食品生物技术.ppt

1、Food Biotechnology,食品生物技术,第一章 绪论,生物技术概述 食品生物技术概述,克隆羊多莉,转基因延熟番茄,生物技术概述,一、生物技术的定义 现代生物技术代表着高新技术，但至今还没有一个统一的定义。而从学术方面对生物技术下定义是在20世纪的事 （一）Biotechnology术语的诞生 1919年一位匈牙利农业经济学家Karl Ereky首创了“Biotechnology”一词 目的：表达一切用生物转化手段进行生产的概念，并表明生物学与技术之间的内在联系 （二）国际纯粹及应用化学联合会的定义（1982） 生物技术是将生物化学、生物学、微生物学和化学工程应用于工业生产过程及环境

2、保护的技术。,（三）国际经济合作及发展组织的定义（1982） 生物技术是应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂(酶或活细胞)的作用对物料进行加工，以提供产品为社会服务的技术 （四）1985年Moo-Young主编的综合生物技术中的定义 生物技术是对生物作用和生物物料加以评价和应用，并进行工业产品生产的技术 （五）国际上比较权威的定义（1985） 生物技术是将生物化学、生物学、微生物学和化学工程应用于工业生产过程及环境保护的技术。,生物技术的发展 传统生物技术：酿造技术和发酵技术 现代生物技术：以重组DNA技术为核心，其研究内容包括： 重组DNA技术及其他转基因技术；细胞和原生质融合技术；酶

3、和细胞固定化技术；植物脱毒和快速繁殖技术；动物和植物细胞大量培养技术；动物胚胎工程技术；现代微生物发酵技术(高密度发酵、连续发酵和其他新型发酵技术)；现代生物反应工程和分离工程；蛋白质工程；分子进化工程,二、生物技术的构成,基因工程,细胞工程,酶工程,蛋白质工程,发酵工程,（一）基因工程（Gene engineering） 是20世纪70年代以后兴起的一门新技术，也称DNA重组技术 主要原理：以分子遗传学为基础，利用人工方法把生物的遗传物质分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组的DNA导入某种宿主细胞中，从而改变它们的遗传性质。这种创造新生物并赋予新生物以特殊功能的过程称为基因工程,

4、（二）细胞工程 （Cell engineering） 基本原理 体外大量培养技术、细胞融合技术(也称细胞杂交技术)、细胞拆分、染色体工程和繁殖生物学技术等,（三）发酵工程 （Fermentation engineering ） 主要原理 包括微生物生长动力学，发酵条件的优化和控制，生化反应器的设计，以及产品的分离、提取和精制等技术,（四）酶工程（Enzyme engineering） 主要原理 酶固定化技术、细胞固定化技术、酶化学修饰技术和酶反应器设计等技术,（五）蛋白质工程 （Protein engineering） 主要原理,三、生物技术各构成成分之间的关系 生物技术中的五大工程之间是相互

5、依赖、密切联系、难于分割的。 在现代生物技术中基因工程是核心技术，但是基因工程包括蛋白质工程所提供的新的、具有特殊功能的细胞，还必须通过发酵工程或细胞工程来实现它的潜在的经济价值。 酶工程中固定化酶和固定化细胞技术，它本来就是从发酵工程中分离出来的一部分，也是同发酵工程密不可分的技术。 细胞工程中的动物和植物细胞大量培养技术原理类似于发酵工程。 蛋白质工程是酶工程中酶的分子修饰同基因工程相结合的产物,一、传统生物技术 生物技术的发展与食品发展的历史是密不可分的，对促进人类社会的文明发展有着非常重要的意义，其发展简史如下： BC 6000年，古埃及人和古巴比仑人利用微生物发酵生产酒精； 我国也在

6、石器时代后期，开始利用谷物酿酒； BC 4000年，古埃及人开始用酵母菌发酵生产面包； BC 221年，周代后期我国人民开始制作豆腐、酱油和醋,生物技术的形成和发展,1865年当时属奥地利的布隆（Brunn）基督教修道院的修士格里高孟德尔（Gregor Johann Mendel），根据他8年植物杂交实验的结果，2月8日在当地的科学协会上宣读了一篇题为“植物杂交实验”的论文，1866年正式发表在该协会的会刊上。,但这一伟大的发现被搁置了35年，孟德尔临终前说：“等着瞧吧，我的时代总有一天要来临”,1900年，孟德尔定律的二次发现 （1）荷兰阿姆斯特丹大学的教授狄夫瑞斯（de Vries） 他进

