基因工程在食品工业中的应用.doc

xxxxx技术学院毕业论文题目：基因工程在食品工业中的应用系 别 食品工程系 专 业 生物技术与应用 班 级 生物技术应用1班 学生姓名 学 号 指导教师姓名 指导教师职称 2011 年 月 日- 1 -目 录摘要II1 基因工程的技术溯源- 1 -1.1 基因工程的定义- 1 -1.2 基因工程的技术溯源- 1 -2 基因工程技术在食品工业中的应用- 2 -2.1 改善食品原材料品质- 2 -2.2 改良食品营养品质- 3 -2.3改良微生物菌种的性能- 4 -2.4生产特殊食品植物免疫食品- 4 -2.5改善发酵食品的品质与风味- 5 -3 基因工程技术食品的安全性- 5 -31 基因工程食品的安全性问题- 6 -32 基因工程食品的安全性管理- 6 -4 展望- 7 -参考文献- 7 -致谢- 8 -I基因工程在食品工业中的应用摘要:基因工程是生物技术领域的先导技术，已渗透到农业、食品工业、医药业等行业，深刻影响着人类本身及社会进程。本文介绍了基因工程在食品工业中的应用，展望了基因工程技术在食品工业中的安全和发展前景。关键词:基因工程 食品工业 应用Application of genetic engineering in food industry applicationWang Shuyang Abstract:Genetic engineering is the field of biotechnology the forerunner technique, has infiltrated into the agriculture, food industry, pharmaceutical industry and other industries, has profound implications for human and social process. This paper introduces the application of genetic engineering in food industry application, prospect of gene engineering technology in food industry safety and development foreground.Key word:genetic engineering food industry application- 9 -漯河职业技术学院食品工程系毕业论文1 基因工程的技术溯源1.1 基因工程的定义基因工程(gene engineering)是指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其它载体分子，构成遗传物质的新组合，并使之导入到原先没有这类分子的寄主细胞内，而能持续稳定地繁殖。关于基因工程所使用的术语也还没有很好地统一，常用的还有遗传工程(genetic engineering)、基因操作(gene manipulation)、重组DNA 技术(recombinant DNA technique)、基因克隆(gene cloning)和分子克隆(molecular cloning)等1。基因工程主要包括两个步骤：首先是从某些生物细胞中取得所需要的DNA片段，或在人工控制下合成目的基因，并与载体进行体外重组；然后将重组的DNA转化到受体的活细胞中去，改变受体细胞的遗传特性。运用基因工程技术对动物、植物、微生物的基因进行改良，不仅可以为食品工业提供丰富的动植物原材料、性能优良的微生物菌种以及高活性、价格低廉的酶制剂而且还可以赋予食品多种功能、优化生产工艺和开发新型功能性食品。1.2 基因工程的技术溯源1857年至1864年，孟德尔通过豌豆杂交试验，提出生物体的性状是由遗传因子控制的。1909年，丹麦生物学家约翰生首先提出用基因一词代替孟德尔的遗传因子。1910年至1915年，美国遗传学家摩尔根通过果蝇试验，首次将代表某一性状的基因同特定的染色体联系起来，创立了基因学说2。20世纪50年代初开始，由于分子生物学和生物化学的发展，对生物细胞核中存在的脱氧核糖核酸(DNA)结构和功能有了比较清晰的阐述。