生物技术在食品工业中的应用PPT课件.ppt

生物技术在食品工业中的应用 食品资源转化与利用 1 前言 生物技术在食品生产中的应用已有几个世纪 主要采用微生物发酵生产许多传统的食品 如面包 奶酪 酸奶 啤酒 酱油等 始终与人类生活息息相关 作为21世纪高新技术 生物技术对解决人类面临的食物 资源 健康 环境等重大问题将发挥越来越大的作用 近10多年是世界生物技术迅速发展时期 无论在基础研究方面还是在应用开发方面 都取得了令人瞩目的成就 其研究成果越来越广泛地应用于农业 医药 轻工食品 海洋开发及环境保护等多个领域 2 应用点 功能食品食品疫苗海洋资源开发利用啤酒工业 3 1功能食品 功能食品是指具有与生物防御 生物节律调整 防止疾病 恢复健康等有关的功能因素 经设计加工 对生物体有明显调整功能的食品 从本质上讲 功能食品是能够刺激和活化处于诱病态的人体潜在的生理调节机能 促进人体向健康态转变的食品 从广义上来看 功能食品包括一些膳食添加剂 蔗糖代用品 脂肪代用品 营养强化食品 果蔬类 低脂肉 低脂牛奶 低热量食物 以及其他各种各样有药用功能的食品 有的更制成片状或胶囊状 趋向于药物形态 4 功能食品具有以下作用 具有食品的形态 可按通常的方法取食 具有明确的生理调节功能目标 含有功能因子成分 在人体内的生化 生理机理明确 摄食后体现具体功能 5 首先 在改善原料营养组分上 生物技术可充分发挥其功能和效率 如利用基因工程去除大豆胀气因子 提高马铃薯固形物含量 大豆异黄酮含量 谷物赖氨酸含量和水稻的胡萝卜素含量以及植物油组成中不饱和脂肪酸的比例等 生产高异黄酮大豆 无腥味大豆 高胡萝卜素稻米 高蛋白甜马铃薯和稻米 强化维生素A的植物油 强抗氧化性的水果和蔬菜等 满足人类对各种营养的需求 6 其次 在防止食品营养成分损失及改善食品的营养品质上 生物技术具有常规食品加工技术所不具备的优势 在加工过程中可采用酶技术对食品的品质进行改良 如利用谷氨酰胺转氨酶处理大豆蛋白 提高大豆蛋白的凝胶性 降低寡肽的苦味等 7 第三 在生产特定营养补充剂方面 生物技术潜力巨大 利用发酵技术和酶技术可生产双歧杆菌增殖因子 如低聚果糖 低聚半乳糖 低聚甘露糖 低聚木糖等 利用酶技术 如木聚糖酶 葡聚糖酶 淀粉酶及其它降解细胞壁的酶类可生产膳食纤维素 利用酶技术可生产各种活性肽 如降压肽 抗氧化肽 减肥肽 预防肝性脑病肽和心血管疾病肽等 提高人类的营养水平和健康状况 8 在美国 功能食品的年销量为2500亿美元 占美国食品市场的50 在欧洲 其功能食品市场跟美国相同 年销量也为2500亿美元 日本则为600亿美元 中国功能食品的发展也十分迅速 每年的销售额大约为2000亿元人民币 9 2食品疫苗 在科技高速发展的今天 一种集饮食与防病治病为一体的疫苗食品正在国内外悄然兴起 食品疫苗是将某些致病微生物的有关蛋白质 抗原 基因 通过转基因技术导入某些植物或动物受体细胞中 并使其在受体细胞中得以表达 从而使受体植物或动物直接成为具有抵抗相关疾病的疫苗 10 举例 英国一位生物遗传学家应用植物细胞嫁接抗原基因的技术 已培育出一种可以预防霍乱的苜蓿苗 通过对小白鼠喂养实验证实 其免疫功能令人满意 美国的研究人员已成功地培育出携带白喉抗原的萝卜及预防其他一些疾病的马铃薯 甘蓝 番茄等 人们食用后免疫效果都很理想 美国康奈尔大学最近又培育成功一种香蕉 人只要吃上一支 就可以像注射疫苗一样 避免乙肝 霍乱和细菌性痢疾等传染病的侵袭 11 此外 开发动物疫苗食品是一个新兴的领域 其开发技术是将制造疫苗 医药品和激素等的抗原目的基因转移到动物体内 当动物生长发育后 获得的乳品 肉类食品 也含有珍贵的人体蛋白基因 经常食用可以预防 治疗各种疾病 美国科学家利用基因重组技术 让奶羊的乳汁中含有TPA 对预防心脏病 溶血栓 效果极佳 美国一家饮食公司 还培育出乳汁富含人体蛋白的母山羊 其乳汁中含有的抗蛋白酶可防治肺气肿 12 美国的疫苗食品开发技术在世界居于领先水平 目前已成功地将外源疫苗基因植入大麦 