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食品生物技术导论 主编 罗云波 研究人员培育的 超级水稻 在产量和蛋白质含量两方面均优于寻常品种 粮食联合国粮农组织水稻研究所 菲 马尼拉 绿色革命 在稻穗下乘凉是我的一个梦 水稻产量还有好大的潜力 我现在有三个愿望 第一个就是超级稻向第三级超级稻攻关 2010年大面积的使用 第二个实施 种三产四 的丰产工程 五年之内在六千万亩的土地上生产出八千万亩土地的粮食 第三个愿望 把杂交稻推向其他国家 走向世界 超级杂交稻高产攻关取得重大突破 亩产900公斤的目标实现 参考书 食品生物技术彭志英主编中国轻工业出版社现代生物技术导论瞿礼嘉等主编高等教育出版社现代生物技术概论何忠效等主编北京师范大学出版社生命科学概论万海青主编化学工业出版社 随着科学技术的进步 经济的发展和人民生活水平的不断提高 人民对食品的组成 营养价值和感官的要求也越来越高 食品工业已不再是传统农业食品的概念 工业食品将在人们的日常生活中占据重要的地位 在这一进程中 生物技术已显露锋芒 尤其是近30年来 细胞生物学和分子生物学等领域在理论与方法上的突飞猛进 以及当代较高水平的科学技术背景和社会的需求 推动 促进了生物技术从传统技术转化为高技术 并形成了现代生物技术这一高科技领域 由此为食品工业的技术进步注入了新的活力 生物技术已经被应用了几个世纪 传统上集中地用于生产多种食品 如面包 奶酪 啤酒 葡萄酒以及酱油 米酒和发酵的乳制品 在 八五 期间我国完成了180多个生物技术在食品领域中应用研究的攻关项目 并取得了重大成果 目前国际市场上以生物技术为基础的食品工业产值占食品工业总产值15 以上 2002年5月 国家计委 国家经贸委和农业部联合颁布了 全国食品工业 十五 发展规划 提出了食品工业发展的重点及主要方向 其中依赖于生物技术的领域有 酿酒行业21世纪酿酒工业的发展方向是 1 产品优质 低度和多品种 生产过程低消耗 少污染和高效益 2 整个酒类行业的产品结构要以节粮和满足消费为目标 进行普通酒向优质酒 高度酒向低度酒 蒸馏酒向酿造酒以及粮食酒向水果酒的转变 这些发展完全是以生物技术为基础的 发酵制品行业采用现代生物技术可以调整发酵制品行业的产品结构 实现因地制宜 经济合理地选用原料 可以改进发酵工艺 降低生产成本 提高质量和得率 可以加强综合利用 实现清洁生产 食品添加剂行业生物技术是发展天然 营养 多功能且安全可靠的食品添加剂 以及提高食品添加剂质量 扩大食品添加剂应用领域的根本保证 生物技术在食品工业中的作用表现在4个方面 一是食品原料和微生物的改良 提高食品营养价值及加工性能 二是生产各种功能食品有效成分 新型食品和食品添加剂 三是可直接应用于食品生产过程中物质的转化 四是工业化生产预定的食品或食品的功能成分 此外 在食品生产相关领域 如食品包装 食品检测等方面 生物技术也得到越来越广泛的应用 第一章绪论 一 食品生物技术的基本概念与发展中的重大历史事件 二 食品生物技术研究的内容 三 食品生物技术在食品工业发展中的地位和作用 四 食品生物技术研究和应用进展与展望 一 食品生物技术的基本概念与发展中的重大历史事件 一 食品生物技术的基本概念 生物技术最初由匈牙利工程师Karl Ereky于1917年提出 含义指利用生物将原材料转变为产品 现在的含义 指应用自然科学及工程学的原理 依靠微生物 动植物体作为反应器 将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术 食品生物技术 foodbiotechnology 是指以现代生命科学的研究成果为基础 结合现代工程技术手段和其他学科的研究成果 用全新的方法和手段设计新型的食品和食品原料 现代食品生物技术是建立在众多学科基础上的 工程 伦理 以分子生物学 细胞生物学 微生物学 免疫学 生理学 生物化学 生物物理学 遗传学 食品营养与毒理学等几乎所有生物学科的次级学科为支撑 同时又结合信息学 电子学 化学工程 社会伦理学等非生物学科 从而形成一门多学科相互渗透的综合性学科 