1.食品生物技术-绪论

食品生物技术

FoodBiotechnology

主讲胡博然博士/教授

课程简介1教学目的与要求：食品科学专业课程运用生物化学、微生物学、发酵工艺原理、遗传学、食品分析等基础课有关知识，了解和掌握基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等生物技术，在食品科学、食品加工与贮藏、食品资源的开发、食品营养与食品卫生等领域中的具体应用。培养学生从事食品生物技术研究与生产方面分析问题解决问题的能力。

教材与主要参考书－课程简介2

教材：

罗云波主编.食品生物技术导论.北京：中国农业大学出版社.2002，7参考书：《食品生物技术》彭志英主编中国轻工业出版社、1999年《食品生物技术》王岁楼主编北京：海洋版社.1998，《食品生物技术》刘冬主编北京：中国轻工业出版社.2003，9《BasicBiotechnology(生物技术导论)》,EditedbyColinRatledge,BjornKristiansen,国外优秀教材，影印版.北京：科学出版社.2002.3学习中需要注意的问题

认识食品生物技术的重要性如何学习这门课如何去看书重视科技文献尤其要重视实验课有关考试课程内容（32课时）课程简介3第１章绪论（4课时）

第２章基因工程及其在食品工业中应用6

第３章细胞工程及其在食品工业中应用8第４章酶工程及其在食品工业中应用4第５章蛋白质工程及其在食品工业中应用4第６章发酵工程及其在食品工业中应用61.绪论1.1食品生物技术研究的内容

---定义和特点

---内容基因工程(Geneengineering)

细胞工程(Cellengineering)

酶工程(Enzymeengineering)

发酵工程(Fermentationengineering)1.2生物技术的发展---分子生物学研究进展---基因的本质---DNA结构与功能---RNA结构与功能---蛋白质的生物合成---蛋白质合成的调控1.绪论

1.1食品生物技术基本概念1.2研究内容

基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程1.3地位和作用1.4进展和展望1.1概念与发展简史

生物技术是应用自然科学和工程学的原理，依靠生物作用剂(biologicalagent)的作用将物料进行加工，以提供产品或为社会服务的技术。（生物作用剂：酶、整体细胞或多细胞生物体，也称为生物催化剂。）-1982年O.C.D特点：多学科的综合性生物作用剂（催化剂）目的为人类服务生物技术的定义

美国政府技术顾问委员会(OAT)的定义是：应用生物或来自生物体的物质制造或改进一种商品的技术，其中还包括改良有重要经济价值的植物与动物和利用微生物改良环境的技术。该定义强调了生物技术的商品属性。

生物技术是指，人们运用现代生物科学、工程学和其他基础学科的知识，按照预先的设计，对生物进行控制和改造或模拟生物及其功能，用来发展商业性加工、产品生产和社会服务的新兴技术领域。食品生物技术Foodbiotechnology:是现代生物技术在食品领域中的应用，是指以现代生命科学的研究成果为基础，结合现代工程技术手段和其他学科的研究成果，用全新的方法和手段设计新型的食品和食品原料。指以生产或加工食品为目的的生物技术（biotechnologyforthefoodindustry）,是食品科学技术与生物技术相互渗透而形成的一门交叉学科。————产值2500亿美元（G），20%速度递增（d）生物技术发展简史传统食品生物技术——公元前6000年，古埃及人和古巴人，酿酒,beer我国在石器时代后期，用谷物酿酒——公元前4000年，古埃及人就开始用酵母菌发酵生产面包——公元前300年，周代后期，我国豆腐、酱油和醋——1965年Gregor

Mendal

利用豌豆建立遗传规律学说,直到1900年证实；1909年(ThomasHunMorgan),利用果蝇做遗传实验,

建立基因学说；20世纪初产生遗传育种学,解决人口增加而产生的粮食短缺。——1985年LouisPasteur证实发酵的本质，建立了微生物纯种培养技术；——20世纪20年代，生产丙酮和丁醇——50年代，青酶素,发酵工业和酶制剂工业

