食品生物技术导论绪论.ppt

,食品生物技术,徐金瑞 ,食品科学学院,引 言,二十一世纪是信息时代，是知识经济时代。知识经济时代有以六大技术为标志的高新科学技术群：电子信息、生物技术、新材料、新能源、海洋技术、航空航天技术。,当今世界，各国综合国力竞争，实际上是现代科学高新技术的竞争。其中，生物技术对解决当今社会的许多重大问题，如食物短缺、能源、环境污染、人类健康等问题发挥了极重要的作用，尤其是随着人类基因组计划的实施，生物技术的应用已得到了空前发展。因此让高等院校学生了解现代生物技术的基础知识和国内外生物技术各领域发展的来龙去脉、研究现状、发展方向和相应对策，对拓展知识面、提高现代科技素质具有重要意义。,生物技术是“利用生物有机体或其组成部分发展新产品或新工艺的一种体系”，或“操纵生物的细胞、组织或酶，进行生物合成、生物转化或生物降解，大规模地生产预期产品或达到特殊目的的一门技术”。 与生物技术有关的学科：生物学、分子生物学、细胞生物学、生物化学、微生物学、遗传育种学、数理化、化学工业,一、概述,第一章 绪论,1、生物技术的概念,生物技术有时也称为生物工程，是以现代生命科学为基础，运用先进的科学原理和工程技术手段按预先的设计来加工或改造生物材料从而产生出人类需要的产品或达到某种目的。,化学工程、机械工程、控制工程、环境工程,与人类健康、农业、资源、能源、环境有关,基因、细胞、有用物、个体或个体一部分,植物学、动物学、遗传学、分子生物学、微生物学等,粮食、医药、食品、能源、金属等,生命科学,工程科学,生物技术 （生物工程）,研究领域,基因工程,细胞工程,酶工程,发酵工程,分离工程,蛋白质工程,服务领域,人类健康,农业,资源,能源,环境,食品,化学,设备,Biotechnology,化学工业,生物生理学,分子与细胞生物学,遗传学,生物化学,微生物学,能源与环 境管理,农业,食品,疾病诊断,商业应用,健康与制药,食品,生物技术是涵盖范围最广泛的学科之一,发酵技术,世界上第一只转基因动物,荧光树,转基因抗虫棉和普通棉,荧光鱼,A带有人生长激素基因的白鼠 B正常白鼠,环境监测： 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、细菌等污染物。,1吨水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来,美欧日生物产业构成比例,全球生物技术产业结构,2、食品生物技术的概念,食品生物技术是生物技术的重要分支。主要指生物技术在食品工业中的应用，其以基因工程技术为核心手段，包括细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等技术，贯穿于食品制造的全过程（上游过程和下游过程）。或者，利用生物体及其细胞、亚细胞和分子组成部分，结合工程学、信息学等手段研究及加工处理或制造食品产品的新技术。,二、食品生物技术研究内容（领域）,基因工程 细胞工程 酶工程 发酵工程 蛋白质工程 食品生物工程下游技术 食品生物技术与食品安全的关系,（一）基因工程（ DNA重组技术） （Gene Engineering）,应用人工方法把生物的遗传物质( DNA )分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组的DNA导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品质；或者使新的遗传信息在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物( 多肽或蛋白质 )。,操作对象,基 因,切接转增检,基因克隆操作环节,新性状、 新产品,细胞内DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段,基因工程技术路线,基因克隆技术的一般步骤,（二） 细胞工程（Cell Engineering）,应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，进行细胞水平上的培养、繁殖；或人为改变细胞的某些生物学特性，从而达到改良生物品种或创造新品种；或加速繁育动、植物个体；或获得某种有用的物质的过程。