研究内容 基因工程细胞工程酶工程发酵工程蛋白质工程生物工程下游技术现代分子检测技术 二 食品生物技术发展中的重大历史事件 公元前6000年 古埃及人和古巴比仑人用微生物发酵产生酒精 并酿造啤酒 我国在石器时代后期 用谷物酿酒 公元前4000年 古埃及人用酵母菌发酵生产面包 公元前221年 周代后期我国人民就能制作豆腐 酱油和醋 1865年孟德尔 GregorMendal 利用豌豆做育种实验 建立了孟德尔遗传规律学说 1909年摩尔根 ThomasHuntMorgan 利用果蝇做遗传实验 建立了基因学说 成为首位获诺贝尔医学和生理学奖的遗传学家 20世纪初产生了遗传育种学 并在60年代取得了辉煌的成就 被誉为第一次绿色革命 1885年巴斯德 LouisPasteur 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 从而为发酵技术的发展提供了理论基础 20世纪20年代 工业生产开始采用大规模的纯种培养技术发酵生产丙酮和丁醇 同时代 Fleming发现了青霉菌可以产生青霉素 并可用于人类疾病的治疗 随着青霉素大规模发酵生产 使发酵工业和酶制剂工业开始大量涌现 从食品生物技术发展的阶段来看 在这以前的食品生物技术应该是传统意义上的食品生物技术 1953年沃森 Waston 和克里克 Crick 发现了DNA的双螺旋结构 奠定了现代分子生物学研究的基础 华生和克里克在讨论DNA双螺旋模型 1965年 法国科学家Jacob和Monod提出了乳糖操纵子学说 开创了基因表达调控研究的先河 此外 他们还提出了在核酸分子中还存在一种与染色体脱氧核糖核酸序列互补的 能把遗传信息带到蛋白质合成场所并翻译成蛋白质的信使核糖核酸mRNA分子 这一学说对分子生物学的发展起到了极其重要的作用 1969年 美国科学家Nirenberg由于在破译了DNA的密码 Holly的主要功绩在于阐明了酵母丙氨酸tRNA的核苷酸序列 并证实所有的tRNA在结构上的相似性 Khorana则是第一个合成核酸分子 并且人工复制了酵母基因 20世纪60年代末 斯坦福大学的生物化学教授PaulBerg将来 噬菌体DNA和猴病毒SV40的DNA连接起来 获得了世界第一例重组DNA 1972年美国加州大学的Boyer实验室从大肠杆菌中分离出一种新的核酸酶EcoRI 它可以在DNA特定的位置将DNA切断 这种新的核酸酶就是限制性内切酶 1977年Sanger设计出了一种测定DNA分子内核苷酸序列的方法 即双脱氧法 同年 Maxam和Gilbert也发明了一种用化学方法测定DNA分子内核苷酸序列的方法 他们于1980年获得了诺贝尔医学和生理学奖 1978年 胰岛素在大肠杆菌中表达成功 第一个基因重组产品 也第一个基因工程药物 人胰岛素于1982年在美国问世我国第一个基因工程药物干扰素 1b于1989年上市 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术 1986年美国科学家Mullis发明了聚合酶链式反应技术 PolymeraseChainReaction PCR 该技术为分子检测 基因突变 基因工程提供了有力的操作工具 成为分子生物学 基因工程和现代分子检测最常用的工具之一 标准的PCR过程分为三步 1 DNA变性 90 96 双链DNA模板在热作用下 氢键断裂 形成单链DNA2 退火 25 65 系统温度降低 引物与DNA模板结合 形成局部双链 3 延伸 70 75 在TaqDNA聚合酶 在72 左右最佳的活性 的作用下 以dNTP为原料 从引物的5 端 3 端延伸 合成与模板互补的DNA链 每一循环经过变性 退火和延伸 DNA含量既增加一倍 1997年 第一只体细胞克隆羊 多莉在英国罗斯林研究所诞生 克隆羊多莉死了 培育出这只世界上第一例体细胞克隆动物的苏格兰罗斯林研究所2003年2月14日向外界宣布了这一令人心痛的消息 多莉因早衰并患有进行性肺炎 已经病入膏肓 研究人员不忍视其痛苦地等待死亡 无奈之下为多莉实施了安乐死 多莉只有6岁 寿命仅相当于普通羊的一半 多莉的悲剧再次引发了有关克隆技术的争议 