现代生物技术

1953：WastonandCrick对WilkinsDNA的X-射线衍射图分析发现了DNA双螺旋结构。

1965：JacobandBeadle提出“一种基因生产一种酶”学说的基础上，通过对原核生物细胞代谢机制的研究，提出著名的乳糖操纵子学说。开创了基因表达调控的先河。1969：Nirenberg破译了DNA的密码;Holly的主要功绩在于阐明了酵母丙氨酸tRNA的核苷酸序列，并证实所有的tRNA在结构上的相似性；Khorana则是第一个合成核酸分子，并且人工复制了酵母基因。从20世纪60年代末，Berg将来自细菌的一段DNA和猴病毒SV40的DNA连接，获得世界第一例重组DNA。1972年：Boyer限制性内切酶的发现，可以针对不同碱基排列序列进行切割。近百种生物刀-限制性内切酶的发现，人们可以更加自如地对DNA进行操作。1977年：Sanger设计出了一种测定DNA分子内核苷酸序列的方法，即双脱氧法；同年，Maxam

和Gilber也发明了一种化学方法测定DNA分子内核苷酸序列的方法。1984年：发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋白质的检测技术1986年：美国Mullis发明了聚合酶链式反应技术（PolymeraseChainreaction,PCR）,为分子检测、基因突变和基因工程提供了操作工具。获得1993年的诺贝尔化学奖。1.2研究内容生物技术在整个食品工业宏观体系的上、中、下游部分即食品资源改造、食品生产加工及其后工序（包装、运输、检测）等不同环节，范围可说从原料生产到产品销售的整个食品生产过程，全部包括了生物技术的子技术：1.基因工程；2.细胞工程；3.酶工程；4.发酵工程

研究内容主要集中在：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程、生物工程下游技术和现代分子检测技术。

食品生物技术研究内容：

1）基因工程(Geneengineering）

以分子遗传学为基础，以DNA重组技术或称克隆技术为手段，实现动物、植物、微生物等种之间的基因转移或DNA重组，达到食品原料或食品微生物的改良。或者在此基础上，采用DNA分子克隆对蛋白质分子进行定位突变(Sitedirectedmutagenesis)的所谓蛋白质工程(Proteinengineering)。这对提高食品营养价值及食品加工性能，具有重要的科学价值和应用前景。---牛胃蛋白酶（renin）克隆到细菌，解决奶酪---beer2）细胞工程(CellEngineering)

应用细胞生物学方法，按照人们预定的设计，有计划地改造遗传物质和细胞培养技术，包括细胞融合技术以及动物、植物大量控制性培养技术，以生产各种保健食品有效成分、新型食品和食品添加剂。

-----香草素、葡萄香素、天然色素等，工业大规模的细胞培养，有一定难度。3)酶工程(Enzymeengineering)

酶是活细胞产生的具有高度催化活性和高度专一性的生物催化剂。为了提高酶催化各种物质转化，以实现控制性工程的能力，因此，酶工程的主要内容是把游离酶固定化，称为固定化酶，或者把经过培养发酵产生目的酶活力高峰时的整个微生物细胞再固定化，称为固定化细胞。这样，便可直接应用于食品生产过程中物质的转化。--开发多种蛋白酶、脂肪酶等，利用酶对食品中的蛋白质和脂肪组分，改变食品质构、营养价值、风味等。4)发酵工程(Fermentationengineering)

采用现代发酵设备，使经优选的细胞或经现代技术改造的菌株进行放大培养和控制性发酵，获得工业化生产预定的食品或食品的功能成分。

1)以现代发酵工程改造传统发酵食品（优选菌种，提高原料利用率，缩短发酵周期，减低劳动强度，改良风味与品质等）2）优化近代发酵产业（酶制剂、有机酸、氨基酸等发酵生产与国外差距，体现在产品品种单一，工艺控制自动化较低，分离提取、环境污染等问题）

“后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品。5)蛋白质工程蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2）测定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;

