生物技术在食品领域中的应用底稿.doc

生物技术在食品领域中的应用专业：应用化学班级：082班姓名： 学号：2008034218生物技术在食品领域中的应用生物技术也被人们称为生物工程，它是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的科学原理，采用先进的科学技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的的一种科学技术。它也是人们利用微生物、动植物体对物质原料进行加工，以提供产品来为社会服务的技术。它主要包括基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程，现代生物技术发展到高通量组学芯片技术、基因与基因组人工设计与合成生物学等系统生物技术。因此，生物技术是一门新兴的，综合性的学科。在过去20年间，现代生物技术已形成一个快速发展的产业。传统的生物技术，也可称为第一代生物技术，是基于醋酸、乙醇和乳酸发酵为基础，经过长期的发展而建立起来的。现代生物技术，或称为第二代生物技术主要是基于基因修饰的理论、利用重组技术，目前已经为人类提供了大量产业化的商品、改进和提高农作物的质量和产量、用于食品加工过程、环境保护和维持生态平衡等各方面，成为发展最快、最活跃的高技术领域之一。一般来说，生物技术包括了发酵工程、遗传工程、细胞工程、酶工程、组织培养、生物反应器等处理生物性材料和物质的方法。生物技术产业已在农牧业、医药保健业等方面取得了巨大的成就，而且不断地和快速地向食品行业渗透和发展。从上世纪70年代以来，由于dna重组和转基因等一系列基因工程技术的建立，生物技术产业的发展很快。近20年来，基因工程技术，尤其是基因克隆和基因重组技术的诞生和发展，为定向改变生物性状提供了理论和技术基础。1982年转基因“超级鼠”的构建成功、1985年转基因鱼的出现，揭开了基因工程技术在食品行业中应用的序幕。从此，基因工程食品诞生了，受到了全人类的关注，并在人们的日常生活中占有越来越大的比重。据报道，目前国际市场上以生物工程为基础的食品工业产值已达2500亿美元左右。生物技术创造了巨大的生物技术产业。生物技术应用的领域以生物制药为第一，约占生物产业产值的75，食品领域其次。目前，生物技术产业已生产出许多种产品，如通过生物催化反应生产生物制品原料；利用转基因技术获得转基因细菌、霉菌、植物、动物和昆虫等；加速和控制新陈代谢过程；从实验室到工业生产的放大；终端产品的分离和纯化；高效益的生产和过程控制等。北美咨询公司的研究报告指出，目前世界范围内已有3000多个生物公司。据报道，美国1990年利用生物技术生产的药物为65亿美元，1995年为130亿美元，估计到2005年要超过1000亿美元。1999年，美国政府已批准了29种新的生物药物产品的生产，同时有300多个新药正在进行临床试验。1997年，欧洲生物技术产业较上年收入增加了17，在研究和开发方面的投入则增加了20。在欧洲，生物技术产业的发展速度也是非常快的，尤其是在英国和德国。一 食品生物资源食品工业是国民经济的主要组成部分。建国50多年来，我国的食品工业发生了翻天覆地的变化，但由于基础薄弱，远不能适应现代人们生活水平不断提高的需求，必须利用现代化的生物技术改造传统的食品生产、进行食品深加工、开发新产品、提高食品质量和减少营养损失，以满足人民对食品质量和品种日益增长的需要。现代生物技术在食品行业中的应用主要体现在四个方面。首先是利用基因工程、细胞工程技术对食品资源的改造和改良；第二是利用发酵工程、酶工程技术将农副产品加工成食品，如酒类、有机酸、氨基酸以及发酵食品等；第三是利用综合的生物技术，将这些产品进行二次开发生产出新的产品，如功能性食品、食品添加剂等；第四是利用生物技术对传统食品加工工艺进行技术更新和改造，降低能耗、提高效益、改善食品品质等。