7、行了月草杂交试验，发现F2的分离比为3:1。 1900年3月26日其论文“杂种分离法则” 发表在德国植物学会杂志。狄夫瑞斯曾从L.H拜莱的植物育种中查到孟德尔的工作。他在德文版中提到了孟德尔的工作，但在法文版中却只字未提。,（2）德国土宾根大学的教授科伦斯（Correns,C.E） 他于1900年4月21日阅读了狄夫瑞斯法文版的论文，发现其结论和自己的实验结果相同，尽管文中未提到孟德尔，但科伦斯已从老师未格里处知道了孟德尔的工作，于是他撰写了“杂种后代表现方式的孟德尔法则”一文，1900,4,24日发表在德国植物学会杂志(18)158-168。这对重新发现孟德尔法则起了重要的作用。,（3）奥地

8、利维也纳农业大学的讲师切尔迈克(Tschermak) 他也作了豌豆杂交试验，发现了分离现象，撰写了“关于豌豆的人工杂交”的讲师就职论文，清样出来后他读到了狄夫瑞和斯科伦斯的论文，于是急忙投寄论文摘要，于1900，6,24日也发表在德国植物学会杂志。三个人的工作都发表在德国植物学会杂志，都证实了孟德尔法则。 以上3位植物学家几乎同时证明了孟德尔遗传规律，从此揭开了遗传学研究的新纪元。,Hugo de Vries (1848-1935),Carl Erich Correns (1864-1933),Erich von Tschermak(1871-1962),1885年，巴斯德（Louis Pas

9、teur)首先证实发酵是由微生物引起的，并建立了微生物纯种培养技术； 20世纪20年代，工业生产中大规模采用纯种培养技术发酵生产丙酮和丁醇； 同时代，Alexander Fleming爵士发现了青霉菌可以产生青霉素，50年代青霉素大量生产，为人类疾病治疗做出了巨大贡献，同时带动了发酵工业和酶制剂工业的发展； 以上属于传统传统意义上的食品生物技术， 也是近代生物技术的建立和全盛时期。,细菌的发现,我们已经知道,单个的细菌是十分微小的,它们的奥秘是怎样被发现的? 细菌的发现者是谁? 他为什么能发现细菌?,细菌的发现者是谁?,17世纪的荷兰人列文虎克并非职业科学家，但是他十分热衷自己制造显微镜 经过

10、几年的努力，他制造了能放大300倍的显微镜，是世界先进水平,列文虎克用自制的显微镜观察河水、人的精液、人的牙垢等，发现了一个新的世界,他为什么能发现细菌?,他是怎样让世人知道他的发现的?,列文虎克把自己的发现仔细记录下来 他把观察结果寄给了当时的权威科学机构英国皇家学会，从此名扬天下，被誉为细菌学的开创者,他的成功是偶然的吗？,他善于发现和提出问题:微小的世界是怎样的? 制定实施实验计划:自制显微镜,坚持观察各种微小物体60年,做详细记录 善于表达和交流:把观察结果寄给英国皇家学会 他的做法就是一个标准的科学探究过程 他还发现了毛细血管、人类的精子、多种原生动物，成功绝非偶然遗憾：微生物从哪来

11、？ 自然发生说,微生物学之父：法国人路易斯巴斯德,巴斯德以严谨的科学精神向世人揭示了细菌的许多秘密。例如，细菌不会在自然界凭空出现,著名的巴斯德鹅颈瓶实验让认为细菌是自然产生的人彻底闭嘴,鹅颈瓶实验的启示： 1细菌可以用高温杀灭； 2经杀菌的食物不接触细菌就不会腐败,鹅颈瓶实验原理的应用,1、外科手术用具的消毒，挽救了许多病人的生命,鹅颈瓶实验原理的应用,2、巴氏消毒法，这种灭菌法由巴斯德发明,因此得名。 牛奶、啤酒和葡萄酒、罐头等，加热到 7080维持5 30分钟，就能消灭绝大部分细菌，但不会影响味道和营养。,二、现代食品生物技术的发展,R.Franklin & Wilkins在1952年底

12、拍得了DNA的X-射线衍射照片,1953年，沃森（J.D.Watson）和克里克（H.F.C.Crick）提出DNA分子是双螺旋结构（double helix），奠定了现代分子生物学研究的基础。,1962年，Wilkins、 Watson和Crick获的诺贝尔医学和生理学奖,1965年，法国科学家Jacob和Monod提出了著名的乳糖操纵子学说，开创了基因表达调控研究的先河； 1968年，美国科学家Nirenberg破译了DNA的密码，Holly阐明了酵母丙氨酸tRNA的核苷酸序列，Khorana首次合成核酸分子，并且人工复制了酵母基因；从而三人分享了诺贝尔医学和生理学奖。,Figure Th