包括： 动、植物细胞的体外培养技术 细胞融合技术（细胞杂交技术） 单克隆抗体技术 细胞核移植与动物克隆技术 干细胞技术,操作对象,细 胞,培养、增殖、改造细胞,操作环节,新性状、 新产品,细胞或其组成部分和构成的组织、器官等，如染色体、细胞核、原生质体、整个细胞、受精卵、胚胎、组织或器官,细胞工程技术路线,（三） 酶工程 （Enzyme Engineering）,利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术利用酶的催化作用进行物质转化，生产产品。,操作对象,酶,酶的固定化、分离纯化及改造,操作环节,酶制剂,由生物活细胞产生的生物催化剂,酶工程技术路线,（四）发酵工程 （Fermentation Engineering）,也称微生物工程。利用微生物生长迅速、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程。如：抗生素的发酵生产。,操作对象,微 生 物,发酵培养,操作环节,产品产物,真菌、细菌、放线菌等,发酵工程技术路线,发酵工程生产产品流程简图,发酵罐,举例：,酒精类饮料、醋酸和面包 胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物 天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料 氨基酸、香料、酶、维生素和单细胞蛋白等。,（五） 蛋白质工程 （Protein Engineering）,是指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而达到对天然蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质或设计制造新的蛋白质。,1965年，我国合成出世界上第一个人工合成的蛋白质胰岛素。,操作对象,蛋 白 质,对应基因的修饰和合成,操作环节,蛋白质定向改造,DNARNA 蛋白质,蛋白质工程技术路线,具有优良特性的蛋白质分子,操作对象,目的产物,分离、纯化,操作环节,纯 品,？,（六）生物分离工程 （Separating and Purifying Engineering）,按照自己的愿望改造物种：采用基因工程或细胞工程方法。 基因工程和细胞工程研究成果的产业化：通过发酵工程和酶工程来实现。 基因工程、细胞工程和发酵工程中所需要的酶，往往通过酶工程来获得。 酶工程中酶的生产，一般要通过微生物发酵的方法来进行。 基因工程是核心，带动其他四大工程的发展，四大工程的发展又促使基因工程发展更迅猛。 基因工程和细胞工程看作生物工程的上流处理技术，将发酵工程和酶工程看作生物工程的下流处理技术。,（七）各生物技术体系之间的关系,三、 食品生物技术发展简史,1、第一代生物技术产品远古时代 野生栽种选良种转化收获物发酵技术啤酒技术发酵面包技术制醋技术 第一代生物技术产品：啤酒、苹果酒、发酵面包等。产品附加值低。,石器时代后期：利用谷物造酒，最早的发酵技术 公元前221年，周代后期：豆腐、酱和醋； 公元10世纪至明代：种植痘苗预防天花； 西方在公元前6000年，以微生物发酵产生酒精并开始酿造啤酒。 古埃及在公元前400年就开始用酵母菌生产面包。,2、第二代生物技术产品巴斯德时代 发酵原理的证明霉菌纯培养啤酒酵母的培养方法青霉素的发现 第二代生物技术产品：抗生素、酶、乙醇、维生素、生物杀虫剂等，产品附加值中等。 1676年，荷兰人Leeuwen Hoek 制成了显微镜并首先观察到了微生物。 十九世纪60年代，法国Louis Pasteur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( 理论基础 )； 二十世纪20年代，大规模发酵化工原料丙酮、丁醇； 50年代，青霉素、发酵工业、酶制剂工业；,3、现代生物技术的崛起 DNA是遗传物质 DNA双螺旋结构的发现遗传密码的破译DNA重组技术现代生物技术（复杂的技术群）。 现代生物技术产品：基因工程药物、基因治疗、转基因植物、克隆动物、DNA芯片等，产品附加值高。 以基因工程为核心，带动现代发酵工程、酶工程、细胞工程及蛋白质工程的发展，形成现代生物技术。,4、传统与现代生物技术的区别 古代传统生物技术和近代生物技术(旧有的制造酱、酒、面包、奶酪、 酸奶及其它食品的传统工艺。)只是利用现有的生物类型或生物机能为人类服务，而现代生物技术(5大工程)是按照人们的意愿创造全新的生物类型和生物机能，造福于人类。