70年代初实现了DNA重组技术或称为克隆技术，逐步形成了以基因工程为核心内容，包括细胞工程、酶工程、发酵工程的生物技术。这一技术发展到今天，正在形成产业化并成为世界领先专业技术领域之一，广泛应用于食品、医药、化工、农业、环保、能源和国防等许多部门，并日益显示出其巨大的潜力，将为全球面临的蛋白质缺乏、能源、环保和癌症治疗等问题的解决提供广阔的应用前景。1973年美国斯坦福大学和旧金山大学医学院Coken和Boyer两位科学家成功地实现了DNA分子重组试验，揭开了基因工程发展序幕。1982年转基因“超级鼠”的构建成功，1985年转基因鱼的问世，标志基因工程在食品工业应用的开端，基因工程食品由此走上了历史舞台3。基因工程问世近30年，无论是基础理论研究领域，还是在生产实际应用方面，都已取得了惊人的成绩，给国民经济的发展和人类社会的进步带来了深刻而广泛的影响。2 基因工程技术在食品工业中的应用2.1 改善食品原材料品质2.1.1 转基因植物源食品转基因技术可使植物具有抗病虫害的能力，具有深远的经济意义。土豆原产地在南美，但由于气候和病虫害以及灌溉、肥料、农药等原因，其产量和美国相差很多，利用基因工程技术可以减少这种差距。我国及菲律宾培育出“超级水稻”和“超超级水稻”，为人口日益增长、粮食日益短缺的世界带来一线光明4。DNA重组技术和细胞融合技术相结合，培育出高产、抗病、抗虫、生长快、抗逆、高蛋白的基因改良植物，对食品工业具有重要意义。2.1.2 转基因动物源食品转基因动物尚未达到高等转基因植物的发展水平，但人们仍设法用它来表达高价值蛋白。转基因技术在家畜及鱼类育种上初见成效。中科院水生生物研究所在世界上率先进行转基因鱼的研究，成功地将人生长激素基因和鱼生长的激素基因导人鲤鱼，育成当代转基因鱼，其生长速度比对照快，并从子代测得生长激素基因的表达。中国农大生物学院瘦肉型猪基因工程育种取得初步成果，获得第二、三、四代转基因猪215头。我国已生产出生长速度快、节约饵料的转基因鱼上万尾，为转基因鱼的实用化打下基础。1997年9月上海医学遗传研究所与复旦大学合作的转基因羊的乳汁中含有人的凝血因子，既可以食用，又可以药用，使人类药物研究迈出了重大的一步。2.2 改良食品营养品质在植物食品品质的改良上，基因工程技术得到了广泛的应用，并取得了丰硕成果。主要集中于改良蛋白质、碳水化合物及油脂等食品原料的产量和质量。2.2.1 蛋白质的改良蛋白质是人类赖以生存的营养素之一，植物是人类的主要蛋白供应源，蛋白原料中有65来自植物。与动物蛋白相比，植物蛋白的生产成本低，而且便于运输和贮藏，然而其营养也较低。谷类蛋白质中赖氨酸(Lys)和色氨酸(Trp)，豆类蛋白质中蛋氨酸(Met)和半光氨酸(Cys)等一些人类所必需的氨基酸含量较低。通过采用基因导入技术，即通过把人工合成基因、同源基因或异源基因导入植物细胞的途径，可获得高产蛋白质的作物或高产氨基酸的作物5。Yang等合成了一个292个bp的能编码高含量必需氨基酸DNA(high essential amina acid ecoding DNA),再把HEAAC-DNA导入马铃薯细胞中去，该基因在马铃薯细胞中能表达，表达水平为HEAA 蛋白占总蛋白的0.35。l990年Clercq等用Met密码子序列取代了拟南芥菜2s白蛋白的可重复区域，所获得的转基因拟南芥菜可生产富含Met的2s白蛋白6。这些工作说明通过导入人工合成基因来修饰编码蛋白质的基因序列，来提高蛋白质中必需氨基酸含量是可行的。2.2.2 碳水化合物的改良对碳水化合物的改进，只有通过对其酶的改变来调节其含量。高等植物体中涉及淀粉合成的酶类主要有: ADPP葡萄糖焦磷酸酶(ADP- GPP)、淀粉合成酶(SS)和分支酶(BE)。通过反义基因抑制淀粉分支酶，可获得完全只含直链淀粉的转基因马铃薯。Monsanto公司开发了淀粉含量平均提高了20% -30%的转基因马铃薯。油炸后的产品更具马铃薯风味、且吸油量较低7。2.2.3 油脂的改良对油脂品质的改善主要集中在两个方面：控制脂肪酸的链长和饱和度。油脂的酸败是导致油脂品质下降的主要原因。目前已知豆类中的脂氧合酶在酸败过程中扮演重要角色。美国DuPont公司通过反义抑制或共同抑制油酸酯脱氢酶，开发成功高油酸含量的大豆油。