13、e lac operon includes three genes,Marshall W. Nirenberg,Robert W. Holley,Har Gobind Khorana,20世纪60年代末，斯坦福大学的生物化学教授Paul Berg开始研究猴病毒SV40，于1972年获得了世界第一例重组DNA，1980获得诺贝尔化学奖；生物技术时代的新纪元,Paul Berg,Walter Gilbert,Frederick Sanger,1972年，美国加州大学的Boyer教授从大肠杆菌中分离出一种新的核酸酶EcoR，它可以特异性地切割DNA，这种新的核酸酶就是限制性内切酶生物学家有了强大的生

14、物刀。 随后，陆续发现了近百种内切酶，可以更加自如地对DNA进行操作。Boyer教授成为美国第一家上市生物公司Genentech的副总裁。,Herbert Boyer,1977年，美国科学家Sanger设计出了一种DNA测序的方法，即双脱氧法；同年，Maxam和Gilberg也发明了一种化学测序方法两种方法为DNA序列分析提供了有力工具，极大地推动了分子生物学的研究。,Frederick Sanger,Walter Gilbert,1980年获得了诺贝尔医学和生理学奖,1984年，德国人Kohler、美国人Milstein和丹麦人Jerne 由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋白质的检测技

15、术而分享了诺贝尔医学和生理学奖。,Niels K. Jerne,Csar Milstein,Georges J.F. Khler,1986年，美国科学家Mullis发明了聚合酶链式反应技术（Polymerase Chain Reaction, PCR），为分子检测、基因突变、基因工程提供了有力的工具，因此，1993年获得诺贝尔化学奖。,for his invention of the polymerase chain reaction (PCR) method,Kary B. Mullis,1/2 of the prize,当然，以上内容只是促进现代生物技术发展的几个重要研究成果和里程碑！ 其

16、实，还有许多重要的研究成果：如，1928年格里菲斯（Frederick Griffith）的细菌转化实验；Avery的离体转化实验等证明DNA是遗传物质,Meselson 和Stahl关于DNA的半保留复制等为现代基因工程技术奠定了坚实的基础。与此同时，细胞培养技术、细胞融合技术、现代发酵工程、现代酶工程、生物工程下游技术和现代分子检测技术等也取得了长足的发展。,三、现代生物技术的前景 21世纪是以生物技术为主的一个世纪，原因在于： 现代生物技术发展迅速，在工业、农业、医药、环境等方面用途广泛 现代生物技术具有其他技术所无法比拟的优越性，即可持续发展 21世纪生物技术会取得更大的发展，主要表现

17、在： （一）现代生物技术对人类生活的影响 疾病诊断、预防；提高作物产量和质量；开发药物；食品添加剂；创造优良家畜；净化环境；增加食物营养；解决能源危机等 （二）现代生物技术对经济社会发展及环境的影响 以上内容与社会发展与环境息息相关,1、生物技术与粮食 提高产量、品质,普通大米实际上不是“健康食品” 大米中含有一种叫做肌醇六磷酸的小分子，它能与铁紧紧地结合，使得小肠难以吸收食物中的铁 以大米为主食的人，易患铁缺乏症而导致贫血,哪种大米更有益身体健康？,转基因水稻 “金大米” ：转入胡萝卜素合成相关基因提高大米中维生素A前体的含量，以减少亚洲人普遍存在的维生素A缺乏症 解决铁吸收的问题，往“金大

18、米”中再转入三种基因： 一种是来自真菌的酶基因，这种酶能够把肌醇六磷酸降解掉； 一种是来自菜豆的铁蛋白基因，铁蛋白能够储存铁； 还有一种是来自印度香米的基因，它生产的蛋白质有助于人的肠道吸收铁 低过敏性转基因水稻 低蛋白转基因水稻,哪种大米更有益身体健康？,超级杂交稻 2005年5月13日，位于三亚市田独镇新村田洋的中国超级杂交稻第一块“百亩片试种示范田”正式通过了海南省级验收。经由全国多位农业专家共同检测，这批超级杂交稻的亩产高达833.23公斤 功能稻米 基尔米：拥有降血压、改善睡眠、减肥美容等功能的大米，售价最高的一种达元钱斤,生物技术与农业科学,2、抗性基因工程育种,基因工程为培育抗病