它是人类在建立实用生物技术中从必然王国走向自由王国，从等待大自然的恩赐转向索取的质的飞跃。,四、食品生物技术研究进展,1. 食品资源的改造 将DNA从一个生物转化至另一个生物（重组DNA技术）。 采用细胞生物学方法，建立了细胞融合技术和动物、植物细胞大量控制性培养技术，按照预定的设计改造遗传物质和进行细胞培养。 目的：一方面提高了农作物产量和改善农作物的抗虫、抗病、抗除草剂和抗寒等能力，另一方面使食品的营养价值、风味品质得到改善，食品储藏和保存时间有所延长。,改造的食品原料特征：,（1）抗病、抗虫、抗除草剂和抗旱性等作物 美国农业部已经批准生产的转基因农作物有七大类35种，其中仅两种抗病番木瓜，就挽救了美国夏威夷番木瓜产业。抗虫和推迟成熟的西红柿，可减少化学农药的使用和依赖性，减少环境污染、运输损失。 我国已批准商业化生产有六项，涉及食品的有三项，包括抗黄瓜花叶病毒甜椒、抗黄瓜花叶病毒番茄，转基因耐储藏番茄；我国第一个商品化生产的转基因耐储藏番茄在室温下储藏56天，好果率达70以上。,转基因抗虫水稻,抗卷叶病毒转基因马铃薯,转基因耐藏番茄（左）和普通番茄（右）,（2 ）速生高产生物 如我国正在田间试验中的超级水稻、转基因鲤鱼、高产奶量的转基因试管牛等。,世界杂交水稻之父袁隆平 “超级杂交稻” “东方魔稻”，平均926.6kg/亩 第五大发明，“第二次绿色革命”，世界性饥饿问题,有专家替我们算了一笔帐：转基因水稻可以使农民少用80%农药，增产6%8%，农民每公顷平均增收676元，如果全国90%地区种植转基因水稻，粮价将必然下降，社会福利每年增加41亿美元。更直接一点的说法就是：转基因水稻晚推广一年，我们就等于放弃了每年200亿的收入。,（3） 具有特殊品质的基因工程生物 如细胞工程技术已培养出含水量大大降低的西红柿、洋葱、马铃薯新品种，其特点是可节约单耗、加工能耗、延长货架期； 培养出了带咸味和奶味的适宜膨化加工的玉米新品种，以适应低盐、低脂肪的消费需要； 获得了出油率高、不饱和脂肪酸含量较高的油料作物等（如转基因大豆）。,2. 食品加工过程和食品品质的改良,（1） 改良食品微生物的生产性能 由于微生物的遗传变异性及生理代谢的可塑性是其他生物难以比拟的，因此微生物资源的开发具有很大潜力。 目前的工作包括采用常规的诱变、杂交方法与细胞融合、基因工程技术结合进行菌种改造，和采用基因工程和蛋白质工程技术构建“基因工程菌”。,上述研究工作的意义：,1）提高发酵食品质量并使加工过程更合理化 啤酒是我国传统的发酵工业产品之一，2012年我国啤酒年产量490亿升（居第一位，占全球产量的1/4）。 食品生物技术已用于啤酒酵母的改造，如将-乙酰乳酸脱羧酶基因克隆到啤酒酵母中进行表达，可降低啤酒双乙酰含量而改善啤酒风味； 选育分解-葡聚糖和糊精的啤酒酵母，能够明显提高麦汁的分解率并改善啤酒质量；构建具有优良嗜杀其他菌类活性的嗜杀啤酒酵母已成为实现纯种发酵的重要措施。,2）实现重要产品的高水平、低成本生产,氨基酸是我国新型的发酵工业产品之一。目前，国外已有5种氨基酸用重组菌实现了工业化生产，达到较高水平（如苏氨酸60g/L、组氨酸42g/L、脯氨酸75g/L、丝氨酸40g/L和苯丙氨酸60g/L）。 食品生物技术专家还将霉菌的淀粉酶基因转入酵母中使其能直接利用淀粉生产酒精，省掉了高温蒸煮工序，可节约60的能源，生产周期大为缩短。,（2 ）应用于食品酶制剂的生产,据统计，全球70以上的食品级酶制剂是用转基因微生物生产的。 转基因微生物生产酶有许多优点，如产量高、品质均一、稳定性好、价格低等。第一个应用于食品上的基因工程酶为凝乳酶（Chymosin），它是制造干酪过程中起凝乳作用的关键酶，传统来源是从小牛皱胃液中提取。,近20年来用基因工程菌发酵生产的食品酶制剂主要有：凝乳酶、-淀粉酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶、转化酶、普鲁多糖酶（茁霉多糖酶）、脂肪酶、-半乳糖苷酶、-半乳糖苷酶、-乙酰乳酸脱羧酶、溶菌酶、碱性蛋白酶等。,3. 植物食品基因工程进展,目前食品基因工程的研究主要集中在食品的蛋白质工程、碳水化合物工程、油脂工程、贮藏保鲜工程等方面。,4. 动物食品基因工程进展,转基因斑马鱼,发红色荧光的转基因鱼,转基因小鸡,5. 