蛋白质工程（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。3）加速高附加值的现代发酵产品研发

门类品种多样的食品添加剂：——甜味剂：木糖醇、甘露糖醇、甜味多肽等；——酸化剂：L-苹果酸、L-琥珀酸等；——氨基酸：各种必须氨基酸；——稠化剂：黄原胶、热凝性多糖等；——风味添加剂：多种核苷酸、琥珀酸钠、香茅醇、异丁醇、肪酸酯、吡喃酮等——色素：类胡萝卜素、红曲霉色素——维生素：维生素C、维生素B12、——生物活性添加剂：保健活菌、活性多肽、SOD1.3地位和作用食品工业(foodindustry)的本质：—农副产品的加工业—需要生物材料菌种或酶的作用食品工业—predict:格局

（一农业食品为结构）——一工业食品为主体结构到2000年工业食品比重由1990年的25%上升到80-90%生物技术生物技术在整个食品工业宏观体系的上、中、下游部分即食品资源改造、食品生产加工以及其后序等三类不同环节中的应用也会越广泛。主要体现在四个方面：一、改造、开发食品新资源和新品种二、改善食品品质，开发新的食品。三、改变传统的食品加工工艺四、食品分析和保鲜五、处理食品工业废水生物技术起源于传统的食品发酵，并首先在食品加工中得到广泛的应用。例如，改良面包酵母菌种是基因工程应用于食品工业中的第一个例子。其原理是将具有较高活性的酶基因转移至面包酵母(saccharomyces

cervisiae)，便能使面包酵母显著地提高麦芽糖透性酶(maltosepremease)及麦芽糖酶(maltase)的活性，使面团发酵时产生大量的CO2，形成膨发性能良好的面团，从而提高面包质量和生产效率。作用和地位食品生物技术已经渗透到食品工业的方方面面，特别是基因、酶、发酵等现代生物技术，将在21世纪充当重要角色。21世纪的食品工业将是建立在现代食品生物技术和现代食品工程技术两大支柱上的一个全新的朝阳产业。

1.4进展和展望市场的调查结果表明:--1976年，世界第一家应用重组DNA技术开发的公司建立，到2000年大约3000多家，其中美国2000多家，其余分布在欧洲和日本。1980年美国销售额到1991年增长0到59亿，1996年101亿，1997年130亿。预计到2000年500亿美圆。---1991年日本生物技术产品的市场是2648亿日元，1996年达到6552亿日元。--我国的产品在1986年的产位大约是2亿元人民币，到1996年销售额达到110亿几人民币，是l0年前的50倍，其中医药卫生领域现代生物技术产品的销售额足21．16亿元，农业领域是15亿元，轻化工领域是77．94亿元。