19、虫的作物提供了新的手段 目前，已经获得的转基因抗虫农作物包括烟草、番茄、马铃薯、棉花、玉米等 在抗逆境育种上的应用为克服干旱、盐碱等提供新思路 美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物，育成抗旱、抗逆的新品种。 我国已克隆了耐盐碱相关基因， 通过遗传转化已获得了耐盐烟草、 水稻、西红柿、草莓等。,生物技术与农业科学,转基因抗虫棉,我国是世界上最大的棉花生产国和消费国，约占世界产棉总量的25%以上 自90年代以来，由于棉铃虫在我国大部分棉区持续性大发生或暴发，给我国棉花生产带来了巨大的威胁，棉农谈虫色变，面积、单产、总产一直处于低谷的徘徊阶段,我国现已有18个国产抗虫棉品种通过了审定 ，目

20、前种植的转基因品种中约有一半是国产品种。在全国各棉区正在大面积推广。,1990年，美国利用生物技术，合成苏云金芽孢杆菌（B.t）杀虫基因，导入棉花获得抗虫转基因棉花,抗植物虫害的基因有多种，日前经常使用的主要有三种： Bt基因 从植物中分离出的昆虫的蛋白酶抑制剂，其中应用最广泛的是豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI) 植物凝集素基因(lectin gene),生物技术与农业科学,3、花卉基因工程,花色工程 花卉香味工程 通过合成酶的引入，增强单萜的合成 花卉保鲜 通过导入反义ACC合成酶基因及反义ACC氧化酶基因可阻止乙烯生化合成，延长花期和鲜切花寿命 花卉抗性基因工程,圆个缤纷的梦花色工程,花

21、色素主要由类黄酮、类胡萝卜素、生物碱三类物质决定 影响花色的因子还有共色作用、液泡的酸碱值及细胞的形状等,生物技术与农业科学,基因工程改变花色的途径,通过引入外源基因来补充某些品种缺乏合成某些颜色的能力 利用反义RNA和共抑制技术抑制基因的活性，造成无色底物的积累，使花的颜色变浅或变成无色,星条、网状：共抑制法、反义RNA 技术,黄色：直接导入外源结构基因,花卉基因转移结果常无法获得预期效果 由于育成蓝色月季需要同时具备三个条件，即翠雀素的合成、黄酮醇共染剂和较高的PH值，其中关键是改变植物细胞液泡液的PH值,生物技术与农业科学,运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的畜、禽新品种，

22、还可以培养出具有特殊用途的动物,4、 在畜牧业中的应用,生物技术与农业科学,中国科学院水生生物研究所朱作言首次用人的生长激素基因(hGH)构建了转基因鱼，制作的主要目的是提高生长速度、增加抗逆性以及为发育生物学和插入突变提供研究的材料。 使用鱼类自身的基因元件构建转基因鱼，可以解决基因表达强度问题和推广转基因鱼的环境和伦理道德问题。 自1984年以来先后进行了泥鳅、鲤鱼、鲫鱼等的转基因研究。,5、生物技术与农药,绿色农药包括微生物杀虫剂、微生物杀菌剂、农畜抗菌素、植物源农药等 植物源生物水剂农药（松脂酸钠和茶皂素的复合制剂、苦楝油） 生物农药菌种资源（苏云金杆菌） 特点 环保，良好的环境相容性

23、 先天弱势：药效慢、击倒慢、适应力差 综合防治,生物技术与农业科学,农业领域的拓展,拓展领域 向食品轻工领域发展：酶工程、L-乳酸发酵工程 向能源：燃料：石油（黑金） 作物（绿金） 向材料环保： 全淀粉乳酸聚合塑料、生物全降解塑料 生物农药及生物防治技术 发展趋势 生物资源创新工程专业、区域、企业、市场化 传统农业 “高投入、低产出” “低投入、高产出” 投身生命科学,生物技术与农业科学,生物技术在食品领域的应用,主要应用在食品生物资源的改造、提高食品品质和改善食品风味、油脂生产以及食品卫生检测等 不是仅仅解决粮食问题, 更重要的是，满足人们 对食物感官舒适、营养丰富、功能全面的完美要求,食品