此外，在食品检测、食品包装等方面，生物技术也得到广泛的应用。随着生物技术的发展，食品工业已发生了巨大的变化。随着转基因技术在食品领域的突破和应用，食品工业快速地发生了相应的变化，出现了转基因食品。所谓转基因食品是指利用分子生物学手段，将某些生物的基因转移到其他生物物种中，使其出现原物种不具有的性状或产物。以转基因生物为原料加工生产的食品为转基因食品。通过这种技术，人类可以获得更符合人们需求的食品，它具有产量高、营养丰富、品质好、抗病力强等优势。根据原料来源可分为植物源、动物源和微生物源转基因食品。其中植物源食品发展速度最快。二 现代生物技术在食品工业中的应用1酶技术的应用酶是细胞原生质合成的一类具有高度催化活性的特殊蛋白质，是生物催化剂。酶普遍存在于动、植物和微生物中，将酶从生物组织或细胞以及发酵液中提取出来，加工成具有一定纯度标准的生化制品，称为酶制剂。酶具有以下的独特优点：1. 催化效率高，如 1 g淀粉酶晶体可以在65条件下，只需15min时间，可使2吨淀粉转化为糊精；2. 专一性强，例如啤酒中的蛋白质可用蛋白酶去除，桔汁中的苦味成分柚甙可用柚甙酶分解而不影响风味 ；3. 作用条件温和，例如用酸作催化剂催化水解淀粉成葡萄糖，需要在 0.250.3MPa的蒸气压力135145的高温下才能进行，而用淀粉酶，在 pH6.06.5条件下，85 93便可把淀粉水解成糊精，再用糖化酶在pH4.55.0，5565下便可把糊精水解成葡萄糖。酶在食品工业中的应用范围很广，酶技术在果蔬加工中的应用也很广泛。酶制剂在果汁加工业中的应用已有60年历史，但多年来，其应用仅限于果汁的澄清，直到1975年，Pilnik等人发现果胶酶与纤维素酶活性之间有最佳的协同作用，1983年瑞士 Novo Nordisk公司率先开发出商品名为 Pectinex Ultra SP- L，Pectinex Mash，Pectinex Superpress的果浆酶，从而使苹果汁的出汁率首次突破90%。其它如猕猴桃、草莓、山楂、黑加仑用 Pectinex Mash酶进行果浆处理，也得到了最大产率、最好色泽和香味的果汁。近年来在果蔬加工上，还开发出酶浸渍法处理果蔬以改变表面及内部组织的特性，增加风味及其它感官香味及口感。现在此技术已广泛应用于柑桔的去皮、去苦及保持桃子的硬度等，所生产的产品有更好的新鲜度和组织外观。目前欧美各地的食品厂已使用此技术制造罐头类食品、玻璃瓶装制品及新鲜冷藏水果。在果蔬汁生产中应用的最主要的酶是果胶酶 ,它普遍用于以下工艺：(1)果浆处理：可制得部分或全部液化的果肉，以便生产果浆和混浊果汁；提高果汁产量，改进对色素和风味物质等果汁成分的提取；(2)果蔬汁处理：可降低粘度 ,利于浓缩，改善透明度、可溶性和稳定性。其次是纤维素酶，可促进果汁的提取与澄清，提高可溶性固形物含量，并可综合利用果皮渣。目前已成功地将柑橘皮渣酶解制取含果饮料，其中的粗纤维经纤维素酶的降汁后，50%转化为可溶性糖，另50 %降解为短链低聚糖，构成含果饮料的膳食纤维，具有一定的保健医疗价值。利用纤维素酶适当处理，使用纤维素酶处理水果、蔬菜可使细胞壁膨胀、转化，使纤维素类物质降解，提高可消化性和改进口感。现代水果汁加工技术(AFP技术)在 80年代开发的新一代果浆处理酶制剂，用于生产澄清汁，不仅用于贮藏过的难榨汁的水果，还可用于新鲜水果的加工 ,并形成了新的工艺，即所谓“最佳果浆酶解工艺”(OME工艺),其优点是明显提高榨汁率 ,分别为鲜果 (8/9月)5%6 %,贮藏水果 (10月起)15% 18%,使压榨机生产能力提高 30% 100%,果渣量减少 30%50%。90年代的果浆酶解技术称之为现代水果加工技术(AFP技术)， AFP技术采用了全果液化工艺，大大提高了生产能力，如一次榨汁进行液化。