从发展现状看：现代生物技术主要集中在现代生物制药领域、农业及食品、现代检测技术等领域。(1)现代生物制药与医药领域

2000年的统计：美国的2000多公司中有1300多家公司从事生物制药的研究和开发，占60％以上；欧洲有700多家占43％以上。

主要开发可用于治疗癌症、心血管疾病、艾滋病、遗传病等用治疗和制药困难的药物。抗生素：目前世界各国可用发酵法生产的抗生素约400种，其中广泛应用的大约120种。l980年世界总产量约为25000吨。仅青、四、红和头孢四类抗生素的产值就达42亿美元，最大的发酵罐为400立方米。进入90年代后，全球生产与销售的各类抗生素原料药平均每年约在3万吨以上，总价值约为250一300亿美元，1992一1993年度实际增长率为4%。美国抗感染药物市场销售额1992年达60.71美元。生物技术生产医药市场维生素发酵生产的维生素，1982年世界产量为6万吨左右，六种维生素的总销额为6.7亿美元。在1969—1980年间，每年销售量递增10×，1981—1991年间仍以7一8％的速率递增。目前，全球范围内使用最为普遍的是VA、VC和VE，三都每年市场销售额近20亿美元，其中VE超过10亿美元，其余为VB族，每个品种都有0.5-1.5亿美元的市值。在各种用途中，维生素作为动物饲料的市场正以每年2-3％速度增长，在药用和食品领域都以4-5％的速度增长。甾体激素目前世界市场的年销售额为67亿元，今后仍将以6—10％的速率递增。最近正在兴起用固定化细胞进行甾体转化，将是一个有发展前途的新工艺，目前国际上正在研究中的除干扰素以外、还有口蹄疫疫苗，狂犬病疫苗等十余种。今后几年内，在重组DNA的．工作逐步深入当中，定会对人类和牲畜健康引起实质性的改善。据美国制药协会(PhRMA)统计，自1982年第一个基因工程产品重组人胰岛素——Humulin由El—lilly公司推向市场以来，生物技术药品的研究开发速度非常快．到1998年，有53种药品进入市场，使6000多万人受益。此外，还有350多种药处于不同的研究阶段。(2)农业领域的应用——动物胚胎移植技术在美国和加拿大已进人实用化阶段，世界上现有200多家家畜胚胎移植公司，每年仅牛胚胎移植就有20万头；——利用组织培养及快速脱毒方法开发出的植物新品种有棕搁、香蕉、甘蔗等几百种再生植株，目前实现商业化包括农作物、林木、瓜果、花卉等。通过花药培养成功的有烟草、水稻、小麦等新品种。——通过基因工程技术培育新品种农作物的研究正在世界各国进行，培育抗病和增加产肉率、出毛率、产奶率的动物新品种，也进入了研究的关键期——与此同时，现代生物技术在现代生物农药、现代微生物肥料以及改善农业生产环境的应用研究也取得了令人鼓舞的成果。酵母生产燃料乙醇饲料工业方面随着世界人口的不断增加，人民生活的逐步提高可耕地的日益减少，动、植物蛋白的来源受到了限制，高质量蛋白质的不足已经成为一个十分突出的问题。微生物菌体中，蛋白质含量占45—55％(干物质)、所以用发酵工业生产单细胞蛋白是食品和饲料蛋白质的重要来源。另外，藻类蛋白饲料也不可忽视，如前西德培养的珊列藻，每年每公顷所得蛋白比小麦多20一35倍。Cncnc-micro一个20米直径的水池年产4吨藻类，加工后可得相当于3000升柴油的燃料。

一英亩三角大戟可生产相当于50吨石油的燃料。图为生长在淡水和海水中的一种硅藻1.4进展与展望

(3)食品工业领域--重组DNA基因工程菌生产的凝乳酶在奶酪工业的应用--1993年转反义PG基因的延熟番茄Flavr-Savr在美国批推上市。--转基因植物源食品原料的种植面积迅速增加，从1996年的170万hm2迅速增加到2001年的5260万hm2，种植面积增加30倍，6年累计种植面积为1亿7720万hm2。其经济效益也从1995年的7500万美元增加到2001年的近40亿美元(图1—3)，累计产值达110亿美元。---预计2005年产值将增加到80亿美元，2010年为250亿美元。而以其为原料的食品市场销售额6年累计已达上干亿美元。

动物源基因工程食品目前尚未商品化，但其发展异常迅猛。如导入钙激活酶基因，以改善牛肉的食用品质．使牛肉变得鲜嫩可口。导入乳糖酶基因，使牛奶中的乳糖下降，从而消除许多人对牛乳乳糖的不耐受症，提高对牛乳营养的吸收等。转基因动物研究的另一大热点是，利用转基因动物生产功性食品。目前，欧美等认为：“一种药物的开发时间需要10年以上和至少2．5亿美元的资金，而功能性食品只需几年和数白万美几的投入，并且利润丰厚”1.4基因工程食品的安全性？直接或间接提供给消费者的有三种：第一种：动物药物1989年，美国政府批准在奶牛中使用重组牛生长激素(rBST)，以增加奶牛的产奶量。第二种：完整的食物1993年，FDA批准Calgene公司研制的F1avrsavr延熟番茄进入商业化。第三种：食品添加剂