玉米及绵羊体内 我国也已通过花粉管通道使外源疫苗导入植物细胞的方法 在多种农作物上进行疫苗食品的试验 此外 我国科学家也致力于动物食品疫苗的研究与开发工作 以肽类食品疫苗最为引人注目 已推出了含有治疗心肌梗塞和血栓的组织纤维蛋白溶酶原活化剂 治疗严重贫血的肽类生长素等食品疫苗已成为新一代高档次营养品 目前 疫苗食品的研制开发还有许多技术性障碍难以克服 但这一技术一旦被突破 人们将为自身的健康长寿创造出更多 更丰富的疫苗食品 开创一类崭新食源 13 米糠 麦麸 酒糟等农副产品进行精深加工后制成的各类强化膳食纤维食品添加剂和以蔬菜为原料精制而成的纤维香菜 不仅为 现代文明病 的防治带来福音 而且节约资源 提高了农副产品附加工值 保护了环境 其开发前景广阔 14 3海洋食品资源改造 海洋中有丰富的资源 目前 人类开发利用的海洋资源 主要有海洋化学资源 海洋生物资源 海底矿产资源和海洋能源4类 15 海洋中有20多万种生物 其中动物18万种 包括1 6万多种鱼类 海洋生物是十分重要的食品资源 传统的海洋食品产业处于一种粗加工的状态 不但产品附加值低 而且资源得不到充分利用 使得许多海洋食品资源处于自生自灭的状态 近10年来 随着生物技术的发展和应用于海洋食品加工业 海洋食品资源的综合利用进入一个全新的历史时期 概括起来有以下几个方面 16 3 1阐明海洋生物的特殊功能 探索有价值的海洋生物 海洋生物在多年的进化过程中获得了不同于陆地动植物的生存能力 如耐盐性 耐寒性 耐高压及高渗透性 光合成 固氮 发光 吸磁性等 海洋生物技术为揭示这些独特生存能力的奥秘提供了新的工具 也为发现极端条件下具有特殊能力的有价值的新的海洋生物提供有力的技术支撑 17 3 2利用海洋生物技术发展海水养殖业 培育各种海洋鱼类 贝类 虾类 蟹类和海洋藻类等 达到优质 高产 增加海产食品资源的有效供给 降低生产成本 提高海水养殖效益 这方面主要包括组织培育及细胞工程育苗研究 虾 贝类三倍体育种技术的研究 海洋生物基因工程育种研究 海水养殖动物雌核发育和性别控制研究 目前 我国已经建立了大型海藻良种克隆纯培养及保存技术 海藻生物反应器育苗技术 对虾 牡蛎 扇贝 珠母贝等的多倍体诱导培育技术等 已建成国家级紫菜种质和国家科技兴海宁波转移中心 及其下属的南北3个紫菜种苗生产基地 另外 对虾性控技术 全雌牙鲆种苗培育 名贵的石斑鱼性控研究方面也取得重要进展 18 3 3利用酶技术将低值鱼加工成调味水解蛋白和复合氨基酸营养液等 不但资源得到充分利用 而且产值成倍 甚至10几倍的增长 19 2020 3 21 20 3 4利用海洋生物技术发展海洋保健食品业 用分离纯化技术从海洋生物中分离纯化出功能保健因子 加工成功效明确的海洋保健品 使海洋资源向高附加值 低资源成本方向发展 如利用现代分离技术从鱼骨及鱼翅骨中分离出软骨素 粘多糖等具有功能保健因子的物质 加工成高附加值的功能食品 21 4现代生物技术在啤酒工业中的应用 研究改造啤酒酵母菌研究利用粮食的替代品酿造啤酒研究改造啤酒的传统生产方式研究利用新型工程菌治理啤酒 三废 22 4 1研究改造啤酒酵母菌 啤酒消费的高峰期是夏季 而啤酒酵母菌最佳发酵温度却要求低温 这需要大量的能源 节约能源也是啤酒业的一个现实课题 今后啤酒工业在开发新的酵母菌资源方面 重点是研究开发各种极端条件下的酵母菌 比如 耐高温啤酒酵母 即可在常温下进行正常发酵的啤酒酵母 嗜杀活性广泛的啤酒酵母 即可在发酵过程中淘汰野生的酵母 防止污染 实行纯种定向发酵的啤酒酵母 另外 还可通过基因工程改良 创造 选育啤酒酵母新菌株 23 4 1 1高发酵度的酵母菌株从许旺氏酵母属将编码糖化酶的基因转化到啤酒酵母中 主要是提高酵母分解麦芽三糖的能力 提高啤酒的发酵度 此类菌株主要用来做干啤和高浓稀释酒 淡爽型啤酒 24 4 1 2具有 葡聚糖酶的酵母菌种将木霉或枯草芽孢杆菌编码 葡聚糖酶的基因转移到啤酒酵母中 使啤酒中的高分子 葡聚糖得以分解 降低啤酒粘度 加快啤酒过滤速度 25 4 1 