖或自然重组的方式产生。简称：GMO种类：转基因生物包括：转基因动物转基因植物转基因微生物。其中最主要的是转基因植物。5、转基因食品（GeneticallyModifiedFoods）是指用转基因生物制造、生产的食品、食品原料及食品添加物等。简称：GMF二、转基因技术的主要内容：1、获得目的基因；

从生物体细胞内提取目的基因片断，需要基因的剪刀——限制性内切酶。一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切割点上将DNA

分子切断。2、将目的基因与载体连接形成重组DNA；将目的基因与运载体DNA连接，需要基因的针线——DNA连接酶。

基因进行了切割以后就有了切口，怎样才能将有切口的基因与其他基因缝合在一起呢？要利用连接酶的作用：将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的DNA分子。3、将重组DNA导入受体细胞；如何将外源基因（重组DNA分子）送入受体细胞呢？能将外源基因送入细胞的工具就是运载体。运载体的种类有：质粒、噬菌体和动植物病毒。4、筛选出能表达外源目的基因的受体细胞案例：转基因植物获得新的性状三、基因工程的特点1、生物的基因可以在人类、动物、植物和微生物四大系统间进行交流；2、变异可以定向进行；3、改良和培育新产品；4、促进快速生长，缩短育种年限；5、获得高产量和高质量；6、增强抗逆性(抗旱、寒、涝、热、病毒和虫害)；7、大大降低成本；8、生产出口味更佳的食物。第二节转基因技术在食品中的应用

运用基因工程技术可以根据人类的需要，人为地设计新型的食品及食品原料。其在食品中的应用可以分为以下三个方面：1.Theapplicationofgeneticengineeringinplantfoods

(A)Modifiedtheediblequalityofplantfood

改良植物食品的食用品质Modifiedthefattyacidcomposition

of

oilplant

改变油料作物的脂肪酸组成

Modifiedtheconstituteandcontentofstarch

改变淀粉组成及含量IncreasevitaminA

contentincereal

提高谷物中维生素A含量Improvethebakingqualityofwheat

提高小麦烘焙性能Modifiedtheprotein,andaminoacid,removethebeanyflavorinsoybeans

改变大豆中的蛋白质、氨基酸、脱除豆腥味

案例：1）减少饱和脂肪酸的含量：和动物脂肪相比，植物油中饱和脂肪酸的含量较低(比动物脂肪少40％一50％)，这有利于降低人体中胆固醇的含量。然而，多数植物油中仍含有10％一20％的饱和脂肪酸，因此，降低植物油中饱和脂肪酸的含量也是人们所希望的。通过常规育种，人们曾获得饱和脂肪酸含量低的油料作物，但是它们通常都不高产。利用基因工程，可以在高产的前提下降低植物油中饱和脂肪酸的含量。2)用转基因技术合成ω-３脂肪酸ω-３脂肪酸是人体必需的不饱和脂肪酸，ω-3脂肪酸是一种脂肪酸，是深海鱼油的重要成分之一。医学研究表明，这种脂肪酸可降低胆固醇和血压，有助于预防人类的心血管疾病。但这种物质只能从食物中摄取。据报道，英国赫特福德郡洛桑研究所科学家2007年从一种名为海链藻的单细胞海藻中分离出关键基因，并将其植入亚麻和油菜中。实验证实，这些农作物可以合成出通常只在深海鱼类中存在的ω-３脂肪酸。知识点：ω-3脂肪酸是一条由碳、氢原子相互连结而成的长链（18个碳原子以上），其中间有3-6个不饱和键（即双键）。因其第一个不饱和键位于甲基一端的第3个碳原子上，故名ω-3。3）提高食物中营养素的含量①