自从1997以后 克隆 一词就像电波一样 立即传遍世界各地 各种克隆动物 比如克隆鼠 克隆牛 克隆猴 克隆猪 克隆猫和克隆兔等 也如雨后春笋般地纷纷问世 而濒危的大熊猫 绝种的印度猎豹 甚至只存在于考古记录中的哺乳动物猛犸等 科学家也都想尝试克隆一下 韩国研究人员2008年9月4日表示 世界上第一只克隆狗 斯纳皮 snuppy 做父亲了 首尔国立大学的一个科研组在声明中说 通过人工授精方法 这只阿富汗猎犬成功使两只相同品种的克隆母狗受孕 该科研组的领导者告诉记者说 克隆狗生育小狗崽 这在世界上还是第一次 5月14日和18日 两只母狗共生下10只小狗 其中一只狗崽在出生后不久死亡 其余9只非常健康 李说 这展现了克隆狗的生殖能力 该科研组计划利用这些小狗崽实施类似的繁殖试验 利用克隆狗繁殖后代的方法 为克隆嗅探犬和导盲犬开辟了一条新途径 要经过特殊训练成为嗅探犬或导盲犬的狗 必须接受绝育手术 因为这些狗一旦生育 就会丧失嗅探或导盲的能力 二 食品生物技术的研究内容 一 基因工程 又名分子克隆 DNA重组技术 概念 运用酶学方法 将外源基因与载体DNA在体外进行重组 将形成的重组DNA转入受体细胞 使外源基因在其中复制表达 从而改造生物特性 生产出人类所需要的产物的高新技术 基因工程的步骤 获得目的基因 将目的基因与载体连接形成重组DNA 将重组DNA导入受体细胞 筛选出能表达目的基因的受体细胞 第一例基因工程实验 定义 应用细胞生物学和分子生物学的方法 通过类似于工程学的步骤 在细胞整体水平或细胞器水平上 按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质以获得新型生物或一定细胞产品的一门综合性科学技术 二 细胞工程 细胞工程研究的内容按其技术可分为8大类 8 染色体工程技术 1 组织与细胞培养技术 2 细胞大量培养技术 3 细胞器移植技术 4 DNA重组技术 5 外源基因导入技术 6 细胞融合技术 7 体外受精和胚胎移植技术 动物细胞工程包括 细胞培养技术 包括组织培养 器官培养 细胞融合技术 胚胎工程技术 核移植 胚胎分割等 克隆技术 单细胞系克隆 器官克隆 个体克隆 植物细胞工程包括 植物组织 器官培养技术 细胞培养技术 原生质体融合与培养技术 亚细胞水平的操作技术等 按生物种类可以分为 植物细胞工程动物细胞工程微生物细胞工程 目前 植物细胞培养已成为食品生物技术研究的热点 在食用天然色素 植物次生代谢产物中对人体健康有益的功能因子等方面已开展了广泛的研究 如人参细胞培养 得到的活性人参细胞粉 既是保健食品的原料 也可作为药材 其中除含有人参皂甙外 还含有酶类及其他活性成分 其保健作用优于天然人参 此外 对紫草细胞 朝天椒细胞 甘草细胞 熏衣草细胞 薄荷细胞 苦瓜细胞等进行细胞培养 研究从这些细胞中提取可用作色素 香精 甜味剂 代谢调节物的天然产物 我国的童弟周教授早在20世纪60年代就开展鱼类核移植工作 并得到了杂种鱼 1981年Illmenses用小鼠幼胚细胞核克隆出正常小鼠 到了20世纪90年代 利用幼胚细胞核克隆动物的技术基本成熟 1997年英国罗斯林 Roslin 研究所利用羊的乳腺细胞细胞核克隆出一头羊 多莉 Dolly 揭开了人类用体细胞克隆动物的新时代 1 遗传物质完全一致的克隆动物将更有利于人们开展对生长 发育 衰老和健康等机理的研究 2 有利于大量培养品质优良的家畜 3 克隆转基因动物 可以降低研究费用 提高成功率 缩短大量繁殖转基因动物的生产周期 4 推进了同种克隆向异种克隆的转化 对保护濒临灭绝的动物具有重要意义 克隆技术的应用前景 三 蛋白质工程 概念 是通过对蛋白质化学 蛋白质晶体学和动力学的研究 获得有关蛋白质理化特性和分子特性的信息 在此基础上对编码蛋白质的基因进行有目的的设计改造 以便获得更适合人类需要的蛋白质产品的技术 通过改变酶促反应的Km和Vmax提高催化效率 通过改变蛋白质对酸碱和温度稳定的适应范围 拓宽蛋白质的应用范围 改变酶在非水溶剂中的反应性 可使蛋白在非生理条件下作用 减少酶对辅助因子的需求 简化持续生产的过程 增加酶对底物的亲和力 