HP 5000压榨机的能力几乎可达原来的 3倍，汁液可溶性固形物的利用率可达 100 %,出汁率达 92 % 95%(体积比 ),果渣体积最多只有原料体积的 2 % 5%,且可以转为纤维物质用于疗效食品，减少了果汁工厂废物来源，缩短压榨时间，降低了能耗，而且还可以明显提高液化终点的可溶性固形物含量和含酸量 (生成半乳糖醛酸 ),改善果汁口感。2 基因工程技术的应用基因是脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）分子的一个片段。基因工程技术可以说是现代化生物技术的核心内容，主要包括重组DNA、基因缺失、基因加倍、导入外源基因及改变基因位置等分子生物学技术手段，为定向改变生物性状提供了理论和技术基础。目前基因工程产品在食品工业中占据了日益重要的地位，使传统农业、传统食品工业发生了根本性的变革。特别是转基因食品，作为现代生物技术的一种高科技产物，在短短的十几年里取得了重大的进步，产生了显著的社会与经济效益，不仅能够生产出口味更佳的食物，而且能够抗病虫害、抵御旱涝灾害、便于储运，大大降低了产品成本，提高了人类的食物产量，这在人口众多的发展中国家，具有重要的现实意义，将是人类解决因人口增加而产生的食物短缺问题和从根本上解决食品营养品质问题的有力手段。美国和欧洲的发达国家已充分认识到转基因食品的发展前景和巨大的市场潜力，并随之注入了大量资金，我国对转基因食品在研究上也予以支持，目前处于世界中等水平。根据科技部和农业部的规划，我国将加快转基因食品的研究开发和商品化应用的步伐，努力缩小与发达国家之间的差距。目前转基因食品涉及的领域主要有：改善粮油食品的产量、食品品质和加工功能特性，延长果蔬产品的储藏期，提高农作物的抗病虫害性能，改善动物性食品的成分比例和食用品质，改善发酵食品的风味和品质、提高产量等。此外，利用基因工程技术，还可以成倍的提高酶的活动，将生物酶基因克隆到微生物中，构建基因菌产生酶。番茄、香蕉、草莓、蜜桃、杏、荔枝等果蔬产品在产后的贮藏、运输及销售过程中，由于果实熟化过程迅速，难以控制，常常导致软化，过熟、腐烂变质，造成巨大损失。而传统的储藏保鲜技术如冷藏、涂膜保鲜、气调保鲜等在储藏费用、期限、保鲜效果等方面均存在着严重的不足，难以满足人民生活日益提高的需求。如今随着对果蔬成熟及软化机理的深入研究和基因工程技术的迅速发展，使得通过基因工程的方法直接生产耐贮藏果蔬品种已成为可能。如采用转基因技术培育番茄可延缓其成熟变软，从而避免运输中的破损。目前无论在国外还是国内都已有商品化的转基因耐贮番茄。促进果实和衰老是乙烯最主要的生理功能。在果实中合成乙烯的关键酶是ACC合成酶和ACC氧化酶，在果实成熟中这两种酶的活力明显增加，导致乙烯生成量急剧上升，促进果实成熟软化。在对这两种酶基因成功克隆的基础上，可以利用反义基因技术抑制这两种基因的表达，从而达到抑制ACC酶的活力，延缓果实成熟软化，延长贮藏期的目的。成功的例子有反义RNA转基因番茄，转基因番茄的乙烯合成抑制率达97%99.5%，果实中不出现呼吸跃变，叶绿素降解和番茄红素的合成亦被抑制，番茄果实不能自然成熟，不变红，不变软，必须使用外源乙烯处理6天后，才能使转基因番茄恢复正常成熟，因此利用反义基因技术可以成功地培育耐贮果蔬新品种，目前有关的研究正在进行，并已扩大到了草莓、香蕉、芒果、桃、西瓜等品种。 3 细胞工程在食品工业中的应用细胞工程技术应用于食品工业是随着细胞培养和细胞融合技术的发展而发展起来的。在细胞培养方面最典型的例子是人参细胞培养成功，还有香料与色素的生产。日本利用培养草莓细胞生产红色素的技术已成功应用于葡萄酒及食品加工之中。利用香草细胞培养技术可大量生产香草香精。当今，白酒、果酒、酱类等食品发酵行业以使用酵母为主，曲菌也适于酒类和酱油生产。