提高维生素的含量：维生素是人类缺乏的主要营养素之一。据统计，全世界超过1．24亿的儿童缺乏维生素A。英国剑桥的兴根塔育种公司的研究人员已经培育出了一种命名为“金稻-2”的新型转基因水稻，其维生素A原（胡萝卜素），的含量比传统水稻提高了20多倍。知识点：维生素A原能在人体内转变成维生素A，对防止儿童夜盲症十分重要，目前，全世界每年约有50万儿童患夜盲症。②提高微量元素的含量：铁蛋白是生命有机体铁贮藏蛋白的一个主要方式。据报道，在水稻中引入大豆铁蛋白基因，该基因在水稻种子特异性表达启动子的调控下表达，转基因水稻种子中铁元素的含量增加了3倍。Goldenrice利用基因工程把富含某种氨基酸的外源种子贮存蛋白的基因导入缺乏该氨基酸的植物中，可大大改善其营养品质。例如：将蚕豆中一种富含赖氨酸和甲硫氨酸的蛋白基因转入玉米中进行表达，显著提高了玉米的这两种人体必需氨基酸的含量，提高了玉米的营养价值。知识点：种子中的蛋白质称为种子贮藏蛋白。禾谷类植物种子中蛋白质含量一般占种子干重的7％-14％，大豆则高达15％-40％。但种子贮藏蛋白由于缺少某些必需的氨基酸而营养不够完全，如玉米中相对缺乏赖氨酸，而大豆则缺乏蛋氨酸、半胱氨酸等含硫氨基酸。

4）利用基因工程改良面粉的弹性

面包生产需要高蛋白质含量的小麦，而目前的小麦品种含蛋白质较低，将高效表达的蛋白基因转入小麦，将会使做成的面包具有更好的焙烤性能。利用基因工程改良面粉弹性的方法是：

通过增加麦谷蛋白HMW-亚基基因拷贝数来增加HMW的含量。知识点：小麦种子贮藏蛋白中的麦谷蛋白的HMW-亚基是决定面包烘烤质量的因素之一。麦谷蛋白HMW（HighMolecularWeight）亚基的N端和C端具有非重复的氨基酸序列，而蛋白质分子的大部分序列是六肽和九肽的重复单位，使麦谷蛋白具有较好的弹性。N端和C端含有Cys(半胱氨酸)残基，从而形成分子间二硫键，产生高分子量的聚合物，这些聚合物使生面团具有较好弹性。（B）Improvementinfruitandvegetableshelf-lifeandorganolepticquality增加果蔬贮藏、保鲜性能

目前，水果蔬菜品质改良是育种的主要目标之一。将一些有价值的外源基因导入果蔬中，对改良其菜品质是大有作为的。人类第一个用于商业化生产的转基因植物品种就是1994年美国Calgene公司推出的转基因耐贮番茄FlavrSavr，1996年我国相继批准了转基因耐贮藏“华番l号”番茄、转基因抗黄瓜花叶病毒番茄"8805R"和甜椒“双丰R”进入产业化生产。

例1：番茄延熟是基因工程研究较多而且比较成功的例子。番茄是营养丰富、经济价值较高的果蔬，但它不耐贮藏。为了解决番茄这类果实的贮藏问题，研究者发现，控制植物衰老激素乙烯合成的酶基因，是导致植物衰老的重要基因，如果能够利用基因工程的方法抑制这个基因的表达，那么衰老激素乙烯的生物合成就会得到控制，番茄也就不会容易变软和腐烂了。美国、中国等国家的多位科学家经过努力，已培育出了这样的番茄新品种。这种番茄抗衰老，抗软化，耐贮藏，能长途运输，可减少加工生产及运输中的浪费。见下图：

知识点：乙烯控制着植物的许多生理和发育过程，如果实成熟、脱落、和衰老等。通过克隆对乙烯生物合成过程中的ACC合成酶基因并转入植物来调节植物体内的乙烯合成，从而影响乙烯参与的多种生理过程。如控制果实的成熟时间，达到延迟成熟，延长保鲜期，提高耐贮藏性。

例2：转耐冷基因蔬菜（抗冻蔬菜）：利用较多的是来自北极深海鱼类的抗冻基因(AFPS)。将鲽鱼科的抗冻基因转入番茄中（Genetransferbetweenanimalsandplants），发现其具有抑制冰块重新结晶的能力，从而使蔬菜免遭冻害。将美洲拟鲽抗冻蛋白基因AFP直接转入番茄，得到的转基因植株在平均气温低于4.4℃的情况下，生长好于对照，并且果实成熟提前。致死温度也降低了l℃～2℃。各种各样的转基因水果