发酵工程在食品工业中的应用,发酵类型：5种类型 (1) 微生物菌体发酵 （2）微生物酶发酵 （3）微生物代谢产物发酵 （4）微生物的转化发酵 （5）生物过程细胞的发酵,人类利用微生物的发酵作用制造食品的历史悠久，产品种类繁多： 各类调味品：如酱油、醋、味精、豆腐乳等。 酒类产品：如白酒、啤酒、葡萄酒等。 各类焙烤食品：如面包等。 各种发酵饮料：如酸奶等。 发酵香肠、酸泡菜等。 经发酵作用后，食品的色、香、味发生变化，更富有营养。,利用微生物的代谢产物作为食品添加剂或生产原料，主要包括以下添加剂 ： 酸味剂：柠檬酸、醋酸、乳酸、葡萄糖酸等。 增稠剂 ：黄原胶 调味剂：谷氨酸钠（味精） 色素：红曲色素、核黄素、 抗菌素：乳酸链球菌素。 生产单细胞蛋白： 单细胞蛋白指利用富含蛋白质的藻类、微生物进行大规模培养，并从中提炼出的蛋白质。 各种食用菌：如香菇、金针菇等,21世纪应重点开发如下食品生物技术： 加强遗传育种，加强基因改性生物（以植物、微生物为主）的应用研究：利用基因工程改造果蔬加工原料，延长果蔬保藏期，培育更适合于食品加工的优良品种。 加快食品用新酶种的开发：如酶法生产海藻糖、胆固醇氧化还原酶、转移酶、酿酒用酯化酶和纤维素酶、木聚精酶等。酶和细胞的固定技术和酶化反应装置的结构优化，如在高纯度氨基酸的制备、天然风味化合物的生物合成等生产中的应用。,开发现代生物技术新产品：如生物法生产食品添加剂、新型高效功能食品等。在食品添加剂方面，优先开发功能性添加剂，如纳豆激酶溶栓素、红曲米HMGCOA还原酶抑制剂、免疫卜球蛋白、寡肽、生物纤维素等。 继续名代白酒传统酿造工艺的改造，进行酒类酿造人工老熟技术的研究，固定化细胞发酵技术的应用研究，酒类芳香成分的剖析和主体香组分的确定，名优白酒微量成分与风味关系的解析以及白酒勾调技术的研究等。,发展微生物保健食品： 如：双歧杆菌饮料、酵母片剂、乳制品等微生物医疗保健品。 食用菌的投入与产出比高出其它经济作物；易于实现产业化；可采用固体培养，也可实行液体培养，还可混菌培养；得到的菌体既可研制成产品，还可提取有效成分，用途极其广泛。,应用生物技术大力开发某些虫类高蛋白食品： 苍蝇的幼虫（蛆）富含约62的蛋白质及各种氨基酸，从蛆壳中还可提取纯度很高的几丁质。 目前，国内外对苍蝇的工业化开发兴趣浓厚，因为除了能为人类提供高蛋白质源和壳聚糖生命要素外，苍蝇还可用于研制医药产品。,五、 现代生物技术前景,生物技术的“六高”基本特征： 高效益：可带来高额利润。 高智力：具有创造性和突破性。 高投入：前期需要投入大量资金。 高竞争：时效性的竞争非常强烈。 高风险：具有不确定性。 高势能：高速扩张性,（一）生物技术对经济社会发展的影响（服务领域） 1、农业：改善农业生产、解决食品短缺 提高农作物产量及其品质 1）培育抗逆的作物优良品系 2）植物种苗的工厂化生产 我国已建立了多种植物试管苗的生产线，如葡萄、苹果、香蕉、柑橘、花卉等。,3）提高粮食品质 美国威斯康星大学的学者将菜豆储藏蛋白基因转移到向日葵中，使向日葵种子含有菜豆储藏蛋白。 4）生物固氮，减少化肥使用量 在缺氮的土壤中生长的无根瘤和有根瘤大豆植物,发展畜牧业生产 1）动物的大量快速无性繁殖 1997年2月，英国Roslin研究所用绵羊乳腺细胞培育出一只小羊-“多莉”。这意味着动物体细胞同样有可能进行动物的大量、快速无性繁殖。 2）培育动物的优良品系 采用基因打靶技术培育转基因克隆羊 利用乳腺生产药用蛋白的转基因羊 用于人体器官移植的转基因猪,2、人类健康：提高生命质量、延长人类寿命 1）开发制造奇特而又贵重的新型药品 1977年，美国首先采用大肠杆菌生产了人类第一个基因工程药物-人生长激素释放抑制激素 2）疾病的预防和诊断 1998年初，美国食品和药物管理局（FDA）批准了首个艾滋病疫苗进入人体试验。 DNA探针，主要用来诊断遗传性疾病和传染性疾病。,3）基因治疗 1990年9月，美国FAD批准了用AIJA（腺苷脱氨酶）基因治疗严重联合型免疫缺陷病(一种单基因遗传病)，并取得了较满意的结果。 恶性肿瘤、遗传病、代谢性疾病、传染病等90个基因治疗方案通过FDA审查；我国血友病、地中海贫血、恶性肿瘤等多个基因治疗方案正在实施中。,照片中女孩是世界上首例基因治疗的受益者，因其缺乏腺苷脱氨酶，免疫力极差，四岁时接受基因治疗，目前非常健康。,人类基因组计划（HGP） 1986年美国生物学家诺贝尔奖获得者Dulbecco首先倡议，全世界的科学家联合起来从整体上研究人类的基因组，分析人类基因组的全部序