这些行业的微生物育种目标是培养出耐乙醇酵母、耐盐酵母、耐高糖酵母、无泡酵母、耐温酵母及谷酰胺酶与蛋白质分解酶活性高的曲菌。具有重要意义的成就是嗜杀其它菌类活性的嗜杀酵母新菌株的培育成功，日本协和发酵公司已完全使用嗜杀性葡萄酒酵母酿制新酒，目前，正研究运用细胞融合技术取得其它菌株，应用于食品发酵工业之中。4 微生物发酵技术的应用应用微生物发酵方法生产的发酵产品，有传统的酿制品、还有酒精、有机酸、氨基酸、单细胞蛋白等。发酵工程是利用微生物的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物应用于工业生产的一种技术体系。这项现代技术包括菌种选育、菌种生产、代谢产物的发酵、以及微生物的利用技术。利用发酵工程技术所取得的成就涉及到新食品配料，食品加工的催化剂，饮料稳定剂， -氨基酸及其衍生物制造，以及废弃物利用和食品品质的检测等。5 生物传感器和生物反应器的应用生物传感器是利用生命物质如酶、抗体等作敏感材料，与电子技术相结合，通过换能器件构成自动化分析系统，用以从多种化合物的复杂样品中选样地测定某一特定成分。其特点是精确、快速、灵敏。其方法包括核酸探针、聚合酶链反应、免疫分析等，在食品上应用于成分分析、病菌毒素检测、残留农药检测等品质管理。模拟生命过程的生物反应器在生产酶制剂和发酵产品中应用广泛。生物反应器如同一根能进行生物体内反应的大试管，将生物细胞或酶等加入其中，设置一定的环境条件，使之发生某些生化反应而大量产生我们所需的产物。生物反应器较之发酵器有着生化反应简单明确，可控程度高，生物性材料可重复使用的特点。三 我国生物技术在食品工业中所面临的问题及应用前景1 食品生物技术研究与产业化存在的问题在我国食品工业中，生物技术工业化产品占有一定的比重，有了良好的开端。但是，与世界上发达国家相比，差距还很大，开发应用尚不够，目前，存在的主要问题表现在以下几个方面，值得重视和努力解决。（1） 安全性目前，食用安全性已成为阻碍生物技术在食品工业中应用的最大问题。日本于1991年4月出台了基因重组食品食品添加剂安全性评价指针，该指针明确指出凡是通过重组DNA技术改造微生物，其产生的各种酶、多肽及其它生物因子必须经过安全性评价才能上市。随后，由于欧美各国已有大量经重组DNA技术改良的农作物出现在国际市场上，该指针又于1996年将种子植物转基因后的食用安全性纳入评价范围。尽管到目前为止仅有食用转基因玉米出现过蛋白质过敏的报道，但由于基因表达的时序性以及人体本身免疫调节系统的存在，使人们对转基因食品的安全性仍然不能完全放心，更何况，由于缺乏对蛋白质空间结构的精确分析手段，根本无法鉴定基因异体表达的蛋白质与目标蛋白质的一致性，因此，转基因食品的安全性问题会在较长的时期里困扰着人们。2001年6月我国正式颁布实施农业作物基因工程安全管理实施办法，该办法对基因技术食品研究、开发、利用的安全性管理做了严格的规定。目前，通过农业部生物工程安全委员会批准，能够商业化的转基因作物只有6例，涉及食品的有3例，包括两种西红柿和一种甜椒。但是，由于到目前为止我国尚未出台国外转基因食品进口的相关安全性限制法规，市场上国外的转基因食品会越来越多，转基因食品与人们身体健康关系也将越来越密切。另外，消费心理在一定程度上影响转基因食品的发展。由于生物技术育种一定程度上打破了传统的遗传规律和自然界的食物链秩序，可能对生态平衡产生影响，并且在一定程度上混淆了物种之间的亲缘关系。因此，由于观念、文化等因素的影响，公众对生物技术本身难以接受，即便是确定安全的食品，也往往会引起部分消费者心理上的反感。这种消费习惯或者信仰方面的观念虽然在短期内无法改变，但是加强转基因安全性的研究会提高人们对转基因食品的科学认识。（2）生物技术总体水平不高、范围较窄目前，生物技术在食品工业中的应用主要以发酵工程为主，而基因工程和酶