以增加酶的专一性 减少不必要的副反应 蛋白质工程的主要研究内容 提高对蛋白酶的抗性 可以简化纯化过程 提高产率 改变酶的别构调节部位 减少反馈抑制 提高产物产率 提高蛋白的抗氧化能力 改变酶对底物的专一性 改变蛋白发生作用的种属特异性 总之蛋白质工程研究内容可归纳为 基因水平上的蛋白质改造 蛋白质修饰 概念 就是将酶或者微生物细胞 动植物细胞等放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的一门科学技术 四 酶工程 enzymeengineering 研究内容包括 自然界中新酶的开发和生产酶分子的修饰酶的分离纯化技术酶的固定化技术酶反应器酶生物传感器 在食品工业领域 酶制剂占有非常重要的地位 食品的制造 食品添加剂的生产都离不开酶制剂 第一例商品化的转基因食品就是利用重组DNA技术生产的牛凝乳酶 利用DNA重组技术 将小牛凝乳酶克隆出来 转入微生物中进行发酵生产 获得大量酶产品 解决了奶酪工业的一大难题 五 发酵工程 概念 利用微生物的特定性状 通过现代工程技术手段 在生物反应器中生产有用物质的一种技术 主要研究内容 菌种选育 菌体生产 代谢产物的发酵 微生物机能的利用 六 生物工程下游技术 定义 指将发酵工程 酶工程 蛋白质工程和细胞工程生产的生物原料 经过提取 分离 纯化 加工等步骤 最终形成产品的技术 七 现代分子检测技术 现代分子检测技术是建立在现代分子生物学 免疫学 微电子技术 多种分离技术 探测技术 信息技术等多门学科基础上的一门检测技术 主要包括 核酸分子检测技术蛋白质分子检测技术生物芯片生物传感器技术 核酸分子检测技术 最重要的是聚合酶链式反应技术 PCR PCR检测技术检测食品中存在的产毒微生物 以食品为载体的病原微生物等 操作快速 准确 利用PCR技术检测肉毒梭菌 沙门氏菌 单细胞增生李斯特氏菌 蛋白质分子检测技术 最具代表性的是酶联免疫吸附检测技术 ELISA 和单克隆抗体技术 在食品安全检测中 ELISA可以对农药残留 重金属残留 毒性物质 转基因食品等方面进行快速检测 生物芯片 biochip 技术 是把成千上万乃至几十万个生命信息集成在一个很小的芯片上 以达到对基因 抗原和活体细胞等进行分析和检测 正在研究开发可以检测转基因食品和食品中有害微生物的检测型生物芯片 生物传感器 biosensor 将具有化学识别功能的生物分子固定在特定材料上再由换能器 信号放大器 信号转换器等组成的分析检测系统 分析速度快 操作简单 价格低 可以进行连续检测和在线分析 已在食品新鲜度 食品口感 食品分析和食品卫生检测等方面得到了应用 三 食品生物技术在食品工业发展中的地位和作用 食品生物技术已涉及到食品工业的方方面面 从原料到加工 无处不存在食品生物技术的痕迹 基因工程技术可以根据人类的需要人为地设计新型的食品及食品原料 发酵工程在食品工业中起着举足轻重的作用 乳酸杆菌对乳制品具有许多益处 1 对乳制品的保存有益 2 改善乳制品的质地与风味 3 增加乳制品的营养 4 对保持人体肠道微生态平衡有益 如 酒饮料 谷类发酵食品 发酵奶制品 蔬菜发酵制品 发酵生产有机酸 氨基酸 维生素 调味品等 食品生产离不开酶的处理 淀粉酶 可以应用于糖类的生产 为食品生产提供必不可少的原料 凝乳酶 应用于奶酪的生产 果胶酶 应用于澄清果汁和啤酒 转谷氨酰胺酶 应用于肉制品 乳制品 植物蛋白制品 焙烤制品等 可以提高食品加工过程中的溶解性 酸碱稳定性 乳化性 凝胶性 增加食品的风味 口感 组织结构和营养价值 利用酶解法生产新型低聚糖 为人类增添了可食用的具有保健功能的糖源 生物工程下游技术与食品加工工艺密切相关的技术 特别在生产功能性食品中 对功能因子的提取将会使生物工程下游技术得到充分的应用 21世纪的食品工业将是建立在现代食品生物技术和现代食品工程技术两大支柱上的一个全新的朝阳产业 食品工业领域 基因工程技术在20世纪90年代开始在食品工业中应用 其标志是第一例重组DNA基因工程菌生产的凝乳酶在奶酪工业的应用 四 食品生物技术研究和应用进展与展望 一 生物技术研究和应用进展 1976年 