(C)Manufactureofediblevaccines

生产特殊食品----食品疫苗

传统疫苗是将灭活或减毒的病原微生物(病毒、细菌等)或者病原微生物的抗原成分直接注射入体内，诱导机体产生对特定微生物免疫力，不再感染由该病原微生物所致的疾病。疫苗的应用已有200多年历史。由于传统疫苗价格非常昂贵，且需要冷藏，所以开发出价格低廉而又服用方便的疫苗是科学家的奋斗目标。为此，研究者正致力于一种创新性的解决方案，利用某种特定病毒的蛋白，这种蛋白能够激发免疫反应，但不会造成患病危险。将其嵌入传统的可食性植物基因系统中，经过种植，便拥有了被植入的水果或蔬菜的基因信息，人服用后便产生免疫效果。当人们在享受美味佳肴的同时，就可轻松完成接种疫苗的工作，无需打针吃药了，这就是口服的食用疫苗。

将狂犬病抗原、乙肝表面抗原、链球菌表面抗原、流感表面抗原等基因转移到马铃薯、香蕉、番茄等10多种作物上，可生产出各种食用疫苗。利用基因工程技术，可将普通的蔬菜、水果、粮食等农作物，变成能预防疾病的神奇“疫苗食品”。科学家最初培育出了一种能预防霍乱的苜蓿植物。用这种苜蓿来喂小白鼠，能使小白鼠的抗病能力大大增强。而且这种霍乱抗原，能经受胃酸的作用而不被破坏，并能激发人体对霍乱的免疫能力。于是，越来越多的抗病基因正在被转入植物，使人们在品尝美味的同时，达到防病的目的。

例1：美国科学家自1989年起采用转基因技术，在烟草、马铃薯等植物上成功地制造出了预防急性病毒性腹泻病毒的疫苗及大肠杆菌疫苗、另外，一个科研小组正进行将乙肝疫苗转入香蕉的实验。据了解，与每剂价值100-200美元的传统乙肝疫苗相比，此种新型食用疫苗每剂只需几美分。例2：香港中文大学生物系的研究人员将乙肝疫苗的抗原植入大豆中，食用时，先将大豆磨碎，稍作提取，然后混在可直接食用的食品中，便能吃下疫苗，令体内产生抗体，达到预防乙肝的效果。例3：日本大阪大学和日本协同乳业的研究人员发现，幽门螺杆菌是引发胃癌和胃溃疡的病因之一。在食用幽门螺杆菌的鸡的卵黄中，含有抑制幽门螺杆菌的特异抗体，并证明对人体有效。协同乳业正探讨利用抗体卵黄加工食品的商品化问题。通过开发抗体鸡蛋食品疫苗来预防胃癌、胃溃疡病意义十分重大。目前医学界担忧的是食品疫苗的服用剂量问题。例4：富含胰岛素的转基因番茄(D)Resistantcrops抗性农作物植物性状改良---抗除草剂、抗虫害等。1）抗虫转基因植物昆虫对农作物的危害极大，全世界每年因此损失数千亿美元。目前对付昆虫的主要武器仍是化学杀虫剂，它不但严重污染环境，而且还诱使害虫产生相应的抗性。将抗虫基因导入农作物，能避免化学杀虫剂所造成的许多负面影响。目前，抗虫作物已占全球转基因作物的22％。用于构建抗虫害转基因植物常见的外源基因有苏云金芽孢杆菌的毒晶蛋白基因、凝集素基因等40多个，其中广泛应用的一种植物抗虫基因是从苏云金芽孢杆菌（Bacillusthuringiensis，简称Bt）中分离出来的一种毒蛋白基因—Bt基因。Bt基因通常以原毒素形式存在，当昆虫摄取原毒素后，在昆虫消化道内的碱性条件和特定蛋白酶的作用下，原毒素变成有活性的毒性蛋白。它可以与敏感昆虫的肠道上皮细胞表面的特异受体相互作用，诱导细胞膜产生非特异性小孔，扰乱细胞的渗透平衡，并引起细胞肿胀甚至裂解，从而导致昆虫幼虫停止进食而最终死亡。

