功能性食品高薪技术.ppt

第三章功能食品研制中的高新技术,概念：以生命科学为基础，以基因工程为核心，包括细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程等5个部分内容，利用生物体系和工程原理，对加工对象进行加工处理的一种综合技术。应用：如用乳糖酶生产无乳糖的奶粉；利用基因重组生产各种氨基酸；利用发酵技术生产维生素、低聚果糖、活性多糖、-氨基丁酸等。,一、生物技术（Biotechnology）,酶工程,酶工程就是将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程的应用，主要集中于食品工业，轻工业以及医药工业中。,酶在食品工业中最大的用途是淀粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、酶工程烘烤食品及啤酒发酵。与之有关的各种酶如淀粉酶、葡萄糖异构酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶制剂市场的一半以上。目前，帮助和促进食物消化的酶成为食品市场发展的主要方向，包括促进蛋白质消化的酶（菠萝蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等），促进纤维素消化的酶（纤维素酶、聚糖酶等），促进乳糖消化的酶（乳糖酶）和促进脂肪消化的酶（脂肪酶、酯酶）等。,发酵工程,发酵工程，是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。,中游工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术，包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌；在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气；在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度；还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。工艺放大：发酵工艺上还分批量发酵和连续发酵。在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。,下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术。包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺）；细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等）；蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等）；最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干燥等）。,发酵工程的应用食品工业：酒精类饮料、醋酸和面包；医药工业：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；化学工业：生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，及氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。,细胞工程,是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，以改变生物的结构和功能。即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。技术：染色体重组和添加、细胞质工程、细胞融合和诱变等,细胞工程与基因工程代表着生物技术最新的发展前沿，伴随着试管植物、试管动物、转基因生物反应器等相继问世，细胞工程在生命科学、农业、医药、食品、环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。通过培养、诱变等细胞工程或细胞融合途径生产各种疫苗、菌苗、抗生素、生物活性物质，抗体等，它们是生物体内代谢的中间产物或分泌物。,基因工程,定义：又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。技术：是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。,它是用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新技术。它克服了远缘杂交的不亲和障碍，为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。,基因工程药物,基因工程胰岛素胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素。大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!,基因工程干扰素干扰素治疗病毒感染是“万能灵药”！过去从人血中提取300L血才提取1mg。基因工程人干扰素-2b（安达芬）是我国第一个全国产化基因工程人干扰素-2b，具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。其它人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。,二、膜技术（membranetechnology）,概念：用半透膜作为选择障碍层、以膜两侧的能量或化学位差作为推动力进行分离、纯化与浓缩的一种技术。分子量-物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。