这种新型油含有良好的氧化稳定性，很适合用作煎炸油和烹调油。导入硬脂酸-ACP脱氢酶的反义基因，油菜种子中硬脂酸的含量从2%增加到40%硬脂酸-COA可使转基因作物中的饱和脂肪酸 (软脂酸、硬脂酸 )的含量下降，不饱和脂肪酸(油酸、亚油酸 )的含量增加，其中油酸的含量可增加7倍8。2.3改良微生物菌种的性能发酵工业关键是优良菌株的获取，除选用常用的诱变、杂交和原生质体融合等传统方法外，还与基因工程结合，大力改造菌种，给发酵工业带来生机。食品工业如酒类、酱油、酱类、食醋、乳酸菌饮料等的发展，关键在于是否有优良的微生物菌种，应用基因工程、细胞融合及传统微生物突变育种技术从事发酵菌种的改良研究已为数不少。例如：乳酸菌(Lactic acid bacteria)常被用于食品发酵加工上，不但富含营养且具降低胆固醇、低热量等优点。Rugter等人将噬菌体中的LytA及LytH基因和NisA启动子连接后，转形至1 L acbis（ACBIS就是经由粒状陶瓷球流动相互碰撞之后产生微弱的电子能量,，并且依流动电解法的原理,使水的渗透力,表面张力,氧化还原电位等物性改变的活水装置），得到一株安定的转性株。当乳酸链球菌素(乳链菌肽)加入后，就会启动NisA启动子，使之产生溶菌酶LytA及穿孔素蛋白质LytH9。LytH会使细胞膜形成孔洞，而LytA由这些孔洞渗透出来后即可行使分解细胞壁的功能，最后导致细胞壁快速有效分解。将此基因与形成风味剂的基因(如肽酶、酯酶及氨基酸转化酶)合用，在食品工业应用上具有很大的吸引力，其商业化指日可待15。2.4生产特殊食品植物免疫食品用转基因植物生产基因工程疫苗食品疫苗是当前食品生物技术研究的热点之一。食品疫苗就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受体细胞中，并使其在受体植物细胞中得以表达，从而使受体植物直接成为具有抵抗相关疾病的疫苗。用转基因植物生产的疫苗保持了重组蛋白的理化特征和生物活性。有的须提纯后作疫苗使用，有的则不经提纯即可直接食用。如口服不耐热肠毒素转基因马铃薯后即可产生相应抗体。目前，已获成功的还有狂犬病病毒、乙肝表面抗原、链球菌突变株表面蛋白等十多种转基因马铃薯、香蕉、番茄的食用疫苗。由于这些重组蛋白基因可以长期地储存于转基因植物的种子中，十分有利于疫苗的保存、生产、运输和推广。因此转基因植物作为廉价的疫苗生产系统，虽然才刚刚起步，却具有很好的发展潜力8。2.5改善发酵食品的品质与风味酱油风味的优劣与酱油在酿造过程中所生成氨基酸的量密切相关，而参与此反应的羧肽酶和碱性蛋白酶的基因已克隆并转化成功，在新构建的基因工程菌株中碱性蛋白酶的活力可提高5倍，羧肽酶的活力可大幅提高13倍。另外，在酱油酿造过程中，木糖可与酱油中的氨基酸反应产生褐色物质， 从而影响酱油的风味8。而木糖的生成与制造酱油用曲霉中木聚糖酶的含量与活力密切相关。现在，米曲霉中的木聚糖酶基因已被成功克隆。用反义RNA 技术抑制该酶的表达所构建的工程菌株酿造酱油，可大大地降低这种不良反应的进行，从而酿造出颜色浅、口味淡的酱油，以适应特殊食品制造的需要。双乙酰是影响啤酒风味的重要物质，当啤酒中双乙酰的含量超过阈值(0.020.10mg/L)时，就会产生一种令人不愉快的馊酸味，严重破坏啤酒的风味与品质。Sone等用乙醇脱氢酶的启动子和穿梭质粒载体Yep13将产气肠杆菌-乙酰乳酸脱羧酶基因导入啤酒酵母，并使其表达。但由于用此法所构建的基因工程菌株中-乙酰乳酸脱羧酶基因是存在于酵母的质粒而不是染色体上，因而使该基因易于随着细胞分裂代数的增加而发生丢失，造成性能的不稳定。因此，Yam ano 等将外源的-乙酰乳酸脱羧酶整合入啤酒酵母的染色体中，从而构建了能稳定遗传的转基因啤酒酵母。使用这2种转基因酵母酿制啤酒，都能明显地降低啤酒中的双乙酰含量，而且不会对啤酒正常风味和酿造过程中的其他发酵性能造成不良影响8.10.11。3 基因工程技术食品的安全性1998年，英国阿伯丁罗特研究所普庇泰教授研究报道，幼鼠食用转基因马铃薯后，会使内脏和免疫系统受损，这是对转基因食品最早提出的有科学证据的质疑12。虽然1999年5月英国皇家学会宣布此项研究没有任何有利的证据，但它还是在全世界范围内引发了对转基因食品安全性的讨论。