3改善酵母凝聚性的菌种将控制凝聚性的基因转移到非凝聚性酵母中 改善其凝聚性 发酵后便于收集酵母 啤酒过滤快 26 4 1 4产生胞外蛋白酶的菌种将野生酵母中编码胞外蛋白酶的基因克隆到啤酒酵母中 发酵时蛋白酶分泌到细胞外 将高分子蛋白质分解 有利于提高啤酒的非生物稳定性 27 4 1 5具有 乙酰乳酸脱羧酶的酵母菌株啤酒酵母本身不含 乙酰乳酸脱羧酶 将枯草芽孢杆菌编码 乙酰乳酸脱羧酶的基因克隆或整合到啤酒酵母中 可大大减少双乙酰的形成 28 4 1 6能消除自由基的酵母菌株将桑蚕的这一基因克隆到啤酒酵母中 能有效消除啤酒中的自由基 提高啤酒的风味稳定性 29 4 1 7增加SO2含量的菌株酵母的MET10基因编码一种亚硫酸盐还原酶所必需的多肽 此酶使SO2及其化合物断裂 阻止其在细胞中聚集 通过基因工程将酵母菌株的MET10基因失活 使其失去了亚硫酸盐还原酶活性 在发酵中产生较多的亚硫酸盐及SO2 SO2及亚硫酸盐作为一种抗氧化剂 在啤酒中含量增加对啤酒的稳定性有利 用此种酵母生产的啤酒的风味稳定性比用常规酵母高得多 30 4 1 8将大麦的 淀粉酶基因转入啤酒酵母 利用这种酵母生产啤酒的过程中 就不需要再添加 淀粉酶液化谷物淀粉 省去了液化工序 31 4 1 9将霉菌的淀粉酶基因转入大肠杆菌 并进一步转入酵母中 利用这种酵母可直接发酵淀粉生产酒精 省掉了高压蒸煮工序 缩短了生产周期 节能60 左右 通过这些工作的进一步展开 使我们能够科学地控制啤酒酵母的遗传特性 使其变得符合要求 使啤酒酿造技术更为合理 便于控制 32 4 2研究利用粮食的替代品酿造啤酒 我国是一个人口大国 同时又是一个可耕土地相对贫乏的国家 节约粮食在我国经济发展中具有重要的战略意义 研究利用粮食的替代品酿酒是啤酒工业面临的一个有重要的课题 利用粮食替代品酿造啤酒当首选纤维素 纤维素是自然界存量最多的有机物 仅就谷物秸秆一项 我国每年就有3亿吨以上 某些真菌 如 平菇 香菇 金针菇 黄曲霉 红曲霉 米曲霉等等对纤维素有很强的转化功能 如果利用现代基因工程技术将这些真菌中控制纤维素酶合成的基因分离出来 并将它转移到啤酒酵母中去 使啤酒酵母也具备利用纤维素产酒精的能力 这样就可以利用了纤维素原料代替麦芽 大米等来酿造啤酒了 33 4 3研究改造啤酒的传统生产方式 一提到啤酒厂 人们首先联想到的是热气腾腾的糖化炉 一排排高耸入云的发酵罐 随着现代生物技术的应用 将来的啤酒厂或许见不到这些设备了 而这一切要得益于固定化酶和固定化细胞技术的日益成熟及大规模应用 34 固定化酶的含义有两个方面 一是由水溶性酶与不溶性载体结合 形成不溶于水的酶的衍生物 故也称为 水不溶酶 二是可溶性酶置于具有半渗透超滤膜的反应器中 高分子底物与酶在超滤膜一边 而被酶分解的小分子可透过膜分离出来 酶本身仍是可溶性的 只不过被固定在一个限定的空间不能自由移动 固定化细胞是将微生物细胞限制于一个特定空间区域内 保持其催化活性 并能被重复或连续使用的完整细胞 根据细胞的活力可分为死的 休眠态的和生长中的3类 35 固定化技术应用在改造啤酒中 就是把糖化酶及啤酒酵母细胞通过物理或化学方法束缚在一些经过处理 疏松并具有微小孔隙的固体物质上 如 陶瓷 玻璃 木炭 纤维等等 制成可使用方便 十分经济 几乎不占空间的啤酒生物反应器 原料从生物反应器的一边流进来 从另一边流出的则是啤酒 啤酒生产周期将缩短 产品质量 理化指标 卫生指标将提高 能源消耗将大幅度减少 36 4 4研究利用新型工程菌治理啤酒 三废 啤酒生产过程中产生的废弃物也是惊人的 有酒糟 标碴 瓶碴 废酵母 废水等 就废水而言 一个年产30万吨啤酒的中型啤酒厂 一年的废水排放量就达700万吨以上 啤酒废水的成份相当复杂 我国目前所采用的处理啤酒厂废水的方法仅仅处理掉了其中一部分有机物 而对苯类 酚类等有害无机物基本上没什么作用 近几年来 人们借助细胞工程 基因工程等现代生物技术 创造出有特殊功能的新型微生物品种 它们有能消化海面上石油污染的 石油菌 分解毒性很强