无机膜和有机膜，无机膜主要还只有微滤级别的膜，主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。膜技术包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、电渗析（ED）、气体渗透（AP）、膜乳化（FE）、液膜分离技术等。应用：如微滤可用于功能成分提取液的过滤、功能饮料的除菌；超滤可用于功能成分的分离、脱盐、浓缩以及牛奶脱乳糖等.反渗透用于浓缩牛奶。,膜技术应用,以饮用水为例，自从人们发现自来水含有三卤甲烷、农药、洗涤剂以及自来水管、水塔的二次污染后，就开始用反渗透膜制备纯净水。但是由于纯净水制作成本较高，而且在去除水中有害物质的同时，也把对人体有益的无机盐剔除掉了。于是，人们又用纯膜装置生产出具有矿泉水和纯净水两者优点的、具有生物活性的、可直接生饮的过滤水。超滤膜技术既可除去水中病菌、病毒、热源、胶体等有害物质，又可透析对人体有益的无机盐，已广泛应用于牛奶脱脂、果汁浓缩、黄酒纯化、啤酒除菌、味精提纯、蔗糠脱色、氨基酸浓缩、酱油除菌等生产中；浓缩提纯工艺上主要采用截留分子量在100-1000Dal的纳滤膜。纳滤膜对二价离子，功能性糖类，小分子色素，多肽，头孢菌素等物质的截留性高于98%。富氧膜以其分离气体的特殊功能，产生富氧空气，目前广泛应用于医院、养鱼场、工业发酵与氧化等场所，尤其在高山缺氧地区特别需要。,三、超临界流体（SCF）萃取技术,概念：以超临界状态下的流体作为溶剂，利用该状态下流体所具有的高渗透能力和高溶解能力萃取分离混合物的过程。SCF兼有气液两重性的特点，它既有与气体相当的高渗透能力和低的粘度，又具有与液体相近的密度和对物质的优良溶解能力。该流体可从原料中提取有用的活性成分或脱去有害成分。,分离原理,在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，所以超临界流体萃取过程是由萃取和分离组合而成的。,超临界流体对脂肪酸、植物碱、醚类、酮类、甘油酯等具有特殊溶解作用，利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。应用：精油、功能油脂、色素的制备，咖啡豆的脱咖啡因，烟草的脱尼古丁，开非香料的提取，啤酒花中有用成分的提取，从大豆中提取豆油和蛋黄的脱胆固醇。,四、超微粉碎技术（supermicron-milling）,超微粉碎是近20年迅速发展起来的一项高新技术，能把原材料加工成微米甚至纳米级的微粉，已经在各行各业得到了广泛的应用。优于粉碎是中药生产及应用中的基本加工技术，因此具有广阔的应用前景。分类：粗粉碎:原料40-1500mm,成品5-50mm.中粉碎:原料10-100mm,成品5-10mm.微粉碎:原料5-10mm,成品100um以下.超微粉碎:原料0.5-5mm,成品10-25um以下.,应用：1.提高食品的口感，并且有利于营养成分的吸收；2.原来不能吸收或利用的原料被重新利用，配制和深加工成各种功能食品，开发新食品材料，增加新的食品品种，提高了资源利用率。常用设备：机械冲击式粉碎机、气流粉碎机、普通球磨机（珍珠）、振动磨、搅拌磨,五、微胶囊技术（microencapsulation）,概念指将某一目的物（芯或内相）用各种天然的或合成的高分子化合物连续薄膜（壁材或外相）完全包覆起来，而对目的物的原有化学性质丝毫无损，然后逐渐地通过某些外部刺激或缓释作用使目的物的功能再次在外部呈现出来，或者依靠囊壁的屏蔽作用起到保护芯材的作用，微胶囊直径只有5-200m.,应用：保护不稳定成分挥发、氧化、变质；掩盖异味成分；工艺要求：瞬时释放；缓慢释放。芯材：包括香精香料、酸化剂、甜味剂、色素、脂类、维生素、矿物质、酶、微生物、气体以及其它各种饲料添加剂。壁材：包埋芯材实现微囊胶化的物质称为壁材。天然高分子、半合成高分子和合成高分子材料,六、分子蒸馏技术（moleculardistillation）,概念：在高真空状态下，蒸发面和冷凝面的间距小于或等于轻组分物料的蒸汽分子的平均自由程，即由蒸发面逸出的分子毫无阻碍地奔射并凝集到冷凝面上。所谓分子的平均自由程，是指分子在两次连续碰撞之间所走路程的平均值。技术：液-液分离技术，它不同于传统蒸馏依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。当液体混合物沿加热板流动并被加热，轻、重分子会逸出液面而进入气相，由于轻、重分子的自由程不同，因此，不同物质的分子从液面逸出后移动距离不同，若能恰当地设置一块冷凝板，则轻分子达到冷凝板被冷凝排出，而重分子达不到冷凝板沿混合液排出。,应用：作为一种温和、高效、清洁的分离技术，其应用已经渗透到诸如天然产物、化妆品和油脂工业等众多领域中，特别适于高沸点、热敏性、易分解的物质分离、浓缩、除杂等。如番茄红素、二十八烷醇、VA、DHA等。,色谱分离技术（Columnchromatography）一种分离复杂混合物中各个组分的有效方法。冷杀菌技术（coldsterilization）包括超高压杀菌、磁场杀菌、电场杀菌、超声波杀菌、放射线杀菌、紫外杀菌等。其特点是在杀菌过程中食品温度并不明显升高，有利于保持食品中功能成分的活性以及食品的色、香、味和营养成分。,七、其它技术,冷冻干燥技术（freezedryingtechnology）冷冻干燥技术是将物料中的水分冻结成冰后在真空下使冰不经过液体直接气化的一种方法。应用：目前，该技术已用于人参粉、鳖粉、山药粉、保健茶等保健品；蘑菇、黄花菜等绿色保健品；咖啡、果珍等饮品；天然调味品、色素、香料、蛋粉、植物蛋白粉、茶叶、干果粉、肉片粉等保健工业用原料。,常见功能因子的研究方法,小分子化合物分离纯化：正反向硅胶、聚酰胺纤维素、大孔树脂、羟丙基葡聚糖凝胶（SephadexLH-20）萃取、结晶、HPLC、RP-TLC鉴定：IR、UV、NMR、MS及理化性质等,多糖提取：水提醇沉（经典），三氯乙酸-氯仿