31 基因工程食品的安全性问题食品中的DNA及其降解产物对人体无毒害作用。任何基因都由4种碱基组成，目前转基因食品中所使用的外源基因，不管其来源如何，其组成与普通DNA并无差异。此外，外源基因在转基因食品中的含量很少，例如通过食用转基因番茄而被摄入人体内的外源基因的数量不超过3310-4 1010-4gd，可见通过食用转基因食品而摄人体内的外源基因的数量与消化道中持续存在的来源于其它食品中的DNA数量相比是微不足道的。因此，转基因食品中的外源基因本身不会对人体产生直接毒害作用。外源蛋白质的安全性需考虑其直接毒性、过敏性、因蛋白的催化功能而产生的副作用13。引起食品过敏症的大多数转基因食品中都引入一种或几种蛋白质，它们在加工、烹调和食用过程中相对稳定，这些异种蛋白有可能引起食品过敏，特别是对儿童和过敏体质的成人。有报道，对巴西坚果过敏的人食用转人巴西坚果基因的大豆后过敏。目前被批准商业化生产的转基因食品中的外源基因都必须通过相关的试验，分析基因表达蛋白的化学组成、含量、每天摄人量以及在消化道的稳定性。例如转基因延熟番茄Flavrsavrtm中外源基因编码产生的外源蛋白质经与有关的毒性蛋白质进行同源性比较，未发现与已知的毒性蛋白质具有同源性6。由于外源基因含量很低，其编码的蛋白质数量也很小，只占番茄果实中总蛋白含量的0.08，因此人体每天摄入的外源蛋白质的数量不超过25 74/(kgd)。用该外源蛋白质进行小白鼠急性毒性试验的结果表明，饲喂量达500 mgkg体重时，未产生不利影响。所以从外源蛋白质的毒性方面看，食用转基因番茄Flavrsavrtm不会产生安全问题。此外，体外模拟试验证明，Flavrsavrtm中外源蛋白质的稳定性较差，在模拟胃的条件下( pH 1.2的胃蛋白酶溶液，37)，该蛋白在10s内被降解，目前亦无证据说明该蛋白降解产生的多肽比其它蛋白降解后的多肽毒性大14。3.2 基因工程食品的安全性管理对转基因食品的安全性进行正确的评估和科学的管理，是生物技术发展所必须的。2001年1月29日生物多样性公约缔约国通过了卡塔赫纳生物安全协定书，将严格的知情同意程序即审批制度用于有意引入环境的转基因农产品。2001年5月9日，我国国务院第38次常务会议通过了农业转基因生物安全管理条例，同年5月23日，朱镕基总理签发了中华人民共和国国务院令(第304号)，对该条例予以公布，从公布之日起施行16。条例在1993年12月原国家科委颁布的基因工程安全管理办法)的基础上，进一步给出了农业转基因生物的范围，对农业转基因生物的研究试验、生产加工、经营、进口出口以及监督检查都做出了详细的规定。这保证了在以后对农业转基因生物的生产和管理上有法可依、有据可循。4 展望基因工程技术是一门诞生不久的新兴技术，正如其它一些新技术的产生过程一样，由于人们一开始对新技术的了解程度不够，由此而产生的疑虑和争论是可以理解的，更何况基因工程技术研究的产品与人类健康息息相关。虽然现在对基因工程技术仍有许多争论，但目前科学界已基本上达成共识，即基因工程本身是一门中性技术，只要能正确地使用该项技术就可以造福于人类。目前，包括我国政府在内的各国政府对基因工程技术在农业和食品工业中的应用都制定了相关的管理条例，因此只要合理地使用，基因工程技术将是发展绿色食品产业的有效手段。可以预言，在2l世纪，以基因工程为核心的生物技术必将给食品工业带来深刻的革命。参考文献1吴乃虎.基因工程原理M.北京：科学出版社，19992周如金，郭华，彭志英.基因工程及其在食品中应用J.粮食与油脂，2002，4:333杨淑芳.发酵工程在农产品加工上的应用J.农业工程技术，2007，(12)：1l-134江梅.生物技术的应用J.生物学通报，1996，6：4-85何水林.郑金贵.农业生物技术在作物品质改良中的应用J福建农业大学学报,2000,(3):2O6Uzogara，Stella G The impact of genetic modification of human foods in the 2 1 st century：A reviewJBiotechnology Advances，2000，1 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