2）抗除草剂转基因大豆草甘膦是一种施用于叶片的广谱、非选择性的有机磷类除草剂。传统大豆不抗除草剂草甘膦，孟山都公司将从土壤细菌分离出的抗草甘膦基因（从农杆菌CP4中分离出的EPSPS基因），用基因工程技术转入大豆，获得抗草甘膦大豆。自从1996年孟山都公司正式推广抗草甘膦大豆以来，其种植面积迅速增长，成为大豆生产上广泛应用的惟一的转基因产品，也是目前世界上种植面积最大的转基因作物。目前我国只发放了一种转基因大豆的安全证书，即孟山都公司的抗除草剂转基因大豆40-3-2。2.Theapplicationofgeneticengineering

inanimalfoods

A）Bioreactor

生物反应器

转基因动物可作为生物反应器，可以生产过去只能从稀有动物乃至其他生物体物体才能够获得、或者收获量甚微的一些具有商业价值的物质，如细胞素，激素，单克隆抗体，营养蛋白、疫苗、酶、各种生长因子、植物次生代谢物及其他一些药物使用的原料。转基因动物首先在小鼠获得成功。现在转基因动物技术已用于牛、羊，使得从牛/羊奶中可以生产蛋白质药物。称为“乳腺反应器”工程。

Drugsproducedbybioreactor

利用生物反应器生产药物：类人胰岛素（IGF）Interferon干扰素血栓溶解剂（TPA）尿激酶白细胞介素生长激素（GH）案例1)转基因牛：吃的是草

挤出的是药！有一种牛奶能治疗糖尿病，这个说法可不是天方夜谭。阿根廷科学家2007年已成功繁育出能够生产人体胰岛素的转基因牛。

科学家已将参与人体胰岛素分泌的基因植入了这些奶牛的基因组中，这样，奶牛变成一个生化反应器，能分泌出含人类胰岛素的牛奶，在产出的牛奶中可提取人体胰岛素，用于治疗糖尿病。这也许将有助降低治疗糖尿病的成本。

知识点：

胰岛素依赖型糖尿病，也称为I型糖尿病，是一种自身免疫性疾病，患者身体的免疫系统攻击并破坏胰岛素及胰腺中产生胰岛素的β—细胞。胰岛素是一种激素，人体需要它才能将糖、淀粉及其它食物转换成能量。

2)据报道，2008年，我国首批转基因保健猪在武汉培育成功，食用这些猪的肉，可以预防心血管疾病。这批保健猪外表与普通猪无异，但它们体内被转入了一种特殊基因ω-3脂肪酸去饱和酶基因，这种基因能在猪体内合成大量的ω-3脂肪酸。食用普通猪肉特别是肥肉，容易引发心血管疾病。转基因保健猪的问世，让人们吃猪肉预防心血管疾病的梦想，向着现实推进了一大步。基因保健仔猪B）Genemodifiedmilk基因工程牛奶（改善牛奶品质）Increasethelactoferrincontentinmilk

增加奶中乳铁蛋白Increaseinmilk

增加奶中的溶菌酶Increasetheproteinwhichisbeneficialtoadsorbcalciuminmilk增加奶中有利于吸收钙的蛋白Decreasetheoilandfatcontentinmilk

降低奶中的脂肪Increasetheanti-illnessfactorcontentinmilk

增加奶中的抗病因子例1:

从营养成分来看，牛奶缺乏一些重要的蛋白质，如可以提高人体免疫力的人乳铁蛋白和人乳清白蛋白等。将人乳中的部分基因转移到克隆奶牛体内能产生“人乳化”牛奶，可以作为缺乏母乳的母亲哺乳婴儿的替代品。人乳化牛奶，其目的是让牛奶的主要成分和人乳相同，目前我国研究的人乳化牛奶中有效成分的表达水平已经达到产业化要求。但要实现真正的产业化，还必须由国家进行长时间的安全性评估。

案例例2：提高牛奶中κ-酪蛋白的含量：奶酪的产率与牛奶中κ-酪蛋白的含量成正比，应用基因工程将k－酪蛋白基因在奶牛乳腺中表达，提高牛奶中κ-酪蛋白的含量。例3：生产无乳糖牛奶：乳糖是乳制品中的主要碳水化合物，但是世界上约有70%的人因乳糖酶缺乏和乳糖不耐受症而影响乳制品的摄入,尤以亚洲人发生乳糖不耐受的机率为最高。