24、级壳聚糖：用于功能性食品，保健品，胶粘剂，人体补铁剂，可降解性食品包装袋等,一、应用现状,主要技术 基因工程 细胞工程 酶工程 应用领域 发酵工程 食品添加剂:用生物法代替化学合成，要大力开发功能性食品添加剂等,生物技术与食品业,二、在食品加工过程的应用,工程菌改良食品微生物的生产性能 改变合成途径，改善风味 氨基酸生产 生产食品酶制剂，提高活性、稳定性（淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶等，添加酶类进行食品组分的改性） 食品保鲜：乳酸菌肽防腐,生物技术与食品业,三、农副产品深加工和综合利用,玉米等深加工 作为新型糖源、变性淀粉、玉米油、发酵酒精、环状糊精以及工业用材料提供优质充足的原料 肉、奶、水产品

25、加工 植物纤维素资源,生物技术与食品业,在食品检测中的应用 食源性病原菌快速检测 转基因食品检测 我国农业转基因生物安全管理 2004年10月，我国制定农业转基因生物安全管理条例 一般应经过中间试验、 环境释放和生产性试验,四、生物技术与食品安全性检测,生物技术与食品业,生物技术在能源开发上的应用,能源分类 不可再生能源：煤、天然气和石油（包括核能）等化石原料 可再生能源：太阳能、风能、地热能、生物能、海洋能和水能 生物能源是从太阳能转化而来的 绿色植物就是光能转换器和能源之源，碳水化合物是光能储藏库。 我国拥有丰富的生物质资源 每年7亿多吨作物桔秆、2亿多万吨林地废弃物、25亿多吨畜禽粪便及

26、大量有机废弃物,生物能源制煤气：柴草桔杆气化炉,（一）沼气,沼气是微生物发酵秸秆、禽畜粪等有机物产生的混合气体，主要成分是可燃的甲烷。 生产沼气的设备简单，方法简易，适合在农村推广使用。 目前，沼气的规模化生产需要解决的是设备及提高甲烷含量等技术问题。,生物技术与能源,（二）氢气,氢气的燃烧产物只有水，因此氢气是最清洁的能源。 可利用生物质通过微生物发酵得到，这一过程被称为生物制氢。 实现生物制氢的产业化，还有许多技术和经济问题需要解决。,生物制氢产业化示范基地业已初具规模,生物技术与能源,（三）生物柴油,利用生物酶将植物油或其它油脂分解后得到的液体燃料，作为柴油的替代品更加环保 欧洲、美国已

27、专门种植油料作物用来生产生物柴油 一些微生物也能合成油脂，可以为克服生物柴油的原料问题,（四）燃料乙醇,目前世界上生产规模最大的生物能源 燃料乙醇是以玉米等为原料，经过粉碎、液化、糖化、发酵、蒸馏、脱水等一系列精密工艺流程而制成的，在汽油中混配10%的燃料乙醇即成为乙醇汽油,排放的尾气更清洁 我国的燃料乙醇生产已形成规模，主要是以玉米为原料，同时正在积极开发甜高粱、薯类、秸秆等其他原料生产乙醇，目前产量居世界第三,生物技术与能源,微生物与生物能源,微生物将在生物能源领域扮演重要的角色，生物能源的制备离不开微生物 利用生物技术尤其是基因工程改良相关微生物，势必能够提高生物能源的开发利用。 （一）

28、燃料乙醇发酵微生物 （二）产氢细菌,生物技术与能源,生物技术在环境科学方面的应用,一、什么是环境生物技术 是生物技术在环境治理和 环境保护中的应用而衍生 出的一门新学科和新技术 二、生物技术在环境保护中的应用 生物传感器为代表的环境污染监控技术 工业和生活污染物的微生物降解技术 生态环境生物防治和生物修复技术 环境友好可再生材料和能源的生物合成技术等,生物传感器利用固定化生物层与目标污染物之间的专一性作用进行检测。 根据所用敏感物质可将生物传感器分为 生物催化和免疫(酶、微生物等) 利用核酸做探针的DNA 传感器,生物技术与环境,1、环境污染监控技术,水污染监测,在水质评价过程中最常用、最重要

29、的指标之一是生化需氧量(BOD) 常规BOD测定方法是:在(20 1) 培养5d ,分别测定样品培养前后的溶解氧,二者之差即为5d 的生化需氧量,并以BOD5 表示 生物传感器测定BOD 只涉及到初始氧化速率,两者之间的相关性可以通过对标准溶液的测定获得, 将测定时间缩短到1h以内。,生物技术与环境,基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染,生物技术与环境,2、环境污染治理：生物降解：基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解油（烷烃类）、有机农药等多种污染环境的物质。,生物技术与环境,空气污染治理技术,二氧化硫排放，酸雨污染严重 生物技术解决方法：微生物脱去煤中的硫 无机硫脱除：利用微生物的氧化作用将黄铁矿氧化分解成铁离子和硫酸，