食品的安全性“民以食为天”………Farmtotablefoodsafety

最近食品安全问题重新提出的原因可能是20世纪80年代英国大规模暴发疯牛病促成的。

2005年最大的问题应该是世界各地禽流感的蔓延。此外，猪链球菌病、口蹄疫等人畜共患疾病造成人类的患病和死亡屡见报道.食品安全问题将日益严峻食品安全已经成为当今世界各国关注的焦点……

食品安全的概念-1

食品安全:

是指对食品按其原定用途进行制作和/或食用时不会使消费者健康受到损害的一种保证；食品卫生:

则是指为了确保食品安全性和适用性在食物链的所有阶段必须采取的一切条件和措施。-----1996年，WHO两个概念的主要区别Foodsafety强调的是结果Foodsanitation强调的是为了达到结果而进行的过程的控制。食品安全的概念-2

FoodSecurityandFoodSafety食品安全还有“量”和“质”的区分。对于经济不发达的国家和地区而言，食物供应量不足，不能解决民众的温饱问题，这就是食品安全的量的本质，英文用foodsecurity表示；在解决了供应量的问题后，由于有毒有害物质对人类健康的损害，规模上可能较大，造成公共问题，这就是质方面的食品安全问题，英文为foodsafety

。食品中主要的不安全成分

食品中不安全的因素很多，可以分类为化学的和生物的，等等。有些不安全因素是食品本身固有的，如谷物和坚果中的过敏原，然而，环境和卫生条件差造成的污染则更多见。

食品中的转基因成分－－潜在不安全性

基因改良食品

转基因食品又称基因改性食品:

(GeneticallyModifiedFood，GM食品)

是指用转基因生物制造或生产的食品、食品原料及食品添加剂等。

-----通俗地讲，就是将植物、动物或微生物的基因从细胞中取出并插入到另外的生物细胞中去，以获得某些有利特性的新生物，由这些生物制成的食品或食品添加剂就是转基因食品(90％以上为转基因植物及其衍生产品)。

-------转基因植物性食品与传统食品的主要差异含有来源于其他生物体的外源基因。

转基因食品的安全性问题

自从转基因技术问世以来，关于转基因食品是否安全，亦即食用转基因食品对人类健康是否有不良影响，转基因技术对环境、物种的进化是否有影响等就一直争论不休。

1）外源基因的安全性targetgene＼markergene

2）潜在致敏性3）影响膳食营养平衡

4）影响人体肠道微生态环境5）产生有毒物质转基因食品安全性评价包括基本程序这样几个方面：①新基因产品特性的研究②分析营养物质和已知毒素含量的变化③潜在致敏性的研究④转基因食品与动物或人类肠道中的微生物群进行基因交换的可能性及其影响⑤活体和离体的毒理和营养评价

基因工程食品卫生安全管理规范

基因工程与蛋白质工程的发展，为人类解决“蛋白质、能源、癌症”带来希望。也具潜在危险。新的细胞或物质的克隆会影响人类生态平衡，是对人类社会的进步是一个严重的挑战。对于基因工程食品：为保障人民身体，消除消费者担心，有利于国际贸易和商品流通，同时考虑少数民族习惯，每个国家食品卫生监控部门，对此制订安全管理条理，以便严加管理。转基因食品的安全管理对一种没有表现短期毒性和安全问题的转基因食品，须观察其长期毒性和安全性问题。1）安全性认证－a)生产商应提供证据来证明该转基因食品是安全无害的。b)转基因食品在世界各国被接受的程度c)进口国的主管部门对进口转基因食品实行强制性的安全性评估。2）品种管理－对原料品种没有进行必要的管理，就无法确定最终产品是否含有转基因成分。3）强制性标注－消费者知道自己买的是什么和自己决定是否购买1988年瑞士通过了重组DNA基因工程菌生产凝乳酶的安全性评价通过重组牛生长素基因的基因工程菌生产的牛生长激素重组DNA酵母菌目前转基因微生物食品主要用于食品加工的酶和食品添加剂转基因食品的发展可以分为：3代

第1代：是以增加农作物抗性和耐贮的转基因植物源食品。第2代：是以改善食品的品质、增加食品营养。如开发富含VitaminA前体