世界第一家应用重组DNA技术开发新药的公司Genentech公司成立 2000年全球的生物技术公司大约有3000多家 其中美国大约有2000多家 其余的分布在欧洲和日本 在1991年美国的现代生物技术产品的销售额为59亿美元 1996年达到101亿美元 1997年达到130亿美元 到2000年达到500亿美元 现代生物制药与医药领域 从发展现状看现代生物技术主要集中在现代生物制药 农业及食品 现代检测技术等领域 2000年 美国的2000多家现代生物技术公司中有1300多家公司从事生物制药的研究和开发 占60 以上 欧洲有700多家占43 以上 主要利用现代生物技术开发可用于治疗癌症 心血管疾病 艾滋病 遗传病等用常规方法治疗和制药困难的药物 医药生物技术的重点 应用基因工程技术 从生物细胞内获得所需基因 将其进行剪切 拼接 重组 并转入受体细胞 从而生产具有生理活性的蛋白质 多肽 酶 疫苗 细胞因子及单克隆抗体等 产品主要用于疾病的诊断 治疗和预防 我国生物技术医药产品 起步较晚 基础较差 但国家 863 计划将现代生物技术列为最优先发展项目和 七五 八五 重点攻关项目 重点是利用现代生物技术手段 开发化学合成方法难以生产的医药产品 1993年6月 中国生物工程学会在北京成立 农业领域的应用 动物胚胎移植技术 在美国和加拿大已进入实用化阶段 世界上现有200多家家畜胚胎移植公司 每年仅牛胚胎移植就有20万头 组织培养及快速脱毒技术 开发出的植物新品种有棕榈 香蕉 甘蔗等几百种再生植株目前实现商业化的包括农作物 林木 瓜果 花卉等 通过花药培养成功的有烟草 水稻 小麦等新品种 1993年Calgene公司转反义PG 多聚半乳糖醛酸酶 基因的延熟番茄在美国批准上市 转基因植物食品原料的种植面积迅速增加 1996年170万hm2 2001年5260万hm2 种植面积增加了30倍 6年累计种植面积为1亿7720万hm2 经济效益2001年近40亿美元 2005年产值增加到80亿美元 转基因食品的发展可以分为三个阶段 第一代转基因食品 是以增加农作物抗性和耐贮性的转基因植物源食品 这一代的转基因食品研究起始于20世纪70年代末80年代初 是以转入抗除草剂基因 抗虫基因增加农作物的抗逆性以及延迟成熟基因等为主要特点 转基因抗虫水稻 转黄瓜抗青枯病基因的甜椒 第二代的转基因食品是以改善食品的品质 增加食品的营养为主要特征 食品中新增营养因子 油脂的改良 蛋白质的改良 如Science在2000年1月14日报道了瑞士公立研究所成功开发了富含VitaminA前体的基因重组水稻 被称之为Goldenrice 通过基因重组技术获得高赖氨酸转基因玉米 高面筋蛋白小麦等 果蔬品质的改良 第三阶段的转基因食品是以研究增加食品中的功能因子和增加食品的免疫功能 目前的研究主要集中在 乙肝疫苗 HBsAg基因已在番茄 马铃薯 烟草 羽扇豆和莴苣中表达 乙肝病毒表面蛋白M基因也在马铃薯和番茄中成功表达 乳汁中含有人生长激素的转基因牛 阿根廷 霍乱病菌疫苗 在马铃薯中转入霍乱弧菌毒素B亚单位 CTB 基因 在块茎和叶片中CTB的最高表达量可达30 g g 狂犬病疫苗 狂犬病是由狂犬病病毒引起的致命传染病 目前已经将RV糖蛋白基因转入番茄中 并得到了转基因番茄 但RV糖蛋白表达量还很低 如何提高表达量的研究正在进行 结核病疫苗 轮状病毒疫苗 基因食物疫苗与常规疫苗及其他新技术疫苗相比 具有以下独特的优势 生产简单 没有其他病原污染 可以食用 贮存简单 使用安全 不污染环境 二 现代生物技术的展望 基因重组操作技术将更进一步完善 基因工程药物和疫苗的研究与开发将会突飞猛进 转基因动植物将会取得重大突破 生命基因组计划将在许多生命领域展开 但重点集中在与人类活动密切相关的领域 如人类重大疾病 农业和食品等 基因治疗将会取得重大进展 有可能革新整个疾病的预防和治疗领域 蛋白质工程 酶工程 发酵工程将在基因工程的基础上达到长足的发展 它们将会把分子生物学 结构生物学 计算机技术 信息技术 现代工程技术等有机的结合起来 形成一个相互包含 相互依赖的高度综合的学科 信息技术渗透到生物技术的领域中 形成引