将乳糖酶基因在牛乳腺细胞中表达就能产生无乳糖牛奶。知识点：乳糖不耐症：是指人体不能分解并代谢乳糖（常见于牛奶及其他奶制品中），这是由于肠道内缺乏所需的乳糖酶，或者是由于乳糖酶的活性减弱而造成的。在缺乏乳糖酶的情况下，乳制品中的乳糖未被分解便直接进入了结肠。被肠道内的细菌利用并在体内发酵并产生大量气体，会引起一些腹部不适症状，包括胃痉挛、胃气胀和腹泻等症状。C）Increaseheavy,growth,increasingthefeed

conversion,increasedlean

增重、增速、增加饲料转化率、增加瘦肉率等例1：在猪的基因组中转入人的生长激素基因，猪的生长速度增加了一倍，猪肉质量显著提高，现在这样的猪肉已在澳大利亚摆上了餐桌。我国也于2010年由青岛农业大学研究成功，由于猪体内被转入了一种特殊外源基因—生长激素基因，能大大缩短生猪的出栏时间。例2：利用大肠杆菌转基因技术大量生产牛生长激素，再将此牛生长激素基因转入奶牛体内，可以显著提高牛的产奶量。另据报道，我国已成功研制出转基因的瘦肉型猪。3.TheapplicationofgeneticengineeringinFoodmicroorganism

基因工程在食品微生物中的应用

1)Improvethequalityandflavoroffermentation

改善发酵食品的品质与风味：

酱油风味啤酒风味发酵面食的风味

2）Enzymeproductionfromgeneticengineering

利用基因工程生产食品用酶：

凝乳酶应用于奶酪的生产

α-淀粉酶应用于糖类的生产溶菌酶应用于食品防腐保鲜半乳糖苷酶（乳糖酶）制乳酪或酸奶，处理牛奶,制成预消化奶案例在食品工业领域，酶制剂占有非常重要的地位。食品的制造、食品添加剂的生产都离不开酶制剂。微生物是转基因最常用的转化材料，所以，转基因微生物比较容易培育，应用也最广泛。例1：生产奶酪的凝乳酶，以往只能从杀死的小牛的胃中才能提取出来，现在利用DNA重组技术，将小牛凝乳酶克隆出来，转入微生物中进行发酵生产，获得大量凝乳酶产品，解决了奶酪工业的一大难题---避免了小牛的无辜死亡，也降低了生产成本。凝乳酶是一种最早在未断奶的小牛胃中发现的天门冬氨酸蛋白酶,可专一地切割乳中κ-酪蛋白的Phe105-Met106之间的肽键，破坏酪蛋白胶束使牛奶凝结。例2：面包酵母性状的改良

将含有外源的麦芽糖代谢基因（maltosepermease与maltase基因）导入面包酵母细胞中，在相同的面团发酵时间转基因面包酵母所产生的CO2气体量较原面包酵母多11%～33%，使面包结构和口感得到改善。例3：啤酒酵母性状的改良（1）提高啤酒酵母利用碳水化合物的范围

英国BrewingResearchInternational公司的产品研制出含有外源葡糖淀粉酶（glucoamylase）基因的转基因啤酒酵母，可分解麦芽糖汁中的糊精，生产lowcarbohydratebeer,于1994年2月获英国AgricultureandHealthMinisters批准，投入商业化使用。（2）改良啤酒口味—降低酵母中双乙酰的含量

通常啤酒发酵过程产生的α－乙酰乳酸通过自发氧化作用会形成双乙酰(一种具有馊饭味的物质)；采用含有α－乙酰乳酸脱羧酶基因的转基因酵母细胞可以直接将α－乙酰乳酸转化为无异味的丁二醇，使啤酒风味在较短时间内得到改善。

第三节国内外转基因食品发展现状近十余年来，转基因技术的发展在农业上显示出强大的潜力，并逐步发展成为能够产生巨大社会效益和经济利益的产业。1953年，DNA双螺旋结构被鉴定出来；1983年，世界上第一株基因植物，一种对抗生素产生抗体的烟草出现；1990年，第一例转基因棉花种植成功；1994年，一种可以抵御番茄环斑病病毒的西红柿获准在美国上市；1996年，美国又率先将部分转基因食品（大豆、玉米、油菜、西红柿、土豆）推上商业化进程。1996年，全球共种植170万公顷。2000年，达4220公顷（超过1亿亩），相当于英国国土面积的2倍。种植的国家1996年为6个，98年为9个，99年为12个，2000年为13个（5个发展中国家）。最新资料表明，现在有21个国家种植转基因农作物，达到21亿亩。2000年，种植排名前4